日中橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)介紹與對(duì)比

林康 倪正田 秦玉峰

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 116000)

引言

順應(yīng)道路交通安全設(shè)施防護(hù)要求的不斷提高,橋梁護(hù)欄防止失控車輛越出橋外的功能越來(lái)越被重視。日本規(guī)范中,對(duì)在防止失控車輛越出橋外的同時(shí)如何最大限度保護(hù)司乘人員的生命安全方面有較為明確具體的描述。伴隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的推廣使用,金屬梁柱式護(hù)欄的使用也越來(lái)越廣泛,此種護(hù)欄有美觀性較好的一面,也有對(duì)設(shè)置聲屏障不利的一面。本文在對(duì)日本護(hù)欄介紹的同時(shí)與我國(guó)的護(hù)欄加以分析對(duì)比,有區(qū)別于波形護(hù)欄或混凝土護(hù)欄的一些特點(diǎn)在選用時(shí)需要加以注意。

1 兩國(guó)護(hù)欄的性能比較

車輛護(hù)欄的首要作用是防止車輛脫逸,對(duì)失控車輛進(jìn)行阻擋,防止失控車輛沖破、翻越或穿越護(hù)欄帶來(lái)的一系列不良后果。這一點(diǎn)無(wú)論是在日本道路協(xié)會(huì)2008年頒布的《防護(hù)欄的設(shè)置基準(zhǔn)同解說(shuō)》[1]中,還是在我國(guó)的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81 -2017)[2]和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81 -2017)[3]都有著明確和充分的說(shuō)明。

兩國(guó)護(hù)欄在性能方面的比較見表1。在可吸收的碰撞能量上,我國(guó)最高等級(jí)的護(hù)欄HA 級(jí)大于日本最高等級(jí)護(hù)欄SS 級(jí)。在護(hù)欄的高度上,我國(guó)高等級(jí)護(hù)欄高度大于日本護(hù)欄的高度。在阻擋能力方面,滿足我國(guó)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05 -01 -2013)[4]的護(hù)欄,在防止車輛越出橋外的攔擋能力方面強(qiáng)于日本。

表1 日中護(hù)欄性能比較Tab.1 Performance comparison of barriers between Japan and China

在確保防止車輛脫逸的基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步追求安全性能。安全性能主要針對(duì)小型車輛,對(duì)于大型車輛,不脫逸到路外基本上就保證了安全;但對(duì)于小型車輛,護(hù)欄結(jié)構(gòu)侵入到車內(nèi),或者發(fā)生劇烈碰撞,車輛雖沒有脫逸,但司乘人員的生命安全得不到保證。通常護(hù)欄的強(qiáng)度與緩沖性能成相反趨勢(shì),日本各種等級(jí)的護(hù)欄是在平衡強(qiáng)度與緩沖性能基礎(chǔ)上制定的。日本通過規(guī)定車輛與護(hù)欄相撞時(shí)加速度的限值為小型車輛司乘人員提供更多的保護(hù)。

護(hù)欄的導(dǎo)向功能指護(hù)欄有使失控車輛導(dǎo)回正常行駛方向的作用。即使?jié)M足了阻擋性能和安全性能,假如撞擊車輛發(fā)生翻車、急停、或橫在道路上,或橫向大幅度反彈,也有可能對(duì)后續(xù)車輛及并行車輛造成損害。日本《防護(hù)欄的設(shè)置基準(zhǔn)同解說(shuō)》[1]中要求被撞擊車輛的反彈速度在撞擊速度的60%以上,反彈角度在60%以下。對(duì)于1t 的小型車輛,以100km/h 的速度與護(hù)欄相撞后,反彈速度須在60km/h 以上。護(hù)欄應(yīng)為連續(xù)平順結(jié)構(gòu),撞擊車輛不能被護(hù)欄卡住,車輛仍然沿道路前進(jìn)方向以原速度60%以上行進(jìn),給后續(xù)車輛以反應(yīng)時(shí)間。日本規(guī)范中車輛與護(hù)欄撞擊的角度小型車輛為20°,大型車輛為15°。車輛與護(hù)欄相撞后,反彈角度在撞擊角度的60%以下,即不得以較大的角度被橫向彈出,給并行車輛以反應(yīng)時(shí)間。理想的情況是通過護(hù)欄的整體作用迫使車輛逐步轉(zhuǎn)向,一直恢復(fù)到正常的行駛方向。

兩者對(duì)比,我國(guó)強(qiáng)調(diào)防,通過攔阻作用防止車輛沖出橋外,規(guī)范中護(hù)欄術(shù)語(yǔ)的英文翻譯為Barrier;日本對(duì)乘員的保護(hù)方面有較多考慮,強(qiáng)調(diào)的是護(hù),護(hù)欄在官方的英文翻譯為Guard Fence。

2 保證護(hù)欄安全性能的結(jié)構(gòu)措施

護(hù)欄本身也是一種障礙物,并不是強(qiáng)度越高越好,尤其對(duì)于小型車輛,在阻擋能力方面,防止沖破和翻越護(hù)欄方面的能力已經(jīng)足夠強(qiáng),只須注意防止小型車輛從護(hù)欄下方穿越,通常設(shè)置多道橫梁即可。安全性能最主要體現(xiàn)在緩沖作用。緩沖作用主要指車輛與護(hù)欄相撞時(shí),降低對(duì)碰撞車輛和車內(nèi)乘員沖擊程度的能力。對(duì)乘員的沖擊最主要指對(duì)頭部的沖擊,認(rèn)為撞擊后不留下嚴(yán)重后遺癥的加速度限界值為20g(g為重力加速度)[1]。作為參考,汽車急剎車時(shí)加速度約0.6g,航母艦載機(jī)著艦時(shí)加速度約3g,載人飛船發(fā)射時(shí)加速度約6g。反映到結(jié)構(gòu)中主要通過三個(gè)方法,一是在小型車輛乘員頭部高度位置附近不允許設(shè)置主橫梁,波形護(hù)欄波形板的高度較低就是為了避開小型車輛乘員頭部的位置。護(hù)欄主橫梁高度較低的同時(shí)還要保證防止翻越的阻擋作用,可以在主橫梁的上方設(shè)置頂部橫梁,但頂部橫梁要比主橫梁退后5cm,避免對(duì)小型車輛乘員造成傷害。二是通過改進(jìn)護(hù)欄迎撞面的形狀,調(diào)整車輛與護(hù)欄相撞時(shí)的姿態(tài),將剛性混凝土護(hù)欄的迎撞面作成斜坡,外側(cè)車輪與護(hù)欄底部首先相撞后高度提升,使得車輛內(nèi)傾,從而減少小型車輛乘員頭部位置與護(hù)欄相撞時(shí)的加速度,提高緩沖效果。三是通過在護(hù)欄內(nèi)側(cè)設(shè)置路緣石,使得車輛在與護(hù)欄相撞之前,外側(cè)車輪首先提升至路緣石高度使得車輛內(nèi)傾提高緩沖效果。三種提高緩沖能力方法的圖示見表2,由于方法三中的護(hù)欄分為混凝土護(hù)欄和鋼護(hù)欄,所以表中共分為4種情況。

表2 各種形式護(hù)欄的安全性能Tab.1 Safety performance of various types of barriers

3 橋梁護(hù)欄對(duì)建筑限界的影響

日本高速公路公司的設(shè)計(jì)要領(lǐng)第二集橋梁建設(shè)篇[6]中具體給出了中小橋和大橋的建筑限界與護(hù)欄的關(guān)系,見表3。此處所謂的中小橋指總橋長(zhǎng)50m 以下的橋梁,護(hù)欄內(nèi)側(cè)鋪裝層上面要保證道路限界的全寬。橋長(zhǎng)50m 以上橋梁的建筑限界的外側(cè)下角部,與隧道類似,作250mm ×250mm(500mm)的臺(tái)階形切角。工程實(shí)踐上100m 以下橋梁的建筑限界按道路處理,100m 及以上橋梁作臺(tái)階形切角。

表3 日本高速道路橋梁段的建筑限界Tab.3 Building limits of expressway bridge sections in Japan

我國(guó)的規(guī)范規(guī)定護(hù)欄的任何部分不得侵入公路建筑限界。在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01 -2014)[7]、《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37 -2012)[8]、《城市道路工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51286 -2018)[9]中明確給出公路、市政道路及隧道的建筑限界,但橋梁段沒有單獨(dú)列出來(lái)。由于橋梁段均設(shè)有護(hù)欄,與路基段有所不同。參考日本的作法,中小橋在護(hù)欄內(nèi)側(cè)保證道路限界全寬; 大橋、特大橋、市政橋梁出于經(jīng)濟(jì)性考慮或用地條件的限制,與隧道有一定的相似性,底部作臺(tái)階形切角。

我國(guó)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》 (CJJ11 -2011)[10]則規(guī)定： 對(duì)主干路、次干路、支路的橋梁,橋面為混合行車道或?qū)Ｓ脵C(jī)動(dòng)車道時(shí),人行道或檢修通道緣石宜高出車行道路面0.25m ～0.40m。此時(shí)的建筑限界規(guī)范沒有明確說(shuō)明,筆者認(rèn)為對(duì)于路緣石高度大于25cm 的新建橋梁應(yīng)加寬路緣帶寬度以保證側(cè)向凈寬才能滿足建筑限界的要求。

4 橋梁護(hù)欄形式的選擇

日本的高速公路和城市高速道路(即收費(fèi)的城市快速路)無(wú)論是混凝土橋還是鋼橋,包括采用鋼橋面板的橋梁,防撞護(hù)欄的標(biāo)準(zhǔn)形式均為鋼筋混凝土剛性護(hù)欄。日本高速公路橋梁段采用的護(hù)欄見表4,日本城市高速道路橋梁段采用的護(hù)欄見表5。對(duì)于跨越高速公路,城市高速公路的橋梁通常情況下也須使用混凝土護(hù)欄。除非是交通量很少的農(nóng)林道路等,不存在從跨線橋墜落到高等級(jí)道路的危險(xiǎn)的,才可以采用金屬梁柱式防撞護(hù)欄。考慮橋梁段不同于路基段,護(hù)欄之外沒有安全位置,波形護(hù)欄等半剛性護(hù)欄受撞擊后存在較大的變形量,采用混凝土護(hù)欄的理由是剛性護(hù)欄受撞擊后變形小,具有更高的安全性。日本的城市高速道路雖然大面積采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁,但即使是鋼橋面板,也選用混凝土護(hù)欄。與高速公路混凝土護(hù)欄的區(qū)別是受用地條件限制,內(nèi)側(cè)為垂直壁面。城市高速公路位處城市核心部,除了考慮護(hù)欄的安全性、美觀性,另一方面要考慮高速路對(duì)周圍聲環(huán)境的影響。很多路段需要加裝聲屏障,金屬梁柱式護(hù)欄雖然美觀性好,但為通透性結(jié)構(gòu),不滿足隔聲的要求; 在護(hù)欄之外再加裝聲屏障,通透性護(hù)欄的美觀性體現(xiàn)不出來(lái),又增加了聲屏障的造價(jià),用地條件也得不到保證。僅是對(duì)于對(duì)景觀性要求較高的市政橋梁較多采用金屬梁柱式護(hù)欄。

表4 日本高速公路的橋梁段采用的防撞護(hù)欄[6]Tab.4 Barriers used in bridge sections of Japanese expressways

表5 日本城市高速道路采用的護(hù)欄(以東京高速道路為例)[11]Tab.5 Barriers used on urban expressways in Japan (taking Tokyo Expressway as an example)

東京高速道路的護(hù)欄為豎直壁面的臺(tái)階形,加上預(yù)制路緣石的尺寸,在壁面垂直的護(hù)欄內(nèi)部,路緣石寬度為350mm,靠近中央分離帶的路緣石寬度在時(shí)速為60km 時(shí)為350mm,時(shí)速為80km 時(shí)為475mm。在一定程度上體現(xiàn)出護(hù)欄也是一種障礙物,車速越高安全距離越大的特點(diǎn)。路緣石的上表面高于鋪裝上表面100mm,而且高度近年來(lái)還有加大的趨勢(shì)[12]。

我國(guó)公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[3]規(guī)定,鋼結(jié)構(gòu)橋梁宜采用金屬梁柱式護(hù)欄。日本的鋼橋比例雖然遠(yuǎn)高于我國(guó),但高速公路、城市高速公路的橋梁以及跨越高等級(jí)公路、鐵路的橋梁采用混凝土護(hù)欄。

5 選用金屬梁柱式護(hù)欄的注意點(diǎn)

護(hù)欄本身是一種障礙物,強(qiáng)度也不是越強(qiáng)越好。這不僅是技術(shù)經(jīng)濟(jì)的問題,而且也是出于對(duì)生命安全保護(hù)的要求。路緣石對(duì)行車有一定視線誘導(dǎo)功能。當(dāng)車輪接觸路緣石時(shí)對(duì)駕駛員有警告作用和使車輛恢復(fù)正常行駛方向的功能。高速行車時(shí)路緣石是一種障礙物,但是護(hù)欄的妨礙作用比路緣石更大。使用不同種類和等級(jí)的護(hù)欄時(shí)需考慮與緣石的配合作用。

高速公路設(shè)有較寬的側(cè)向凈寬,當(dāng)采用波形護(hù)欄或較低等級(jí)的金屬梁柱式護(hù)欄時(shí),由于護(hù)欄的波形板位置位于小型車輛乘員頭部位置以下,無(wú)需路緣石的配合。較高等級(jí)的波形護(hù)欄在波形板上方還設(shè)有輔助橫梁,但輔助橫梁的位置比波形板退后50mm,波形板為主要撞擊部位,波形板的位置仍低于小型車輛乘員頭部位置。使用單坡形或F 形混凝土護(hù)欄時(shí),由于撞擊面傾斜避開了與小型車輛乘員頭部直接相撞。由于用地條件和建設(shè)環(huán)境的制約,鋼結(jié)構(gòu)橋梁在市政工程中有擴(kuò)大使用的趨勢(shì),金屬梁柱式護(hù)欄的使用范圍也會(huì)有所擴(kuò)大。但是由于此種形式的護(hù)欄高度較大,小型車輛乘員頭部位置附近會(huì)有護(hù)欄橫梁。這時(shí)需要通過在橫梁撞擊面的前方位置設(shè)置一定高度的路緣石,使車輛在撞到護(hù)欄之前輪胎先行接觸路緣石,一方面與護(hù)欄的輕微碰撞會(huì)被避免,另一方面較重的側(cè)向碰撞時(shí)一側(cè)車輪爬上路緣石后車輛產(chǎn)生一定角度的內(nèi)傾,避免小型車輛乘員頭部位置與護(hù)欄相撞。市政道路受用地條件限制,沒有路肩,道路兩側(cè)均為路緣石(立緣石),如果簡(jiǎn)單地將道路段的路緣石與橋梁段金屬梁柱式護(hù)欄底座之間對(duì)齊就可能發(fā)生護(hù)欄侵入建筑限界或護(hù)欄對(duì)小型車輛司乘人員生命安全保護(hù)不足的問題,如表6 所示。

表6 橋梁段護(hù)欄與道路段路緣石的關(guān)系Tab.6 The relation between bridge section barrier and road section curb stone

我國(guó)規(guī)范公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]中規(guī)定,路緣石高度小于或等于0.25m。一般情況下,高速公路可不設(shè)路緣石。公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[2]中規(guī)定,高速公路、一級(jí)公路的橋梁不宜設(shè)置路緣石。為減少護(hù)欄受到撞擊對(duì)橋面板產(chǎn)生的影響需要設(shè)置路緣石時(shí),其高度宜控制在5cm ～10cm 之間。路緣石內(nèi)側(cè)宜與橫梁迎撞面保持在同一平面內(nèi),或位于立柱和橫梁迎撞面之間的適當(dāng)位置。而日本的規(guī)定是路緣石內(nèi)側(cè)在護(hù)欄橫梁迎撞面的前方,而且計(jì)算護(hù)欄高度時(shí)不考慮路緣石的高度,仍然是從路面算起。筆者認(rèn)為,對(duì)于道路段使用立緣石的市政道路而言,與之相銜接的使用金屬梁柱式護(hù)欄的橋梁段的欄桿底座與道路段緣石之間應(yīng)具有一定的連續(xù)性和平順性,采用護(hù)欄后退的方式3 較為合理。表7 為日本市政道路采用金屬梁柱式護(hù)欄時(shí)橫梁迎撞面與路緣石的位置關(guān)系,與車行道相鄰時(shí)迎撞面比路緣石退后250mm; 設(shè)在與人行道外側(cè),與人行欄桿組合設(shè)置的車行護(hù)欄則不必受此限制。

表7 金屬梁柱式護(hù)欄應(yīng)用舉例Tab.7 Examples of application of metal beam-column barriers

6 結(jié)論

1.我國(guó)護(hù)欄在防止車輛沖出橋面的防護(hù)能力方面強(qiáng)于日本,但對(duì)乘員的生命安全保護(hù)方面還有提高余地,護(hù)欄對(duì)小型車輛的安全性問題應(yīng)予以重視。

2.市政道路的建筑限界寬于路面,為了確保橋梁段的建筑限界,必須保證道路的側(cè)向凈寬,護(hù)欄不得侵入。

3.市政橋梁如果需要加裝聲屏障或?qū)?lái)有可能加裝聲屏障的橋梁護(hù)欄,采用混凝土護(hù)欄有較大優(yōu)勢(shì)。