鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)研究

王曉寧

摘? ?要：鐵路作為我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，相繼修建了大量的鐵路，跨越道路、江河等的橋梁越來(lái)越多。隨著大中型貨車數(shù)量的增加和船舶設(shè)計(jì)的大型化，橋梁面對(duì)的撞擊可能也日漸增加。橋梁的安全與穩(wěn)定關(guān)系著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩１疚耐ㄟ^(guò)對(duì)鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)的研究，重點(diǎn)對(duì)汽車撞擊橋墩的危害進(jìn)行設(shè)計(jì)闡述，為鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)提供一些建議和參考。

關(guān)鍵詞：鐵路橋墩;防撞;設(shè)計(jì)研究

1? 前言

鐵路作為我國(guó)交通大動(dòng)脈，承載了我國(guó)一部分貨物和人員的運(yùn)輸任務(wù)。作為設(shè)計(jì)者要在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證鐵路結(jié)構(gòu)的安全，這是我們每一位設(shè)計(jì)者的責(zé)任和義務(wù)。就鐵路橋梁而言，在橋墩設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮各種工況下外力撞擊的影響。在汽車撞擊橋梁事故中，失控車輛不僅對(duì)橋梁和鐵路行車安全造成了很大影響，同時(shí)也威脅著人們的出行安全，因此橋墩防護(hù)設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。

鐵路橋墩樁基一般多為群樁樁基，且各樁基之間形成了相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系。同時(shí)，在分析鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，橋墩的剛度和橋墩的延展性等參數(shù)都影響著橋墩對(duì)鐵路撞擊力的影響，鐵路橋梁與墩柱之間的距離限制較為嚴(yán)格。在對(duì)鐵路橋墩防撞擊設(shè)計(jì)過(guò)程中，若對(duì)鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)的具體限定條件考慮不足，可能導(dǎo)致橋墩受到撞擊后發(fā)生位移、剛度降低以及震動(dòng)力影響列車通過(guò)等情況發(fā)生，對(duì)線路運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生不利影響。因此，在鐵路橋墩設(shè)計(jì)過(guò)程中，按規(guī)范要求進(jìn)行的撞擊力驗(yàn)算有時(shí)并不能滿足一些特殊情況的需要，還應(yīng)對(duì)橋墩外部進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)對(duì)鐵路上跨公路橋的橋墩防撞實(shí)施設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2? 鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)原則

對(duì)鐵路跨公路橋的橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要考慮鐵路橋墩的彈性和塑性變形。在對(duì)鐵路橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要根據(jù)鐵路橋墩產(chǎn)生撞擊的原因及撞擊后的損壞程度進(jìn)行一定的了解，其次，根據(jù)對(duì)鐵路橋墩撞擊荷載設(shè)計(jì)和驗(yàn)算基礎(chǔ)上，根據(jù)道路等級(jí)、環(huán)境等因素為鐵路橋墩選擇設(shè)計(jì)合理的防撞結(jié)構(gòu)，提高橋墩的安全性。

國(guó)內(nèi)目前鐵路上跨公路橋的橋墩常用的防撞結(jié)構(gòu)有波形護(hù)欄和鋼筋混凝土防撞墻。其中，波形護(hù)欄的剛度低，防撞吸能效果較好，常用于一般等級(jí)公路的防撞設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土防撞墻可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)多用于高等級(jí)公路以及嚴(yán)格要求防撞的路段。通過(guò)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，大大的提高了鐵路橋墩的抗撞擊能力和抗震能力，同時(shí)大幅度提高橋墩的安全性和穩(wěn)定性，保障了線路的使用壽命。對(duì)于道路在車輛行進(jìn)方向兩側(cè)安全范圍內(nèi)的所有橋墩都應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的防撞結(jié)構(gòu)。

2.1? 公路路測(cè)安全凈區(qū)

目前，國(guó)外經(jīng)常通過(guò)公路路側(cè)危險(xiǎn)度的研究來(lái)完善道路防撞設(shè)施，而我國(guó)對(duì)這方面研究較少，而且該理論的適應(yīng)范圍有限，一般只適用于無(wú)側(cè)向防護(hù)的道路。

在設(shè)計(jì)無(wú)防護(hù)措施的鐵路跨越公路的橋墩防撞設(shè)施過(guò)程中，需要考慮公路路側(cè)安全凈區(qū)。所謂安全凈區(qū)指的是公路方向最右側(cè)車道以外的無(wú)障礙物，同時(shí)可以為失控車輛提供正常返回路線的行駛區(qū)域。

當(dāng)鐵路橋墩位于安全凈區(qū)外側(cè)時(shí)，失控車輛可以避免與橋墩發(fā)生碰撞。最早這類安全凈區(qū)通常針對(duì)車輛的安全而設(shè)計(jì)，避免車輛在行駛過(guò)程中發(fā)生安全事故，對(duì)人身安全造成威脅。

隨著我國(guó)道路交通的發(fā)展，目前大部分高等級(jí)公路采用波形護(hù)欄或防撞護(hù)欄對(duì)道路進(jìn)行全封閉，因此該模型不適用于對(duì)這一類公路進(jìn)行防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這種工況下，車速快、載重大、超載以及超速嚴(yán)重的大型貨車撞擊力可以達(dá)到1500kN以上，撞擊力和破壞力相對(duì)驚人。現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定順行車方向撞擊力采用1000kN顯然不能完全適用于所有工況。

2.2? 防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在對(duì)鐵路橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)保證設(shè)計(jì)的防撞結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度、剛度、抗腐蝕能力以及抗震能力。同時(shí)，在防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保持防撞結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。其次，在防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所處環(huán)境選擇符合鐵路橋墩實(shí)際情況的設(shè)計(jì)方案。最后，防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)保證低成本、高質(zhì)量，同時(shí)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)外觀。

目前，橋墩防撞設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。公路車輛類型眾多，例如以載重量為標(biāo)準(zhǔn)可劃分為輕型、中型和重型，各類車輛對(duì)橋墩構(gòu)成的潛在危險(xiǎn)程度是不一樣的，要求橋墩在重型車輛的撞擊下仍保持完好無(wú)損無(wú)疑是不明智的。因此，當(dāng)橋墩考慮重型車輛撞擊時(shí)，建議以橋梁受到撞擊時(shí)不影響鐵路行車安全為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。

3? 鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)思路

在鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要考慮撞擊后的橋墩安全，同時(shí)還要考慮車輛在撞擊后的狀態(tài)，如變形、破損等情況，避免發(fā)生嚴(yán)重的交通事故。因此，在鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加入雙重保護(hù)的理念，使得車輛動(dòng)能能夠最大程度的轉(zhuǎn)換為防撞的動(dòng)能，同時(shí)最大限度保證車輛的安全性和穩(wěn)定性。在鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)鐵路的設(shè)計(jì)可以借鑒國(guó)內(nèi)外成功的橋梁防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于鐵路橋墩防撞擊設(shè)計(jì)思路如下。

首先，在防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用等效靜力法對(duì)防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。這種方法操作簡(jiǎn)單，并且易于運(yùn)行，符合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)習(xí)慣。然而通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的研究結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，靜力和沖擊力在互相作用時(shí)破壞形態(tài)大不相同，所以僅僅通過(guò)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式無(wú)法滿足防撞設(shè)計(jì)的要求。

其次，在對(duì)傳統(tǒng)的路側(cè)波形護(hù)欄進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要保證撞擊車輛的運(yùn)行軌跡合理以及保證車內(nèi)人員的安全。目前我國(guó)對(duì)于撞擊后護(hù)欄的設(shè)計(jì)不夠合理，同時(shí)也未撞擊后護(hù)欄的設(shè)計(jì)進(jìn)行重視。在橋墩護(hù)欄設(shè)計(jì)的過(guò)程中，它除了能保證運(yùn)行軌跡的合理外，也能夠保證車內(nèi)人員的安全性。在考慮防護(hù)結(jié)構(gòu)和橋墩自身聯(lián)合防撞擊時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)計(jì)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)能否對(duì)橋墩進(jìn)行防護(hù)作用。

目前，我國(guó)對(duì)于鐵路橋墩的防撞設(shè)計(jì)還存在一定問(wèn)題。由于車輛撞擊作用屬于偶然荷載，對(duì)橋墩防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，撞擊數(shù)據(jù)和試驗(yàn)尚不健全，采用的設(shè)計(jì)方法還不是很成熟，同時(shí)對(duì)于防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒(méi)有具體的規(guī)定和做法，現(xiàn)有的防撞結(jié)構(gòu)大多是基于國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的研究成果加以設(shè)計(jì)和西很對(duì)工程的某些特殊要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此對(duì)橋墩防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4? 鐵路橋墩防撞設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

目前，橋墩防撞設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。鐵路橋墩防撞結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，常用的防護(hù)形式有波形護(hù)欄、鋼筋混凝土防撞墻以及兩種形式結(jié)合的防護(hù)結(jié)構(gòu)。波形護(hù)欄為柔性結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土防撞墻為剛性結(jié)構(gòu)。一般波形護(hù)欄是按照國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在工廠制作的成品，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后按照設(shè)計(jì)圖紙的位置進(jìn)行施工安裝即可，其缺點(diǎn)是承受的沖擊力有限，對(duì)橋墩的防護(hù)作用也有限，而且容易變形損壞，需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，因此常用于一般道路上橋墩的防護(hù)。而鋼筋混凝土防撞墻則是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其形狀、尺寸、位置等要素需要根據(jù)跨越的道路等級(jí)、環(huán)境以及業(yè)主的要求等不同條件進(jìn)行區(qū)分，可用于各種道路橋墩的防護(hù)。其缺點(diǎn)是占地面積大，沖擊破壞后強(qiáng)度降低，防護(hù)效果降低，且難以修復(fù)，可能需要重新修建。下面主要以鋼筋混凝土形式的防撞墻進(jìn)行簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)闡述。

在對(duì)防撞墻進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)道路等級(jí)、車輛行駛速度以及周邊環(huán)境綜合確定防撞墻的類型和防護(hù)方案。防撞結(jié)構(gòu)的功能不僅是防止車輛撞擊橋墩，而且要起到引導(dǎo)車輛的作用，在外觀設(shè)計(jì)上要結(jié)合具體情況做成流線型或船頭型等形狀，目的是為了防止車輛失控正面撞擊造成嚴(yán)重的交通事故。

鋼筋混凝土防撞墻設(shè)置于橋墩四周，一般外形同橋墩。防撞墻內(nèi)根據(jù)預(yù)先確定的車輛撞擊力和擬定的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算配筋，其主筋采用HRB400型鋼筋，直徑一般不小于16mm，通常配雙層鋼筋;箍筋采用HPB300型鋼筋，直徑不小于8mm。主筋和箍筋間距一般不大于20cm，具體可根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果確定。根據(jù)受力計(jì)算情況最終檢驗(yàn)確定防撞墻的厚度和高度，墻的厚度一般取30cm～50cm;高度140cm～200cm，這里要特別注意，墻的高度為路面以上部分，對(duì)于一些橋墩基礎(chǔ)頂?shù)陀诼访娴那闆r要按照車輛撞擊路徑模型另行計(jì)算，這里主要介紹正常工況。在確定了墻身尺寸后再根據(jù)防撞墻尺寸和地質(zhì)條件確定基礎(chǔ)尺寸、埋深以及基底處理方式，一般來(lái)講，基礎(chǔ)構(gòu)造鋼筋并與墻身鋼筋相連，鋼筋連接情況可按規(guī)范要求采取焊接或綁扎搭接。防撞墻和橋墩之間一般留有30cm～80cm空隙，內(nèi)部用聚苯乙烯等柔性材料填塞密實(shí)，上部設(shè)置5cm厚水泥砂漿保護(hù)層，并設(shè)置2%排水坡。整個(gè)防撞墻混凝土標(biāo)號(hào)要結(jié)合所處區(qū)域混凝土的耐久性等級(jí)綜合確定，且不低于C35。結(jié)構(gòu)布置示意圖見圖1。在沒(méi)有中間隔離帶或隔離帶較窄的道路上可將防撞墻迎車一面做成流線型或船頭型，所有防撞結(jié)構(gòu)施工完畢后在其表面按規(guī)范要求刷反光漆、貼反光材料和設(shè)置引導(dǎo)車輛的標(biāo)志標(biāo)線等交通結(jié)構(gòu)。

該防撞結(jié)構(gòu)有如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。

（1）利用這種防撞結(jié)構(gòu)可以避免車輛硬性地撞擊橋墩。同時(shí)，在對(duì)鐵路橋墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以充分利用防撞結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路橋墩的保護(hù)作用進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，做到內(nèi)外相結(jié)合，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

（2）防撞墻與橋墩之間的空隙在車輛猛烈撞擊的情況下起到了很好的緩沖和吸能作用，有效降低撞擊后對(duì)橋所產(chǎn)生的破壞和振動(dòng)影響，保證了橋墩的安全和穩(wěn)定。

（3）在有波形護(hù)欄防護(hù)的高等級(jí)道路上，在防撞墻外側(cè)加裝波形護(hù)欄，起到雙層保護(hù)作用的同時(shí)，也盡可能避免了車輛直接撞擊橋墩的可能，大大的降低了事故的發(fā)生。同時(shí)防撞墻在一般事故時(shí)也不需要太多的維修，只需對(duì)損壞的波形護(hù)欄進(jìn)行維修更換即可，大大提高了橋墩的安全性和防撞結(jié)構(gòu)的適用性，同時(shí)在撞擊發(fā)生后最大限度的保證了線路運(yùn)營(yíng)安全不受影響。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)鐵路和公路的不斷發(fā)展。各種道路互相交叉和跨越的情況越來(lái)越多，各類型的道路尤其是重載道路和重型貨車也越來(lái)越多，各類大型車輛向著馬力更強(qiáng)和載重更大的方向發(fā)展，這對(duì)鐵路橋梁的安全間接構(gòu)成了極大的威脅，因此要特別重視對(duì)橋梁防撞的設(shè)計(jì)研究，從而更好的保障鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。通過(guò)本文的介紹，希望各位設(shè)計(jì)者能夠提高和加強(qiáng)對(duì)防撞設(shè)施的認(rèn)識(shí)和研究。

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