纜索承重橋梁專(zhuān)用高等級(jí)型鋼護(hù)欄研發(fā)

裴大軍， 彭曉彬， 龔帥， 鄧寶， 楊福宇， 亢寒晶， 閆書(shū)明

(1.湖北武穴長(zhǎng)江公路大橋有限公司， 湖北 黃岡 435499; 2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司；3.北京華路安交通科技有限公司)

近年來(lái)，中國(guó)公路橋梁建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，特大型橋梁建設(shè)不斷涌現(xiàn)，其中斜拉橋和懸索橋等纜索承重橋梁占有較大比例。與一般橋梁承重結(jié)構(gòu)相比，纜索承重橋梁設(shè)置有纜索和橋塔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是橋梁的主要承重構(gòu)件，若是受到事故車(chē)輛的嚴(yán)重碰撞，有可能影響橋梁主體安全。橋梁護(hù)欄是攔截事故車(chē)輛并對(duì)乘員形成緩沖保護(hù)的重要設(shè)施，纜索橋梁由于對(duì)橋梁自身載荷的輕量化要求較高，一般采用型鋼護(hù)欄，與傳統(tǒng)的橋梁護(hù)欄相比，纜索承重橋梁護(hù)欄從功能上不但要保護(hù)車(chē)輛和司乘人員安全，更要保護(hù)橋梁主體安全。

該文通過(guò)調(diào)查，掌握纜索承重橋梁對(duì)于護(hù)欄的特殊防護(hù)需求，在此基礎(chǔ)上提出纜索承重橋梁專(zhuān)用高等級(jí)型鋼護(hù)欄設(shè)計(jì)新理念并給出相應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能評(píng)價(jià)，有效提高纜索承重橋梁安全運(yùn)營(yíng)水平。

1 纜索承重橋梁護(hù)欄特殊防護(hù)需求

1.1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式

中國(guó)橋梁護(hù)欄形式主要包含型鋼護(hù)欄、混凝土護(hù)欄以及組合式護(hù)欄3種，其中混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄重量較大，在纜索承重橋上應(yīng)用會(huì)增加橋梁的永久荷載，而型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)具有輕盈通透的特點(diǎn)，應(yīng)用于纜索承重橋上能夠減少橋梁重量和橫向風(fēng)載，并且還兼具良好的安全性與景觀效果，目前在各大型纜索承重橋梁上應(yīng)用較為廣泛。

1.2 護(hù)欄防護(hù)等級(jí)

對(duì)于纜索承重橋梁等大型橋，一旦車(chē)輛駛出橋外可能會(huì)造成群死群傷的惡性事故，甚至?xí)绊憳蛄褐黧w安全，事故嚴(yán)重程度級(jí)別屬于高級(jí)，根據(jù)JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)大型懸索橋、斜拉橋等纜索承重橋梁護(hù)欄等級(jí)的要求，其防護(hù)等級(jí)宜選用八(HA)級(jí)，屬于目前新規(guī)范中最高等級(jí)。

1.3 車(chē)輛側(cè)傾特殊指標(biāo)

纜索承重橋梁與一般橋梁有所不同，其主要承重構(gòu)件吊索或斜拉索相對(duì)于橋梁鋼構(gòu)件屬于柔性結(jié)構(gòu)，若橋上車(chē)輛發(fā)生事故導(dǎo)致穿越護(hù)欄(圖1)，或者車(chē)輛碰撞護(hù)欄過(guò)程中車(chē)身側(cè)傾嚴(yán)重則極有可能對(duì)吊索和斜拉索發(fā)生沖擊(圖2)，有可能直接影響橋梁主體安全，后果將不堪設(shè)想，因此纜索承重橋梁對(duì)護(hù)欄的安全防護(hù)性能提出了更為嚴(yán)格的要求，即盡可能降低車(chē)輛側(cè)傾量的特殊指標(biāo)要求。

圖1 車(chē)輛穿越護(hù)欄事故

圖2 車(chē)輛側(cè)傾示意圖

2 纜索承重橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)

基于纜索承重橋梁護(hù)欄的特殊防護(hù)需求分析，提出型鋼護(hù)欄設(shè)計(jì)新理念和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 設(shè)計(jì)理念

常規(guī)設(shè)計(jì)的橋梁梁柱式型鋼護(hù)欄橫梁碰撞側(cè)均在同一豎直面，車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，護(hù)欄向背部?jī)A斜變形，車(chē)輪接觸護(hù)欄基座或護(hù)欄下部橫梁，并以車(chē)輪與地面接觸點(diǎn)為支點(diǎn)發(fā)生側(cè)傾，如圖3所示。

圖3 車(chē)輛碰撞常規(guī)護(hù)欄側(cè)傾示意圖

基于此提出防側(cè)傾功能橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)新理念：護(hù)欄結(jié)構(gòu)在車(chē)輛碰撞時(shí)車(chē)身先與上部橫梁接觸產(chǎn)生相互作用力，此時(shí)車(chē)輪仍與護(hù)欄下部橫梁保持一定距離或車(chē)輪隨下橫梁移動(dòng)；隨后在上部橫梁的作用下車(chē)輛被動(dòng)轉(zhuǎn)向并逐步導(dǎo)正，同時(shí)車(chē)輛推動(dòng)護(hù)欄向背部?jī)A斜變形，這個(gè)過(guò)程中車(chē)輪隨著車(chē)身移動(dòng)，尚未形成明顯的支點(diǎn)，即延遲了車(chē)輪形成支點(diǎn)的時(shí)間，使車(chē)身傾斜程度較小或不發(fā)生側(cè)傾。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)防側(cè)傾的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合以往型鋼護(hù)欄的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出纜索承重橋梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖4所示：護(hù)欄高度1.6 m，四橫梁分布，8 mm厚斜H形立柱，立柱與橫梁之間設(shè)置防側(cè)傾塊，防側(cè)傾塊分別與立柱、橫梁采用螺栓連接，上層2根橫梁和防側(cè)傾塊均為8 mm厚，下層2根橫梁和防側(cè)傾塊各4 mm厚。設(shè)計(jì)方案下層2根橫梁及防側(cè)傾塊較弱，碰撞時(shí)易于變形，車(chē)輪可隨之移動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)護(hù)欄防側(cè)傾的功能。

圖4 纜索承重橋護(hù)欄結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3 實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)

根據(jù)JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)HA級(jí)護(hù)欄碰撞條件的規(guī)定(表1)，進(jìn)行護(hù)欄安全防護(hù)性能的實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。護(hù)欄長(zhǎng)度設(shè)置為40 m，碰撞點(diǎn)位置為護(hù)欄模型總長(zhǎng)1/3處。

表1 碰撞條件

護(hù)欄結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用，其安全防護(hù)性能必須經(jīng)實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際的工程需求，按1∶1比例建立護(hù)欄試驗(yàn)段。按表1中HA級(jí)護(hù)欄的碰撞條件組織實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)，對(duì)護(hù)欄的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，圖5為試驗(yàn)護(hù)欄和試驗(yàn)車(chē)輛。

圖5 試驗(yàn)護(hù)欄與試驗(yàn)車(chē)輛

圖6為車(chē)輛的碰撞過(guò)程圖。由圖6可以看出：4種車(chē)型碰撞護(hù)欄后，車(chē)輛均能順利導(dǎo)出，護(hù)欄對(duì)車(chē)輛的阻擋功能良好。

圖6 車(chē)輛碰撞護(hù)欄行駛軌跡俯視圖

護(hù)欄的緩沖功能主要考察小型客車(chē)碰撞護(hù)欄后，乘員碰撞速度和乘員碰撞后加速度，表2為小客車(chē)碰撞后護(hù)欄的緩沖指標(biāo)，從表2中可以看出：護(hù)欄的緩沖功能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 緩沖指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖7為車(chē)輛碰撞護(hù)欄后，車(chē)輛導(dǎo)向駛出框示意圖。

圖7 導(dǎo)向駛出框示意圖(單位：m)

從圖7可以看出：小型客車(chē)碰撞護(hù)欄后在10 m范圍內(nèi)未駛出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邊界，特大型客車(chē)和大型貨車(chē)在20 m范圍內(nèi)未駛出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邊界，說(shuō)明護(hù)欄的導(dǎo)向功能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8為小型客車(chē)、特大型客車(chē)、40 t大型貨車(chē)、55 t拖頭式大型貨車(chē)碰撞后護(hù)欄變形情況。碰撞后，護(hù)欄最大殘留變形、車(chē)輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度、車(chē)輛外傾數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 車(chē)輛碰撞護(hù)欄后護(hù)欄變形情況

由表3可知：護(hù)欄對(duì)小型客車(chē)、特大型客車(chē)、整體式大貨車(chē)、拖頭式大型貨車(chē)均具有較好的防側(cè)傾功能。

表3 車(chē)輛碰撞護(hù)欄變形數(shù)據(jù)及車(chē)輛外傾數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)纜索承重橋梁專(zhuān)用高等級(jí)型鋼護(hù)欄的研究，提出了護(hù)欄防側(cè)傾的新理念，依據(jù)此新理念設(shè)計(jì)的纜索承重橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)經(jīng)實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，護(hù)欄的阻擋功能、緩沖功能、導(dǎo)向功能以及防側(cè)傾功能均符合安全防護(hù)要求，可滿(mǎn)足纜索承重橋梁的防護(hù)需求，有效提高了橋梁路段運(yùn)營(yíng)安全水平。