高速公路中分带桥墩安全防护问题的探讨

2021-05-10文鹏兵

交通工程 2021年2期

田芳，文鹏兵，贾宁

(1.江苏省交通工程建设局，南京 210014；2.华设设计集团股份有限公司，南京 210004；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

随着社会公众对于出行安全重视程度的不断提高，以及“交通强国”建设的相关要求，交通安全问题日益成为交通从业者们关注的焦点.为了降低高速公路上跨桥梁的工程造价和施工难度，往往在高速公路中央分隔带内设置桥墩.对于跨越高速公路的行驶车辆来说，设置在中央分隔带内的桥墩是一种障碍物，如果车辆失控与桥墩发生正面碰撞，不仅危及桥梁结构安全，还会对车辆及司乘人员造成伤害.

根据文献1的规定，当公路主要行驶车型为大型车辆时，护栏距其防护的桥墩的距离应大于车辆最大动态外倾当量值VIn.但由于用地限制，高速公路中分带桥墩处的护栏设置空间可能难以满足文献[1]的要求，且文献[1]对于“主要行驶车型”以及“大型车辆”没有明确定义，工程设计中面临一定的困惑.

鉴于以上背景，本文针对高速公路中分带桥墩安全防护问题进行了深入探讨，结合行业标准规范关于车型的相关规定，明确“主要行驶车型”以及“大型车辆”的含义；对于中分带宽度所限、无法按照标准规范进行中分带加宽和桥墩防护设计的情况，给出了混凝土护栏和围护结构的处置方案；采用计算机仿真模拟技术手段，进行处置方案的安全性论证.

1 标准规范要求及解读

1.1 行驶车型

大型车辆包括大型客车和大型货车.根据文献2表3.3.2“各汽车代表车型及车辆折算系数”，汽车代表车型包括小客车、中型车、大型车和汽车列车.大型车是指载质量大于7 t且小于等于20 t的货车，汽车列车是指载质量大于20 t的货车，因此可将载质量大于7 t的货车作为大型货车.文献2将19座作为区分小客车和中型车的界限值，偏于安全地，将座位大于19座的客车作为大型客车.关于大型车辆的构成比例，结合具体项目工程可行性研究报告中的车型构成分析数据，当大型客车和大型货车的车辆自然数之和所占比例大于50%时，认定公路主要行驶车型为大型车辆.

根据文献1的规定，设计交通量中总质量不低于25 t的车辆自然数所占比例大于20%时，在事故发生可能性增加或后果更严重的路段，宜提高护栏的防护等级.参考该规定，认为总质量不低于25 t的车辆自然数所占比例大于20%时，即属于公路主要行驶车型为大型车辆.

以江苏某高速公路项目为例，工可报告中的交通量数据如表1所示.无论是按照方法一还是方法二，上述项目都达不到“主要行驶车辆为大型车”的判定条件.实际上，在该项目工可报告中亦有相应文字描述：通过未来车型比例预测的结果可看出，未来小客车占主导地位，随着时间的推移，小客车的比例逐渐增长，大客车的比例逐渐下降；而从货车的比例变化可看出，未来货运朝着大型化、规模化的方向发展，重型货车的比例不断提高，中型货车的比例下降.

表1 项目区域路网未来车型比例预测表 %

1.2 中分带桥墩处护栏设置

文献[3]规定，中央分隔带内设有车辆不能安全穿越的障碍物时，事故严重程度等级为“中”，中央分隔带护栏的防护等级应不低于SBm级.因此，中分带桥墩处护栏防护等级应不低于SBm级.

文献[3]推荐的中分带桥墩处防护设计方案如图1所示，采用现浇混凝土护栏在桥墩处作围绕包封处理，在桥墩处两侧护栏设置间距加宽，但加宽部分不得侵入公路建筑限界，渐变段的长度不应小于20倍的加宽宽度，且偏角不宜大于2°，混凝土护栏高度不小于1 m.

注：L为桥墩直径；C为中央分隔带建筑限界值.图1 中央分隔带桥墩处护栏处置方案/mm

2 防护设计初步方案安全性论证

2.1 设计方案

文献[2]没有对高速公路中央分隔带宽度作出明确规定，而提出“应根据公路项目中分带的功能确定”，但目前高速公路项目设计中仍然沿用以往做法，设计速度120 km/h的高速公路中分带宽度一般为3 m.因此，当中分带内设有上跨桥桥墩时，如果桥墩直径小于1.0 m，扣除两侧余宽C值之后，每侧留给护栏的设置空间约为0.5 m.虽然0.5 m的空间足够设置波形梁护栏，但无论是Am级或SBm级波形梁护栏，其W值均大于0.5 m，显然中分带内上跨桥桥墩处不具备波形梁护栏设置条件，唯有设置不低于SBm级的混凝土护栏进行安全防护.

当中分带内设有上跨桥桥墩且无法按照文献[3]的要求进行中分带加宽时，对于实际工程中出现的较不利情况，如图2所示，中分带宽度为3 m，但桥墩直径达到1.56 m，如果按照文献[3]的推荐方案，采用SBm级混凝土护栏和混凝土围护结构进行桥墩防护，护栏墙体最薄处的宽度只有2 cm，设置长度为36 m，护栏路面以上高度为1 m.混凝土标号为C30，墙体配筋型号为HRB400，钢筋型号分别为：竖向钢筋直径16 mm，间距15 cm；纵向钢筋直径12 mm，设置14根.

图2 处置方案原设计/mm

2.2 数值仿真模型

采用经实车碰撞试验校核的数值碰撞仿真模型，模拟“车辆-桥墩防护结构”碰撞过程[6]，按照文献[7]规定的SBm级(280 kJ)碰撞条件(表2)，对防护设计初步方案进行安全性能检验.

表2 SBm级(280 kJ)碰撞条件

仿真模型如图3所示，桥墩采用刚体模拟，高度取公路行驶车辆最大限高4.6 m，按实际设置长度建立混凝土护栏模型，护栏桩基础底部固结，折弯点设定为路面以下15 cm.

图3 车辆碰撞桥墩防护结构

在桥墩防护结构整个模型中导入车辆模型之后，通过设置碰撞速度、碰撞角度、接触以及调整碰撞点等，形成车辆碰撞桥墩防护结构有限元模型，碰撞仿真模拟计算采用国际上应用广泛的非线性显式动力学有限元分析程序LS-DYNA.

2.3 仿真结果

小型客车高度较低，碰撞混凝土护栏后，不会出现因车体外倾碰撞桥墩的情况.由于桥墩处混凝土墙体较薄，且混凝土未与桥墩整体浇筑，属于受力薄弱点，有必要进行此处小型客车碰撞时的安全性能检验.

小型客车和中型客车碰撞后行驶姿态平稳，没有穿越、翻越、骑跨护栏，没有发生翻车、横转、掉头现象，桥墩处护栏混凝土出现压碎破坏，桥墩防护结构及其脱离件没有侵入车辆乘员舱.小型客车顺利导出，基本沿护栏行驶，轮迹满足导向驶出框要求[7]，根据小型客车车辆重心处加速度计算的乘员碰撞速度纵向和横向分量分别为OIVx=9.1 m/s和OIVy=6.4 m/s(t*=0.113 9 s)，乘员碰撞后加速度纵向和横向分量分别为ORAx=38.7 m/s2和ORAy=42.3 m/s2，满足缓冲功能评价指标要求[7].中型客车车体虽然与桥墩发生碰撞，但由于车身蒙皮结构为薄壁构件，碰撞过程中发生变形，未对车辆行驶姿态和轨迹产生明显不利影响，车辆顺利导出，轮迹满足导向驶出框要求(图4、图5)[4].

图4 中型客车车体与桥墩发生碰撞

图5 中型客车轮迹导向驶出框

大型货车碰撞距桥墩中心距离为2 m、3 m时，车辆虽然没有出现穿越、翻越、骑跨护栏以及翻车的情况，但由于车辆驶出转向过程中车厢与桥墩发生正面碰撞(图6)，导致车辆驶出角度过大，轮迹不满足导向驶出框要求(图7)[7].

图6 车厢左前侧与桥墩正面碰撞

图7 大型货车轮迹导向驶出框

综合小型客车、大型货车和中型客车的仿真模拟计算结果，由于大型货车碰撞的导向驶出框不满足评价标准[7]，需要进行结构优化.

3 优化方案

优化方案的设计思路是通过增加混凝土护栏的高度，降低车辆碰撞桥墩防护结构的护栏变形和车辆侧倾，将护栏高度由原设计的1 m提高至1.4 m，通过增加混凝土护栏高度来降低受碰撞后的护栏变形量，并减少车辆侧倾，加高部分采用直壁型，如图8所示，相应地增加竖向钢筋的高度，并增设4根纵向钢筋.护栏优化方案与文献[3]的推荐结构不一致，必须进行安全性能论证后才能在实际工程中应用.

图8 优化方案

根据原设计方案的仿真模拟结果，小型客车、大型货车和中型客车3种碰撞车型中，大型货车碰撞最不利，按照不同的碰撞点位置，首先进行大型货车碰撞优化后桥墩防护结构的仿真模拟计算[4-6].

不同碰撞点位置的大型货车行驶轮迹以及导向驶出框如表3所示，车辆轮迹均满足导向驶出框要求[7]，仿真模拟计算结果满足评价标准要求[7].

表3 不同碰撞点位置的车辆行驶轮迹以及导向驶出框

如图9所示，当碰撞点距桥墩中心5 m时，大型货车车厢碰撞行驶过程中未与桥墩接触碰撞，表明碰撞点取为距桥墩中心距离分别取为0、1、2、3、4、5 m以及混凝土护栏中点位置，可代表桥墩防护结构的较不利碰撞点位置.

图9 碰撞点距桥墩中心5 m的车厢位置变化

大型货车碰撞距桥墩中心1 m处时，对应于护栏最大横向动态变形值和护栏最大横向动态位移外延值的最不利状态，此时车厢尾部碰撞护栏.护栏最大横向动态变形值为28 cm，护栏最大横向动态位移外延值为69 cm.车辆碰撞混凝土护栏中点处时，对应于车辆最大动态外倾值的最不利状态.车辆最大动态外倾值为81 cm，车辆最大动态外倾当量值为90 cm.

大型客车碰撞混凝土护栏中点位置时，对应于护栏最大横向动态变形值、护栏最大横向动态位移外延值以及车辆最大动态外倾值的最不利状态，护栏最大横向动态变形值为13 cm，护栏最大横向动态位移外延值为50 cm，车辆最大动态外倾值和外倾当量值为39 cm.

按照防护等级SB级(280 kJ)的碰撞车型、碰撞速度和碰撞角度，1.5 t小型客车、10 t大型客车和18 t大型货车碰撞优化后桥墩防护结构的仿真结果符合文献[7]的要求，表4汇总的D值、W值和VIn值可供设计人员参考.