橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶鋼護(hù)欄安全性分析

劉明虎，張門哲，亢寒晶，唐守峰，馬晴

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京市 100088；2.湖北省交通投資集團(tuán)有限公司；3.北京華路安交通科技有限公司)

公路中央分隔帶護(hù)欄作為一種被動安全防護(hù)設(shè)施，主要用于防止事故車輛穿越中央分隔帶進(jìn)入對向車道。橋梁路段一般處于高位，一旦發(fā)生車輛沖入對向車道，救援更為困難，橋梁中央分隔帶護(hù)欄的安全性能較路基護(hù)欄更為重要。目前特大型橋梁中央分隔帶一般采用鋼護(hù)欄，傳統(tǒng)設(shè)計采用與橋側(cè)護(hù)欄相同的方式，多與橋梁翼緣板采用預(yù)埋螺栓的方式進(jìn)行固結(jié)。高速公路橋梁橋面一般分為左、右兩幅，兩道護(hù)欄分別防護(hù)各側(cè)的車輛撞擊，沒有充分發(fā)揮其使用效率，若利用雙幅橋梁翼緣板端部形成嵌固式基礎(chǔ)，可將原先需要設(shè)置兩道護(hù)欄的情況變成一道，可有效減少工程造價和增加施工方便性，同時改變護(hù)欄基礎(chǔ)與橋梁翼緣板之間的受力狀態(tài)，但需要對其安全性能進(jìn)行研究和驗證。該文以某特大型橋梁為依托，設(shè)計出嵌固式基礎(chǔ)橋梁中央分隔帶鋼護(hù)欄，建立高精度計算機(jī)仿真模型，對該護(hù)欄的安全性能進(jìn)行評估，并組織實車足尺碰撞試驗進(jìn)行驗證。

1 橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)橋梁中央分隔帶鋼護(hù)欄

橋梁護(hù)欄主要結(jié)構(gòu)包括梁柱式鋼護(hù)欄、混凝土護(hù)欄、組合式護(hù)欄，如圖1所示。其中梁柱式鋼護(hù)欄由橫梁和立柱組成，景觀較為通透美觀，在一些特大橋上應(yīng)用較為廣泛。

目前中國橋梁多為左右分幅建設(shè)，傳統(tǒng)橋梁護(hù)欄基礎(chǔ)均與橋梁翼緣板進(jìn)行固結(jié)，對于橋側(cè)位置，由于設(shè)置條件受限，傳統(tǒng)固結(jié)方式較為合理，如圖2所示。而對于中央分隔帶位置，為實現(xiàn)基礎(chǔ)固結(jié)，一般需要設(shè)置兩道護(hù)欄，兩道護(hù)欄完全獨(dú)立，各自通過橋梁翼緣板錨固。

圖1 橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式

圖2 傳統(tǒng)橋梁中央分隔帶鋼護(hù)欄

1.2 橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的結(jié)構(gòu)

某特大橋主橋部分路段中央分隔帶采用SS級鋼護(hù)欄，利用中央分隔帶橋梁翼緣板端部形成嵌固式基礎(chǔ)，將護(hù)欄嵌固在翼緣板之間。圖3為橋梁基礎(chǔ)嵌固式鋼護(hù)欄的構(gòu)造圖：護(hù)欄底座嵌固在翼緣板之間，護(hù)欄底座下部寬度0.6 m，該部分高度0.2 m，嵌入橋梁翼緣板之間；中部寬度1 m，該部分高度0.1 m，嵌入橋面鋪裝中；上部寬度1 m，該部分高度0.13 m，位于路面以上；上部金屬梁柱結(jié)構(gòu)高1.38 m，其中混凝土基座到最上方橫梁頂面的有效高度為1.37 m，結(jié)構(gòu)包括間距1.5 m的H形立柱(12 mm厚)、雙面四層矩形鋼管橫梁(160 mm寬×120 mm高×6 mm厚×6 000 mm長)、橫梁內(nèi)套管(144 mm寬×100 mm高×10 mm厚×1 000 mm長)、C形連接鋼(155 mm寬×144 mm高×10 mm厚×300 mm長，展開為434 mm×300 mm×10 mm)、底板(390 mm×390 mm×35 mm厚)，C形連接鋼和底板均焊接在立柱上；地腳螺栓采用不低于8.8級的M30螺栓；橫梁與C形連接鋼，橫梁、C形連接鋼、橫梁內(nèi)套管之間采用不低于8.8級的M18螺栓。

圖3 橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄(單位：mm)

1.3 傳統(tǒng)鋼護(hù)欄與嵌固基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的對比

傳統(tǒng)固結(jié)方式中央分隔帶橋梁鋼護(hù)欄除了需要設(shè)置兩道護(hù)欄，施工過程需要在橋梁翼緣板內(nèi)設(shè)置預(yù)埋螺栓，基礎(chǔ)澆筑過程需要對橋梁板頂面進(jìn)行鑿毛，施工過程較為繁瑣。合理設(shè)計的固結(jié)基礎(chǔ)鋼護(hù)欄安全性能可靠，已在多處橋梁工程上應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，但是該結(jié)構(gòu)也有一定的隱患：固結(jié)基礎(chǔ)橋梁鋼護(hù)欄是否牢固依賴于橋梁翼緣板對預(yù)埋螺栓的錨固，若發(fā)生車輛碰撞護(hù)欄事故，碰撞力過大時，有損傷橋梁翼緣板結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，屆時影響橋梁主體安全。

橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的設(shè)計使雙幅橋梁中央分隔帶僅需設(shè)置一道護(hù)欄，護(hù)欄基礎(chǔ)與兩側(cè)翼緣板均未設(shè)置實質(zhì)連接節(jié)，護(hù)欄的錨固不再依賴橋梁翼緣板的錨固力，更多的是依靠橋梁翼緣板和護(hù)欄基礎(chǔ)之間的接觸力，改變了車輛碰撞護(hù)欄時護(hù)欄基礎(chǔ)和橋梁翼緣板之間的受力狀態(tài)，降低因車輛碰撞傷害橋梁主體的可能；從施工角度來說，嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄取消了預(yù)埋螺栓和混凝土鑿毛的施工工序，可大幅提高施工方便性、降低工程造價，同時有利于縮短施工周期和方便運(yùn)營期維護(hù)，具有較大的優(yōu)越性。

2 安全性能仿真分析

2.1 計算機(jī)仿真理論基礎(chǔ)

采用大變形動態(tài)顯示有限元方法，拉格朗日增量描述的動態(tài)顯式有限元求解方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

當(dāng)時間步長Δt小于臨界值Δtcr時，可得到穩(wěn)定的計算結(jié)果，即：

(5)

(6)

(7)

式中：ωmax為系統(tǒng)最高固有頻率；Ls為單元特征長度；c為聲速；E為楊氏彈性模量；ρ為材料密度；υ為泊松比；As為單元面積；Li(i=1，2，3，4)為單元邊長。

2.2 計算機(jī)仿真模型

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗車輛特點(diǎn)，按實際尺寸建立小客車、大客車、大貨車的仿真模型如圖4所示。在仿真模型中，以擅長大變形的四邊形單元為主，并控制單元質(zhì)量。采用試驗的方法確定車身單元的材料屬性，采用Cowper-Symons模型考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，選擇Automatic Single Surface接觸類型中的罰函數(shù)方法。

圖4 車輛物理模型與仿真模型

以某高防護(hù)等級組合式護(hù)欄實車足尺碰撞試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，圖5為3種車型碰撞該護(hù)欄的過程，計算機(jī)仿真模擬軌跡、形態(tài)與試驗較為一致。

圖5 車輛碰撞護(hù)欄過程仿真與試驗對比

圖6為組合式護(hù)欄變形試驗與仿真對比圖，上部鋼結(jié)構(gòu)變形和下部混凝土結(jié)構(gòu)破壞仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

以經(jīng)過實車碰撞試驗驗證后的仿真模型為基礎(chǔ)，根據(jù)橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶鋼護(hù)欄設(shè)計結(jié)構(gòu)建立護(hù)欄仿真模型如圖7所示。

圖6 護(hù)欄變形情況物理模型與仿真模型

圖7 橋梁中央分隔帶嵌固式基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄仿真模型

3 安全性能仿真分析

3.1 設(shè)計防護(hù)等級下安全分析

橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄設(shè)計防護(hù)等級為SS級，按照SS級碰撞條件的規(guī)定建立車輛碰撞護(hù)欄模型，分析護(hù)欄的安全性能。碰撞條件如表1所示。

表1 SS級碰撞條件

圖8為小客車碰撞過程，車輛順利駛出，護(hù)欄的阻擋功能良好。

圖8 小客車碰撞護(hù)欄過程

表2為小客車碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的緩沖指標(biāo)數(shù)據(jù)，滿足乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量均不得大于200 m/s2和乘員碰撞速度縱向和橫向分量均不得大于12 m/s的要求，護(hù)欄的緩沖功能良好。

表2 小客車碰撞護(hù)欄緩沖指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖9為小客車行駛軌跡圖，小客車駛離護(hù)欄后10 m未越出駛出框，且碰撞護(hù)欄后車輛未翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖9 小客車碰撞護(hù)欄行駛軌跡圖(單位：m)

圖10為大客車碰撞過程，車輛順利駛出，護(hù)欄的阻擋功能良好。

圖10 SS級護(hù)欄大客車碰撞過程

圖11為大客車行駛軌跡圖，大客車駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護(hù)欄后車輛未翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖11 SS級大客車碰撞護(hù)欄行駛軌跡圖(單位：m)

圖12為大客車碰撞后護(hù)欄破壞情況，碰撞區(qū)域護(hù)欄橫梁有擠壓變形，立柱發(fā)生傾斜；如圖13所示，從隱藏鋪裝層和護(hù)欄基座可以看到，護(hù)欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護(hù)欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖14為整體式貨車碰撞過程，車輛順利駛出，護(hù)欄的阻擋功能良好。

圖15為整體式貨車行駛軌跡圖，可以看出整體式貨車駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護(hù)欄后車輛未翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖12 SS級大客車碰撞后護(hù)欄情況

圖13 SS級大客車碰撞后翼緣板情況

圖14 SS級整體式貨車碰撞過程

圖15 SS級整體式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖16為整體式貨車碰撞后護(hù)欄破壞情況，碰撞區(qū)域護(hù)欄橫梁擠壓變形，其中最上方橫梁損壞最為嚴(yán)重，碰撞區(qū)域立柱發(fā)生傾斜；如圖17所示，從隱藏鋪裝層和護(hù)欄基座可以看到，護(hù)欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護(hù)欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖16 SS級整體式貨車碰撞后護(hù)欄情況

3.2 安全儲備分析

若中央分隔帶護(hù)欄安全性能不足，未能對失控車輛進(jìn)行有效防護(hù)，不僅事故車輛自身造成損失，甚至穿越護(hù)欄沖至對向行車道與來車相撞，若大客車發(fā)生該類事故極易造成群死群傷的惡性二次事故。因此采用大客車并提高其碰撞能量，對橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的安全性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖17 SS級整體式貨車碰撞后翼緣板情況

表3 HA級特大型客車碰撞條件

圖18為HA級特大型客車碰撞過程，車輛順利駛出，護(hù)欄的阻擋功能良好。

圖18 HA級特大型客車碰撞過程

圖19為特大型客車行駛軌跡圖，特大型客車駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護(hù)欄后車輛未翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖19 HA特大型客車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖20為大客車碰撞后護(hù)欄破壞情況，碰撞區(qū)域護(hù)欄橫梁有擠壓變形，立柱發(fā)生不同程度傾斜；如圖21所示，從隱藏鋪裝層和護(hù)欄基座可以看到，護(hù)欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護(hù)欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖20 HA級大客車碰撞后護(hù)欄情況

圖21 HA級大客車碰撞后翼緣板情況

4 實車足尺碰撞試驗

按照HA級特大型客車碰撞條件組織進(jìn)行實車足尺碰撞試驗，對橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄的安全性能進(jìn)行進(jìn)一步驗證。圖22為試驗所用車輛和修建的試驗護(hù)欄。

圖22 試驗車輛與試驗護(hù)欄

圖23為HA級特大型客車碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶鋼護(hù)欄過程，車輛順利導(dǎo)出，護(hù)欄各部分構(gòu)件和脫離構(gòu)件未侵入乘員艙，護(hù)欄的阻擋功能良好。

圖23 HA級特大型客車試驗碰撞護(hù)欄過程

圖24為特大型客車碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶鋼護(hù)欄行駛軌跡圖，特大型客車駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框且未發(fā)生翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能滿足要求。

圖24 特大型客車碰撞護(hù)欄行駛軌跡圖(單位：m)

特大型客車碰撞基礎(chǔ)嵌固式鋼護(hù)欄后，鋼護(hù)欄發(fā)生變形，部分立柱發(fā)生傾斜，最大殘余變形為0.13 m，車輛與護(hù)欄的刮擦長度為11 m，如圖25所示。

圖25 特大型客車碰撞后護(hù)欄變形情況

圖26為特大型客車碰撞護(hù)欄后車輛損壞情況。特大型客車碰撞基礎(chǔ)嵌固式鋼護(hù)欄過程中前保險杠變形損壞，車輛前大燈損壞脫落，前擋風(fēng)玻璃破裂，碰撞側(cè)車體有變形。

圖26 特大型客車碰撞護(hù)欄后車輛損壞情況

試驗測量得到其他參數(shù)如表4所示。

表4 特大型客車碰撞護(hù)欄試驗所得部分參數(shù) m

根據(jù)試驗實際測量數(shù)據(jù)，該特大型客車碰撞護(hù)欄的實際碰撞條件如表5所示，碰撞能量為851 kJ。

表5 特大型客車碰撞護(hù)欄試驗的實際碰撞條件

HA級特大型客車碰撞基礎(chǔ)嵌固式鋼護(hù)欄的各項指標(biāo)均滿足要求，護(hù)欄體現(xiàn)出良好的安全防護(hù)能力，同時驗證嵌固式基礎(chǔ)安全性能可靠。

5 結(jié)語

橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶鋼護(hù)欄創(chuàng)造性地采用嵌固式基礎(chǔ)，使需要設(shè)置兩道護(hù)欄的分離式橋梁中央分隔帶僅需設(shè)置一道護(hù)欄。通過計算機(jī)仿真對護(hù)欄的安全性能進(jìn)行分析，并采用實車足尺碰撞試驗進(jìn)行驗證，橋梁嵌固式基礎(chǔ)鋼護(hù)欄安全性能可靠，同時具有較大的安全儲備，該護(hù)欄在實際應(yīng)用中可為公路提供有效的安全防護(hù)。