虎門二橋鋼混組合式護欄設(shè)計

徐德志

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507)

1 項目概況

虎門二橋是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中連接廣州和東莞的重要東西向通道，路線方案起于廣州市番禺區(qū)東涌鎮(zhèn)，順接南二環(huán)高速公路，經(jīng)廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)，先后跨越大沙水道、海鷗島、坭洲水道后，穿越虎門港進入東莞市沙田鎮(zhèn)，終點與廣深沿江高速公路相接?；㈤T二橋上游距珠江黃埔大橋約20 km，下游距虎門大橋約10 km。主線全線均采用橋梁方式建設(shè)，路線總長12.886 km。

本項目穿越的海鷗島是廣州新城的重要組成部分，根據(jù)《海鷗島旅游策劃和城市設(shè)計規(guī)劃說明書》，其景觀定位為成為具有國際知名度的度假、觀光及會議旅游目的地，國家AAAA級旅游區(qū)，成為兼具“生態(tài)休閑島”和“度假目的地”形象的旅游勝地。海鷗島是目前廣州城市范圍內(nèi)唯一保持著原生態(tài)的大型島嶼，是城市發(fā)展的生態(tài)節(jié)點。

虎門二橋項目采用橋梁方案橫穿海鷗島南端，并通過海鷗島立交將島與廣州、東莞相連，為島嶼的旅游開發(fā)提供更加便利的交通條件。同時，虎門二橋也作為景點之一，豐富海鷗島景觀，對橋梁景觀設(shè)計亦提出更高的要求。在本項目的設(shè)計過程中，除了對橋梁主體結(jié)構(gòu)的主塔、箱梁、橋墩進行景觀設(shè)計的比選，亦對橋梁防撞護欄進行景觀設(shè)計優(yōu)選。

2 護欄方案比選

2.1 橋梁護欄防撞等級

橋梁防撞護欄縱向吸能，通過自體變形或者車輛爬高來吸收碰撞能量，從而改變車輛行駛方向、阻止車輛越出路外或者進入對向車道，最大限度地減少對乘員的傷害。根據(jù)車輛駛出橋外或者進入對向車道可能造成的交通事故等級，依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2017)選取橋梁護欄的防撞等級，如表1所示。

表1 橋梁護欄防撞等級適用條件

因橋梁線形、運行速度、橋梁高度、交通量和車輛構(gòu)成等因素易造成更嚴(yán)重碰撞后果的路段，可在表1的基礎(chǔ)上提高護欄的防撞等級?；㈤T二橋主線為標(biāo)準(zhǔn)八車道高速公路，設(shè)計速度為100 km/h，結(jié)合廣東省標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計成果，本項目橋梁外側(cè)護欄采用SS級，內(nèi)側(cè)護欄采用SA級。

2.2 護欄形式選擇

大型橋梁護欄類型主要有金屬梁柱式、鋼筋混凝土墻式和鋼混組合式。金屬梁柱式護欄景觀效果好，但若要達到較高防護能量，則護欄造價較高，且在超長的跨海(江)路段，由于其良好的通透性，部分駕駛員行車時可能產(chǎn)生不安全感。鋼筋混凝土墻式護欄防護能力較強，經(jīng)濟性較好，不足之處就是自重大、景觀效果略差，部分駕駛員行車時可能產(chǎn)生壓抑感。鋼混組合式護欄結(jié)合了前二者的優(yōu)點，是大型橋梁防撞護欄的較好選擇。

對于虎門二橋主線橋梁，上述三類護欄的設(shè)計方案如下。

2.2.1 金屬梁柱式護欄

金屬梁柱式護欄的立柱及橫梁布置滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求。橋梁外側(cè)采用SS級，混凝土底座寬500 mm，高出橋面鋪裝150 mm，帶100 mm掛壁，整個護欄高出橋面鋪裝1500 mm，共設(shè)4道橫梁，立柱間距為1.5 m；橋梁內(nèi)側(cè)采用SA級，混凝土底座寬500 mm，高出橋面鋪裝150 mm，整個護欄高出橋面鋪裝1250 mm，設(shè)3道橫梁，立柱間距為1.5 m。金屬梁柱式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 金屬梁柱式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：mm)

2.2.2 鋼筋混凝土墻式護欄

鋼筋混凝土墻式護欄采用廣東省交通運輸廳頒布的標(biāo)準(zhǔn)圖，護欄迎撞面形狀滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求。橋梁外側(cè)采用SS級，底寬500 mm，帶100 mm掛壁，高出橋面鋪裝1100 mm；橋梁內(nèi)側(cè)采用SA級，底寬450 mm，距橋面邊緣50 mm，高出橋面鋪裝1000 mm。鋼筋混凝土墻式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土墻式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：mm)

2.2.3 鋼混組合式護欄

鋼混組合式護欄在金屬梁柱式護欄的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，橋梁外側(cè)采用SS級，混凝土底座寬500 mm，高出橋面鋪裝400 mm，外側(cè)帶100 mm掛壁，整個護欄高出橋面鋪裝1500 mm，共設(shè)3道橫梁，立柱間距為2.0 m；橋梁內(nèi)側(cè)采用SA級，混凝土底座寬500 mm，高出橋面鋪裝400 mm，整個護欄高出橋面鋪裝1250 mm，設(shè)3道橫梁，立柱間距為2.0 m。鋼混組合式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。

圖3 鋼混組合式護欄標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：mm)

鋼混組合式護欄兼具上述金屬梁柱式護欄和鋼筋混凝土墻式護欄的優(yōu)點，底部采用高度400 mm的混凝土底座，上部設(shè)置金屬立柱和橫梁形成鋼混組合式結(jié)構(gòu)，底座高度400 mm對景觀影響較小，采用經(jīng)濟性好的混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟性較常規(guī)金屬梁柱式護欄有所改善。

2.2.4 方案綜合比選

根據(jù)上述三類方案設(shè)計，結(jié)合施工、養(yǎng)護、景觀等因素，對各方案進行綜合比較，結(jié)果如表2所示。

表2 護欄方案綜合比較表 單位：mm

根據(jù)上述比選，鋼混組合式護欄兼具混凝土護欄的經(jīng)濟性優(yōu)勢和鋼護欄的景觀性優(yōu)勢，較能適用于本項目的景觀定位要求，作為最終的實施方案。

3 護欄構(gòu)造設(shè)計

鋼混組合式護欄結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土底座和上部梁柱式鋼護欄兩部分組合而成。鋼筋混凝土底座有預(yù)埋鋼板及預(yù)埋螺栓組，通過立柱連接板及錨固螺栓與立柱連接，梁柱式護欄橫梁通過連接螺栓與立柱連接。以外側(cè)SS級護欄為例，其構(gòu)造設(shè)計如下。

外側(cè)SS級護欄，鋪裝以上總高度1500 mm。底座寬513 mm，帶100 mm掛壁，高出橋面鋪裝400 mm，底座迎撞面下部75 mm豎直布置，往上325 mm設(shè)置7°的斜面，構(gòu)造盡量與鋼筋混凝土墻式護欄底部協(xié)調(diào)，允許碰撞車輛有一定的爬升以達到一定的耗能效果。底座外側(cè)通過兩段折線連接，折線之間設(shè)置半徑30mm的圓弧凹槽，弱化底座體量的同時增加外側(cè)的飾線效果，所有直線之間均設(shè)置半徑25 mm的圓弧過渡，可提升施工質(zhì)量，避免施工過程折角破損。底座內(nèi)預(yù)埋7根M30螺栓用于立柱與底座的連接，采用雙螺母作為防松措施。底座以上鋼護欄高1100 mm，立柱采用焊接工字形截面，順橋向?qū)挾?70 mm，橫橋向?qū)挾葟捻敳康?20 mm直線漸變至底部的220 mm，工字形翼板及腹板厚度均為12 mm，立柱標(biāo)準(zhǔn)間距按2000 mm設(shè)置。橫梁采用3根矩形鋼管，單根鋼管外輪廓尺寸120 mm(高度)×160 mm(寬度)，壁厚6 mm，橫梁豎向凈距250 mm。外側(cè)SS級及內(nèi)側(cè)SA級鋼混組合式護欄構(gòu)造設(shè)計斷面如圖4、圖5所示。

圖4 外側(cè)SS級鋼混組合式護欄構(gòu)造設(shè)計(單位：mm)

圖5 內(nèi)側(cè)SA級鋼混組合式護欄構(gòu)造設(shè)計(單位：mm)

4 護欄安全性檢驗

本項目鋼混組合式護欄為新型護欄，《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》對本護欄形式?jīng)]有具體規(guī)定，根據(jù)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/B05-01—2013)的要求，需進行安全性評價。通過安全性評價，可以對本方案進行安全性驗證及優(yōu)化設(shè)計，在確保安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造，美化護欄景觀。

4.1 仿真分析

為提高實車碰撞試驗成功率，需對鋼混組合式護欄進行計算機仿真計算，分析護欄的防撞性能是否能達到《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，為護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實車碰撞試驗提供參考。

4.1.1 碰撞條件

計算機仿真過程中采用的碰撞條件如表3所示。

表3 仿真分析采用的碰撞條件

4.1.2 碰撞點位置

小型客車、中型客車和大型貨車的碰撞點均位于護欄段起點1/3長度處，仿真分析采用的碰撞點位置如圖6所示。

圖6 仿真分析采用的碰撞點位置

4.1.3 車輛模型

分別建立小型客車、中型客車和大型貨車的車輛模型，其中大型貨車模型三維消隱圖如圖7所示。

圖7 大型貨車有限元模型三維消隱圖

4.1.4 護欄模型

根據(jù)橋梁護欄設(shè)計圖紙，建立護欄的有限元模型，如圖8、圖9所示。

圖8 SS級護欄有限元模型

圖9 SA級護欄有限元模型

4.1.5 仿真結(jié)果

針對SS級和SA級護欄，分別采用小型客車、中型客車和大型貨車進行仿真分析，以大型貨車碰撞SS級護欄為例，其主要分析結(jié)果如下。

(1)車輛運行軌跡和行駛姿態(tài)如圖10、圖11所示。駛出框A=8.18 m，B=20 m，車輛碰撞護欄后沿直線行駛，不會駛出駛出框，如圖12所示。

圖10 貨車行駛軌跡

圖11 貨車行駛姿態(tài)

圖12 車輛駛出軌跡

(2)護欄最大橫向動態(tài)變形值、動態(tài)位移外延值和車輛最大動態(tài)外傾值如表4及圖13所示。

表4 護欄變形及車輛外傾值

圖13 護欄最大動態(tài)橫向變形、橫向動態(tài)位移外延及外傾值

4.1.6 評價結(jié)論

通過計算機仿真分析，SS、SA級橋梁護欄的阻擋、緩沖和導(dǎo)向功能評價指標(biāo)符合《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)要求。由于仿真結(jié)果受模型簡化、材料參數(shù)、邊界條件、網(wǎng)格劃分、計算理論多方面因素影響及技術(shù)水平限制，可以為護欄結(jié)構(gòu)的開發(fā)優(yōu)化做參考，但不可作為護欄等級是否滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的最終檢驗手段。根據(jù)規(guī)范要求，護欄的安全性能評價應(yīng)進行實車碰撞試驗驗證。

4.2 碰撞試驗

實車碰撞試驗委托北京深華達交通工程檢測有限公司進行，按《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求進行試驗設(shè)計，針對SS級和SA級護欄，分別采用小型客車、中型客車和大型貨車進行多組試驗，檢驗護欄安全性能。經(jīng)試驗驗證，上述兩類護欄可滿足規(guī)范各項要求。以SS級護欄大型貨車碰撞試驗為例，主要試驗情況如圖14、圖15所示。

大貨車實測碰撞條件如表5所示。大貨車實測碰撞主要評價指標(biāo)均滿足《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)要求，如表6所示。

圖14 車輛行駛軌跡俯視圖

圖15 駛出框示意圖

表5 SS級護欄大貨車實測碰撞條件

表6 SS級護欄大貨車實測碰撞主要評價指標(biāo)

其他指標(biāo)檢測值如下。護欄最大橫向動態(tài)變形值為0.15 m；護欄最大橫向動態(tài)位移外延值為0.65 m；車輛最大動態(tài)外傾值為0.45 m；車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值為0.70 m。

5 結(jié)論

虎門二橋穿越的海鷗島是廣州城市發(fā)展的生態(tài)節(jié)點，景觀要求較高。本文結(jié)合虎門二橋，針對橋梁護欄景觀要求高、防撞要求高、駕駛員行車時需要安全感但不能壓抑的需求，結(jié)合傳統(tǒng)金屬梁柱式護欄和鋼筋混凝土墻式護欄的優(yōu)點，研發(fā)新型鋼混組合式護欄，并通過仿真分析和實車碰撞試驗驗證該護欄防護等級可達到SS和SA級。新型組合式護欄的研發(fā)使用，提升了項目景觀性、經(jīng)濟性，可作為同類項目護欄設(shè)計的參考。