陳 宇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)公路和市政交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了跨越式的發(fā)展，各大城市的汽車保有量也急劇攀升，公路干線和城市道路的交通日益繁忙。隨之而來(lái)，我國(guó)道路交通安全不容樂(lè)觀，交通事故頻頻發(fā)生，其中汽車撞擊橋墩的事故，不僅可能導(dǎo)致車毀人亡，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成橋梁橋墩損壞，甚至出現(xiàn)橋梁垮塌的嚴(yán)重后果，帶來(lái)無(wú)可挽回的生命和財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)對(duì)汽車撞擊橋墩的案例進(jìn)行具體分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，對(duì)橋墩的防撞設(shè)計(jì)和防撞方案進(jìn)行探討。

1 汽車撞擊橋墩后果分析

當(dāng)小型車撞上較為堅(jiān)固的橋墩時(shí)，橋墩自身?yè)p壞較小，但撞擊車輛損毀嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)車毀人亡的后果；當(dāng)大型車輛撞上較為薄弱的橋墩時(shí)，橋墩會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞，甚至被撞斷，嚴(yán)重影響到橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全；而且，由于高速的碰撞產(chǎn)生的巨大沖擊力，駕乘人員生命面臨著巨大的威脅。

2 橋墩的防撞計(jì)算

汽車撞擊橋墩產(chǎn)生的撞擊力，與汽車撞擊速度、撞擊角度、橋墩尺寸高度以及橋墩的約束情況等有關(guān)，可通過(guò)撞擊試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬進(jìn)行汽車撞擊力的分析，但從工程實(shí)際角度，設(shè)計(jì)人員需結(jié)合規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行橋墩的防撞設(shè)計(jì)。

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.4.3條規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)在必要的時(shí)候可考慮汽車的撞擊作用。汽車撞擊力設(shè)計(jì)值在車輛行駛方向應(yīng)取1000kN，在車輛行駛垂直方向應(yīng)取500kN，兩個(gè)方向的撞擊力不同時(shí)考慮。撞擊力應(yīng)作用于行車道以上1.2m處，直接分布于撞擊涉及的構(gòu)件上[1]。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可按此規(guī)定，根據(jù)橋墩控制截面的尺寸和配筋情況，再依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)，按照偶然荷載工況，對(duì)橋墩控制截面進(jìn)行正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力驗(yàn)算[2]。

汽車對(duì)橋墩的撞擊破壞效應(yīng)尚在研究階段，不同規(guī)范對(duì)于汽車撞擊力的規(guī)定也并不相同，而且差異較大。筆者將中國(guó)規(guī)范對(duì)汽車撞擊力的規(guī)定與歐洲規(guī)范和美國(guó)規(guī)范進(jìn)行橫向?qū)Ρ群蟀l(fā)現(xiàn)(表1)，中國(guó)規(guī)范的汽車撞擊力大小與歐洲規(guī)范的規(guī)定較為接近，與美國(guó)規(guī)范相比則明顯偏小，而且各規(guī)范對(duì)汽車撞擊的位置規(guī)定也各不相同。

表1 我國(guó)規(guī)范與其它主要規(guī)范汽車撞擊力規(guī)定對(duì)比

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.4.3條只規(guī)定了車輛撞擊的計(jì)算荷載和撞擊位置，并未對(duì)荷載計(jì)算的原理進(jìn)行論述，而《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)第3.1.13條則給出了明確的汽車撞擊力計(jì)算公式,“汽車撞擊力可按下式估算：P=Wv/gT”[3]，其中W為汽車重量，建議值150kN；v為汽車速度，建議值22.2m/s(換算車速為80km/h)；g為重力加速度9.18m/s2；T為碰撞時(shí)間，建議取值1.0s。規(guī)范同時(shí)規(guī)定，“在快速路主干道及次干道順行車方向上估算撞擊力不足350kN，按350kN計(jì)，垂直行車方向則按175kN計(jì)?！盵5]該規(guī)范給出了汽車撞擊力的估算公式，筆者認(rèn)為可以為工程實(shí)際的設(shè)計(jì)計(jì)算提供一定的參考。對(duì)于城市內(nèi)的橋梁，按照較為常見(jiàn)的混凝土罐車作為計(jì)算荷載，其滿載重量約為45t，汽車車速按照80km/h，通過(guò)公式計(jì)算P=Wv/gT=450×22.2/(9.18×1)=1088kN，與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的1000kN基本一致。若計(jì)算車輛參考《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)規(guī)定的車輛荷載，計(jì)算荷載為70t，汽車車速按照80km/h，通過(guò)公式計(jì)算P=Wv/gT=700×22.2/(9.18×1)=1693kN，與歐洲規(guī)范的規(guī)定較為接近。可見(jiàn)，按照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)公式簡(jiǎn)化計(jì)算得到的結(jié)果與各國(guó)規(guī)范對(duì)于汽車撞擊力的規(guī)定較為吻合。若汽車計(jì)算荷載更大或者汽車車速更快，則通過(guò)公式計(jì)算得到的汽車撞擊將更大。因此，筆者建議在進(jìn)行橋墩防撞設(shè)計(jì)時(shí)，宜考慮實(shí)際存在的汽車撞擊風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)橋下實(shí)際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進(jìn)行汽車撞擊力計(jì)算，與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的1000kN比選后取較大者對(duì)橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。

3 橋墩防撞方案比選

船舶撞擊橋墩的危害很大，很容易撞斷橋墩進(jìn)而導(dǎo)致橋梁垮塌，近年來(lái)船舶撞擊橋墩導(dǎo)致垮塌的案例也頻頻出現(xiàn)，因此，我國(guó)對(duì)船舶撞擊橋墩的情況更為重視，相關(guān)研究開(kāi)展得比較早，而對(duì)汽車撞擊橋墩的研究則開(kāi)展得較為遲緩。實(shí)際兩者撞擊橋墩后橋墩的破壞機(jī)理較為接近，橋墩破壞多為剪切破壞，破壞表現(xiàn)為橋墩被撞斷。因此，在考慮橋墩防止汽車撞擊時(shí)，可充分借鑒橋墩防船舶撞擊的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于船舶撞擊橋墩的情況，船舶重量大，而撞擊速度則相對(duì)較慢；汽車撞擊橋墩時(shí)，汽車重量相比于船舶重量則較小，但是撞擊的速度較快。由于船舶重量相對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)要大得多，撞擊的能量更大，破壞力更強(qiáng)，因此，在通航河道內(nèi)的橋梁防撞設(shè)施是必不可少的。但對(duì)于汽車撞擊橋梁的情況，由于汽車重量相對(duì)較小，橋梁結(jié)構(gòu)相對(duì)更加堅(jiān)固，撞擊后表現(xiàn)多為橋梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)撞斷破壞的情況，而是汽車遭到嚴(yán)重的損毀。但是，當(dāng)汽車重量很大，撞擊速度很快，橋墩相對(duì)薄弱時(shí)，橋墩則也存在著被撞斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，橋墩的防止汽車撞擊也應(yīng)該引起足夠的重視，一方面要保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，另一方面也要本著以人為本的原則，保證撞擊車輛和駕乘人員的安全。

橋墩防止汽車撞擊的方案主要分為“主動(dòng)防撞”和“被動(dòng)防撞”。主動(dòng)防撞是通過(guò)設(shè)置標(biāo)志標(biāo)牌，對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行提醒和引導(dǎo)來(lái)減少汽車撞擊橋墩情況的發(fā)生。主動(dòng)防撞只是一種手段，設(shè)計(jì)中是必不可少的，但也不能完全避免汽車撞擊橋墩情況的發(fā)生。被動(dòng)防撞的方法主要為避撞和防撞兩種。避撞的方法主要表現(xiàn)為在設(shè)計(jì)階段通過(guò)跨徑調(diào)整，避免在路中設(shè)置橋墩，增加橋墩與行車道之間的安全距離等方法。防撞則是針對(duì)性地對(duì)橋墩采取相關(guān)的防護(hù)方案。現(xiàn)在主流橋墩的防護(hù)方案主要包括隔離式防護(hù)裝置和附著式柔性防護(hù)裝置兩種。

隔離式防護(hù)裝置通過(guò)設(shè)置組合防撞護(hù)欄(圖1)或混凝土防撞島(圖2)，對(duì)橋墩進(jìn)行隔離式防護(hù)。防撞護(hù)欄的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)防撞護(hù)欄的變形起到一定的緩沖和阻隔的作用，能夠吸收一部分撞擊的能量，因此，防撞護(hù)欄在低速撞擊下較為有效，在高速撞擊下防撞效果則相對(duì)較差，橋墩依舊存在被撞壞的風(fēng)險(xiǎn)?；炷练雷矋u則通過(guò)設(shè)置剛性的混凝土防撞島對(duì)橋墩進(jìn)行隔離防護(hù)，汽車撞擊時(shí)先撞到外圍的防撞島，從而避免橋墩受到汽車的直接撞擊，防撞島在高速公路收費(fèi)站最為常見(jiàn)。隔離式防護(hù)方案使用時(shí)都會(huì)占用較大的地面空間，因此，此種防護(hù)方案在公路橋梁上采用較多，而在市政橋梁采用相對(duì)較少。隔離式防護(hù)方案另外一個(gè)缺點(diǎn)是側(cè)重于對(duì)橋墩的防護(hù)，并未考慮到對(duì)撞擊車輛的保護(hù)。

圖1 鋼組合護(hù)欄

圖2 混凝土防撞島

近年來(lái)，借鑒水中橋墩防止船舶撞擊采用的防撞結(jié)構(gòu)，逐漸發(fā)展出各式各樣的附著式柔性防護(hù)裝置。此類裝置多采用耗能防護(hù)結(jié)構(gòu)，附著于橋墩的表面，起到消減車輛撞擊力，保護(hù)橋墩的作用，同時(shí)也能夠防止車輛刮擦磕碰造成橋墩局部破壞。耗能防護(hù)結(jié)構(gòu)的采用多種多樣，總體上外圍采用鋼板包裹，內(nèi)部采用橡膠或高分子彈性材料的結(jié)構(gòu)偏多。較傳統(tǒng)的隔離式防護(hù)裝置，附著式防護(hù)裝置具有重量輕、安裝方便、占用空間小、吸能效果好、易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，此類裝置符合以人為本的理念，通過(guò)吸收撞擊能量有效降低事故車輛損失，從而起到了保護(hù)車輛和駕乘人員的效果。筆者參與設(shè)計(jì)的沈陽(yáng)市東陵路高架橋即采用附著式柔性防護(hù)裝置(圖3)，本項(xiàng)目中位于道路中間的橋墩面臨著較大的汽車撞擊風(fēng)險(xiǎn)，采用傳統(tǒng)的隔離式防護(hù)裝置占用較多的地面空間而且視覺(jué)效果差，結(jié)合橋墩的防撞計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)，最終選定了附著式柔性防護(hù)裝置。而且從交通事故的反饋來(lái)看，起到了較好的防護(hù)效果，防護(hù)裝置不僅保護(hù)了橋墩和車輛，而且防護(hù)裝置損壞后方便修復(fù)，對(duì)交通影響較小。但是，附著式柔性防護(hù)裝置種類繁多，吸能防撞效果也參差不齊，筆者建議設(shè)計(jì)人員在采用時(shí)需仔細(xì)甄別，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，通過(guò)防撞計(jì)算和試驗(yàn)，針對(duì)性選取合適的防撞方案。

圖3 附著式防護(hù)裝置(東陵路高架橋)

綜合以上，建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少橋墩被汽車撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)需要采用防撞方案時(shí)，宜結(jié)合工程實(shí)際情況因地制宜的選取，選用隔離式防撞裝置時(shí)需要適當(dāng)考慮對(duì)撞擊車輛和駕駛?cè)藛T的保護(hù)，選用附著式柔性防護(hù)裝置時(shí)，需通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)有效保證橋墩的安全。

4 結(jié)論

對(duì)于汽車撞擊橋墩的情況我們要予以足夠的重視，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少橋墩被汽車撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。防撞計(jì)算宜考慮實(shí)際存在的汽車撞擊風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)橋下實(shí)際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進(jìn)行汽車撞擊力計(jì)算，與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的撞擊力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。防護(hù)方案宜結(jié)合工程實(shí)際情況因地制宜地選用，對(duì)于橋墩結(jié)構(gòu)偏弱，并距離行車道有足夠的空間時(shí)，可采用隔離式防護(hù)裝置；對(duì)于橋墩結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，距離行車道的空間較小時(shí)，可采用附著式柔性防護(hù)裝置；也可以根據(jù)實(shí)際需要，綜合采用兩種防護(hù)方案，保護(hù)橋墩的同時(shí)保護(hù)撞擊車輛和駕乘人員的安全。