跨水資源路段高等級橋梁護(hù)欄及防拋設(shè)施設(shè)計(jì)

盧輝 龔帥 林海騰 高建雨 閆書明

(1.廣州市高速公路有限公司 510305；2.北京華路安交通科技有限公司 100070)

引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水資源日益匱乏，飲用水源安全與保護(hù)越來越成為社會各界關(guān)注的焦點(diǎn)。大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，跨水域公路運(yùn)輸?；奋囕v交通事故泄漏引起的突發(fā)環(huán)境污染已成為影響飲用水源保護(hù)區(qū)供水安全的重要原因[1，2]。護(hù)欄作為公路交通事故的最后一道防線，如果其防護(hù)能力有所不足，特別是對于跨水資源橋梁路段，一旦發(fā)生大型運(yùn)輸車輛碰撞橋側(cè)護(hù)欄的事故，車輛易發(fā)生翻越或穿越護(hù)欄的狀況，從而造成車毀人亡的嚴(yán)重后果。若這些大型運(yùn)輸車輛中含運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品車輛，除對司乘人員造成傷害外，還有可能污染飲用水源，給當(dāng)?shù)氐娜嗣裆钆c環(huán)境衛(wèi)生等造成惡劣影響[3]。

針對上述跨水資源路段水源保護(hù)及橋梁護(hù)欄的安全防護(hù)問題，本文對跨水資源路段的特殊防護(hù)需求進(jìn)行分析，并開展高等級橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)性能評估等研究工作。

1 跨水資源路段的特殊防護(hù)需求

2017年頒布的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81-2017)規(guī)定：跨大型飲用水水源一級保護(hù)區(qū)的橋梁防護(hù)等級宜采用八(HA)級[4]，可知規(guī)范對橋梁護(hù)欄安全防護(hù)能力要求較高，因此，選取橋梁護(hù)欄防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)等級為HA 級。

跨水資源路段橋梁位置特殊，除護(hù)欄要滿足其較高的安全防護(hù)需求外，還要考慮防拋設(shè)施對水資源的保護(hù)，防止車輛及其它拋灑物進(jìn)入水源，造成污染?？紤]到拋灑物存在固、液兩種形態(tài)，防拋設(shè)施不僅要阻擋固、液拋灑物進(jìn)入水源，還要對其進(jìn)行合理處理和收集[5-7]。

綜合上述分析可知，跨水資源路段橋梁護(hù)欄應(yīng)具有防護(hù)車輛的安全防護(hù)能力，同時(shí)防拋設(shè)施還要具有阻擋和收集拋灑物，保護(hù)飲用水源的作用，如圖1所示為跨水資源路段特殊防護(hù)需求示意。

圖1 跨水資源路段特殊防護(hù)需求示意Fig.1 The sketch drawing of special protection requirements of highway cross water resource area

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于車輛防護(hù)和飲用水源保護(hù)的特殊需求，本文提出跨水資源路段高等級橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)及景觀效果等因素，橋梁護(hù)欄采用HA 級雙橫梁組合式橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)：護(hù)欄總高為1.5m；混凝土墻體高850mm，底寬500mm，采用改進(jìn)型坡面形式；上部金屬梁柱結(jié)構(gòu)高650mm，由間距2m 的斜 H 型立柱(翼板與腹板厚12mm)、鋼管橫梁(矩形管上部橫梁斷面為 160mm 長×120mm 寬×10mm 厚，下部橫梁斷面為 160mm 長×120mm 寬×6mm 厚)、托架組成；地角螺栓型號為10.9 級 M30，嵌固深度為430mm；立柱與橫梁之間、橫梁內(nèi)外套管之間螺栓型號為10.9 級M22。

2.2 防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到防拋設(shè)施的功能需求、安全性及施工方便性等多種因素，給出了防拋設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：防拋設(shè)施采用鋼結(jié)構(gòu)形式，頂部距離地面高度為 2.1m，與橋梁護(hù)欄間的設(shè)計(jì)凈距為0.9m，用型鋼和攔截鋼板形成收集槽，車輛液體拋灑物通過攔截鋼板攔截后從混凝土墻體頂部直接導(dǎo)流到路面上。

在高等級橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，給出跨水資源橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案(單位：mm)Fig.2 Design scheme of bridge barrier and anti-throwing facilities(unit：mm)

3 仿真模型及驗(yàn)證

利用有限元仿真模擬方法對護(hù)欄安全性和防拋設(shè)施適用性進(jìn)行研究，采用基于顯式有限元理論建立的仿真模型[8，9]，并通過與以往試驗(yàn)比對的方式對仿真模型(包括車輛模型和護(hù)欄模型)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[8，9]。

3.1 車輛模型

對于小型客車，通過與碰撞某雙橫梁組合式橋梁護(hù)欄試驗(yàn)結(jié)果對比，對小客車仿真參數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證：圖3為小客車碰撞護(hù)欄駛出角度的仿真與試驗(yàn)對比，可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合；表1為小客車碰撞護(hù)欄加速度指標(biāo)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比，可見仿真和試驗(yàn)誤差最大僅為6.3%，在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了小客車模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 小客車駛出角度仿真與試驗(yàn)對比Fig.3 The comparison between simulation results of car exit angle and test results

表1 小客車碰撞加速度結(jié)果仿真與試驗(yàn)對比Tab.1 The comparison between simulation results of acceleration and test results

對于大型車(大型客車與大型貨車)，通過與某雙橫梁組合式橋梁護(hù)欄碰撞試驗(yàn)結(jié)果對比，對仿真參數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證：圖4和圖5分別為大型客車與大型貨車碰撞護(hù)欄仿真與試驗(yàn)對比，可以看出車輛駛出角度、車輛變形以及車輛最大側(cè)傾角度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了大型車輛模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖4 大客車碰撞護(hù)欄仿真與試驗(yàn)對比Fig.4 The comparison between simulation results of bus impact process and test results

圖5 大貨車碰撞護(hù)欄仿真與試驗(yàn)對比Fig.5 The comparison between simulation results of truck impact process and test results

3.2 護(hù)欄模型

圖6為630kJ 碰撞能量下某雙橫梁組合式橋梁護(hù)欄變形的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，最大動態(tài)變形量分別為315mm 與347mm，仿真和試驗(yàn)誤差為9.2%，在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了護(hù)欄模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖6 護(hù)欄變形情況仿真與試驗(yàn)對比Fig.6 The comparison between simulation results of the combined bridge barrier and test results

4 橋梁護(hù)欄安全性能評估

采用通過試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度計(jì)算機(jī)仿真模型，針對橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)方案從護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能進(jìn)行安全性能評估。相關(guān)研究及《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)(簡稱評價(jià)標(biāo)準(zhǔn))表明：小型客車主要評估護(hù)欄的緩沖功能，而大型車輛主要考察護(hù)欄的阻擋功能和導(dǎo)向功能。因此，采用“評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”的HA 級護(hù)欄碰撞條件中規(guī)定的小型車輛(小型客車)和大型車輛(大客車和大貨車)對護(hù)欄安全性能進(jìn)行評估，碰撞條件如表2所示[10]。

表2 HA 級護(hù)欄碰撞條件[10]Tab.2 Impact test conditions of HA-level barrier

4.1 小型客車碰撞分析

圖7為小客車碰撞過程，可見護(hù)欄對小客車的阻擋功能和導(dǎo)向功能滿足要求，表3和圖8為小客車碰撞后緩沖指標(biāo)，乘員碰撞速度縱向和橫向分量均小于12m/s，乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量均小于200m/s2，滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 小客車碰撞進(jìn)程Fig.7 The car impact process

表3 橋梁護(hù)欄的緩沖指標(biāo)Tab.2 The buffering indicators of the bridge barrier

圖8 乘員碰撞后加速度時(shí)程曲線Fig.8 The occupant ridedown acceleration time-history curve

4.2 大型車輛碰撞分析

圖9為大型客車和大型貨車碰撞過程，可以看出護(hù)欄對車輛的阻擋功能和導(dǎo)向功能良好，滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 大型車輛碰撞過程Fig.9 The large vehicle impact process

由上述分析可知，三種車型碰撞護(hù)欄后，橋梁護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對HA 級護(hù)欄的安全防護(hù)要求，護(hù)欄安全可靠。

5 防拋設(shè)施適用性分析

為確保車輛碰撞橋梁護(hù)欄過程中防拋設(shè)施的安全性，對防拋設(shè)施與護(hù)欄的適用性進(jìn)行分析，即分析車輛碰撞過程中最大動態(tài)外傾當(dāng)量值與設(shè)計(jì)凈距之間的關(guān)系，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值可按公式(1)求得。

式中：VIn為大中型車輛(包括特大型客車)的車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(m)；VI為車輛最大動態(tài)外傾值(m)；VH為試驗(yàn)車輛總高(m)；α為試驗(yàn)車輛外傾角度(°)。

由圖7可以看出小型客車碰撞護(hù)欄后無外傾風(fēng)險(xiǎn)，對防拋設(shè)施無影響，因此，只對大型車輛碰撞過程中對防拋設(shè)施的影響進(jìn)行分析。

圖10為大型車輛碰撞橋梁護(hù)欄過程中最大側(cè)傾狀態(tài)。大型客車和大型貨車的最大動態(tài)外傾值分別為0.71m 和0.4m；最大側(cè)傾角分別為14.1°和16.7°。根據(jù)公式(1)經(jīng)換算后的車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值分別為0.95m 和0.62m。

圖10 車輛最大側(cè)傾Fig.10 Maximum dynamic vehicle incline-out situation

大型客車和大型貨車碰撞護(hù)欄過程中外傾時(shí)，車輛最外邊緣相對于護(hù)欄碰撞前最外邊緣(護(hù)欄背部邊緣)的橫向水平距離分別為0.45m和0.12m(即VIn-B，其中VIn車輛最大外傾當(dāng)量值，B為混凝土基座底部寬度0.5m)，均小于設(shè)計(jì)凈距0.9m，說明設(shè)計(jì)凈距合理，可起到車輛碰撞橋梁護(hù)欄過程中確保防拋設(shè)施安全的目的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析，建立大客車、大貨車碰撞橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施組合的仿真模型進(jìn)行分析。圖11為大客車、大貨車碰撞過程，可知車輛碰撞橋梁護(hù)欄后恢復(fù)正常行駛，在碰撞的整個(gè)過程中，車輛產(chǎn)生傾斜，但并未與防拋設(shè)施碰撞，驗(yàn)證了橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施間設(shè)計(jì)凈距的合理性

圖11 大型車輛碰撞過程Fig.11 The large vehicle impact process

通過以上分析，可見防拋設(shè)施與橋梁護(hù)欄間的設(shè)計(jì)凈距0.9m，可以滿足防拋設(shè)施的安全需求。

6 結(jié)論

通過對跨水資源路段特殊防護(hù)需求的分析，給出了跨水資源高等級橋梁護(hù)欄和防拋設(shè)施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其中高等級橋梁護(hù)欄安全防護(hù)能力達(dá)到HA 級，具有較好的阻擋、緩沖和導(dǎo)向功能；大型客車與大型貨車碰撞過程中車輛最外邊緣和護(hù)欄碰撞前最外邊緣的橫向水平距離分別為0.45m 和0.12m，均小于防拋設(shè)施與橋梁護(hù)欄的設(shè)計(jì)凈距0.9m，能保證防拋設(shè)施的安全性。因此，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能有效防護(hù)車輛，在起到對拋灑物進(jìn)行阻擋和收集的作用同時(shí)，滿足防拋設(shè)施安全性的需求。