既有跨湖區(qū)長(zhǎng)大橋梁護(hù)欄防撞能力提升設(shè)計(jì)

李 雷，徐小靖，馮 晶

(1.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215000; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215000)

近一段時(shí)期以來,國(guó)內(nèi)發(fā)生多起重特大交通安全事故,如2017年8月陜西安康大客車撞擊隧道事故、2018年10月重慶萬州長(zhǎng)江二橋公交車墜江事故等,給橋梁安全防護(hù)工作敲響了警鐘。在此背景下,江蘇省交通運(yùn)輸廳相繼出臺(tái)了一系列通知,決定在全省范圍內(nèi)開展提升公路橋梁安全防護(hù)和連續(xù)長(zhǎng)陡下坡路段安全通行能力專項(xiàng)行動(dòng)。本項(xiàng)目橋梁由于發(fā)生過多起人員傷亡的交通事故,被蘇州市政府列為2020年度90項(xiàng)重大安全生產(chǎn)事故隱患整改項(xiàng)目之一,實(shí)施市級(jí)掛牌督辦。

1 工程概況

本項(xiàng)目橋梁跨越蘇州太湖風(fēng)景區(qū),分兩幅,東幅橋全長(zhǎng)4 204 m,西幅橋全長(zhǎng)4 358 m,兩幅橋的結(jié)構(gòu)形式一致。單幅橋?qū)?2.8 m,路幅布置為0.5 m護(hù)欄+7.5 m車行道+2.5 m硬路肩(非機(jī)動(dòng)車道)+2 m人行道+0.3 m石材欄桿,兩幅橋之間的“天窗”凈寬1.5 m,橋梁總寬26.6 m,除通航孔采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁外,其余均采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。線路等級(jí)為二級(jí)公路兼顧城市主干道,限速60 km/h。橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

橋梁位于飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),施工期對(duì)水質(zhì)及環(huán)保要求較高。人行道板下布置有16孔φ16 cm 10 kV及以下電力管線,采用混凝土包裹?，F(xiàn)狀人行道側(cè)石為凈高30 cm、厚15 cm的鋼筋混凝土側(cè)石。

現(xiàn)狀人行道外側(cè)欄桿高1.1 m,為細(xì)石混凝土結(jié)構(gòu),防撞能力不足,主要依靠?jī)舾?0 cm的側(cè)石防護(hù)車輛安全。由于橋梁位于太湖風(fēng)景區(qū),對(duì)橋梁景觀要求較高,現(xiàn)狀欄桿造型、色彩與橋梁結(jié)構(gòu)較好的融為一體,早已被當(dāng)?shù)厝藗兯邮芎驼J(rèn)可。

2 防撞能力提升設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)《提升公路橋梁安全防護(hù)能力專項(xiàng)行動(dòng)技術(shù)指南》(交通運(yùn)輸部辦公廳,2019年4月)及江蘇省交通運(yùn)輸廳有關(guān)文件,結(jié)合國(guó)內(nèi)其他項(xiàng)目改造案例,設(shè)計(jì)共提出三個(gè)提升橋梁護(hù)欄防撞能力的方案,主要區(qū)別在于增設(shè)或改造護(hù)欄的位置不同:1)在硬路肩(非機(jī)動(dòng)車道)內(nèi)設(shè)置,如圖2所示;2)在人行道外側(cè)設(shè)置護(hù)欄,需拆除現(xiàn)有欄桿,如圖3所示;3)在人行道側(cè)石位置增設(shè)護(hù)欄,見圖4。

2.1 硬路肩內(nèi)增設(shè)防撞護(hù)欄

在硬路肩內(nèi)設(shè)置防撞護(hù)欄,不僅可以起到保護(hù)機(jī)動(dòng)車不會(huì)墜入湖中,還可以防止機(jī)動(dòng)車撞擊非機(jī)動(dòng)車以及行人。在滿足機(jī)動(dòng)車道右側(cè)硬路肩寬度不小于75 cm的條件后,扣除防撞護(hù)欄寬尺寸,硬路肩范圍內(nèi)可供非機(jī)動(dòng)車通行的路面寬度僅為1.45 m(見圖2),不滿足《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于非機(jī)動(dòng)車道寬度的要求?？紤]到該橋梁兼顧城市橋梁功能,硬路肩在實(shí)際交通功能中用以通行非機(jī)動(dòng)車,因此該方案難以被交警部門接受。

2.2 人行道外側(cè)欄桿改建為防撞護(hù)欄

本橋梁連接太湖風(fēng)景區(qū)和該區(qū)域重要的旅游度假區(qū),現(xiàn)狀人行道側(cè)欄桿造型和材質(zhì)為與周圍環(huán)境和文化較為協(xié)調(diào),橋梁建成年代較長(zhǎng),人們?cè)谛睦砩显缫呀邮茉撊诵械罊跅U。若將現(xiàn)狀欄桿更換為金屬或混凝土防撞護(hù)欄,則欄桿外觀較“硬”,與橋梁柔和的造型與橋位處典型的江南文化的“軟”不協(xié)調(diào),同時(shí),對(duì)橋梁的外觀也有較大改變,景觀有較大影響,因此該方案業(yè)主和市民難以接受。

2.3 人行道側(cè)石位置增設(shè)防撞護(hù)欄

前兩個(gè)方案業(yè)主較難接受,為此,設(shè)計(jì)提出在人行道側(cè)石位置增設(shè)防撞護(hù)欄的方案。該方案不僅能起到防止車輛墜入湖中的目的,還能防止車輛撞擊行人。同時(shí),橋梁人行道外側(cè)的現(xiàn)有石材欄桿可完全保留,護(hù)欄設(shè)置在人行道側(cè)石位置,基本不影響大橋的整體景觀風(fēng)貌,施工期間對(duì)水域、水質(zhì)、生態(tài)沒有任何不良影響。為最大限度降低增設(shè)的護(hù)欄對(duì)現(xiàn)有橋梁景觀的影響,設(shè)計(jì)采用“融入”的景觀設(shè)計(jì)手法,選用有一定造型的、適合橋位周邊文化和自然景觀的護(hù)欄立柱,同時(shí),將欄桿和側(cè)石均涂裝成乳白色,與現(xiàn)狀人行道外側(cè)欄桿顏色保持一致。因此,業(yè)主傾向采用此方案。通過對(duì)以上三種防撞護(hù)欄方案的比較(見表1),最終推薦方案三,也為業(yè)主所接受。

表1 護(hù)欄方案比選表

3 增設(shè)護(hù)欄設(shè)計(jì)方案

3.1 防撞護(hù)欄等級(jí)選取

根據(jù)江蘇省人民政府《關(guān)于全省縣級(jí)以上集中式飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分方案的批復(fù)》(蘇政復(fù)[2009]2號(hào))文件內(nèi)容,項(xiàng)目橋梁位于飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),護(hù)欄防撞等級(jí)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范即可,不需要額外提高。

本項(xiàng)目橋梁屬于二級(jí)公路,設(shè)計(jì)速度為60 km/h,部分橋梁段位于二級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),車輛事故嚴(yán)重等級(jí)為“中”。依據(jù)JTG/T 81—2017公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,確定本項(xiàng)目橋梁護(hù)欄的設(shè)防等級(jí)為三(A)級(jí)。

對(duì)于組合式護(hù)欄,按照J(rèn)TG/T D81—2017公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則第 6.3.5 條的規(guī)定:各防護(hù)等級(jí)組合護(hù)欄的高度可在同等級(jí)混凝土護(hù)欄高度80 cm的基礎(chǔ)上增加 10 cm,即護(hù)欄高度不低于81+10=91 cm,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)護(hù)欄高度擬定為100 cm,滿足規(guī)范要求。新增護(hù)欄設(shè)計(jì)斷面見圖5。

3.2 防撞護(hù)欄總體設(shè)計(jì)方案

護(hù)欄采用不銹鋼材質(zhì),立柱采用鑄造成型的整體式結(jié)構(gòu),立柱間距為2 m,橫管為φ127×6 mm的圓管,鋼結(jié)構(gòu)高度70 cm,側(cè)石高度30 cm,護(hù)欄總高100 cm。護(hù)欄立柱所需錨固寬度至少35 cm,而現(xiàn)狀鋼筋混凝土側(cè)石橫向?qū)挾葍H為15 cm,無法布置立柱,故需要增加側(cè)石橫向?qū)挾取?/p>

人行道下布設(shè)有眾多強(qiáng)電管線,且用混凝土包裹密實(shí),所以往人行道內(nèi)側(cè)加寬側(cè)石是不可行的,因此設(shè)計(jì)考慮往硬路肩一側(cè)新增厚度20 cm的梯形混凝土基座用以布置金屬護(hù)欄立柱,如圖6所示,同時(shí)也增加了側(cè)石的美觀和趣味。新增加的梯形混凝土采用水平植筋的方式與現(xiàn)狀側(cè)石形成整體共同受力。

根據(jù)老橋檢測(cè)報(bào)告中顯示,橋梁始建于1994年,梁體結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)破損、露筋等病害,評(píng)定等級(jí)為2類橋梁,因此,增設(shè)護(hù)欄時(shí)不宜過多增加橋梁恒荷載、不宜對(duì)現(xiàn)狀橋梁空心板進(jìn)行植筋施工,且不宜采用大型施工機(jī)械。為此,如圖5所示,設(shè)計(jì)考慮鑿除緊挨人行道側(cè)石的1 m寬路面,鑿除至梁結(jié)構(gòu)頂面,鑿除總厚度為20 cm,含10 cm瀝青混凝土和10 cm混凝土鋪裝。鑿除后水平放置護(hù)欄立柱錨固螺栓,恢復(fù)16 cm厚的C50混凝土鋪裝和鋼筋網(wǎng),然后鋪筑4 cm厚的瀝青混凝土。

對(duì)于老橋結(jié)構(gòu)來說,增加的恒載僅為護(hù)欄立柱基座的梯形混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄的自重,恒載增加值合計(jì)約1.1 kN/m。經(jīng)驗(yàn)算復(fù)核,橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)均滿足設(shè)計(jì)期的有關(guān)規(guī)范要求。

3.3 防撞護(hù)欄抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范JTG B05-01—2013公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)車輛的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo),三(A)級(jí)護(hù)欄選取1.5 t的小客車及10 t的中型客車,10 t的中型貨車分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)車輛的抗傾覆有效高度(護(hù)欄考慮Z=0.3 m的變形量)。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況補(bǔ)充驗(yàn)算大型客車實(shí)驗(yàn)車輛的抗傾覆有效高度(大型客車按照防護(hù)等級(jí)提高為SA級(jí)計(jì)算,護(hù)欄考慮Z=0.45 m的變形量)。

經(jīng)計(jì)算,小客車的抗傾覆高度為0.487 m,中型客車的抗傾覆高度為0.406 m,中型貨車的抗傾覆高度為0.608 m,大型客車的抗傾覆高度為0.746 m,護(hù)欄橫梁平均高度為0.770 m,規(guī)范規(guī)定的三(A)防護(hù)等級(jí)三種車型及補(bǔ)充計(jì)算的大型客車抗傾覆計(jì)算均滿足要求。

3.4 防撞護(hù)欄車輛撞擊計(jì)算

依據(jù)JTG B05-01—2013公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),確定設(shè)防等級(jí)為三(A)級(jí)的試驗(yàn)碰撞車輛為1.5 t小型客車、10 t中型客車、10 t中型貨車。

依據(jù)JTG D81—2017公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算車輛作用在護(hù)欄上的最大橫向力[1]:

考慮護(hù)欄橫向動(dòng)態(tài)變形值為0.3 m,分別計(jì)算三(A)級(jí)防護(hù)等級(jí)下小型客車、中型客車、中型貨車三種不同車型的汽車碰撞力,得到各車輛最大碰撞力如表2所示。

表2 各車輛橫向碰撞力計(jì)算值

計(jì)算可得:在三(A)級(jí)防護(hù)等級(jí)條件下各試驗(yàn)類型車輛作用在護(hù)欄上的最不利橫向力大小為177.9 kN。根據(jù)有關(guān)規(guī)范對(duì)護(hù)欄承載能力、抗傾覆、螺栓承載力等進(jìn)行了驗(yàn)算,均滿足規(guī)范要求。

4 基座連接設(shè)計(jì)

為減少對(duì)現(xiàn)狀橋梁的破壞,且避免對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的破壞,本次方案采用對(duì)現(xiàn)狀橋面混凝土鋪裝分塊拆除[2](與護(hù)欄立柱對(duì)應(yīng)),在現(xiàn)狀鋪裝內(nèi)預(yù)埋前排螺栓至梁頂,老橋混凝土鋪裝內(nèi)的鋼筋網(wǎng)完全保留;后排螺栓采用植筋方法,然后澆筑橋面和基座混凝土[3],攤鋪橋面瀝青混凝土(瀝青鋪裝厚度減小為4 cm),基座連接如圖7所示。完工后效果圖如圖8所示。

5 施工方案

分段封閉非機(jī)動(dòng)車道,在機(jī)非分隔處設(shè)置圍擋,形成施工作業(yè)區(qū)。為保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全,采用小型機(jī)械進(jìn)行橋面鋪裝鑿除(橫橋向鑿除1 m寬),露出原橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)。預(yù)埋防護(hù)護(hù)欄地腳螺栓,綁扎鋼筋網(wǎng),然后重新澆筑1 m寬的混凝土鋪裝,厚度為16 cm,強(qiáng)度等級(jí)為C50,最后鋪筑4 cm瀝青混凝土并恢復(fù)標(biāo)志標(biāo)線。本項(xiàng)目橋梁對(duì)景觀要求較高,因此,人行道側(cè)石側(cè)面和頂面均進(jìn)行了真石漆的噴涂(見圖9)。

6 結(jié)語

在進(jìn)行橋梁防撞能力提升設(shè)計(jì)中,要根據(jù)項(xiàng)目的位置、文化和環(huán)境要求,遵循安全、美觀、環(huán)保的原則,合理選擇橋梁護(hù)欄等級(jí)、外形并確定護(hù)欄合適的設(shè)置部位。防撞護(hù)欄與老橋結(jié)構(gòu)的連接方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇,既要考慮連接的可靠、耐久,也要考慮老橋結(jié)構(gòu)的安全。