摘要
为了研究无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏的安全性能，该文采用计算机仿真、台车试验及实车足尺碰撞试验相结合的技术手段进行分析论证，提出通过加强支撑块来提高无种植土护栏抗倾覆能力的方案，优先确定了护栏墙体间通铺设置 20 cm 高支撑块的方案，采用最不利的大型货车对护栏方案的安全性能进行评价。结果表明：无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏防护等级达到 SAm 级，在实际应用中可为公路车辆提供有效的安全防护。
Abstract
In order to study the safety of optimized concrete median barrier without planting soil, the technology combining computer simulation, sled test, and full-scale impact test of real vehicles was adopted for analysis and verification. In addition, a scheme was proposed to improve the anti-overturning ability of the barrier without planting soil by strengthening the supporting block, and the scheme of setting a 20 cm-high supporting block between the barrier walls was optimized. The safety of the barrier scheme was evaluated by taking the most unfavorable large truck as an example. The results show that the protection level of the optimized concrete median barrier without planting soil is SAm, and the actual application of barriers will provide effective safety protection for vehicles on highways.
0 引言
高速公路中央分隔带护栏的重要作用是分隔车流、减少事故车辆穿越到对向车道的概率，并降低事故的严重程度[1-4]。混凝土护栏为刚性护栏，较易达到高防护等级，常见的中央分隔带混凝土护栏为分离式，双排护栏墙体间设置种植土[5-7]，应用已非常成熟，车辆穿越这种护栏的事故少见，是一种可靠的中央分隔带护栏结构[8-9]。种植土的设置可以美化环境，并有利于提高护栏墙体抗滑移、抗倾覆能力，但在工程中设置种植土会影响施工效率，为加快施工、节省土体运输，部分工程中央分隔带护栏间不设置种植土，因此结合实际工程需求，需对无种植土工况混凝土护栏进行研究，保证其安全性能满足要求。
基于此，本文采用计算机仿真技术、台车试验及实车足尺碰撞试验对无种植土优化型混凝土护栏安全性能进行研究，并提出一种防护等级达到 SAm 级的无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏结构。
1 原设计混凝土护栏及其安全性能评价
1.1 护栏结构
原设计中央分隔带混凝土护栏结构为：护栏迎撞面为加强型，单排护栏墙体宽度 32.5 cm，路面以上高度 1 m，嵌固深度 10 cm，4 m 预制混凝土墙体，预制混凝土墙体间的纵向连接为背部型钢，护栏迎撞面箍筋为⌀12 mm，背部箍筋为⌀10 mm，箍筋纵向间距 200 mm，纵筋为⌀10 mm。护栏底部设置 4 m 间距 10 cm 高枕梁调平，护栏间设置 2 m 间距 10 cm 高支撑块，上部填充种植土并绿化，护栏设计防护等级为 SAm 级，护栏结构见图1 [10-12]。该护栏墙体宽度减薄，经济性更好，且护栏结构经实车碰撞试验验证，护栏安全可靠。
图1 原设计中央分隔带护栏（尺寸单位：mm）
Figure1 Original design of median barrier (size unit: mm)
1.2 护栏安全性能评价
原设计中央分隔带混凝土护栏通过了实车足尺碰撞试验和计算机仿真验证，SA 级护栏碰撞条件见表1，碰撞结果如图2~4 所示。
表1 SA 级护栏碰撞条件
Table1 Impact conditions for SA-level barrier
图2 小型客车碰撞
Figure2 Car impacting barrier
图3 大型客车碰撞
Figure3 Bus impacting barrier
图4 大型货车碰撞
Figure4 Truck impacting barrier
从图2~4 可以看出：护栏墙体有损坏，但未出现滑移和倾覆的现象，护栏协同受力作用较好，且具有良好的抗滑移和抗倾覆能力，护栏各项指标满足评价标准[13]，防护能力达到 SAm 级。
通过将小型客车仿真与实车足尺碰撞试验结果对比（表2），验证仿真模型的准确性。
表2 小型客车缓冲指标
Table2 Buffer index of car
2 无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏探索
2.1 护栏间设置合理支撑块的重要性
对于无种植土优化型混凝土护栏结构，黄正昌[21]在槽形中分带混凝土护栏支撑块功能分析中，对双排护栏间有无支撑块进行了分析，表明支撑块能传递车辆碰撞的冲击力，使两道护栏达到协同防护作用，防止护栏的倾覆并改善车辆行驶姿态。
为进一步研究双排护栏间设置合理支撑块的重要性，结合类似无种植土混凝土护栏，采用质量 2 t 的台车，按照与 SAm 级实车足尺碰撞试验破坏力相当的试验条件[22]，以 20 km/h的速度碰撞试验护栏顶部。
台车试验 1 如图5 所示，可见台车碰撞后试验护栏倾覆，说明须布设合理的支撑块，加强嵌固基础稳定性，提高护栏抗倾覆能力。
图5 台车试验 1
Figure5 Sled test 1
台车试验 2 如图6 所示[23]，可见台车碰撞后虽然护栏顶部有损坏，但墙体基础表现稳固，没有发生倾覆现象，验证了设置合理高度支撑块的重要性。
图6 台车试验 2
Figure6 Sled test 2
2.2 无种植土优化型护栏安全性能研究
取消原设计中央分隔带优化型混凝土护栏间的种植土，其他结构不变，按照 SAm 级碰撞条件进行仿真计算，结果见图7。
图7 2 m 间距 10 cm 高支撑块护栏仿真分析结果
Figure7 Simulation analysis of 10 cm-high supporting block barrier with distance of 2 m
由图7 可见：护栏成功防护了小型客车，但对大型车防护效果不佳，大型客车碰撞后车辆导出，护栏未发生滑动，但护栏墙体倾覆，反映出 2 m 间距 10 cm 高支撑块可使双排护栏协同受力，护栏具有抗滑移能力，但抗倾覆能力弱；大型货车碰撞后车辆在甩尾侧翻，护栏墙体同样发生倾覆，进一步说明了护栏抗倾覆能力不足。同时从仿真碰撞过程可以看到最不利防护的车型为大型货车。
双排护栏间不设置种植土时，支撑块发挥更主要的作用。为加强支撑块的作用，同时提高护栏的抗倾覆能力，提出以下两种支撑块加强方案：方案 ①，对支撑块的布置进行加密，1 m 间距 10 cm 高支撑块；方案②，对支撑块进行加高，2 m 间距 20 cm 高支撑块。采用最不利的大型货车进行两种方案的车辆碰撞仿真分析，结果如图8 所示。
图8 两种支撑块方案仿真分析结果
Figure8 Simulation analysis of two supporting block schemes
由图8 可知：两种方案都成功防护了车辆，但运行姿态不佳，车辆甩尾后慢慢回正且导出。两种方案的大型货车在甩尾时，均出现严重侧倾，护栏也发生变形，方案①车辆侧倾及护栏变形都更为明显。
从两种支撑块方案仿真分析中反映了对支撑块进行加密或加高是提高无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏防护能力的有效方法，这两种方案均可将车辆碰撞的冲击力传递到对向护栏，使双排护栏具备协同受力作用，但护栏抗倾覆能力还较弱。
还须对支撑块进一步加强，结合加高和加密方案，且使护栏具有一定安全储备，因此提出方案③：通铺 20 cm 高支撑块。采用最不利的大型货车进行车辆碰撞仿真分析，结果如图9 所示。由图9 可知：方案③成功防护车辆，且方案③与方案①、②相比，对车辆外倾和护栏变形的改善作用更显著，说明方案③支撑块加强方式使双排护栏协同受力效果更优，护栏抗倾覆能力更好。
图9 方案③仿真分析结果
Figure9 Simulation analysis of scheme ③
在进一步分析（图10）中，方案③对小型客车和大型客车也均起到了良好的防护效果，各项指标满足评价标准要求。
图10 方案③小型客车、大型客车仿真分析结果
Figure10 Simulation analysis of car and bus in scheme ③
2.3 优选的护栏结构方案
通过研究无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏结构安全性能，优选出无种植土护栏结构，在双排护栏间设置 20 cm 高通铺支撑块，护栏墙体尺寸、配筋、纵向连接与原设计护栏一致，护栏结构见图11。
图11 优选护栏结构（尺寸单位：mm）
Figure11 Structure of optimal barrier (size unit: mm)
3 无种植土优化型混凝土护栏安全性能评价
根据上述仿真分析及已通过实车足尺碰撞试验的 SAm 级混凝土护栏试验资料和对比分析，选择最不利车型——大型货车，按照 SA 级试验条件进行实车碰撞试验检测，验证无种植土中央分隔带混凝土护栏间设置 20 cm 高通铺支撑块的安全防护能力。试验护栏为双排，单侧安装 10 节，总长度 40 m，混凝土护栏及支撑块强度等级为 C30，护栏间通过 M24 预埋螺栓及型钢连接，建设的试验护栏见图12。
图12 建设的试验护栏
Figure12 Construction of test barrier
从碰撞护栏过程[图13（a）]可见，护栏碰撞后顺利导出，且未翻车，护栏具有阻挡和导向功能；从碰撞后护栏损坏图[图13（b）]可见，碰撞区试验护栏顶部阻爬坎破损，钢筋外露，车辆与护栏刮擦长度为 15.25 m，护栏间 20 cm 高通铺支撑块出现裂纹，但护栏背部纵向连接构件完好，无弯折和扭转现象，说明护栏整体稳定性较好；从车辆损坏图[图13（c）]可见，车辆前保险杠损坏，碰撞侧前大灯破损，车体刮擦损坏。
图13 实车碰撞试验图
Figure13 Impact test drawing with real vehicle
表3 为测量的实车碰撞试验变形指标值。
表3 大型货车碰撞护栏试验所得部分参数
Table3 Some parameters for test of truck impacting barrier
经实车碰撞试验，护栏各项测试参数符合评价指标要求，防护等级达到 SAm 级。
4 与原设计护栏安全性能的对比
无种植土优化型护栏与原设计护栏防护性能经验证均达到 SAm 级，将大型货车碰撞这两种护栏的试验结果进行对比，如图14 所示。两种护栏均成功防护住大型货车，未发生较大外倾，行驶姿态较为接近；两次碰撞试验均为在护栏顶部发生局部的混凝土破损和钢筋外露，未影响护栏整体，说明有无种植土对护栏破坏的影响基本相当。结合实际工程需求，合理选择护栏形式。
图14 实车试验碰撞对比图
Figure14 Comparison between tests of real vehicles impacting barrier
5 结论
（1）原设计中央分隔带混凝土护栏安全可靠，防护能力达到 SAm 级，直接取消种植土不能满足安全应用需求。
（2）支撑块的设置可传递车辆碰撞的冲击力，使护栏具备较好的协同受力作用及抗滑移能力，通过加强可提高护栏的抗倾覆能力。
（3）采用 20 cm 高通铺支撑块方案的无种植土中央分隔带优化型混凝土护栏防护等级达到 SAm 级，可在实际工程应用中提供可靠的安全防护。
