GFRP筋混凝土护栏设计与安全性能分析

焦 宇，亢寒晶，龚 帅，杨福宇，高建雨，李 明，闫书明

（1.深圳高速公路股份有限公司，广东 深圳 518035；2.北京华路安交通科技有限公司，北京市 100071；3.深圳海川新材料科技股份有限公司，广东 深圳 518040）

0 引 言

随着我国现代化建设的不断推进，我国公路事业也突飞猛进，截至2016年底全国公路总里程达到469.63万km[1]。公路护栏作为公路重要的安全设施，是事故车辆在高速公路上的最后一道防线，对高速公路的安全运营至关重要。钢筋混凝土护栏因其刚度大、车辆不易穿越或翻越等显著的优越性而被应用。但其重量载荷大、混凝土保护层易剥落、钢筋易锈蚀，长期使用护栏的安全防护性能大大降低，从而限制了钢筋混凝土护栏的广泛应用。

近年来玻璃纤维（GFRP）筋材料取得了快速发展，与普通钢筋相比较，GFRP筋有着优异的力学性能：高承载能力，抗拉能力强，杆体强度是同等直径钢筋的2倍，但质量只有钢筋的1/4；弹性模量稳定，约为钢筋的1/3～2/5；热膨胀系数比钢筋更接近水泥；耐腐蚀性能好，适合在腐蚀环境中使用[2-3]。因此GFRP筋轻质、高强、耐腐蚀的优点使其成为替代钢筋开发新型混凝土护栏的首选材料。

护栏的开发过程中，用实车足尺试验和计算机仿真分析方法评价护栏的安全性能。实车足尺试验成本高、周期长，试验可重复性受限。而计算机仿真技术建立车辆和护栏模型进行碰撞分析，费用低、周期短；国内外学者已用实车足尺试验校核，验证了仿真模型具有足够的精度和可靠性[4-5]。本文结合GFRP筋良好的性能，提出了GFRP筋混凝土护栏设计方案，进行配筋计算，并运用计算机仿真技术对GFRP筋混凝土护栏的安全防护性能进行评估。

1GFRP筋混凝土护栏结构设计

混凝土护栏主要应用在桥梁上，综合护栏安全性能、施工方便性等因素，确定GFRP筋混凝土护栏结构设计参数。

1.1 防护等级确定

确定护栏的设计防护等级是确定护栏结构参数的基础。《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017，以下简称《设计规范》）对桥梁护栏防护等级的选取进行了规定，见表1。由表1可以看出，《设计规范》中规定的常用桥梁护栏的最高防护等级为SS级，也是目前高速公路桥梁路段最常用的防护等级，作为此次GFRP筋混凝土护栏的设计防护等级。

1.2 护栏坡面

混凝土护栏坡面主要分为基本型、直壁式、单坡型、改进型（F型）[6]和加强型，如图1所示。基本型坡面在高速碰撞下容易导致车辆内翻；直壁式坡面在车辆碰撞护栏后车辆所受冲击加速度最大；单坡型坡面结构景观效果较为呆板，同时通过计算机仿真计算和实车足尺碰撞试验可知，单坡型坡面在超过80 km/h碰撞速度时易发生车辆内翻现象；加强型坡面在坡面上部增加阻爬坎难于施工。以上四种坡面各有不足，而改进型坡面作为规范规定的一种混凝土坡面，相比于基本型而言，减小了车辆内翻概率；相比于直壁式而言，降低了冲击加速度；相比于单坡型而言，其景观及缓冲效果更佳；相比于加强型而言，施工方便。因此在GFRP筋混凝土护栏中选用改进型坡面。

表1 桥梁护栏防护等级的选取

图1 混凝土护栏坡面型式

1.3 护栏有效高度

混凝土护栏墙体有效高度指路面以上的护栏墙体高度。《设计规范》规定设计防护等级为SS级的混凝土护栏，其最小高度为110 cm。根据计算机仿真和以往实车足尺碰撞试验数据，高度为1 m的混凝土护栏可通过SS级实车足尺碰撞试验，但按照《设计规范》取设计护栏墙体有效高度为1.1 m偏于安全。综上分析，GFRP筋混凝土护栏的路面以上有效高度为1.1 m，具有一定的安全储备。

1.4 护栏宽度

混凝土护栏的宽度是影响混凝土墙体强度和刚度的重要参数，墙体越厚则强度和刚度越大，但是其重量也越大，对桥梁形成永久重量荷载。《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017，以下简称《设计细则》）推荐规定SS级混凝土护栏墙体厚度要求达到52.5 cm，这会造成混凝土结构庞大。若能通过研究降低混凝土墙体宽度，可有效减少桥梁主体负荷。基于以往混凝土护栏设计经验和参照已经过实车碰撞试验检验的混凝土护栏结构，取GFRP筋混凝土护栏的总宽度为43 cm，顶部宽度为21.5 cm。

综上分析，GFRP筋混凝土护栏结构设计方案为护栏防护等级设定为SS级，迎撞面采用改进型坡面，背部为直线型，护栏有效高度为1.1 m，底部宽度为430 mm，顶部宽度为215 mm，如图2所示。

图2GFRP筋混凝土护栏结构（单位：mm）

2 护栏配筋设计及验算

2.1 护栏配筋设计

根据护栏结构设计，结合《设计规范》相关规定，护栏配筋设计方案为迎撞面和背部分别采用直径18 mm和12 mm的GFRP筋，设置间距均为200 mm。纵筋为14根直径为12 mm的GFRP筋，预埋筋采用直径为18 mm的加强筋，设置间距为200 mm。图3为GFRP筋混凝土护栏配筋图。

图3GFRP筋混凝土护栏配筋（单位：mm）

2.2 护栏配筋验算

根据护栏配筋设计方案，在确定混凝土护栏外轮廓的前提下，按照《设计细则》的屈服线理论进行配筋验算，验证护栏强度是否满足设计要求。

2.2.1 屈服线强度计算公式

当碰撞护栏标准段时，护栏对横向荷载Ft的抗力标准值Rw可用下式表示：

其中，Lc为屈服线发生的临界长度，表达如下：

式中：H为护栏的有效高度，m；Lc为屈服线破坏模式的临界长度，m；Lt为碰撞荷载分布的纵向长度，m；Rw为护栏的总横向承载能力，kN；Mw为护栏关于其竖向轴的弯曲承载力矩，kN·m；Mb为护栏顶部除Mw之外的横梁附加弯曲承载力矩，kN·m；Mc为悬臂型护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩，kN·m/m。

2.2.2 参数确定

（1）《设计规范》给出了桥梁护栏的汽车横向碰撞荷载标准值，SS级（六级）的碰撞荷载标准值最大为520 kN，分布长度为2.4 m，则Ft=520 kN，Lt=2.4 m。

（2）GFRP筋混凝土护栏路面以上高度为1.1 m，假设现浇层高度为0.1 m，则取护栏有效高度H=1.1 m+0.1 m=1.2 m。

（3）GFRP混凝土护栏未设置横梁，因此Mb=0。

（4）GFRP筋抗拉强度标准值与设计值见表2，按照抗拉强度标准值的0.7倍取设计值。根据GFRP筋混凝土护栏纵筋的设计得到Mw=As×ft×（∑b）=45.15（kN）。As为单根纵筋截面积；b 为每组纵筋横向距离；ft为加强筋抗拉强度设计值，这里为直径12 mm玻璃纤维筋的抗拉强度设计值，取420 MPa。

表2 玻璃纤维筋抗拉强度 MPa

（5）Mc值的估算。通过GFRP筋各危险截面的抗弯承载力估算Mc值。取三个截面（截面Ⅰ-Ⅰ取护栏顶面下20 cm处）计算抗弯承载力Mu，如图4所示，则Mu表达式为

按单筋矩形截面进行截面承载力验算，由受力平衡得fcbx=fyAs，则为定值。

其中，在截面上取1 m的长度作为计算区域b，fy为GFRP筋设计抗拉强度，As为受拉GFRP筋面积，a为受拉GFRP筋中心到截面迎撞面距离，h为截面宽度，fc为混凝土设计抗拉强度。三个截面中参数 b、fy、As、a、fc取值相同，分别为 1 000 mm、385 MPa、1 271 mm2、54 mm、14.3 MPa。经计算 x为34.22 mm。

图4 三个危险截面

a.Ⅰ-Ⅰ截面抗弯承载力。Ⅰ-Ⅰ截面宽度h=236 mm，故计算截面Ⅰ-Ⅰ的抗弯承载力为

b.Ⅱ-Ⅱ截面抗弯承载力。Ⅱ-Ⅱ截面宽度h=305 mm，故计算截面Ⅱ-Ⅱ的抗弯承载力为

c.Ⅲ-Ⅲ截面抗弯承载力。Ⅲ-Ⅲ截面宽度h=430 mm，故计算截面Ⅲ-Ⅲ的抗弯承载力为

用Mu1、Mu2、Mu3的平均值作为护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩的估算值，则

2.2.3 屈服线强度计算

根据参数计算得到Ft=520kN，Lt=2.4m，H=1.2m，Mb=0，Mw=41.15 kN·m，Mc=123.58 kN·m/m，那么

满足强度要求。

3 基于计算机仿真的护栏安全评估

3.1 护栏仿真模型及验证

在护栏仿真模型中，加强筋设置为弹塑性材料并采用Mat3号材料卡模拟，单元类型为线单元；混凝土设置为脆性材料并采用Mat159号材料卡模拟，单元类型为六面体实体单元。

采用台车试验和实车试验两种手段对钢筋混凝土结构仿真参数的准确性和可靠性进行验证。图5为台车试验护栏破坏实际和仿真结果，可以看出护栏仿真裂纹和试验裂纹结果一致。

图5 护栏台车试验和仿真结果

图6为实车试验护栏破坏实际和仿真结果，可以看出混凝土结构破坏情况仿真结果和试验结果一致，验证了仿真模型的准确性。

图6 足尺混凝土护栏碰撞

3.2 计算机仿真分析

参考相关标准和规范[7-9]，SS级GFRP筋混凝土护栏的碰撞条件见表3，安全评价标准满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）中第4.1节的要求。

表3 SS级护栏碰撞条件

采用经实车足尺碰撞试验校核的计算机仿真模型，用LS-DYNA显式有限元程序计算求解[10]，对GFRP筋混凝土护栏进行评估。

3.2.1 护栏阻挡功能

图7为车辆碰撞GFRP筋混凝土护栏过程图，可见车辆碰撞护栏过程中行驶姿态良好，车辆没有穿越、翻越或骑跨护栏，护栏的阻挡功能满足评价标准的指标要求。

图7 车辆碰撞护栏过程仿真

3.2.2 护栏缓冲功能

小客车碰撞护栏时，乘员在碰撞时刻纵向速度和横向速度分别为3.7 m/s、7.6 m/s，如图8所示，满足评价标准小于12 m/s的指标要求。

图8 乘员碰撞速度时间曲线

碰撞后乘员加速度纵向和横向分量分别为109.4 m/s2、133.7 m/s2，如图 9 所示，满足评价标准小于200 m/s2的指标要求。

图9 乘员碰撞加速度时间曲线

3.2.3护栏导向功能

图10为车辆行驶轨迹图，可见小客车在10 m内，大客车和大货车在20 m内，没有越过导向驶出框边界线，行驶轨迹满足评价标准对导向驶出框的指标要求。

图10 车辆行驶轨迹

综上分析，车辆碰撞GFRP筋混凝土护栏的各项指标均满足评价标准的指标要求。

4 结语

通过上述分析，GFRP筋混凝土护栏设计方案经配筋计算，护栏对横向荷载Ft的抗力大于标准值，满足强度要求。

采用计算机仿真对GFRP筋混凝土护栏进行安全性能评估，结果表明，GFRP筋混凝土护栏可对小客车、大客车、大货车进行有效的防护，防撞等级达到SS级。