田 芳，文鵬兵，賈 寧

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210014；2.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，南京 210004；3.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

隨著社會公眾對于出行安全重視程度的不斷提高，以及“交通強(qiáng)國”建設(shè)的相關(guān)要求，交通安全問題日益成為交通從業(yè)者們關(guān)注的焦點.為了降低高速公路上跨橋梁的工程造價和施工難度，往往在高速公路中央分隔帶內(nèi)設(shè)置橋墩.對于跨越高速公路的行駛車輛來說，設(shè)置在中央分隔帶內(nèi)的橋墩是一種障礙物，如果車輛失控與橋墩發(fā)生正面碰撞，不僅危及橋梁結(jié)構(gòu)安全，還會對車輛及司乘人員造成傷害.

根據(jù)文獻(xiàn)1的規(guī)定，當(dāng)公路主要行駛車型為大型車輛時，護(hù)欄距其防護(hù)的橋墩的距離應(yīng)大于車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn.但由于用地限制，高速公路中分帶橋墩處的護(hù)欄設(shè)置空間可能難以滿足文獻(xiàn)[1]的要求，且文獻(xiàn)[1]對于“主要行駛車型”以及“大型車輛”沒有明確定義，工程設(shè)計中面臨一定的困惑.

鑒于以上背景，本文針對高速公路中分帶橋墩安全防護(hù)問題進(jìn)行了深入探討，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范關(guān)于車型的相關(guān)規(guī)定，明確“主要行駛車型”以及“大型車輛”的含義；對于中分帶寬度所限、無法按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行中分帶加寬和橋墩防護(hù)設(shè)計的情況，給出了混凝土護(hù)欄和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的處置方案；采用計算機(jī)仿真模擬技術(shù)手段，進(jìn)行處置方案的安全性論證.

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求及解讀

1.1 行駛車型

大型車輛包括大型客車和大型貨車.根據(jù)文獻(xiàn)2表3.3.2“各汽車代表車型及車輛折算系數(shù)”，汽車代表車型包括小客車、中型車、大型車和汽車列車.大型車是指載質(zhì)量大于7 t且小于等于20 t的貨車，汽車列車是指載質(zhì)量大于20 t的貨車，因此可將載質(zhì)量大于7 t的貨車作為大型貨車.文獻(xiàn)2將19座作為區(qū)分小客車和中型車的界限值，偏于安全地，將座位大于19座的客車作為大型客車.關(guān)于大型車輛的構(gòu)成比例，結(jié)合具體項目工程可行性研究報告中的車型構(gòu)成分析數(shù)據(jù)，當(dāng)大型客車和大型貨車的車輛自然數(shù)之和所占比例大于50%時，認(rèn)定公路主要行駛車型為大型車輛.

根據(jù)文獻(xiàn)1的規(guī)定，設(shè)計交通量中總質(zhì)量不低于25 t的車輛自然數(shù)所占比例大于20%時，在事故發(fā)生可能性增加或后果更嚴(yán)重的路段，宜提高護(hù)欄的防護(hù)等級.參考該規(guī)定，認(rèn)為總質(zhì)量不低于25 t的車輛自然數(shù)所占比例大于20%時，即屬于公路主要行駛車型為大型車輛.

以江蘇某高速公路項目為例，工可報告中的交通量數(shù)據(jù)如表1所示.無論是按照方法一還是方法二，上述項目都達(dá)不到“主要行駛車輛為大型車”的判定條件.實際上，在該項目工可報告中亦有相應(yīng)文字描述：通過未來車型比例預(yù)測的結(jié)果可看出，未來小客車占主導(dǎo)地位，隨著時間的推移，小客車的比例逐漸增長，大客車的比例逐漸下降；而從貨車的比例變化可看出，未來貨運朝著大型化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，重型貨車的比例不斷提高，中型貨車的比例下降.

表1 項目區(qū)域路網(wǎng)未來車型比例預(yù)測表 %

1.2 中分帶橋墩處護(hù)欄設(shè)置

文獻(xiàn)[3]規(guī)定，中央分隔帶內(nèi)設(shè)有車輛不能安全穿越的障礙物時，事故嚴(yán)重程度等級為“中”，中央分隔帶護(hù)欄的防護(hù)等級應(yīng)不低于SBm級.因此，中分帶橋墩處護(hù)欄防護(hù)等級應(yīng)不低于SBm級.

文獻(xiàn)[3]推薦的中分帶橋墩處防護(hù)設(shè)計方案如圖1所示，采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)欄在橋墩處作圍繞包封處理，在橋墩處兩側(cè)護(hù)欄設(shè)置間距加寬，但加寬部分不得侵入公路建筑限界，漸變段的長度不應(yīng)小于20倍的加寬寬度，且偏角不宜大于2°，混凝土護(hù)欄高度不小于1 m.

注：L為橋墩直徑；C為中央分隔帶建筑限界值.圖1 中央分隔帶橋墩處護(hù)欄處置方案/mm

2 防護(hù)設(shè)計初步方案安全性論證

2.1 設(shè)計方案

文獻(xiàn)[2]沒有對高速公路中央分隔帶寬度作出明確規(guī)定，而提出“應(yīng)根據(jù)公路項目中分帶的功能確定”，但目前高速公路項目設(shè)計中仍然沿用以往做法，設(shè)計速度120 km/h的高速公路中分帶寬度一般為3 m.因此，當(dāng)中分帶內(nèi)設(shè)有上跨橋橋墩時，如果橋墩直徑小于1.0 m，扣除兩側(cè)余寬C值之后，每側(cè)留給護(hù)欄的設(shè)置空間約為0.5 m.雖然0.5 m的空間足夠設(shè)置波形梁護(hù)欄，但無論是Am級或SBm級波形梁護(hù)欄，其W值均大于0.5 m，顯然中分帶內(nèi)上跨橋橋墩處不具備波形梁護(hù)欄設(shè)置條件，唯有設(shè)置不低于SBm級的混凝土護(hù)欄進(jìn)行安全防護(hù).

當(dāng)中分帶內(nèi)設(shè)有上跨橋橋墩且無法按照文獻(xiàn)[3]的要求進(jìn)行中分帶加寬時，對于實際工程中出現(xiàn)的較不利情況，如圖2所示，中分帶寬度為3 m，但橋墩直徑達(dá)到1.56 m，如果按照文獻(xiàn)[3]的推薦方案，采用SBm級混凝土護(hù)欄和混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行橋墩防護(hù)，護(hù)欄墻體最薄處的寬度只有2 cm，設(shè)置長度為36 m，護(hù)欄路面以上高度為1 m.混凝土標(biāo)號為C30，墻體配筋型號為HRB400，鋼筋型號分別為：豎向鋼筋直徑16 mm，間距15 cm；縱向鋼筋直徑12 mm，設(shè)置14根.

圖2 處置方案原設(shè)計/mm

2.2 數(shù)值仿真模型

采用經(jīng)實車碰撞試驗校核的數(shù)值碰撞仿真模型，模擬“車輛-橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)”碰撞過程[6]，按照文獻(xiàn)[7]規(guī)定的SBm級(280 kJ)碰撞條件(表2)，對防護(hù)設(shè)計初步方案進(jìn)行安全性能檢驗.

表2 SBm級(280 kJ)碰撞條件

仿真模型如圖3所示，橋墩采用剛體模擬，高度取公路行駛車輛最大限高4.6 m，按實際設(shè)置長度建立混凝土護(hù)欄模型，護(hù)欄樁基礎(chǔ)底部固結(jié)，折彎點設(shè)定為路面以下15 cm.

圖3 車輛碰撞橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)

在橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)整個模型中導(dǎo)入車輛模型之后，通過設(shè)置碰撞速度、碰撞角度、接觸以及調(diào)整碰撞點等，形成車輛碰撞橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型，碰撞仿真模擬計算采用國際上應(yīng)用廣泛的非線性顯式動力學(xué)有限元分析程序LS-DYNA.

2.3 仿真結(jié)果

小型客車高度較低，碰撞混凝土護(hù)欄后，不會出現(xiàn)因車體外傾碰撞橋墩的情況.由于橋墩處混凝土墻體較薄，且混凝土未與橋墩整體澆筑，屬于受力薄弱點，有必要進(jìn)行此處小型客車碰撞時的安全性能檢驗.

小型客車和中型客車碰撞后行駛姿態(tài)平穩(wěn)，沒有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄，沒有發(fā)生翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象，橋墩處護(hù)欄混凝土出現(xiàn)壓碎破壞，橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙.小型客車順利導(dǎo)出，基本沿護(hù)欄行駛，輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求[7]，根據(jù)小型客車車輛重心處加速度計算的乘員碰撞速度縱向和橫向分量分別為OIVx=9.1 m/s和OIVy=6.4 m/s(t*=0.113 9 s)，乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量分別為ORAx=38.7 m/s2和ORAy=42.3 m/s2，滿足緩沖功能評價指標(biāo)要求[7].中型客車車體雖然與橋墩發(fā)生碰撞，但由于車身蒙皮結(jié)構(gòu)為薄壁構(gòu)件，碰撞過程中發(fā)生變形，未對車輛行駛姿態(tài)和軌跡產(chǎn)生明顯不利影響，車輛順利導(dǎo)出，輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求(圖4、圖5)[4].

圖4 中型客車車體與橋墩發(fā)生碰撞

圖5 中型客車輪跡導(dǎo)向駛出框

大型貨車碰撞距橋墩中心距離為2 m、3 m時，車輛雖然沒有出現(xiàn)穿越、翻越、騎跨護(hù)欄以及翻車的情況，但由于車輛駛出轉(zhuǎn)向過程中車廂與橋墩發(fā)生正面碰撞(圖6)，導(dǎo)致車輛駛出角度過大，輪跡不滿足導(dǎo)向駛出框要求(圖7)[7].

圖6 車廂左前側(cè)與橋墩正面碰撞

圖7 大型貨車輪跡導(dǎo)向駛出框

綜合小型客車、大型貨車和中型客車的仿真模擬計算結(jié)果，由于大型貨車碰撞的導(dǎo)向駛出框不滿足評價標(biāo)準(zhǔn)[7]，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

3 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案的設(shè)計思路是通過增加混凝土護(hù)欄的高度，降低車輛碰撞橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)的護(hù)欄變形和車輛側(cè)傾，將護(hù)欄高度由原設(shè)計的1 m提高至1.4 m，通過增加混凝土護(hù)欄高度來降低受碰撞后的護(hù)欄變形量，并減少車輛側(cè)傾，加高部分采用直壁型，如圖8所示，相應(yīng)地增加豎向鋼筋的高度，并增設(shè)4根縱向鋼筋.護(hù)欄優(yōu)化方案與文獻(xiàn)[3]的推薦結(jié)構(gòu)不一致，必須進(jìn)行安全性能論證后才能在實際工程中應(yīng)用.

圖8 優(yōu)化方案

根據(jù)原設(shè)計方案的仿真模擬結(jié)果，小型客車、大型貨車和中型客車3種碰撞車型中，大型貨車碰撞最不利，按照不同的碰撞點位置，首先進(jìn)行大型貨車碰撞優(yōu)化后橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真模擬計算[4-6].

不同碰撞點位置的大型貨車行駛輪跡以及導(dǎo)向駛出框如表3所示，車輛輪跡均滿足導(dǎo)向駛出框要求[7]，仿真模擬計算結(jié)果滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求[7].

表3 不同碰撞點位置的車輛行駛輪跡以及導(dǎo)向駛出框

如圖9所示，當(dāng)碰撞點距橋墩中心5 m時，大型貨車車廂碰撞行駛過程中未與橋墩接觸碰撞，表明碰撞點取為距橋墩中心距離分別取為0、1、2、3、4、5 m以及混凝土護(hù)欄中點位置，可代表橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)的較不利碰撞點位置.

圖9 碰撞點距橋墩中心5 m的車廂位置變化

大型貨車碰撞距橋墩中心1 m處時，對應(yīng)于護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值和護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值的最不利狀態(tài)，此時車廂尾部碰撞護(hù)欄.護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值為28 cm，護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值為69 cm.車輛碰撞混凝土護(hù)欄中點處時，對應(yīng)于車輛最大動態(tài)外傾值的最不利狀態(tài).車輛最大動態(tài)外傾值為81 cm，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值為90 cm.

大型客車碰撞混凝土護(hù)欄中點位置時，對應(yīng)于護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值、護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值以及車輛最大動態(tài)外傾值的最不利狀態(tài)，護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值為13 cm，護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值為50 cm，車輛最大動態(tài)外傾值和外傾當(dāng)量值為39 cm.

按照防護(hù)等級SB級(280 kJ)的碰撞車型、碰撞速度和碰撞角度，1.5 t小型客車、10 t大型客車和18 t大型貨車碰撞優(yōu)化后橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果符合文獻(xiàn)[7]的要求，表4匯總的D值、W值和VIn值可供設(shè)計人員參考.

表4 優(yōu)化后橋墩防護(hù)結(jié)構(gòu)D值、W值和VIn值匯總 cm

為進(jìn)一步校驗仿真模擬結(jié)果，研究過程中選取最不利碰撞點進(jìn)行實車碰撞試驗.試驗細(xì)節(jié)此處不再贅述，試驗結(jié)果和仿真計算結(jié)果高度吻合，驗證了該防護(hù)結(jié)構(gòu)可作為中分帶橋墩處空間受限位置的安全防護(hù)措施.

4 結(jié)束語

本文所述安全防護(hù)措施是為解決某些高速公路中分帶內(nèi)已設(shè)置較大直徑上跨橋橋墩、無法按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)而采取的對策.

為滿足公路使用者安全行車的需求，上跨橋應(yīng)盡可能避免在被交道路中分帶內(nèi)設(shè)墩，確需設(shè)置橋墩的，應(yīng)盡可能采用薄壁墩，為設(shè)置護(hù)欄留出空間.

如果公路主要行駛車型為大型車輛，中分帶上跨橋墩處的安全防護(hù)措施還應(yīng)考慮將VIn值作為護(hù)欄變形的控制因素.