3.5 结构设计标准

3.5.1 公路交通安全设施通过某种特定的结构为载体实现其警告、提示、诱导、隔离、防眩、防护等功能,因此结构的受力安全是交通安全设施发挥功能的基础。交通安全设施结构设计是根据结构所受作用进行受力验算的过程,也是交通安全设施设计的内容之一。
    公路交通安全设施结构类型多种多样,涉及作用种类众多,表3.5.1列出了进行交通安全设施结构受力验算时主要考虑的作用。对于其他作用,例如混凝土护栏的收缩及徐变作用,目前尚不具备进行计算的条件,因此未列入表3.5.1中,但在设计中仍需要考虑这类作用对结构使用可能产生的影响而采用相应的构造处理措施。

3.5.2 结构设计安全等级是根据结构破坏可能产生后果的严重程度划分的等级,体现了不同结构的可靠度差异,现行《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283)规定公路工程结构的设计安全等级包括一级、二级和三级。根据交通安全设施结构破坏可能产生后果的严重程度,其设计安全等级规定为二级和三级,表3.5.2列出了不同安全等级对应的交通安全设施类型。设计人员电可以根据交通安全设施所处位置的具体情况,与建设单位商定调整结构设计安全等级,但不能低于表3.5.2规定的等级。

3.5.5 阻挡功能是护栏最基本和最重要的功能,根据汽车碰撞荷载按承载能力极限状态的偶然荷载效应组合进行设计验算,能够大体估算出护栏能否有效阻挡该防护等级的碰撞车辆,而护栏缓冲功能和导向功能的检验需要经过实车足尺碰撞试验。
    车辆碰撞护栏时,碰撞荷载的作用点是沿着护栏迎撞面移动的,并随时间而变化,在整个碰撞过程的不同时间点(例如客车头部接触护栏、货车驾驶室和车厢前部接触护栏、客车和货车驶离护栏时车辆尾部接触护栏)出现碰撞力峰值。但在客车头部、货车驾驶室和车厢前部接触护栏时车辆穿越护栏的可能性最大,车辆驶离护栏时已改变行驶方向,穿越护栏越出路外的危险性降低,所以取客车头部、货车驾驶室和车厢前部接触护栏时的碰撞力峰值作为设计碰撞荷载。
    车辆碰撞护栏是十分复杂的过程,到目前为止尚没有精确计算方法来进行描述。车辆碰撞护栏常用的数学模型见图3-1,该数学模型的建立基于以下基本假设:
    (1)从车辆碰撞护栏起到车辆改变方向平行于护栏止,车辆的纵向和横向加速度不变;
    (2)车辆的竖向加速度和转动加速度忽略不计;
    (3)车辆改变方向平行于护栏时车辆的横向速度分量为0;
    (4)车辆在改变方向时不发生绊阻;
    (5)车辆碰撞护栏期间容许车辆发生变形,但车辆的重心位置不变;
    (6)车辆近似为质点运动;
    (7)刚性护栏的变形值D=0,半刚性护栏和柔性护栏的变形值D>0;
    (8)车辆与护栏、车轮与路面的摩擦力忽略不计;
    (9)护栏连续设置。


图3-1 车辆与护栏碰撞的数学模型

    式中:F横max——车辆作用在护栏上的最大横向力(kN);
          m——车辆质量(kg);
          v1——车辆的碰撞速度(m/s);
          θ——车辆的碰撞角度(°);
          C——车辆重心距前保险杠的距离(m);
          b——车辆宽度的一半(m);
          D——护栏的最大横向动态变形值(m),混凝土护栏D=0,金属制护栏D=0.3~0.6m。
    为验证式(3-1)和式(3-2)预测的精度,美国曾用其预测的横向碰撞荷载与碰撞试验实测的碰撞荷载相比较,得出公式的预测精度为±20%,如表3-1。从表3-1可见,对于小汽车,式(3-1)和式(3-2)预测的碰撞荷载和试验的实测值很相近。英国桥梁护栏标准中护栏的设计荷载就直接采用式(3-2)的计算值。

表3-1 刚性护栏横向碰撞荷载(碰撞速度96km/h,θ=15°)

    日本现行车辆用刚性护栏碰撞荷载如表3-2。日本金属制桥梁护栏碰撞试验的结果如表3-3。

表3-2 日本刚性护栏碰撞荷载


表3-3 日本金属制桥梁护栏试验条件和结果

    美国对钢筋混凝土墙式护栏碰撞试验的结果如图3-2、图3-3和表3-4,美国推荐的设计荷载分布如图3-4和表3-5。


图3-2 混凝土墙式护栏的碰撞过程

表3-4 混凝土护栏碰撞试验结果




表3-5 刚性护栏推荐的极限设计荷载

图3-3 接触应力的分布

    我国桥梁护栏试验中实测碰撞荷载的结果如表3-6,根据式(3-2)计算的各试验碰撞条件的大、中型车辆的横向碰撞力最大值计算结果如表3.5.5所示,车辆总质量、碰撞速度、碰撞角度、车辆重心距前保险杠的距离以及车辆宽度等数据与《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)的相关要求一致。


图3-4 刚性护栏推荐的极限设计荷载

表3-6 我国刚性护栏碰撞荷载的实测结果

    通过不同国家刚性护栏碰撞荷载的比较,我国实测的护栏碰撞荷载最大,英国和日本最小,美国居中。依据表3-9的各防护等级横向碰撞力最大值计算结果,参考实车碰撞试验测得的碰撞力数据,在对比国外规范相关规定的基础上,制订出表3.5.5的桥梁护栏汽车碰撞荷载标准值,其中防护等级二(B)级和六(SS)级维持2006版《设计规范》的规定,调整了防护等级三(A)、四(SB)级和五(SA)级的规定值,增加对一(C)级、七(HB)级和八(HA)级三个新增防护等级的碰撞荷载标准值规定。
    根据我国部分桥梁护栏的实车碰撞试验结果(图3-5)、试验车辆的主要技术参数,并参考美国2012版AASHTO LRFD Bridge Design Specifications中关于桥梁护栏荷载分布长度的规定,为便于桥梁护栏试件的设计和新型桥梁护栏的开发,在2006版《设计规范》的基础上,增加了桥梁护栏分布长度的内容。
    本规范提供的汽车碰撞荷载主要用于研发新的桥梁护栏试件。由于碰撞荷载的大小取决于护栏的变形和复杂的构件之间的相互作用,因此仅靠理论分析设计护栏依据并不充分。根据碰撞荷载设计的护栏试件还要按照现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)的规定通过实车足尺碰撞试验对其阻挡、缓冲和导向功能进行评价。

3.5.6 承载能力极限状态一般是以结构的内力超过其承载能力或不适于继续承载为依据,例如汽车碰撞后护栏构件折弯或断裂、汽车碰撞后路基护栏基础的滑移倾覆或桥梁护栏的翼缘板破坏、交通标志支撑结构在风荷载作用下立柱弯曲倾覆、突起路标被车轮压碎等。


图3-5 桥梁护栏各测点的最大应变测量值

    正常使用极限状态一般是以结构的变形、裂缝、振动参数超过正常使用或耐久性能允许的限值为依据,交通安全设施结构的正常使用极限状态设计主要考虑结构的变形超过允许的限值,尤其是交通标志、隔离栅、防眩设施、防风栅、防雪栅、桥梁隧道限高架等在风荷载和温度作用下的变形。
    对所考虑的极限状态,需要按照现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60)的有关规定,对所有可能同时出现的荷载加以组合,求得组合后在结构中的总效应,并在所有可能组合中取其中最不利的一组作为该极限状态的设计依据。