跨水资源路段高等级桥梁护栏及防抛设施设计

卢辉 龚帅 林海腾 高建雨 闫书明

(1.广州市高速公路有限公司 510305；2.北京华路安交通科技有限公司 100070)

引言

随着我国社会经济的迅猛发展，水资源日益匮乏，饮用水源安全与保护越来越成为社会各界关注的焦点。大量的统计资料表明，跨水域公路运输危化品车辆交通事故泄漏引起的突发环境污染已成为影响饮用水源保护区供水安全的重要原因[1，2]。护栏作为公路交通事故的最后一道防线，如果其防护能力有所不足，特别是对于跨水资源桥梁路段，一旦发生大型运输车辆碰撞桥侧护栏的事故，车辆易发生翻越或穿越护栏的状况，从而造成车毁人亡的严重后果。若这些大型运输车辆中含运输危险化学品车辆，除对司乘人员造成伤害外，还有可能污染饮用水源，给当地的人民生活与环境卫生等造成恶劣影响[3]。

针对上述跨水资源路段水源保护及桥梁护栏的安全防护问题，本文对跨水资源路段的特殊防护需求进行分析，并开展高等级桥梁护栏和防抛设施结构设计、安全防护性能评估等研究工作。

1 跨水资源路段的特殊防护需求

2017年颁布的《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)规定：跨大型饮用水水源一级保护区的桥梁防护等级宜采用八(HA)级[4]，可知规范对桥梁护栏安全防护能力要求较高，因此，选取桥梁护栏防护系统的防护等级为HA 级。

跨水资源路段桥梁位置特殊，除护栏要满足其较高的安全防护需求外，还要考虑防抛设施对水资源的保护，防止车辆及其它抛洒物进入水源，造成污染。考虑到抛洒物存在固、液两种形态，防抛设施不仅要阻挡固、液抛洒物进入水源，还要对其进行合理处理和收集[5-7]。

综合上述分析可知，跨水资源路段桥梁护栏应具有防护车辆的安全防护能力，同时防抛设施还要具有阻挡和收集抛洒物，保护饮用水源的作用，如图1所示为跨水资源路段特殊防护需求示意。

图1 跨水资源路段特殊防护需求示意Fig.1 The sketch drawing of special protection requirements of highway cross water resource area

2 结构设计

基于车辆防护和饮用水源保护的特殊需求，本文提出跨水资源路段高等级桥梁护栏和防抛设施相结合的结构设计方案。

2.1 桥梁护栏结构设计

综合考虑安全、经济及景观效果等因素，桥梁护栏采用HA 级双横梁组合式桥梁护栏结构：护栏总高为1.5m；混凝土墙体高850mm，底宽500mm，采用改进型坡面形式；上部金属梁柱结构高650mm，由间距2m 的斜 H 型立柱(翼板与腹板厚12mm)、钢管横梁(矩形管上部横梁断面为 160mm 长×120mm 宽×10mm 厚，下部横梁断面为 160mm 长×120mm 宽×6mm 厚)、托架组成；地角螺栓型号为10.9 级 M30，嵌固深度为430mm；立柱与横梁之间、横梁内外套管之间螺栓型号为10.9 级M22。

2.2 防抛设施结构设计

考虑到防抛设施的功能需求、安全性及施工方便性等多种因素，给出了防抛设施的结构设计方案：防抛设施采用钢结构形式，顶部距离地面高度为 2.1m，与桥梁护栏间的设计净距为0.9m，用型钢和拦截钢板形成收集槽，车辆液体抛洒物通过拦截钢板拦截后从混凝土墙体顶部直接导流到路面上。

在高等级桥梁护栏和防抛设施结构确定的基础上，给出跨水资源桥梁护栏和防抛设施相结合的结构设计方案，如图2所示。

图2 桥梁护栏和防抛设施结构设计方案(单位：mm)Fig.2 Design scheme of bridge barrier and anti-throwing facilities(unit：mm)

3 仿真模型及验证

利用有限元仿真模拟方法对护栏安全性和防抛设施适用性进行研究，采用基于显式有限元理论建立的仿真模型[8，9]，并通过与以往试验比对的方式对仿真模型(包括车辆模型和护栏模型)可靠性进行验证[8，9]。

3.1 车辆模型

对于小型客车，通过与碰撞某双横梁组合式桥梁护栏试验结果对比，对小客车仿真参数准确性进行验证：图3为小客车碰撞护栏驶出角度的仿真与试验对比，可以看出仿真结果与试验数据基本吻合；表1为小客车碰撞护栏加速度指标的仿真与试验结果对比，可见仿真和试验误差最大仅为6.3%，在10%以内，验证了小客车模型的准确性和可靠性。

图3 小客车驶出角度仿真与试验对比Fig.3 The comparison between simulation results of car exit angle and test results

表1 小客车碰撞加速度结果仿真与试验对比Tab.1 The comparison between simulation results of acceleration and test results

对于大型车(大型客车与大型货车)，通过与某双横梁组合式桥梁护栏碰撞试验结果对比，对仿真参数准确性进行验证：图4和图5分别为大型客车与大型货车碰撞护栏仿真与试验对比，可以看出车辆驶出角度、车辆变形以及车辆最大侧倾角度的仿真结果与试验结果较为一致，验证了大型车辆模型的准确性和可靠性。

图4 大客车碰撞护栏仿真与试验对比Fig.4 The comparison between simulation results of bus impact process and test results

图5 大货车碰撞护栏仿真与试验对比Fig.5 The comparison between simulation results of truck impact process and test results

3.2 护栏模型

图6为630kJ 碰撞能量下某双横梁组合式桥梁护栏变形的仿真结果与试验结果对比，最大动态变形量分别为315mm 与347mm，仿真和试验误差为9.2%，在10%以内，验证了护栏模型的准确性和可靠性。

图6 护栏变形情况仿真与试验对比Fig.6 The comparison between simulation results of the combined bridge barrier and test results

4 桥梁护栏安全性能评估

采用通过试验验证的高精度计算机仿真模型，针对桥梁护栏设计方案从护栏的阻挡功能、导向功能和缓冲功能进行安全性能评估。相关研究及《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)(简称评价标准)表明：小型客车主要评估护栏的缓冲功能，而大型车辆主要考察护栏的阻挡功能和导向功能。因此，采用“评价标准”的HA 级护栏碰撞条件中规定的小型车辆(小型客车)和大型车辆(大客车和大货车)对护栏安全性能进行评估，碰撞条件如表2所示[10]。

表2 HA 级护栏碰撞条件[10]Tab.2 Impact test conditions of HA-level barrier

4.1 小型客车碰撞分析

图7为小客车碰撞过程，可见护栏对小客车的阻挡功能和导向功能满足要求，表3和图8为小客车碰撞后缓冲指标，乘员碰撞速度纵向和横向分量均小于12m/s，乘员碰撞后加速度纵向和横向分量均小于200m/s2，满足评价标准要求。

图7 小客车碰撞进程Fig.7 The car impact process

表3 桥梁护栏的缓冲指标Tab.2 The buffering indicators of the bridge barrier

图8 乘员碰撞后加速度时程曲线Fig.8 The occupant ridedown acceleration time-history curve

4.2 大型车辆碰撞分析

图9为大型客车和大型货车碰撞过程，可以看出护栏对车辆的阻挡功能和导向功能良好，满足评价标准要求。

图9 大型车辆碰撞过程Fig.9 The large vehicle impact process

由上述分析可知，三种车型碰撞护栏后，桥梁护栏的各项指标均满足评价标准对HA 级护栏的安全防护要求，护栏安全可靠。

5 防抛设施适用性分析

为确保车辆碰撞桥梁护栏过程中防抛设施的安全性，对防抛设施与护栏的适用性进行分析，即分析车辆碰撞过程中最大动态外倾当量值与设计净距之间的关系，车辆最大动态外倾当量值可按公式(1)求得。

式中：VIn为大中型车辆(包括特大型客车)的车辆最大动态外倾当量值(m)；VI为车辆最大动态外倾值(m)；VH为试验车辆总高(m)；α为试验车辆外倾角度(°)。

由图7可以看出小型客车碰撞护栏后无外倾风险，对防抛设施无影响，因此，只对大型车辆碰撞过程中对防抛设施的影响进行分析。

图10为大型车辆碰撞桥梁护栏过程中最大侧倾状态。大型客车和大型货车的最大动态外倾值分别为0.71m 和0.4m；最大侧倾角分别为14.1°和16.7°。根据公式(1)经换算后的车辆最大动态外倾当量值分别为0.95m 和0.62m。

图10 车辆最大侧倾Fig.10 Maximum dynamic vehicle incline-out situation

大型客车和大型货车碰撞护栏过程中外倾时，车辆最外边缘相对于护栏碰撞前最外边缘(护栏背部边缘)的横向水平距离分别为0.45m和0.12m(即VIn-B，其中VIn车辆最大外倾当量值，B为混凝土基座底部宽度0.5m)，均小于设计净距0.9m，说明设计净距合理，可起到车辆碰撞桥梁护栏过程中确保防抛设施安全的目的。

为进一步验证上述分析，建立大客车、大货车碰撞桥梁护栏和防抛设施组合的仿真模型进行分析。图11为大客车、大货车碰撞过程，可知车辆碰撞桥梁护栏后恢复正常行驶，在碰撞的整个过程中，车辆产生倾斜，但并未与防抛设施碰撞，验证了桥梁护栏和防抛设施间设计净距的合理性

图11 大型车辆碰撞过程Fig.11 The large vehicle impact process

通过以上分析，可见防抛设施与桥梁护栏间的设计净距0.9m，可以满足防抛设施的安全需求。

6 结论

通过对跨水资源路段特殊防护需求的分析，给出了跨水资源高等级桥梁护栏和防抛设施相结合的结构设计方案。其中高等级桥梁护栏安全防护能力达到HA 级，具有较好的阻挡、缓冲和导向功能；大型客车与大型货车碰撞过程中车辆最外边缘和护栏碰撞前最外边缘的横向水平距离分别为0.45m 和0.12m，均小于防抛设施与桥梁护栏的设计净距0.9m，能保证防抛设施的安全性。因此，此结构设计方案能有效防护车辆，在起到对抛洒物进行阻挡和收集的作用同时，满足防抛设施安全性的需求。