邓志华 郭广银 郑波涛 王新 刘思源
广州市高速公路有限公司 保利长大工程有限公司 北京华路安交通科技有限公司
摘 要：桥梁伸缩缝位置是交通安全防护的薄弱环节，需要设置安全可靠且可协同伸缩的特殊护栏结构 ， 并进行合理评价 。为此，以横门西特大桥为依托 ， 结合工程实际条件及相关科研成果 ， 采用计算机仿真模拟技术 ， 研究桥梁伸缩缝位置护栏结构设计方案，并依据规程要求，对其进行结构安全性能仿真评价和车辆乘员适应性能仿真评价 。仿真评价结果表明：桥梁伸缩缝位置护栏结构方案具有良好的安全防护性能，防护能力达到六(SS)级；桥梁伸缩缝位置护栏结构方案具有良好的车辆乘员适应性能，在碰撞过程中可以对不同类型车辆及乘员进行有效防护 。所得成果可提升大桥伸缩缝位置的安全防护水平，为同类工程提供设计参考 。关键词：桥梁伸缩缝位置护栏;计算机仿真;结构安全性能评价;车辆乘员适应性能评价;
1 概述
伸缩缝是桥面系的重要构件，主要作用是调节由车辆荷载和桥梁构件所引起的上部结构之间的位移和联结，通常设置在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置上，见图1 。
图1 桥梁伸缩缝 下载原图
《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)[1]规定，桥梁护栏应随桥梁主体结构设置伸缩缝，且桥梁护栏横梁的伸缩缝设计要与桥梁伸缩缝的位移相一致，在横梁伸缩缝位置，一方面要保证桥梁能自由地伸缩变形；另一方面要考虑桥梁护栏的结构连续性 。
伸缩缝属于交通安全防护的薄弱位置，伸缩缝位置护栏则是该位置交通事故的最后一道防线 。若伸缩缝位置护栏防护能力不足或结构设计不合理，将无法对事故车辆进行有效防护 ， 极易发生车辆严重绊阻，见图2,甚至冲出桥外的恶性事故，对车辆、乘员、桥梁主体、桥下水域的安全带来严重威胁 。
图2 伸缩缝位置事故形态示例 下载原图
横门西特大桥为南沙至中山高速公路项目控制性工程，见图3 。建成后将成为国内最大跨径独塔斜拉桥，跨径全长912 m, 采用双向6车道，设计速度100 km/h 。该项目主桥两端分别衔接引桥，衔接位置设有伸缩缝，根据设计规范要求及伸缩缝位置使用功能需求，结合工程实际条件(桥梁护栏形式及防护等级、伸缩缝距离、伸缩量要求等),在伸缩缝位置设置安全可靠且可协同伸缩的特殊护栏结构 。
图3 横门西特大桥 下载原图
因此，依托大桥建设工程，采用计算机仿真模拟技术，研究提出桥梁伸缩缝位置护栏结构设计方案，并依据《公路护栏安全性能仿真评价技术规程》(T/GDHS 001—2020)[2]要求，对其进行结构安全性能仿真评价和车辆乘员适应性能仿真评价，提升大桥伸缩缝位置的安全防护水平，并为同类工程提供设计参考 。
2 仿真可靠性验证及评价方法
2.1仿真模型可靠性验证
按车辆实际尺寸建立微型轿车、小型客车、越野车、七座商务车、大型客车及大型货车的仿真模型，见图4(a) 。其中，车身以四边形单点积分壳单元为主，并控制四边形单元翘屈度小于15,长宽比小于4,角度介于45°～135°,三角形单元数量小于5%,最小特征长度5 mm左右；通过试验获得车辆材料属性，采用Cowper-Symons模型考虑材料应变率效应；小型车轮胎胎压0.3 MPa, 大型车轮胎胎压0.8 MPa; 采用基于惩罚函数法Automatic_Single_Surface接触类型解决边界非线性问题[3] 。图4(b)为车辆碰撞护栏过程的仿真与试验对比，由图4(b)可以看出，仿真与试验的车辆运行轨迹、行驶姿态及损坏情况基本一致，验证了车辆模型的准确性和可靠性 。
图4 车辆仿真模型建立及可靠性验证 下载原图
按设计建立桥梁标准段护栏和伸缩缝位置护栏仿真模型，见图5(a) 。其中，钢结构采用shell单元，材料采用非线性材料，螺栓采用Beam单元，材料采用线性材料，护栏模型共约25.0万个单元 ， 25.8万节点 。图5(b)为车辆碰撞后护栏变形的仿真与试验对比 ， 由图5(b)可以看出 ， 护栏变形损坏情况基本相似，验证了护栏模型的准确性和可靠性 。
2.2仿真评价方法
《公路护栏安全性能仿真评价技术规程》[2]给出了适用于伸缩缝位置护栏结构安全性能仿真评价和车辆乘员适应性能仿真评价的具体方法 。(1)伸缩缝位置护栏结构安全性能仿真评价时，应符合的要求为：
采用与模型验证时同种类型的仿真模拟软件；车辆模型应与模型验证时一致，且车辆模型总质量、几何尺寸、重心位置等主要技术参数应符合《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)[4]要求；护栏模型的结构尺寸、材料性能指标、基础和设置条件等应与设计图一致，护栏模型结构长度应与《公路护栏安全性能评价标准》[4]要求一致；车辆碰撞护栏系统总能量变化不得超过5%,沙漏能量不得超过系统初始总能量5%,系统总质量增加不得超过5%;护栏应同时满足《公路护栏安全性能评价标准》[4]中阻挡功能、缓冲功能和导向功能对应的指标要求，方可认定达到相应的防护等级 。
图5 标准段和伸缩缝位置护栏仿真模型建立及可靠性验证 下载原图
同时，根据仿真结果，按照表1对伸缩缝位置护栏结构安全性能进行评价 。
表1 伸缩缝位置护栏结构安全性能评价 下载原图
注：“护栏安全性能指标结果”满足指标要求时，用“○”表示 ， 反之用“
”表示 。