當前高速公路波形護欄采用的結構形式主要包括雙波或三波波形板、防阻塊以及圓柱型鋼立柱。為提高護欄在各種不同自然環境下的使用壽命,必須對鋼材進行防腐處理,除增加了養護維修費成本外,有些防腐處理還會產生重金屬汙染。此外,護欄因常規更換、事故損壞、道路改建替換等原因,每年產生的廢舊護欄量很大。因廢舊鋼材價格下降,材料循環再利用問題也日益突顯。與交通運輸部在實施綠色公路建設中要求的積極推動廢舊材料的循環再生利用、加強生態保護以及突出全壽命周期成本等指導意見形成尖銳矛盾。
提出將抗腐蝕性好、無需防腐處理的一種新型高強度鋁合金材料用於設計波形梁護欄(以下簡稱新型護欄),不僅能夠有效避免鋼護欄防腐汙染和再利用率低的不足,而且可以降低護欄的全壽命周期成本。
以目前國內高速公路廣泛使用的三級波形梁護欄作為研究對象,根據JTG/TD81—2017《公路交通安全設施設計細則》確定的防護等級為A級的波形梁護欄要求,擬采用的新型高強度鋁合金的強度與鋼材相似,且達到7系鋁材的強度值,該護欄的波形梁板、立柱、托架或防阻塊、加勁肋等構件均采用新型高強鋁合金材料制成,僅高強連接螺栓采用鋼制。
采用該材料作為結構構件,應考慮材料彈性模量較小、材料剛度不足引起的結構變形和穩定性問題,考慮鋁合金材料剛度較低問題,通過增大截面的幾何尺寸以彌補結構剛度不足,控制鋁制護欄的變形。基於規範中A級三波梁護欄的結構,在仿真分析中考慮將立柱尺寸增加為Φ140mm×6mm,梁板為506mm×85mm×5mm.
西安護欄網廠家根據多年實際應用情況分析,分段生產的波形梁護欄是經高強螺栓拼接而成,在碰撞以後發生剪切斷裂破壞的幾率很小,因此在建模中將波形梁護欄處理為一整體。建立長度為72m、立柱間距為4m的三波梁護欄模型,根據文獻規定的三級波形梁護欄的結構形式,立柱全長2500mm,埋入地下深度1650mm。相比於護欄立柱長度,護欄梁板、立柱等構件厚度很小,采用殼單元;考慮護欄碰撞是大變形問題,為有效提高計算速度,采用面內單點積分。在碰撞產生的動力荷載作用下,應變率對護欄的影響很大,因此模型中護欄材料選擇24號材料。
通過對新型護欄的碰撞能力仿真分析,表明該護欄網標準段結構可達到現行規範中的A級要求,防護能力達到160kJ。新型高強度鋁合金再利用率和回收剩余價值較高,能夠有效促進廢舊護欄的循環使用,節約資源、降低護欄的全壽命周期成本;其耐腐蝕強的優點能避免防腐處理產生的重金屬汙染,為解決安全設施防銹汙染提供一種新思路,可有效促進綠色公路在交通安全設施方面的發展。