杜武軍

（中鐵長安重工有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，公路橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出穩(wěn)步發(fā)展的趨向，但由于我國幅員遼闊，因此在橋梁建造的過程中會遇到各類地形，而交通組成在這一階段又發(fā)生了較為明顯的變化，車輛不僅呈現(xiàn)出高速化和大型化趨向，橋梁跨徑也更大一些，因此，橋梁安全防護(hù)問題暴露得更加明顯。通過增設(shè)護(hù)欄等方式或提升護(hù)欄防護(hù)等級等方式，能夠提高車輛在橋梁上的行駛安全性。

1 橋梁的護(hù)欄類型和結(jié)構(gòu)分析

1.1 橋梁的護(hù)欄類型分析

現(xiàn)階段橋梁護(hù)欄在構(gòu)建過程中，通常會使用三種不同的方式進(jìn)行施工：第一種是使用混凝土作為基礎(chǔ)材質(zhì)進(jìn)行護(hù)欄構(gòu)建；第二種是使用金屬梁柱式護(hù)欄方式進(jìn)行施工；第三種是使用組合式護(hù)欄方式進(jìn)行施工。由于第一種和第三種施工設(shè)計方式，很容易讓護(hù)欄量大增，因此在使用階段很容易讓橋梁出現(xiàn)較大的靜態(tài)荷載。如果在未來大跨徑橋梁的應(yīng)用變得更加廣泛，那么橋梁就需要在設(shè)計方面，呈現(xiàn)出輕量化改良的趨向。相較于金屬梁柱式護(hù)欄而言，另外兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)通透性不佳，這就意味著在一些容易發(fā)生極端天氣變化的區(qū)域，會出現(xiàn)清理方面的問題，與此同時，車輛在行駛過程中也很容易出現(xiàn)視覺方面的壓抑感，這很難使橋梁交通效果和質(zhì)量得到更全面的完善。為了解決這一問題，需要進(jìn)行金屬梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用。相較于其他兩種結(jié)構(gòu)來說，這一種類型的護(hù)欄不僅美觀通透，并且重量較輕，不容易積攢砂礫和雨雪，在清理過程中不需要耗費(fèi)過多的時間和精力。因此，金屬梁柱式護(hù)欄在應(yīng)用方面是具有較為明顯優(yōu)勢的，技術(shù)人員要對此引起重視[1]。

1.2 橋梁的護(hù)欄結(jié)構(gòu)分析

第一，在公路交通安全實(shí)施設(shè)計細(xì)則中，進(jìn)行了護(hù)欄總高度方面的規(guī)范性論述。在一般情況下，A 級的金屬梁柱式護(hù)欄在高度上不得少于1.25m。但由于25t 的大型貨車車廂底板高度為1.25m，為了避免車輛在行駛過程中翻越和騎跨護(hù)欄，護(hù)欄設(shè)計總高度應(yīng)當(dāng)保持在1.3m。

第二，在護(hù)欄立柱設(shè)計過程中，需要遵循強(qiáng)梁弱柱的原則，因此設(shè)計人員要考慮到碰撞載荷在基礎(chǔ)方面的影響程度。而大多數(shù)護(hù)欄立柱都需要使用異形h 型結(jié)構(gòu)，且在立柱的根部需要設(shè)置窄斷面的圓弧，只有如此才能夠讓立柱承載的強(qiáng)度得到更進(jìn)一步保障，碰撞荷載也不容易向橋梁基礎(chǔ)方面進(jìn)行傳遞。

第三，在護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要合理把控頂層的橫梁壁厚以及下部三層橫梁壁厚規(guī)格。通常情況下，下部三層的橫梁壁厚都需要在4mm，頂層的橫梁壁厚需要在6mm，與此同時，橫梁需要選擇Q345 材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計，且相應(yīng)的立柱間距不得小于1.5m，立柱的底板厚度需要維持在20mm。在此過程中，技術(shù)人員還需要合理把控壁厚、高度以及壁材質(zhì)。材質(zhì)選擇大體是Q235，壁厚控制在8mm，高度在1200mm，而橋梁的基礎(chǔ)高度則需要調(diào)整為100mm，在此過程中需要額外關(guān)注混凝土的強(qiáng)度等級，相應(yīng)的強(qiáng)度等級要達(dá)到C40。在綜合考慮了橋梁護(hù)欄的防護(hù)功能之后，需要進(jìn)一步遵循強(qiáng)梁弱柱的理念，進(jìn)行立柱和橫梁的結(jié)構(gòu)規(guī)格優(yōu)化[2]。具體的護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 梁柱式鋼結(jié)構(gòu)橋梁護(hù)欄側(cè)面

第四，在護(hù)欄橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要全面考慮橫梁抗彎承載能力，為了讓現(xiàn)場施工的便捷程度得到更進(jìn)一步提升，技術(shù)人員可嘗試進(jìn)行異形圓弧狀開口橫梁的應(yīng)用。為了讓碰撞過程得到進(jìn)一步緩沖，技術(shù)人員可在橫梁背部添加設(shè)置專用的防阻塊。當(dāng)然，由于橫梁縱向連接強(qiáng)度也需要得到更全面的完善，因此技術(shù)人員需要采用內(nèi)管套設(shè)計，通過上下四層橫梁設(shè)計方式，來提升相應(yīng)的護(hù)欄橫梁設(shè)計質(zhì)量。

2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化安全性能分析

2.1 車輛方面的安全性能

以大型貨車和大型客車的碰撞進(jìn)行模擬分析驗證，不難發(fā)現(xiàn)護(hù)欄在碰撞過程中是很容易對車輛的安全性能產(chǎn)生影響的。在車輛發(fā)生碰撞的過程中，護(hù)欄能夠起到一定的導(dǎo)向和阻擋功能，甚至?xí)淖兣鲎策^程中車輛的行駛軌跡和姿態(tài)。在進(jìn)行大型客車碰撞模擬試驗過程中，客車碰撞過程行駛姿態(tài)如圖2所示。

圖2 仿真模擬試驗中大型客車的行駛姿態(tài)

通過對圖2 中信息的總結(jié)和分析不難發(fā)現(xiàn)，在大型客車碰撞的過程中，整體的姿態(tài)仍舊趨于平穩(wěn)，并未發(fā)生較為明顯的姿態(tài)失衡現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)諸如翻車、跳車或護(hù)欄發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。這一過程中護(hù)欄頂多發(fā)生了動態(tài)形變，相應(yīng)的形變數(shù)值也沒有超過390mm。車輛的最大外傾值約為620mm，因此車輛不容易沖出護(hù)欄。由于相應(yīng)的變形情況和外傾值都在合理范圍內(nèi)，因此車輛即便發(fā)生了嚴(yán)重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

除了大型客車之外，進(jìn)行大型貨車的碰撞模擬試驗也是很有意義的，具體的試驗過程如圖3 所示。

圖3 仿真模擬試驗中大型貨車的行駛姿態(tài)

通過分析和總結(jié)圖3 中信息不難發(fā)現(xiàn)，車輛在碰撞過程中整體姿態(tài)仍舊趨于平穩(wěn)，并未出現(xiàn)跳車或翻車等現(xiàn)象，在具體的碰撞過程中，護(hù)欄也并未出現(xiàn)斷裂方面的問題，護(hù)欄雖然出現(xiàn)了動態(tài)形變，但相應(yīng)的形變值大約在200mm，車輛的最大外徑值也保持在600mm，因此車輛不容易沖出護(hù)欄。由于相應(yīng)的變形情況和外傾值都在合理范圍內(nèi)，因此即便車輛發(fā)生嚴(yán)重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

2.2 橋梁的基礎(chǔ)安全性能

如果在大型車輛交通行駛過程中，出現(xiàn)大型碰撞方面的問題，那么護(hù)欄所承受的碰撞力很可能超出警戒范圍，最終使得橋梁基礎(chǔ)所承受的彎矩大于正常值，因此進(jìn)行大型車輛的碰撞模擬試驗是很有必要的，在具體的試驗過程中，技術(shù)人員還要觀測其對橋梁基礎(chǔ)的影響程度。相應(yīng)的觀察重點(diǎn)需要放置在考察連接螺栓的失效情況以及相應(yīng)基礎(chǔ)的破壞情況方面[3]。

由于橋梁本身在基礎(chǔ)部分設(shè)計過程中，對立柱根部進(jìn)行了專項的局部弱化設(shè)計，因此即便發(fā)生大型車輛碰撞的突發(fā)性事故，司乘人員和車輛安全也能得到有效保障，并且橋梁基礎(chǔ)會通過自屈服的方式來卸載掉部分的碰撞力，因此碰撞力不容易向橋梁基礎(chǔ)傳遞。在對連接螺栓進(jìn)行檢查的過程中不難發(fā)現(xiàn)，連接螺栓并未發(fā)生破壞方面的問題，因此相應(yīng)碰撞對橋梁主體的不利影響得到了有效控制。

2.3 司乘人員的安全性能

雖然大型車輛的碰撞能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小型車輛，但小型車輛的碰撞速度卻要明顯比大型車輛高一些。由于小型車輛的總質(zhì)量小，因此在碰撞過程中司乘人員所遭受的沖擊也要明顯大于大型車輛。因此，要想分析在車輛碰撞過程中，司乘人員是否受到安全影響，應(yīng)當(dāng)使用小型客車進(jìn)行碰撞模擬試驗，在此過程中，技術(shù)人員需要對車輛的沖擊和姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。在具體的小型客車碰撞模擬試驗過程中，相應(yīng)的碰撞車輛整體姿態(tài)較為平穩(wěn)，也沒有發(fā)生跳車或翻車等問題，護(hù)欄在此過程中也并未斷裂，整體的車輛行駛姿態(tài)良好。因此，在梁柱式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄設(shè)計應(yīng)用過程中，不論是橋梁的基礎(chǔ)安全性能、司乘人員的安全性，還是車輛的安全性均能夠得到保障。這就意味著這一類護(hù)欄設(shè)計是值得進(jìn)行推廣和應(yīng)用的。

3 具體案例分析中的護(hù)欄優(yōu)化

3.1 具體案例概況

武漢青山長江公路大橋在主體工程建設(shè)完成后，需要進(jìn)行橋梁方面的施工建設(shè)以及護(hù)欄設(shè)計的優(yōu)化應(yīng)用。在原有的橋梁使用過程中，其護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖4所示。護(hù)欄的總體高度約為1.54m，其所使用的立柱形式為方形鋼管，橫梁也為方形鋼管，且是采取四層分布的方式進(jìn)行施工建設(shè)的，為了對這一護(hù)欄結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評估，技術(shù)人員通過進(jìn)行仿真模型建構(gòu)的方式完成車輛碰撞方面的數(shù)據(jù)試驗。在具體試驗過程中，技術(shù)人員使用碰撞速度為80km/h，車重為14t的SA 級大客車來完成相應(yīng)的試驗。在具體的碰撞模擬試驗過程中，車輛出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象，且具體的護(hù)欄效果并不理想，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 原橋梁的護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖

圖5 仿真模擬試驗中大型客車的行駛姿態(tài)

在原橋梁護(hù)欄設(shè)計過程中，存在著較為明顯的不足。第一，相應(yīng)的方管立柱與橫梁連接并不順暢。第二，護(hù)欄的總高度低于貨車的車廂底板，因此在大型車輛防護(hù)方面所能夠起到的效果十分有限。第三，底部焊板是與行車方向垂直的，這很容易對車輛造成阻擋。第四，立柱與方管橫梁結(jié)構(gòu)迎撞面之間的距離并未達(dá)到理想狀態(tài)，因此在車輛行駛過程中很容易存在風(fēng)險。故而進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化與革新顯得尤為必要。

3.2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 進(jìn)行護(hù)欄總高度的調(diào)整

在進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，首先需要考慮護(hù)欄總體高度。如果護(hù)欄總體高度過低，那么其在大型車輛防護(hù)方面所能夠產(chǎn)生的效果就會十分有限，因此為了讓橋梁護(hù)欄在車輛防護(hù)方面的作用得到更進(jìn)一步提升，技術(shù)人員需要花費(fèi)更多時間和精力來精準(zhǔn)確定護(hù)欄高度。在對不同車輛的碰撞事故案例進(jìn)行分析后不難發(fā)現(xiàn)，大型貨車一旦出現(xiàn)碰撞問題，那么車廂很容易受損，因此護(hù)欄高度必須高于車廂的底板高度，否則難以起到有效的防護(hù)作用，通過調(diào)查研究不難發(fā)現(xiàn)，該項目地點(diǎn)所通過的貨車車廂底板最大高度約在1.5m，因此護(hù)欄的高度要大于1.57m，技術(shù)人員可將護(hù)欄總高度調(diào)整為1.66m，借此來改善其在大型車輛行駛過程中的防護(hù)效果。

3.2.2 選擇科學(xué)合理的橫梁形式

在梁柱式鋼結(jié)構(gòu)橋梁護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計的過程中，可選擇使用橫梁截面的形式有很多種，除了常見的矩形和圓形之外，異形和方形也可發(fā)揮作用。但需要注意的是，圓形管橫梁在與立柱連接方面存在著一定問題，因此這類型的橫梁形式不應(yīng)加以考慮。除此之外，異形管橫梁也不方便進(jìn)行加工，因此這類橫梁形式也不加以考慮。矩形管橫梁則有所不同，相較于方形管橫梁來說，矩形管橫梁所能夠達(dá)到的抗溫能力要明顯更強(qiáng)一些，因此在具體的碰撞事故發(fā)生后，矩形管橫梁能夠加大橫梁迎撞面與立柱之間的距離，從這個角度來看，這類型的橫梁形式在降低車輛受到立柱位置阻礙方面，能夠產(chǎn)生極大的作用，因此在護(hù)欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中，技術(shù)人員應(yīng)將原橋梁所使用的方形橫梁改成矩形管橫梁[4-5]。

3.2.3 優(yōu)化底部焊接板的形式

在原有的橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)過程中，迎撞面與底部焊接板之間的方向是相互垂直的，這就意味著一旦車輛與護(hù)欄發(fā)生了碰撞，焊接板就會阻礙車輛的車輪，最終形成較為嚴(yán)重的災(zāi)害性事故。因此，在護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化施工的過程中，需要針對焊接板現(xiàn)階段存在的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，爭取讓焊接板盡可能地平行于行車方向，減少對車輛的阻礙。與此同時，技術(shù)人員還需要盡可能地加大焊縫長度，并及時提升立柱底部的焊接強(qiáng)度。如此，能夠讓護(hù)欄在車輛發(fā)生碰撞的過程中達(dá)到更佳的防護(hù)效果[6]。

4 結(jié)語

總而言之，進(jìn)行梁柱式鋼結(jié)構(gòu)橋梁護(hù)欄的優(yōu)化設(shè)計是很有必要的，這類橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)的全面應(yīng)用，不僅能夠起到絕佳的防護(hù)作用，還能夠提升橋梁建筑的美觀程度。在具體實(shí)施中，應(yīng)該從總高度調(diào)整以及立柱選擇等方面出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使護(hù)欄結(jié)構(gòu)能夠盡可能減少碰撞事故產(chǎn)生的危害性。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，可嘗試進(jìn)行信息技術(shù)的融合，促使梁柱式鋼結(jié)構(gòu)橋梁護(hù)欄設(shè)計達(dá)到更理想的效果。