桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏安全性分析

张门哲，刘明虎，亢寒晶，唐守峰，刘思源

（1.湖北石首长江公路大桥有限公司，湖北 荆州 434400；2.中交公路规划设计院有限公司，北京市 100088；3.北京华路安交通科技有限公司，北京市 100071）

0 引言

中央分隔带护栏作为一种重要交通安全防护设施，在防止车辆穿越中央分隔带与对向车辆碰撞方面发挥了重要作用[1]。尤其对于桥梁中央分隔带，因为不同的现场条件，一旦发生车辆穿越中央分隔带护栏事故，造成后果可能更为严重。高速公路桥梁多为左右分幅建设，中央分隔带护栏大部分按照与桥侧护栏相同的方式，两道桥梁翼缘板共设置两道悬臂式混凝土护栏与桥面进行可靠连接[2]。但是对于中央分隔带相邻的翼缘板距离较近的情况，可以利用翼缘板端部作为嵌固槽，通过嵌固的方式设置中央分隔带护栏。因此提出一种桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏，混凝土墙体嵌固在相邻的翼缘板之间，并将原先需要设置两道护栏的情况变成一道，在保证安全性能的同时，具有节约成本、便于施工、占用桥梁面积小等诸多优点，但需要对其安全性能进行分析论证。

依托某特大桥工程，采用计算机仿真分析和实车碰撞试验相结合的方法[3]，对桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏安全防护性能进行分析论证。

1 护栏结构

传统的桥侧混凝土护栏通过在桥梁板内设置基础连接筋的方式锚固护栏墙体，如图1所示。桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏则无需该项操作，在嵌固基础上直接绑筋、支模、浇筑即可。图2为桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏结构图。护栏嵌固在翼缘板之间，嵌固部分上部宽度1 m，底部宽度0.6 m，底部两侧通过桥梁翼缘板嵌固深度为0.19 m，护栏路面以上总高度1.02 m，护栏顶部设置阻爬坎。护栏设计防护等级为SA级。

图1 传统桥侧混凝土护栏断面图

图2 桥梁中央分隔带嵌固式基础混凝土护栏结构图（单位：cm）

2 护栏安全性能仿真分析

通过试验与仿真模型的对比，验证仿真模型的准确性，采用经过验证的高精度计算机仿真模型对桥梁嵌固式基础混凝土护栏进行安全性能分析[4-6]。

2.1 仿真模型验证

图3为某混凝土护栏车辆碰撞实车试验与仿真模拟碰撞结果的对比图示，图4为某混凝土护栏台车实际试验与仿真模拟碰撞结果的对比图示。从中可以看到仿真和试验混凝土护栏裂纹效果一致，说明仿真模型具有较高的准确性。

图3 车辆碰撞混凝土破坏情况对比图示

图4 台车试验混凝土破坏情况对比图示

图5为某特高等级混凝土护栏车辆碰撞计算机实车足尺碰撞试验与仿真模拟结果的对比图示。从中可以看到车辆碰撞过程中的姿态基本一致，验证了仿真模型模拟的准确性，为采用该仿真模型进行桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏的安全性能分析奠定了基础。

图5 车辆碰撞护栏过程对比图示

2.2 计算机仿真分析

按照设计结构建立桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏结构仿真模型如图6所示，按照碰撞条件要求采用车辆模型对该护栏结构进行安全性能分析。

图6 桥梁嵌固式基础混凝土护栏结构图示

2.2.1 SA级碰撞条件计算机仿真分析

桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏设计防护等级为SA级，按照SA级碰撞条件建立车辆碰撞护栏模型，分析护栏的安全性能。碰撞条件如表1所列。

表1 SA级护栏的碰撞实验条件及防护能量一览表

图7为小客车碰撞过程之图示，可见车辆驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨和下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态[7]。

图7 小客车碰撞过程之图示

图8为小客车碰撞护栏的加速度时程曲线图，纵向和横向的乘员碰撞后加速度分别为92.8 m/s2、178.6 m/s2，满足指标对乘员碰撞后加速度不得大于200 m/s2的要求；图9为小客车碰撞的速度时程曲线图，纵向和横向的乘员碰撞速度分别为3.7 m/s、7.7 m/s，满足指标对乘员碰撞速度不得大于12 m/s要求。

图10为小客车行驶轨迹图，可以看出小客车驶离护栏后10 m未越出驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图11为大客车碰撞过程之图示，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好[7]。

图12为大客车行驶轨迹图，可以看出大客车驶离护栏后20 m未越出驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图13为大客车碰撞过程，护栏迎撞面受力曲线图，峰值为835.8 kN。

图8 小客车碰撞过程加速度时程曲线图（单位：m/s2）

图9 小客车碰撞过程速度时程曲线图

图10 小客车碰撞行驶轨迹图

图11 SA级大客车碰撞过程之图示

图12 SA级大客车碰撞行驶轨迹图

图13 SA级大客车碰撞护栏迎撞面受力曲线图

图14为大货车碰撞过程之图示，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨、下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好[7]。

图14 SA级大货车碰撞过程之图示

图15为大货车行驶轨迹图，可以看出大货车驶离护栏后20 m未越出8.7 m宽的驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图15 SA级大货车碰撞行驶轨迹图

图16为大货车碰撞过程，护栏迎撞面受力曲线图，峰值为1 619.57 kN。

图16 SA级大货车碰撞护栏迎撞面受力曲线图

通过以上分析结果可以看出，桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏在SA级碰撞条件下，仿真计算各项指标满足要求，其中大货车碰撞受力曲线峰值较大。为了进一步验证桥梁护栏嵌固式基础可靠性，采用SS级大货车模型进一步验证桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏的安全性。

2.2.2 SS级大货车计算机仿真分析

建立SS级大货车碰撞桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏仿真模型，碰撞条件如表2所列。

表2 SS级护栏的碰撞实验条件及防护能量一览表

图17为SS级大货车碰撞过程之图示，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨、下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好[7]。

图17 SS级大货车碰撞过程之图示

图18为大货车行驶轨迹图，可以看出大货车驶离护栏后20 m未越出驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图18 SS级大货车碰撞行驶轨迹图

图19为大货车碰撞过程，护栏迎撞面受力曲线图，峰值为2 510.56 kN。

图19 SS级大货车碰撞护栏迎撞面受力曲线图

3 实车足尺碰撞试验验证

采用SS级大货车碰撞试验条件组织进行实车足尺碰撞试验，对桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏的安全性能进行进一步验证。试验车辆与试验护栏如图20所示。

图20 试验车辆与试验护栏之实景

图21是SS级大货车碰撞桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏过程之图示，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨、下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好。

图21 SS级大货车试验碰撞过程之图示

图22为大货车行驶轨迹图，可见大货车驶离护栏后20 m未越出驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图22 SS级大货车试验碰撞行驶轨迹图

图23为大货车碰撞后车辆损坏情况之实景，车辆前大灯损坏；车辆车体碰撞侧车体与护栏刮擦损坏；车辆前桥损坏。

图23 大货车碰撞后车辆损坏情况之实景

图24为大货车碰撞基础嵌固式混凝土护栏后护栏损坏情况之实景，混凝土墙体顶部出现了少量混凝土结构脱落区域，但未发生结构性破坏，车辆与护栏的刮擦长度为32 m。

图24 大货车碰撞后护栏损坏情况之实景

通过试验测量得到护栏横向动态变形值0 m，护栏最大横向动态位移外延值0.5 m，车辆最大动态外倾值1.4 m，车辆最大动态外倾当量值1.95 m。

SS级大货车碰撞基础嵌固式混凝土护栏各项指标均满足要求，护栏安全防护能力较佳，嵌固式基础稳定可靠。

4 结语

桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏与传统桥梁中央分隔带混凝土护栏相比采用了嵌固式基础，具有节约成本、便于施工、占用桥梁面积小等优点，通过计算机仿真分析，SA级的小客车、大客车、大货车碰撞和SS级大货车碰撞桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏各项指标均满足要求；采用SS级大货车进行实车足尺碰撞试验，经验证桥梁嵌固式基础中央分隔带混凝土护栏具有较好防护能力，在实际中的应用可以有效地维护公路行车安全。