桥梁跨越高速公路中分带设墩的安全处置措施与仿真分析

方睿

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

以往在高速公路中央分隔带内设置的桥墩形式各异，尺寸各不相同。国内各大公路设计院对于中分带存在障碍物时，相应规范要求的理解及对应的防护处理方案也不尽相同。《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）[1]颁布以来，为强化高速公路交通安全运营保障能力，提升高速公路的安全防控水平，国内不少省市对已建成通车的高速公路进行了安全设施的规范符合性排查。本文旨在结合某省相关排查工作，系统梳理桥梁跨越高速公路中分带设墩的安全措施。

1 工程背景

本文以国内某省2000年以来建成通车的高速公路为例，首先对桥梁跨越高速公路中分带设墩情况下，安全设施的规范符合性进行排查，并对问题进行分类；其次依据规范条文进行相应分析验算；最后结合仿真模拟结果提出改造方案。

2 规范解读

《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）规定，当中央分隔带内存在车辆无法安全穿越的障碍物时，其可能发生的事故严重等级判定为“中”，中央分带护栏的防护等级应不低于SBm 级。

车辆冲击护栏会导致护栏变形，若护栏与桥墩的间距较小，则车辆有碰撞桥墩的风险，大型车辆碰撞护栏还可能发生侧倾。因此规范规定，中央分隔带护栏面与其所防护的障碍物的距离，一般应大于护栏最大横向动态位移外延值W，主要通行车辆为大型车辆时应大于最大动态外倾当量值VIn。从实际防撞效果来看，采用混凝土墙式护栏能有效降低W 值，而若要减小VIn则需要增加护栏高度。

选择W 或VIn作为设计控制指标，主要取决于“主要行驶车辆”是否为“大型车辆”，但规范中对“主要行驶车辆”和“大型车辆”均未明确定义。鉴于此，行业内专家进行了专题研讨[2]，认为现阶段满足下列条件之一则可认为“公路主要行驶车辆为大型车辆”：第一，结合《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）第6.2.11 条，总质量大于或等于25t 的车辆自然数所占比例大于20%。第二，结合《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）[3]，载质量大于7t 的货车及19 座以上的客车车辆自然数之和所占比例大于50%。

按照上述条件对高速公路的主要行驶车辆进行判断，大部分都不属于大型车辆范畴。因此，W 值作为护栏设计的控制指标更为普遍。

3 归类分析

根据规范符合性排查结果，目前高速公路中分带桥墩障碍物处护栏主要存在以下两类问题：

一是采用波形梁护栏，桥墩处允许变形空间不满足规范要求；二是采用混凝土护栏，桥墩处允许变形空间不满足规范要求，甚至侵入护栏范围。

3.1 波形护栏

此次研究以符合规范最低要求的SBm 级护栏为例，其最大横向动态位移外延值W 应满足小于中央分隔带护栏迎撞面与桥墩距离的要求，同时符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）[4]对于缓冲功能、导向功能、阻挡功能等各项安全性能评价指标的要求。

SBm 级波形梁护栏的W 值为1.34m，但高速公路一般路段中分带设有桥墩等障碍物时，允许变形空间大多难以满足此要求。因此，中分带有障碍物时，波形护栏的适用情况较少。

此外，在满足规范要求的前提下，若提高护栏防护等级，设计防护能量将相应提高，W 值也会相应增大。例如，SBm 级波形梁护栏设计防护能量为280kJ，对应W 值为1.34m；而SSm 级波形梁护栏设计防护能量为520kJ，对应W 值增大为1.76m。

对于采用波形梁护栏但W 值不满足规范要求的情况，宜考虑改为设置混凝土护栏。改为混凝土护栏后仍需满足W 值的要求，例如SAm 级混凝土护栏，W值需大于0.503m。

3.2 混凝土护栏

高速公路一般路段中分带设有桥墩等障碍物时，即使采用混凝土护栏其允许变形空间大多也难以满足W 值要求。因此，需要考虑两方面的安全性问题：一是桥梁中墩防撞安全（桥墩安全）；二是桥梁中墩处的防护结构安全（车辆安全）。

3.2.1 中墩防撞安全分析

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[5]中4.4.3 条对汽车的撞击力作了相应的规定。桥梁结构考虑汽车撞击作用时，撞击力设计值在车辆行驶方向为1000kN，在车辆行驶的垂直方向为500kN，撞击点位于路面以上1.2m 处，两个方向的撞击力应分别计算，不进行叠加。桥墩防撞应验算墩身和基础顺桥向、横桥向的承载能力。验算荷载应根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）4.1.5 条进行组合，考虑撞击力、汽车荷载、温度、制动力等参与组合。撞击力弯矩直接按照撞击力计算，制动力及温度作用均按照墩柱刚度分配，墩柱按照偏心受压构件计算（计算长度取2L）。通过验算可知，2000年后建成的大多数高速公路跨线桥，其中墩防撞能力能够满足上述防撞要求。对于极少数墩身防撞验算不满足的桥墩，应考虑采用合理的加固措施。

3.2.2 中墩防护结构安全分析

高速公路一般上跨桥梁以25m、30m 跨径为主，下部结构多采用柱式墩，中分带护栏外侧净距不足1m，桥墩侵入护栏设置空间很常见。这其中又因为允许变形空间的不同，分为两种情况：第一，对于允许变形空间小于W 且大于0.3m 的桥墩处，可完整设置SBm级混凝土护栏，符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求。第二，对于允许变形空间小于0.3m 的桥墩处，无法完整设置SBm 级混凝土护栏，但必须满足护栏迎车面要求，因此需对护栏进行削薄处理。

4 仿真分析

此次研究对采用削弱护栏防护性能的较不利方案进行了仿真模拟，相应的方案为[6]：桥墩直径1.5m，护栏设置长度36m，护栏路面以上高度1m、F 型坡面形式，中分带混凝土护栏和波形梁护栏之间设置3m过渡段，混凝土采用C30。墙体配筋采用HRB400，其中竖向钢筋直径16mm，间距15cm；纵向钢筋直径12mm，断面共设置14 根（见图1）。

4.1 碰撞参数

此次研究依据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的5.3.3 条确定试验碰撞参数，按照表5.3.3 防护等级为“四”，选取相应的碰撞车型、车辆总质量、碰撞速度、碰撞角度。

4.2 性能指标

阻挡功能符合：能有效阻挡车辆，防止车辆发生穿越、翻越和骑跨护栏的情况；护栏构件经受撞击后，不允许发生侵入车辆乘员舱的情况。缓冲功能符合：车上乘员在碰撞发生时，其纵、横向速度均不得大于12m/s；车上乘员在碰撞发生后，其纵、横向加速度均不得大于200m/s2。导向功能符合：车辆在碰撞后不允许翻车；碰撞后经驶离点驶出的轮迹不允许超出直线F 所划定的范围（见图2）。其中，参数A 和B 应按照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）表4.1.3 进行取值。

4.3 撞击位置

此次研究对碰撞点距桥墩中心距分别取0m、1m、2m、3m、4m、5m 进行仿真模拟，检验是否出现车辆与桥墩碰撞导致安全性能不满足评价标准的情况。同时，对于大中型车辆，以“车体与桥墩发生碰撞而产生绊阻的可能性最大”为原则，确定较不利碰撞点。

4.4 仿真模型

此次研究采用ANSYS/LS-DYNA 作为仿真模拟应用软件，该程序为一种显式通用非线性动力分析有限元程序，被广泛应用于汽车、航空航天、国防、电子等工业领域，求解各种非线性结构的碰撞、冲击、爆炸等非线性问题。

此次研究模型桥墩墩身直径1.5m，高度取4.6m为公路行驶车辆的最大限高，混凝土护栏模型长度为36m。墩身及护栏均采用solid65+link8 模拟混凝土与钢筋，并对底部设置固定约束（见图3）。在车辆建模完成并导入后，进一步对车辆的碰撞速度、碰撞角度、碰撞点等进行设置，从而形成完整的车辆碰撞有限元模型（见图4）。

4.5 模拟结论

通过仿真模拟计算对原设计桥墩中墩防护结构进行安全性能检验。1.5t 小型客车、10t 中型客车碰撞结果显示，防护结构的阻挡、导向和缓冲功能均符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求。但大型货车在碰撞后驶出过程中，车厢会与桥墩发生碰撞，导致驶出角度偏大，轮迹超出了导向驶出框直线F 的范围，因此需要对防撞结构进行优化设计。

防撞结构的优化设计思路是通过加高护栏，减小车辆碰撞桥墩防护结构后的最大动态外倾当量值VIn。在此次研究中，混凝土护栏高度由SBm 级标准的1m 加高至1.4m，加高部分采用直壁形式，相应增加4 根纵向钢筋，并调整竖向钢筋。

5 结论

本文以国内某省2000年以来建成通车的高速公路为例，对桥梁跨越高速公路中分带设墩的安全规范符合性问题进行排查和分类，并依据规范条文和仿真模拟进行分析验算，得出主要结论如下：

第一，高速公路中分带处桥墩安全防护结构设计，首先需要确定是采用W 还是VIn作为控制指标。经专家研讨，认为总质量大于或等于25t 的车辆自然数所占比例大于20%，或载质量大于7t 的货车及19 座以上的客车车辆自然数之和所占比例大于50%的情况，属于“公路主要行驶车辆为大型车辆”。该类情况下采用VIn作为控制指标，其余情况采用W 作为控制指标。第二，高速公路一般路段，中分带采用波形梁护栏在跨线桥设墩处W 值多数情况难以满足规范要求，可考虑改为设置混凝土护栏。第三，中分带桥墩两侧设置混凝土护栏的，仍需验算其W 值是否满足规范要求。对于W 值不满足规范要求的，碰撞发生时桥墩有可能受到撞击，因此需要进行桥墩墩身防撞能力验算。若存在桥墩侵入护栏设置空间的情况，需要对中分带防撞结构进行特殊设计，确保护栏的迎撞面符合规范要求。此外，对于采用特殊设计的中分带防撞结构，建议结合仿真模拟对护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能进行复核验算。