一种钢护栏的设计方法与流程

本发明涉及公路安全防护技术领域，具体涉及一种钢护栏的设计方法。

背景技术：

随着目前交通越来越发达，汽车已经成为人们生活不可割裂的一部分，而随着每年交通事故的上升，交通行车安全问题逐渐被人们关注。其中，防撞护栏是公路行车安全的重要保障设施之一，目前公路钢结构桥的护栏一般优先采用梁柱式设计，梁柱式防撞护栏的传统设计方法主要是通过选择合适的构件截面使得防撞护栏的弹性承载能力大于设计防撞力，然后设计出一种护栏与主结构的等强甚至超强度的可靠连接。

上述设计方法虽然强度可满足防撞要求，然而存在明显的缺陷，首先，在发生安全事故防撞护栏经受撞击时，其缺乏对钢桥面板的保护，且破坏方式多样，在事故发生时，钢护栏受到的巨大的局部撞击力最终可能会将护栏横梁、立柱连同钢桥面板一起损坏，而钢桥面的维修远远比护栏的维修耗时耗力，并且维修时往往还对交通造成极大干扰，一旦被破坏，修复成本高，难度大；其次，其破坏模式不可控，最终破坏形态多种多样，甚至有可能会发生大片立柱屈服而横梁仍处于弹性工作状态的情况。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种钢护栏的设计方法，保证在发生撞击钢护栏的事故时能够引导钢护栏朝设计给定的破坏形态发生，并且能保护桥面板，减小护栏维修量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

所述钢护栏包括多根并排设置的立柱，每相邻两根所述立柱之间从下至上设有多根横梁，所述立柱的底部设有底座，所述底座下方依次设有预埋板和桥面板，其特征在于，该方法包括以下步骤：

根据所述钢护栏的防撞等级确定所述钢护栏的横向分布长度lt；

根据所述钢护栏对应的防撞车辆的参数确定横梁的构造高度y以及每相邻两根所述立柱之间的分布间距l；

根据lt和l计算撞击时的最小破坏的立柱数nmin，根据lt、l、nmin和yn计算所述立柱与横梁的塑性承载力之比λ，在满足所述钢护栏的总体塑性承载力安全系数k1＞1.1前提下，根据λ确定所述横梁的截面尺寸和所述立柱的截面尺寸；

配置所述钢护栏的总体塑性承载力安全系数k1、所述立柱与底座之间的连接强度安全系数k2、所述预埋板的承载力安全系数k3、所述预埋板与桥面板的连接安全系数k4和所述桥面板的抗弯承载力安全系数k5，使k2最小并满足1＜k2＜1.05，且使k5最大并满足k5＞1.3。

在上述技术方案的基础上，根据lt、l、nmin和yn计算所述立柱与横梁的塑性承载力之比λ，具体过程包括：

根据撞击中心的位置和yn、lt、l，确定破坏立柱数为n时钢护栏总体承载能力r1(n)与λ的关系；

根据nmin和r1(n)计算所述立柱与横梁的塑性承载力之比λ。

在上述技术方案的基础上，当撞击中心位于所述立柱时，所述钢护栏总体承载能力r1(n)满足

当撞击中心位于所述横梁跨中时，所述钢护栏总体承载能力r1(n)满足

其中mb为所述横梁的塑性承载力，y为横梁的构造高度yn的加权平均值。

在上述技术方案的基础上，根据公式：

计算撞击时最小破坏的立柱数nmin。

在上述技术方案的基础上，根据nmin和r1(n)计算所述立柱与横梁的塑性承载力之比λ，具体过程包括：

确定式(1)和式(2)均满足

r1(n+2)>r1(n)；(4)

当所述钢护栏的立柱数量呈偶数破坏时，根据式(1)和式(4)，λ与n的关系满足

当所述钢护栏的立柱数量呈奇数破坏时，根据式(2)和式(4)，λ与n的关系满足

将式(5)或式(6)中的n取值为nmin，得到在所述钢护栏被撞击破坏立柱数最小时的λ的最小值。

在上述技术方案的基础上，根据λ确定所述横梁的截面尺寸和所述立柱的截面尺寸，具体包括：

根据公式r1(n)＝k1ft确定r1(n)的取值范围，其中ft为所述钢护栏的横向撞击荷载

根据r1(n)的取值范围和式(1)或式(2)确定mb的取值范围以确定所述横梁的横截面的尺寸；

根据公式计算得到所述立柱的塑性承载力mp的取值范围以确定所述立柱的横截面的尺寸。

在上述技术方案的基础上，所述预埋板的承载力安全系数k3的范围为k3＞1.15，所述预埋板与桥面板的连接安全系数k4的范围为k4＞1.15。

在上述技术方案的基础上，所述立柱与底座之间采用螺栓结构连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的一种钢护栏的设计方法，采用本设计方法设计的钢护栏在发生碰撞时，可以根据既定的模式发生结构破坏，且此时钢护栏的立柱破坏的个数最少，并且由于安全系数k1、k2、k3、k4和k5配置的方式，使k2最小并满足1＜k2＜1.05，使k最大并满足k5＞1.3，使得破坏的立柱与立柱和底座之间的连接优先失效，因此可以保护桥面板免受撞击而毁坏，在满足防撞要求的同时，保护了主结构的安全，使得后期维修也省时省力。

附图说明

图1为本发明实施例中的钢护栏的立柱数量呈奇数破坏时的俯视图；

图2为本发明实施例中的钢护栏的立柱数量呈奇数破坏时的结构示意图；

图3为本发明实施例中的钢护栏的立柱数量呈偶数破坏时的俯视图；

图4为本发明实施例中的钢护栏的立柱数量呈偶数破坏时的结构示意图。

图中：1-立柱，2-横梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种钢护栏的设计方法，钢护栏具体包括多根并排设置的立柱，每相邻两根立柱之间从下至上设有多根横梁，立柱的底部设有底座，底座下方依次设有预埋板和桥面板，本设计方法包括以下步骤：

先根据钢护栏的防撞等级确定钢护栏的横向分布长度lt；

再根据钢护栏对应的防撞车辆的参数确定横梁的构造高度yn以及每相邻两根立柱之间的分布间距l；

随后根据lt和l计算撞击时的最小破坏的立柱数nmin，根据lt、l、nmin和yn计算立柱与横梁的塑性承载力之比λ，在满足钢护栏的总体塑性承载力安全系数k1＞1.1前提下，根据λ确定横梁的截面尺寸和立柱的截面尺寸；

最后配置钢护栏的总体塑性承载力安全系数k1、立柱与底座之间的连接强度安全系数k2、预埋板的承载力安全系数k3、预埋板与桥面板的连接安全系数k4和桥面板的抗弯承载力安全系数k5，使k2最小并满足1＜k2＜1.05，且使k5最大并满足k5＞1.3。

具体的，根据lt、l、nmin和yn计算立柱与横梁的塑性承载力之比λ，其计算的具体过程包括：先根据撞击中心的位置和yn、lt、l，确定破坏立柱数为n时钢护栏总体承载能力r1(n)与λ的关系，再根据nmin和r1(n)计算立柱与横梁的塑性承载力之比λ。

当发生撞击事故时，钢护栏在撞击力的作用下，钢护栏总体承载能力r1(n)与横梁的塑性承载力mb以及立柱的塑性承载力mp均呈正相关，即通过截面的设计，无论是提高mb还是提高mp，钢护栏总体承载能力r1(n)均能有效增加。一般在撞击时，钢护栏的破坏模式有多种，钢护栏的破坏模式主要与受撞击的中心位置以及立柱与横梁的塑性承载力之比λ相关，具体满足以下2个原则：

当撞击中心位于立柱时，钢护栏总体承载能力r1(n)满足：

当撞击中心位于横梁跨中时，钢护栏总体承载能力r1(n)满足：

y为横梁的构造高度yn的加权平均值。

在发生撞击时，一般最先破坏的即为强度最弱的位置，由于不同破坏模式下的钢护栏总体承载能力r1(n)不同，因此实际的设计的钢护栏总体承载能力r1取所有破坏模式下的最小值，保证在发生撞击钢护栏的事故时能够引导钢护栏朝既定的破坏形态发生。即实际的设计的钢护栏总体承载能力r1满足：

r1＝min[r1(n)]。

进一步的，根据nmin和r1(n)计算立柱与横梁的塑性承载力之比λ，具体过程包括：

通过式(1)和式(2)可以得知r1(n)在破坏立柱数n合理取值范围内为增函数，因此确定式(1)和式(2)均满足

r1(n+2)>r1(n)；(4)

参见图3-图4所示，当钢护栏的立柱数量呈偶数破坏时，根据式(1)和式(4)，λ与n的关系满足：

参见图1-图2所示，当钢护栏的立柱数量呈奇数破坏时，根据式(2)和式(4)，λ与n的关系满足：

将式(5)或式(6)中的n取值为nmin，得到在钢护栏被撞击破坏立柱数最小时的λ的取值范围，即可以大致确定λ的最小值。其中，n可人为取任何大于lt/l的值，n的取值越大，破坏时需修复的立柱的数量就越多，n的取值越小，那么单个立柱设计截面越大，可以根据钢护栏的景观需要确定合适的立柱的截面尺寸的范围，再对应调整n的取值。

具体的，根据λ确定横梁的截面尺寸和立柱的截面尺寸，具体包括：由于k1的取值范围已经确定，于是先根据公式r1(n)＝k1ft确定r1(n)的取值范围；再根据r1(n)的取值范围和式(1)或式(2)确定mb的取值范围，即大致确定mb的最小值，最后根据mb来确定横梁的横截面的尺寸；最后根据公式计算得到立柱的塑性承载力mp的取值范围，以确定立柱的横截面的尺寸。其中撞击时最小破坏的立柱数nmin的计算公式为：

具体的，根据钢护栏的防撞等级并结合《公路交通安全设施设计细则》jtg/td81-2017分别确定ft和lt，以及纵向撞击荷载fl和纵向分布长度ll，竖向撞击荷载fv与竖向分布长度lv；根据钢护栏对应的防撞车辆的尺寸参数并结合《公路交通安全设施设计细则》jtg/td81-2017确定各根横梁的构造高度yn和每相邻两根立柱之间的分布间距l。

具体的，整个钢护栏的传力系统在撞击至破坏过程中遵循以下两个原则：

(1)首先达到钢护栏总体承载能力极限而发生破坏的一定是强度安全系数最小的结构；

(2)钢护栏的力传递为单链式传递，即任何一个结构破坏后，整个结构会丧失承载力，不再继续承受撞击力。

从以上可知，若将维修难度和成本最低的结构的安全系数设计为最低，则在撞击发生时，该结构会优先损坏，从而可以有效保护其他环节。在钢护栏的传力链中，最易维修的部分是柱底连接处，因此，将立柱与底座之间的连接强度安全系数k2设为最小，且立柱与底座之间采用螺栓结构连接，即可有效保护其他结构。此外，由于撞击力为瞬间冲击荷载，立柱与底座之间的连接破坏并非瞬时，因此进一步将桥面板的抗弯承载力安全系数k5设为最大，以有效保护桥面板的安全。另外，预埋板的承载力安全系数k3的范围为k3＞1.15，预埋板与桥面板的连接安全系数k4的范围为k4＞1.15。

本设计方法设计的钢护栏在发生碰撞时，可以根据既定的模式发生结构破坏，且此时钢护栏的立柱破坏的个数最少，并且由于安全系数k1、k2、k3、k4和k5配置的方式，使k2最小并满足1＜k2＜1.05，使k最大并满足k5＞1.3，使得破坏的立柱与立柱和底座之间的连接优先失效，因此可以保护桥面板免受撞击而毁坏，在满足防撞要求的同时，保护了主结构的安全，使得后期维修也省时省力。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。