日中桥梁护栏设计介绍与对比

2019-07-13林康倪正田秦玉峰

特种结构 2019年3期

林康倪正田秦玉峰

(大连市市政设计研究院有限责任公司 116000)

引言

顺应道路交通安全设施防护要求的不断提高,桥梁护栏防止失控车辆越出桥外的功能越来越被重视。日本规范中,对在防止失控车辆越出桥外的同时如何最大限度保护司乘人员的生命安全方面有较为明确具体的描述。伴随着钢结构桥梁的推广使用,金属梁柱式护栏的使用也越来越广泛,此种护栏有美观性较好的一面,也有对设置声屏障不利的一面。本文在对日本护栏介绍的同时与我国的护栏加以分析对比,有区别于波形护栏或混凝土护栏的一些特点在选用时需要加以注意。

1 两国护栏的性能比较

车辆护栏的首要作用是防止车辆脱逸,对失控车辆进行阻挡,防止失控车辆冲破、翻越或穿越护栏带来的一系列不良后果。这一点无论是在日本道路协会2008年颁布的《防护栏的设置基准同解说》[1]中,还是在我国的《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81 -2017)[2]和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81 -2017)[3]都有着明确和充分的说明。

两国护栏在性能方面的比较见表1。在可吸收的碰撞能量上,我国最高等级的护栏HA 级大于日本最高等级护栏SS 级。在护栏的高度上,我国高等级护栏高度大于日本护栏的高度。在阻挡能力方面,满足我国《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 -01 -2013)[4]的护栏,在防止车辆越出桥外的拦挡能力方面强于日本。

表1 日中护栏性能比较Tab.1 Performance comparison of barriers between Japan and China

在确保防止车辆脱逸的基础之上,进一步追求安全性能。安全性能主要针对小型车辆,对于大型车辆,不脱逸到路外基本上就保证了安全;但对于小型车辆,护栏结构侵入到车内,或者发生剧烈碰撞,车辆虽没有脱逸,但司乘人员的生命安全得不到保证。通常护栏的强度与缓冲性能成相反趋势,日本各种等级的护栏是在平衡强度与缓冲性能基础上制定的。日本通过规定车辆与护栏相撞时加速度的限值为小型车辆司乘人员提供更多的保护。

护栏的导向功能指护栏有使失控车辆导回正常行驶方向的作用。即使满足了阻挡性能和安全性能,假如撞击车辆发生翻车、急停、或横在道路上,或横向大幅度反弹,也有可能对后续车辆及并行车辆造成损害。日本《防护栏的设置基准同解说》[1]中要求被撞击车辆的反弹速度在撞击速度的60%以上,反弹角度在60%以下。对于1t 的小型车辆,以100km/h 的速度与护栏相撞后,反弹速度须在60km/h 以上。护栏应为连续平顺结构,撞击车辆不能被护栏卡住,车辆仍然沿道路前进方向以原速度60%以上行进,给后续车辆以反应时间。日本规范中车辆与护栏撞击的角度小型车辆为20°,大型车辆为15°。车辆与护栏相撞后,反弹角度在撞击角度的60%以下,即不得以较大的角度被横向弹出,给并行车辆以反应时间。理想的情况是通过护栏的整体作用迫使车辆逐步转向,一直恢复到正常的行驶方向。

两者对比,我国强调防,通过拦阻作用防止车辆冲出桥外,规范中护栏术语的英文翻译为Barrier;日本对乘员的保护方面有较多考虑,强调的是护,护栏在官方的英文翻译为Guard Fence。

2 保证护栏安全性能的结构措施

护栏本身也是一种障碍物,并不是强度越高越好,尤其对于小型车辆,在阻挡能力方面,防止冲破和翻越护栏方面的能力已经足够强,只须注意防止小型车辆从护栏下方穿越,通常设置多道横梁即可。安全性能最主要体现在缓冲作用。缓冲作用主要指车辆与护栏相撞时,降低对碰撞车辆和车内乘员冲击程度的能力。对乘员的冲击最主要指对头部的冲击,认为撞击后不留下严重后遗症的加速度限界值为20g(g为重力加速度)[1]。作为参考,汽车急刹车时加速度约0.6g,航母舰载机着舰时加速度约3g,载人飞船发射时加速度约6g。反映到结构中主要通过三个方法,一是在小型车辆乘员头部高度位置附近不允许设置主横梁,波形护栏波形板的高度较低就是为了避开小型车辆乘员头部的位置。护栏主横梁高度较低的同时还要保证防止翻越的阻挡作用,可以在主横梁的上方设置顶部横梁,但顶部横梁要比主横梁退后5cm,避免对小型车辆乘员造成伤害。二是通过改进护栏迎撞面的形状,调整车辆与护栏相撞时的姿态,将刚性混凝土护栏的迎撞面作成斜坡,外侧车轮与护栏底部首先相撞后高度提升,使得车辆内倾,从而减少小型车辆乘员头部位置与护栏相撞时的加速度,提高缓冲效果。三是通过在护栏内侧设置路缘石,使得车辆在与护栏相撞之前,外侧车轮首先提升至路缘石高度使得车辆内倾提高缓冲效果。三种提高缓冲能力方法的图示见表2,由于方法三中的护栏分为混凝土护栏和钢护栏,所以表中共分为4种情况。

表2 各种形式护栏的安全性能Tab.1 Safety performance of various types of barriers

3 桥梁护栏对建筑限界的影响

日本高速公路公司的设计要领第二集桥梁建设篇[6]中具体给出了中小桥和大桥的建筑限界与护栏的关系,见表3。此处所谓的中小桥指总桥长50m 以下的桥梁,护栏内侧铺装层上面要保证道路限界的全宽。桥长50m 以上桥梁的建筑限界的外侧下角部,与隧道类似,作250mm ×250mm(500mm)的台阶形切角。工程实践上100m 以下桥梁的建筑限界按道路处理,100m 及以上桥梁作台阶形切角。

表3 日本高速道路桥梁段的建筑限界Tab.3 Building limits of expressway bridge sections in Japan

我国的规范规定护栏的任何部分不得侵入公路建筑限界。在《公路工程技术标准》(JTG B01 -2014)[7]、《城市道路工程设计规范》(CJJ37 -2012)[8]、《城市道路工程技术规范》(GB 51286 -2018)[9]中明确给出公路、市政道路及隧道的建筑限界,但桥梁段没有单独列出来。由于桥梁段均设有护栏,与路基段有所不同。参考日本的作法,中小桥在护栏内侧保证道路限界全宽; 大桥、特大桥、市政桥梁出于经济性考虑或用地条件的限制,与隧道有一定的相似性,底部作台阶形切角。

我国《城市桥梁设计规范》 (CJJ11 -2011)[10]则规定：对主干路、次干路、支路的桥梁,桥面为混合行车道或专用机动车道时,人行道或检修通道缘石宜高出车行道路面0.25m ～0.40m。此时的建筑限界规范没有明确说明,笔者认为对于路缘石高度大于25cm 的新建桥梁应加宽路缘带宽度以保证侧向净宽才能满足建筑限界的要求。

4 桥梁护栏形式的选择

日本的高速公路和城市高速道路(即收费的城市快速路)无论是混凝土桥还是钢桥,包括采用钢桥面板的桥梁,防撞护栏的标准形式均为钢筋混凝土刚性护栏。日本高速公路桥梁段采用的护栏见表4,日本城市高速道路桥梁段采用的护栏见表5。对于跨越高速公路,城市高速公路的桥梁通常情况下也须使用混凝土护栏。除非是交通量很少的农林道路等,不存在从跨线桥坠落到高等级道路的危险的,才可以采用金属梁柱式防撞护栏。考虑桥梁段不同于路基段,护栏之外没有安全位置,波形护栏等半刚性护栏受撞击后存在较大的变形量,采用混凝土护栏的理由是刚性护栏受撞击后变形小,具有更高的安全性。日本的城市高速道路虽然大面积采用钢结构桥梁,但即使是钢桥面板,也选用混凝土护栏。与高速公路混凝土护栏的区别是受用地条件限制,内侧为垂直壁面。城市高速公路位处城市核心部,除了考虑护栏的安全性、美观性,另一方面要考虑高速路对周围声环境的影响。很多路段需要加装声屏障,金属梁柱式护栏虽然美观性好,但为通透性结构,不满足隔声的要求; 在护栏之外再加装声屏障,通透性护栏的美观性体现不出来,又增加了声屏障的造价,用地条件也得不到保证。仅是对于对景观性要求较高的市政桥梁较多采用金属梁柱式护栏。

表4 日本高速公路的桥梁段采用的防撞护栏[6]Tab.4 Barriers used in bridge sections of Japanese expressways

表5 日本城市高速道路采用的护栏(以东京高速道路为例)[11]Tab.5 Barriers used on urban expressways in Japan (taking Tokyo Expressway as an example)

东京高速道路的护栏为竖直壁面的台阶形,加上预制路缘石的尺寸,在壁面垂直的护栏内部,路缘石宽度为350mm,靠近中央分离带的路缘石宽度在时速为60km 时为350mm,时速为80km 时为475mm。在一定程度上体现出护栏也是一种障碍物,车速越高安全距离越大的特点。路缘石的上表面高于铺装上表面100mm,而且高度近年来还有加大的趋势[12]。

我国公路交通安全设施设计细则[3]规定,钢结构桥梁宜采用金属梁柱式护栏。日本的钢桥比例虽然远高于我国,但高速公路、城市高速公路的桥梁以及跨越高等级公路、铁路的桥梁采用混凝土护栏。

5 选用金属梁柱式护栏的注意点

护栏本身是一种障碍物,强度也不是越强越好。这不仅是技术经济的问题,而且也是出于对生命安全保护的要求。路缘石对行车有一定视线诱导功能。当车轮接触路缘石时对驾驶员有警告作用和使车辆恢复正常行驶方向的功能。高速行车时路缘石是一种障碍物,但是护栏的妨碍作用比路缘石更大。使用不同种类和等级的护栏时需考虑与缘石的配合作用。

高速公路设有较宽的侧向净宽,当采用波形护栏或较低等级的金属梁柱式护栏时,由于护栏的波形板位置位于小型车辆乘员头部位置以下,无需路缘石的配合。较高等级的波形护栏在波形板上方还设有辅助横梁,但辅助横梁的位置比波形板退后50mm,波形板为主要撞击部位,波形板的位置仍低于小型车辆乘员头部位置。使用单坡形或F 形混凝土护栏时,由于撞击面倾斜避开了与小型车辆乘员头部直接相撞。由于用地条件和建设环境的制约,钢结构桥梁在市政工程中有扩大使用的趋势,金属梁柱式护栏的使用范围也会有所扩大。但是由于此种形式的护栏高度较大,小型车辆乘员头部位置附近会有护栏横梁。这时需要通过在横梁撞击面的前方位置设置一定高度的路缘石,使车辆在撞到护栏之前轮胎先行接触路缘石,一方面与护栏的轻微碰撞会被避免,另一方面较重的侧向碰撞时一侧车轮爬上路缘石后车辆产生一定角度的内倾,避免小型车辆乘员头部位置与护栏相撞。市政道路受用地条件限制,没有路肩,道路两侧均为路缘石(立缘石),如果简单地将道路段的路缘石与桥梁段金属梁柱式护栏底座之间对齐就可能发生护栏侵入建筑限界或护栏对小型车辆司乘人员生命安全保护不足的问题,如表6 所示。

表6 桥梁段护栏与道路段路缘石的关系Tab.6 The relation between bridge section barrier and road section curb stone

我国规范公路工程技术标准[7]中规定,路缘石高度小于或等于0.25m。一般情况下,高速公路可不设路缘石。公路交通安全设施设计规范[2]中规定,高速公路、一级公路的桥梁不宜设置路缘石。为减少护栏受到撞击对桥面板产生的影响需要设置路缘石时,其高度宜控制在5cm ～10cm 之间。路缘石内侧宜与横梁迎撞面保持在同一平面内,或位于立柱和横梁迎撞面之间的适当位置。而日本的规定是路缘石内侧在护栏横梁迎撞面的前方,而且计算护栏高度时不考虑路缘石的高度,仍然是从路面算起。笔者认为,对于道路段使用立缘石的市政道路而言,与之相衔接的使用金属梁柱式护栏的桥梁段的栏杆底座与道路段缘石之间应具有一定的连续性和平顺性,采用护栏后退的方式3 较为合理。表7 为日本市政道路采用金属梁柱式护栏时横梁迎撞面与路缘石的位置关系,与车行道相邻时迎撞面比路缘石退后250mm; 设在与人行道外侧,与人行栏杆组合设置的车行护栏则不必受此限制。