余斌， 王新， 池紅坤， 楊福宇， 劉思源， 馬晴， 閆書明

(1.湖北棋盤洲長江公路大橋有限公司， 湖北 黃岡 435499； 2.北京華路安交通科技有限公司， 北京市 100070)

1 工程概況

棋盤洲長江公路大橋位于黃石市和黃岡市境內(nèi)，主橋全長3 328.5 m，主跨為1 038 m長的雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，跨越長江水域，如圖1所示。該路段事故嚴(yán)重程度較高，若橋梁護(hù)欄防護(hù)能力不達(dá)標(biāo)，極易發(fā)生車輛穿越護(hù)欄墜橋或碰撞懸索橋吊桿等惡性事故，威脅駕乘人員及橋梁主體安全。

圖1 棋盤洲長江公路大橋

根據(jù)JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]要求，結(jié)合特大型懸索橋特點(diǎn)，需要設(shè)置HA級梁柱式鋼護(hù)欄。同時(shí)，橋梁翼緣板形式(混凝土箱梁翼緣板和鋼箱梁翼緣板，如圖2所示)與護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，直接影響橋梁護(hù)欄的基礎(chǔ)形式及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。據(jù)了解，現(xiàn)有HA級梁柱式鋼護(hù)欄成果多依據(jù)混凝土橋翼緣板形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全評價(jià)[2]，并不完全適用于鋼橋翼緣板設(shè)置條件，尤其是基礎(chǔ)連接方式?，F(xiàn)有鋼橋則主要通過改變護(hù)欄基礎(chǔ)連接方式進(jìn)行工程應(yīng)用，缺少設(shè)計(jì)依據(jù)，對適用于鋼橋翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄可靠成果需求迫切。

圖2 橋梁翼緣板類型

該文依托棋盤洲長江公路大橋，結(jié)合鋼箱梁翼緣板形式，采用多樣化技術(shù)手段，研究提出HA級梁柱式鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)，包括上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)連接方式；同時(shí)，通過合理簡化鋼箱梁翼緣板結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)場按1∶1比例修建模擬鋼箱梁橋翼緣板及護(hù)欄樣品，采用最不利車型進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，評價(jià)護(hù)欄結(jié)構(gòu)方案在鋼橋翼緣板上的使用效果，保證研究成果與實(shí)際工程橋型匹配適用，安全防護(hù)性能可靠。

2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合棋盤洲長江公路大橋鋼箱梁翼緣板結(jié)構(gòu)，考慮安全可靠、景觀通透、造價(jià)合理、工藝簡便等因素，采用理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真分析[4]等手段，對HA級梁柱式鋼護(hù)欄進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真迭代優(yōu)化，進(jìn)而得到最優(yōu)的護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)及適應(yīng)鋼箱梁翼緣板的基礎(chǔ)連接方式。

2.1 上部結(jié)構(gòu)

HA級梁柱式鋼護(hù)欄的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括高度、橫梁結(jié)構(gòu)及布置、立柱結(jié)構(gòu)及布置、連接及拼接方式等(圖3)。

圖3 HA級梁柱式鋼護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)(單位：mm)

通過研究分析進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，最終確定的護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

(1) 護(hù)欄由立柱、橫梁、連接槽鋼、連接內(nèi)套管及栓接構(gòu)件組成。

(2) 護(hù)欄橋面以上整體有效高度為1 500 mm。

(3) 橫梁布設(shè)層數(shù)為4層，橫梁尺寸為160 mm(寬)×120 mm(高)×6 mm(厚)×5 990 mm(長)的矩形管結(jié)構(gòu)。

(4) 立柱采用斜H形結(jié)構(gòu)，翼板、腹板、頂板、肋板的厚度均為12 mm，抗彎性能滿足要求的同時(shí)，方便安裝施工，立柱間距為1 600 mm。

(5) 連接槽鋼尺寸為155 mm(寬)×144 mm(高)×10 mm(厚)×300 mm(長)，其與立柱一體化焊接，簡化現(xiàn)場安裝流程，橫梁嵌入槽鋼后通過連接螺栓固定。

(6) 橫梁與橫梁之間通過拼接內(nèi)套管和拼接螺栓固定，拼接內(nèi)套管尺寸為144 mm(寬)×100 mm(高)×10 mm(厚)×1 000 mm(長)。

(7) 橫梁、連接槽鋼、拼接內(nèi)套管上均設(shè)置長圓孔，以提高現(xiàn)場安裝的方便性和容錯(cuò)性。

2.2 基礎(chǔ)連接方式

針對鋼箱梁翼緣板的基礎(chǔ)設(shè)置條件，為保證護(hù)欄基礎(chǔ)強(qiáng)度和減小翼緣板所受集中荷載的作用，采用攻絲板作為護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)和鋼箱梁翼緣板之間的重要承接構(gòu)件。通過研究分析進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，攻絲板上面通過8個(gè)M30的12.9級高強(qiáng)度螺栓來連接底板及護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)，攻絲板下面則焊接在鋼箱梁橋面板上，攻絲板沿橋梁縱向設(shè)置間距為1 600 mm(與立柱一致)，并在基礎(chǔ)連接外部罩上通長設(shè)置的鋼路緣石(總寬500 mm、厚度8 mm)，鋼路緣石焊接在鋼箱梁橋面板上，如圖4(a)所示；攻絲板尺寸為390 mm(長)×390 mm(寬)×60 mm(厚)，攻絲板上設(shè)置8個(gè)直徑為30 mm的攻絲孔，攻絲孔深度為60 mm，攻絲孔位置與底板螺孔位置相對應(yīng)，如圖4(b)所示；底板尺寸為390 mm(長)×390 mm(寬)×16 mm(厚)，底板上設(shè)置8個(gè)貫通的長圓形螺孔，方便安裝，護(hù)欄立柱則焊接在底板上，如圖4(c)所示。

圖4 基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄

2.3 護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究設(shè)計(jì)的護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)連接方式，最終得到可適應(yīng)鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3 護(hù)欄安全性能仿真評價(jià)

針對基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，采用高精度計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[4]，按照T/GDHS 001—2020《公路護(hù)欄安全性能仿真評價(jià)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定評價(jià)方法和指標(biāo)要求進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)安全性能仿真評價(jià)。圖6為建立的HA級梁柱式鋼護(hù)欄仿真模型，表1為HA級梁柱式鋼護(hù)欄仿真碰撞條件。

圖6 基于鋼橋翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄仿真模型

表1 HA級梁柱式鋼護(hù)欄仿真碰撞條件

圖7為小型客車、特大型客車、大型貨車、鞍式列車4種車型碰撞HA級梁柱式鋼護(hù)欄的仿真結(jié)果。由圖7可見，車輛碰撞過程中均沒有穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙，阻擋功能良好；車輛碰撞后均平穩(wěn)駛出，沒有發(fā)生翻車現(xiàn)象，車輛輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求，導(dǎo)向功能良好；小型客車縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為8.5 m/s、7.5 m/s，均小于12 m/s，縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為35.6 m/s2、46.2 m/s2，均小于200 m/s2，緩沖性能良好。同時(shí)，對4種車型碰撞后護(hù)欄變形及車輛側(cè)傾情況進(jìn)行了記錄，見表2。

圖7 HA級梁柱式鋼護(hù)欄安全性能仿真評價(jià)結(jié)果(單位：m)

根據(jù)上述仿真評價(jià)結(jié)果，基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄安全性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，可達(dá)到HA級防護(hù)等級。

表2 HA級梁柱式鋼護(hù)欄變形及車輛側(cè)傾情況

4 護(hù)欄安全性能碰撞試驗(yàn)評價(jià)

為了更好地保障HA級梁柱式鋼護(hù)欄成果在棋盤洲長江公路大橋上的安全應(yīng)用，組織開展了實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)用模擬鋼箱梁翼緣板及護(hù)欄

根據(jù)棋盤洲長江公路大橋設(shè)計(jì)文件，鋼箱梁翼緣板體積龐大且截面形式多樣，從碰撞試驗(yàn)的可操作性及工程適應(yīng)性角度出發(fā)，需要合理確定等效的鋼箱梁翼緣板模擬結(jié)構(gòu)。

首先，遵循最不利原則，從多種鋼箱梁翼緣板中選取最不利截面，選取要點(diǎn)為梁端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最弱，如圖8(a)所示；其次，根據(jù)護(hù)欄設(shè)置位置，考慮護(hù)欄受力影響范圍，確定梁板橫向?qū)挾?；最終，為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)L形混凝土基礎(chǔ)和連接錨板，且在梁板上設(shè)置人孔，方便施工安裝，進(jìn)而得到試驗(yàn)用鋼箱梁翼緣板等效模擬結(jié)構(gòu)，如圖8(b)所示。

圖8 鋼箱梁翼緣板最不利截面及等效模擬結(jié)構(gòu)

針對試驗(yàn)用鋼箱梁翼緣板等效模擬結(jié)構(gòu)，按照1∶1比例進(jìn)行加工，并在合格的碰撞試驗(yàn)廣場上進(jìn)行施工安裝。

在修建的模擬鋼箱梁翼緣板上焊接攻絲板和鋼路緣石，再安裝上加工好的HA級梁柱式鋼護(hù)欄。圖9為試驗(yàn)用模擬鋼箱梁翼緣板及護(hù)欄的整體結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)樣品。

圖9 試驗(yàn)用模擬鋼箱梁翼緣板及護(hù)欄

4.2 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

鑒于實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)費(fèi)用較高，從安全、經(jīng)濟(jì)、合理角度出發(fā)，采用最不利車型對基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄進(jìn)行安全性能評價(jià)。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)及大量數(shù)據(jù)分析，55 t鞍式列車的碰撞能量最大、對護(hù)欄結(jié)構(gòu)的破壞力最強(qiáng)，為最不利車型。

通過試驗(yàn)檢測，基于鋼箱梁翼緣板的HA級梁柱式鋼護(hù)欄的試驗(yàn)碰撞條件為：鞍式列車、車輛總質(zhì)量55.271 t、碰撞速度65.9 km/h、碰撞角度20.2°、碰撞能量1 104 kJ，大于設(shè)計(jì)防護(hù)能量760 kJ，碰撞試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

由圖10可見：鞍式列車碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，且恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄具備良好的阻擋功能和導(dǎo)向功能，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6]要求，防護(hù)能力達(dá)到HA級，結(jié)構(gòu)安全可靠。同時(shí)，記錄了護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為0.35 m、最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為0.7 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為0.5 m、最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.2 m。此外，車輛碰撞后護(hù)欄僅部分立柱底板發(fā)生輕微翹曲變形，但基礎(chǔ)連接整體可靠；鋼箱梁翼緣板則整體結(jié)構(gòu)完好，未帶來不利影響，說明該文所述研究成果可在實(shí)際工程中安全應(yīng)用。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果(單位：m)

5 護(hù)欄實(shí)際應(yīng)用情況

基于鋼箱梁基礎(chǔ)的HA級梁柱式鋼護(hù)欄成果已在棋盤洲長江公路大橋上進(jìn)行了成功應(yīng)用(圖11)，基礎(chǔ)連接及上部結(jié)構(gòu)的施工安裝較為方便，整體效果良好，切實(shí)滿足了實(shí)際工程現(xiàn)場的使用需求。

圖11 HA級梁柱式鋼護(hù)欄在棋盤洲長江公路大橋上的應(yīng)用照片

6 結(jié)論

基于鋼箱梁基礎(chǔ)的HA級梁柱式鋼護(hù)欄成果兼?zhèn)浒踩煽?、施工安裝方便、造價(jià)合理、景觀通透等優(yōu)異性能，符合規(guī)范要求，品質(zhì)高，可提高應(yīng)用路段的運(yùn)營安全水平，降低事故嚴(yán)重程度，減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，填補(bǔ)了HA級梁柱式鋼護(hù)欄在鋼箱梁橋翼緣板上合理設(shè)計(jì)與安全評價(jià)的技術(shù)空白，切實(shí)滿足實(shí)際工程的迫切需求，推廣應(yīng)用前景廣闊，對公路交通行業(yè)發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。