盧輝 龔帥 林海騰 高建雨 閆書明

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

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，水資源日益匱乏，飲用水源安全與保護越來越成為社會各界關(guān)注的焦點。大量的統(tǒng)計資料表明，跨水域公路運輸?；奋囕v交通事故泄漏引起的突發(fā)環(huán)境污染已成為影響飲用水源保護區(qū)供水安全的重要原因[1，2]。護欄作為公路交通事故的最后一道防線，如果其防護能力有所不足，特別是對于跨水資源橋梁路段，一旦發(fā)生大型運輸車輛碰撞橋側(cè)護欄的事故，車輛易發(fā)生翻越或穿越護欄的狀況，從而造成車毀人亡的嚴重后果。若這些大型運輸車輛中含運輸危險化學(xué)品車輛，除對司乘人員造成傷害外，還有可能污染飲用水源，給當(dāng)?shù)氐娜嗣裆钆c環(huán)境衛(wèi)生等造成惡劣影響[3]。

針對上述跨水資源路段水源保護及橋梁護欄的安全防護問題，本文對跨水資源路段的特殊防護需求進行分析，并開展高等級橋梁護欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全防護性能評估等研究工作。

1 跨水資源路段的特殊防護需求

2017年頒布的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81-2017)規(guī)定：跨大型飲用水水源一級保護區(qū)的橋梁防護等級宜采用八(HA)級[4]，可知規(guī)范對橋梁護欄安全防護能力要求較高，因此，選取橋梁護欄防護系統(tǒng)的防護等級為HA 級。

跨水資源路段橋梁位置特殊，除護欄要滿足其較高的安全防護需求外，還要考慮防拋設(shè)施對水資源的保護，防止車輛及其它拋灑物進入水源，造成污染。考慮到拋灑物存在固、液兩種形態(tài)，防拋設(shè)施不僅要阻擋固、液拋灑物進入水源，還要對其進行合理處理和收集[5-7]。

綜合上述分析可知，跨水資源路段橋梁護欄應(yīng)具有防護車輛的安全防護能力，同時防拋設(shè)施還要具有阻擋和收集拋灑物，保護飲用水源的作用，如圖1所示為跨水資源路段特殊防護需求示意。

圖1 跨水資源路段特殊防護需求示意Fig.1 The sketch drawing of special protection requirements of highway cross water resource area

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于車輛防護和飲用水源保護的特殊需求，本文提出跨水資源路段高等級橋梁護欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2.1 橋梁護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮安全、經(jīng)濟及景觀效果等因素，橋梁護欄采用HA 級雙橫梁組合式橋梁護欄結(jié)構(gòu)：護欄總高為1.5m；混凝土墻體高850mm，底寬500mm，采用改進型坡面形式；上部金屬梁柱結(jié)構(gòu)高650mm，由間距2m 的斜 H 型立柱(翼板與腹板厚12mm)、鋼管橫梁(矩形管上部橫梁斷面為 160mm 長×120mm 寬×10mm 厚，下部橫梁斷面為 160mm 長×120mm 寬×6mm 厚)、托架組成；地角螺栓型號為10.9 級 M30，嵌固深度為430mm；立柱與橫梁之間、橫梁內(nèi)外套管之間螺栓型號為10.9 級M22。

2.2 防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到防拋設(shè)施的功能需求、安全性及施工方便性等多種因素，給出了防拋設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：防拋設(shè)施采用鋼結(jié)構(gòu)形式，頂部距離地面高度為 2.1m，與橋梁護欄間的設(shè)計凈距為0.9m，用型鋼和攔截鋼板形成收集槽，車輛液體拋灑物通過攔截鋼板攔截后從混凝土墻體頂部直接導(dǎo)流到路面上。

在高等級橋梁護欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，給出跨水資源橋梁護欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 橋梁護欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計方案(單位：mm)Fig.2 Design scheme of bridge barrier and anti-throwing facilities(unit：mm)

3 仿真模型及驗證

利用有限元仿真模擬方法對護欄安全性和防拋設(shè)施適用性進行研究，采用基于顯式有限元理論建立的仿真模型[8，9]，并通過與以往試驗比對的方式對仿真模型(包括車輛模型和護欄模型)可靠性進行驗證[8，9]。

3.1 車輛模型

對于小型客車，通過與碰撞某雙橫梁組合式橋梁護欄試驗結(jié)果對比，對小客車仿真參數(shù)準確性進行驗證：圖3為小客車碰撞護欄駛出角度的仿真與試驗對比，可以看出仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合；表1為小客車碰撞護欄加速度指標(biāo)的仿真與試驗結(jié)果對比，可見仿真和試驗誤差最大僅為6.3%，在10%以內(nèi)，驗證了小客車模型的準確性和可靠性。

圖3 小客車駛出角度仿真與試驗對比Fig.3 The comparison between simulation results of car exit angle and test results

表1 小客車碰撞加速度結(jié)果仿真與試驗對比Tab.1 The comparison between simulation results of acceleration and test results

對于大型車(大型客車與大型貨車)，通過與某雙橫梁組合式橋梁護欄碰撞試驗結(jié)果對比，對仿真參數(shù)準確性進行驗證：圖4和圖5分別為大型客車與大型貨車碰撞護欄仿真與試驗對比，可以看出車輛駛出角度、車輛變形以及車輛最大側(cè)傾角度的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致，驗證了大型車輛模型的準確性和可靠性。

圖4 大客車碰撞護欄仿真與試驗對比Fig.4 The comparison between simulation results of bus impact process and test results

圖5 大貨車碰撞護欄仿真與試驗對比Fig.5 The comparison between simulation results of truck impact process and test results

3.2 護欄模型

圖6為630kJ 碰撞能量下某雙橫梁組合式橋梁護欄變形的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比，最大動態(tài)變形量分別為315mm 與347mm，仿真和試驗誤差為9.2%，在10%以內(nèi)，驗證了護欄模型的準確性和可靠性。

圖6 護欄變形情況仿真與試驗對比Fig.6 The comparison between simulation results of the combined bridge barrier and test results

4 橋梁護欄安全性能評估

采用通過試驗驗證的高精度計算機仿真模型，針對橋梁護欄設(shè)計方案從護欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能進行安全性能評估。相關(guān)研究及《公路護欄安全性能評價標(biāo)準》(JTG B05-01-2013)(簡稱評價標(biāo)準)表明：小型客車主要評估護欄的緩沖功能，而大型車輛主要考察護欄的阻擋功能和導(dǎo)向功能。因此，采用“評價標(biāo)準”的HA 級護欄碰撞條件中規(guī)定的小型車輛(小型客車)和大型車輛(大客車和大貨車)對護欄安全性能進行評估，碰撞條件如表2所示[10]。

表2 HA 級護欄碰撞條件[10]Tab.2 Impact test conditions of HA-level barrier

4.1 小型客車碰撞分析

圖7為小客車碰撞過程，可見護欄對小客車的阻擋功能和導(dǎo)向功能滿足要求，表3和圖8為小客車碰撞后緩沖指標(biāo)，乘員碰撞速度縱向和橫向分量均小于12m/s，乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量均小于200m/s2，滿足評價標(biāo)準要求。

圖7 小客車碰撞進程Fig.7 The car impact process

表3 橋梁護欄的緩沖指標(biāo)Tab.2 The buffering indicators of the bridge barrier

圖8 乘員碰撞后加速度時程曲線Fig.8 The occupant ridedown acceleration time-history curve

4.2 大型車輛碰撞分析

圖9為大型客車和大型貨車碰撞過程，可以看出護欄對車輛的阻擋功能和導(dǎo)向功能良好，滿足評價標(biāo)準要求。

圖9 大型車輛碰撞過程Fig.9 The large vehicle impact process

由上述分析可知，三種車型碰撞護欄后，橋梁護欄的各項指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準對HA 級護欄的安全防護要求，護欄安全可靠。

5 防拋設(shè)施適用性分析

為確保車輛碰撞橋梁護欄過程中防拋設(shè)施的安全性，對防拋設(shè)施與護欄的適用性進行分析，即分析車輛碰撞過程中最大動態(tài)外傾當(dāng)量值與設(shè)計凈距之間的關(guān)系，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值可按公式(1)求得。

式中：VIn為大中型車輛(包括特大型客車)的車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(m)；VI為車輛最大動態(tài)外傾值(m)；VH為試驗車輛總高(m)；α為試驗車輛外傾角度(°)。

由圖7可以看出小型客車碰撞護欄后無外傾風(fēng)險，對防拋設(shè)施無影響，因此，只對大型車輛碰撞過程中對防拋設(shè)施的影響進行分析。

圖10為大型車輛碰撞橋梁護欄過程中最大側(cè)傾狀態(tài)。大型客車和大型貨車的最大動態(tài)外傾值分別為0.71m 和0.4m；最大側(cè)傾角分別為14.1°和16.7°。根據(jù)公式(1)經(jīng)換算后的車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值分別為0.95m 和0.62m。

圖10 車輛最大側(cè)傾Fig.10 Maximum dynamic vehicle incline-out situation

大型客車和大型貨車碰撞護欄過程中外傾時，車輛最外邊緣相對于護欄碰撞前最外邊緣(護欄背部邊緣)的橫向水平距離分別為0.45m和0.12m(即VIn-B，其中VIn車輛最大外傾當(dāng)量值，B為混凝土基座底部寬度0.5m)，均小于設(shè)計凈距0.9m，說明設(shè)計凈距合理，可起到車輛碰撞橋梁護欄過程中確保防拋設(shè)施安全的目的。

為進一步驗證上述分析，建立大客車、大貨車碰撞橋梁護欄和防拋設(shè)施組合的仿真模型進行分析。圖11為大客車、大貨車碰撞過程，可知車輛碰撞橋梁護欄后恢復(fù)正常行駛，在碰撞的整個過程中，車輛產(chǎn)生傾斜，但并未與防拋設(shè)施碰撞，驗證了橋梁護欄和防拋設(shè)施間設(shè)計凈距的合理性

圖11 大型車輛碰撞過程Fig.11 The large vehicle impact process

通過以上分析，可見防拋設(shè)施與橋梁護欄間的設(shè)計凈距0.9m，可以滿足防拋設(shè)施的安全需求。

6 結(jié)論

通過對跨水資源路段特殊防護需求的分析，給出了跨水資源高等級橋梁護欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。其中高等級橋梁護欄安全防護能力達到HA 級，具有較好的阻擋、緩沖和導(dǎo)向功能；大型客車與大型貨車碰撞過程中車輛最外邊緣和護欄碰撞前最外邊緣的橫向水平距離分別為0.45m 和0.12m，均小于防拋設(shè)施與橋梁護欄的設(shè)計凈距0.9m，能保證防拋設(shè)施的安全性。因此，此結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能有效防護車輛，在起到對拋灑物進行阻擋和收集的作用同時，滿足防拋設(shè)施安全性的需求。