橋墩防汽車撞擊計算分析方法和防撞方案探討

陳 宇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國公路和市政交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了跨越式的發(fā)展，各大城市的汽車保有量也急劇攀升，公路干線和城市道路的交通日益繁忙。隨之而來，我國道路交通安全不容樂觀，交通事故頻頻發(fā)生，其中汽車撞擊橋墩的事故，不僅可能導(dǎo)致車毀人亡，嚴(yán)重時還會造成橋梁橋墩損壞，甚至出現(xiàn)橋梁垮塌的嚴(yán)重后果，帶來無可挽回的生命和財產(chǎn)損失。通過對汽車撞擊橋墩的案例進(jìn)行具體分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，對橋墩的防撞設(shè)計和防撞方案進(jìn)行探討。

1 汽車撞擊橋墩后果分析

當(dāng)小型車撞上較為堅固的橋墩時，橋墩自身損壞較小，但撞擊車輛損毀嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)車毀人亡的后果；當(dāng)大型車輛撞上較為薄弱的橋墩時，橋墩會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞，甚至被撞斷，嚴(yán)重影響到橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全；而且，由于高速的碰撞產(chǎn)生的巨大沖擊力，駕乘人員生命面臨著巨大的威脅。

2 橋墩的防撞計算

汽車撞擊橋墩產(chǎn)生的撞擊力，與汽車撞擊速度、撞擊角度、橋墩尺寸高度以及橋墩的約束情況等有關(guān)，可通過撞擊試驗和有限元數(shù)值模擬進(jìn)行汽車撞擊力的分析，但從工程實(shí)際角度，設(shè)計人員需結(jié)合規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行橋墩的防撞設(shè)計。

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.4.3條規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)在必要的時候可考慮汽車的撞擊作用。汽車撞擊力設(shè)計值在車輛行駛方向應(yīng)取1000kN，在車輛行駛垂直方向應(yīng)取500kN，兩個方向的撞擊力不同時考慮。撞擊力應(yīng)作用于行車道以上1.2m處，直接分布于撞擊涉及的構(gòu)件上[1]。設(shè)計計算時可按此規(guī)定，根據(jù)橋墩控制截面的尺寸和配筋情況，再依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)，按照偶然荷載工況，對橋墩控制截面進(jìn)行正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力驗算[2]。

汽車對橋墩的撞擊破壞效應(yīng)尚在研究階段，不同規(guī)范對于汽車撞擊力的規(guī)定也并不相同，而且差異較大。筆者將中國規(guī)范對汽車撞擊力的規(guī)定與歐洲規(guī)范和美國規(guī)范進(jìn)行橫向?qū)Ρ群蟀l(fā)現(xiàn)(表1)，中國規(guī)范的汽車撞擊力大小與歐洲規(guī)范的規(guī)定較為接近，與美國規(guī)范相比則明顯偏小，而且各規(guī)范對汽車撞擊的位置規(guī)定也各不相同。

表1 我國規(guī)范與其它主要規(guī)范汽車撞擊力規(guī)定對比

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.4.3條只規(guī)定了車輛撞擊的計算荷載和撞擊位置，并未對荷載計算的原理進(jìn)行論述，而《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)第3.1.13條則給出了明確的汽車撞擊力計算公式,“汽車撞擊力可按下式估算：P=Wv/gT”[3]，其中W為汽車重量，建議值150kN；v為汽車速度，建議值22.2m/s(換算車速為80km/h)；g為重力加速度9.18m/s2；T為碰撞時間，建議取值1.0s。規(guī)范同時規(guī)定，“在快速路主干道及次干道順行車方向上估算撞擊力不足350kN，按350kN計，垂直行車方向則按175kN計。”[5]該規(guī)范給出了汽車撞擊力的估算公式，筆者認(rèn)為可以為工程實(shí)際的設(shè)計計算提供一定的參考。對于城市內(nèi)的橋梁，按照較為常見的混凝土罐車作為計算荷載，其滿載重量約為45t，汽車車速按照80km/h，通過公式計算P=Wv/gT=450×22.2/(9.18×1)=1088kN，與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的1000kN基本一致。若計算車輛參考《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11—2011)規(guī)定的車輛荷載，計算荷載為70t，汽車車速按照80km/h，通過公式計算P=Wv/gT=700×22.2/(9.18×1)=1693kN，與歐洲規(guī)范的規(guī)定較為接近?？梢姡凑铡冻鞘腥诵刑鞓蚺c人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)公式簡化計算得到的結(jié)果與各國規(guī)范對于汽車撞擊力的規(guī)定較為吻合。若汽車計算荷載更大或者汽車車速更快，則通過公式計算得到的汽車撞擊將更大。因此，筆者建議在進(jìn)行橋墩防撞設(shè)計時，宜考慮實(shí)際存在的汽車撞擊風(fēng)險，根據(jù)橋下實(shí)際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進(jìn)行汽車撞擊力計算，與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的1000kN比選后取較大者對橋墩進(jìn)行防撞設(shè)計。

3 橋墩防撞方案比選

船舶撞擊橋墩的危害很大，很容易撞斷橋墩進(jìn)而導(dǎo)致橋梁垮塌，近年來船舶撞擊橋墩導(dǎo)致垮塌的案例也頻頻出現(xiàn)，因此，我國對船舶撞擊橋墩的情況更為重視，相關(guān)研究開展得比較早，而對汽車撞擊橋墩的研究則開展得較為遲緩。實(shí)際兩者撞擊橋墩后橋墩的破壞機(jī)理較為接近，橋墩破壞多為剪切破壞，破壞表現(xiàn)為橋墩被撞斷。因此，在考慮橋墩防止汽車撞擊時，可充分借鑒橋墩防船舶撞擊的相關(guān)經(jīng)驗。

對于船舶撞擊橋墩的情況，船舶重量大，而撞擊速度則相對較慢；汽車撞擊橋墩時，汽車重量相比于船舶重量則較小，但是撞擊的速度較快。由于船舶重量相對于汽車來說要大得多，撞擊的能量更大，破壞力更強(qiáng)，因此，在通航河道內(nèi)的橋梁防撞設(shè)施是必不可少的。但對于汽車撞擊橋梁的情況，由于汽車重量相對較小，橋梁結(jié)構(gòu)相對更加堅固，撞擊后表現(xiàn)多為橋梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)撞斷破壞的情況，而是汽車遭到嚴(yán)重的損毀。但是，當(dāng)汽車重量很大，撞擊速度很快，橋墩相對薄弱時，橋墩則也存在著被撞斷的風(fēng)險。因此，橋墩的防止汽車撞擊也應(yīng)該引起足夠的重視，一方面要保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，另一方面也要本著以人為本的原則，保證撞擊車輛和駕乘人員的安全。

橋墩防止汽車撞擊的方案主要分為“主動防撞”和“被動防撞”。主動防撞是通過設(shè)置標(biāo)志標(biāo)牌，對駕駛?cè)藛T進(jìn)行提醒和引導(dǎo)來減少汽車撞擊橋墩情況的發(fā)生。主動防撞只是一種手段，設(shè)計中是必不可少的，但也不能完全避免汽車撞擊橋墩情況的發(fā)生。被動防撞的方法主要為避撞和防撞兩種。避撞的方法主要表現(xiàn)為在設(shè)計階段通過跨徑調(diào)整，避免在路中設(shè)置橋墩，增加橋墩與行車道之間的安全距離等方法。防撞則是針對性地對橋墩采取相關(guān)的防護(hù)方案?，F(xiàn)在主流橋墩的防護(hù)方案主要包括隔離式防護(hù)裝置和附著式柔性防護(hù)裝置兩種。

隔離式防護(hù)裝置通過設(shè)置組合防撞護(hù)欄(圖1)或混凝土防撞島(圖2)，對橋墩進(jìn)行隔離式防護(hù)。防撞護(hù)欄的優(yōu)點(diǎn)是可以通過防撞護(hù)欄的變形起到一定的緩沖和阻隔的作用，能夠吸收一部分撞擊的能量，因此，防撞護(hù)欄在低速撞擊下較為有效，在高速撞擊下防撞效果則相對較差，橋墩依舊存在被撞壞的風(fēng)險。混凝土防撞島則通過設(shè)置剛性的混凝土防撞島對橋墩進(jìn)行隔離防護(hù)，汽車撞擊時先撞到外圍的防撞島，從而避免橋墩受到汽車的直接撞擊，防撞島在高速公路收費(fèi)站最為常見。隔離式防護(hù)方案使用時都會占用較大的地面空間，因此，此種防護(hù)方案在公路橋梁上采用較多，而在市政橋梁采用相對較少。隔離式防護(hù)方案另外一個缺點(diǎn)是側(cè)重于對橋墩的防護(hù)，并未考慮到對撞擊車輛的保護(hù)。

圖1 鋼組合護(hù)欄

圖2 混凝土防撞島

近年來，借鑒水中橋墩防止船舶撞擊采用的防撞結(jié)構(gòu)，逐漸發(fā)展出各式各樣的附著式柔性防護(hù)裝置。此類裝置多采用耗能防護(hù)結(jié)構(gòu)，附著于橋墩的表面，起到消減車輛撞擊力，保護(hù)橋墩的作用，同時也能夠防止車輛刮擦磕碰造成橋墩局部破壞。耗能防護(hù)結(jié)構(gòu)的采用多種多樣，總體上外圍采用鋼板包裹，內(nèi)部采用橡膠或高分子彈性材料的結(jié)構(gòu)偏多。較傳統(tǒng)的隔離式防護(hù)裝置，附著式防護(hù)裝置具有重量輕、安裝方便、占用空間小、吸能效果好、易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。同時，此類裝置符合以人為本的理念，通過吸收撞擊能量有效降低事故車輛損失，從而起到了保護(hù)車輛和駕乘人員的效果。筆者參與設(shè)計的沈陽市東陵路高架橋即采用附著式柔性防護(hù)裝置(圖3)，本項目中位于道路中間的橋墩面臨著較大的汽車撞擊風(fēng)險，采用傳統(tǒng)的隔離式防護(hù)裝置占用較多的地面空間而且視覺效果差，結(jié)合橋墩的防撞計算和相關(guān)試驗，最終選定了附著式柔性防護(hù)裝置。而且從交通事故的反饋來看，起到了較好的防護(hù)效果，防護(hù)裝置不僅保護(hù)了橋墩和車輛，而且防護(hù)裝置損壞后方便修復(fù)，對交通影響較小。但是，附著式柔性防護(hù)裝置種類繁多，吸能防撞效果也參差不齊，筆者建議設(shè)計人員在采用時需仔細(xì)甄別，結(jié)合項目的實(shí)際情況，通過防撞計算和試驗，針對性選取合適的防撞方案。

圖3 附著式防護(hù)裝置(東陵路高架橋)

綜合以上，建議設(shè)計時應(yīng)盡量減少橋墩被汽車撞擊的風(fēng)險，當(dāng)需要采用防撞方案時，宜結(jié)合工程實(shí)際情況因地制宜的選取，選用隔離式防撞裝置時需要適當(dāng)考慮對撞擊車輛和駕駛?cè)藛T的保護(hù)，選用附著式柔性防護(hù)裝置時，需通過計算和試驗有效保證橋墩的安全。

4 結(jié)論

對于汽車撞擊橋墩的情況我們要予以足夠的重視，設(shè)計時應(yīng)盡量減少橋墩被汽車撞擊的風(fēng)險。防撞計算宜考慮實(shí)際存在的汽車撞擊風(fēng)險，根據(jù)橋下實(shí)際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進(jìn)行汽車撞擊力計算，與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的撞擊力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。防護(hù)方案宜結(jié)合工程實(shí)際情況因地制宜地選用，對于橋墩結(jié)構(gòu)偏弱，并距離行車道有足夠的空間時，可采用隔離式防護(hù)裝置；對于橋墩結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，距離行車道的空間較小時，可采用附著式柔性防護(hù)裝置；也可以根據(jù)實(shí)際需要，綜合采用兩種防護(hù)方案，保護(hù)橋墩的同時保護(hù)撞擊車輛和駕乘人員的安全。