既有舊橋梁組合式護(hù)欄事故分析與解決方案

龔 帥,張文豪,劉 航,鄧 寶,王 新,閆書明

(1.北京華路安交通科技有限公司，北京 100070；2.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

高速公路交通事故已經(jīng)成為影響公路運(yùn)營效益的重要因素，尤其是對(duì)于公路橋梁路段，一般位于高位，一旦車輛碰撞護(hù)欄，如果其護(hù)欄安全性能有所不足則易發(fā)生穿越或翻越護(hù)欄后墜落橋下的特大惡性事故(見圖1)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，車輛穿越或翻越橋梁護(hù)欄的一些事故多與早期建造的一種橋梁組合式護(hù)欄有關(guān)(見圖2)，這種組合式護(hù)欄是依照1994年發(fā)布(現(xiàn)已廢止)的“074規(guī)范”設(shè)計(jì)，根據(jù)多年的實(shí)踐防護(hù)效果來看，這種早期護(hù)欄結(jié)構(gòu)防護(hù)能力有所不足，已經(jīng)無法為當(dāng)前運(yùn)營期公路安全提供有效防護(hù)，因此有必要針對(duì)這種舊橋梁組合式護(hù)欄進(jìn)行升級(jí)改造。

(a) 案例一

(b) 案例二

相關(guān)文獻(xiàn)及工程應(yīng)用表明利用原混凝土護(hù)欄植筋加高的改造方案可行，但存在景觀性較差、施工和養(yǎng)護(hù)較困難的問題；拆除重建高等級(jí)護(hù)欄改造徹底，但造價(jià)高、施工風(fēng)險(xiǎn)高。本文通過對(duì)既有舊橋梁組合式護(hù)欄的破壞模式分析與極限抗力計(jì)算，以及安全防護(hù)性能分析，確定了既有護(hù)欄結(jié)構(gòu)安全性能不足并分析原因，然后結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)、景觀及施工方便性，針對(duì)既有舊橋梁組合式護(hù)欄提出加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方式的解決方案，采取多種車型通過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)對(duì)該方案的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-3]。

圖2 既有舊橋梁組合式護(hù)欄

1 既有舊橋梁組合式護(hù)欄結(jié)構(gòu)

既有舊橋梁組合式護(hù)欄下方混凝土基座坡面為新澤西型，上部鋼結(jié)構(gòu)由牛角型支架和鋼管橫梁(φ140 mm×4 mm)組成，鋼管橫梁的中心高度為1 040 mm；橫梁外側(cè)迎撞面與混凝土基座頂部迎撞面邊緣齊平。如圖3所示為既有舊橋梁組合式護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸。

圖3 既有舊橋梁組合式護(hù)欄結(jié)構(gòu)(單位：mm)Figure 3 Structure of the existing old bridge built-up guardrail (Units: mm)

2 護(hù)欄破壞模式分析及其極限抗力計(jì)算方法

圖4、圖5為既有舊橋梁組合式護(hù)欄相關(guān)事故案例，從事故中可以看出，車輛碰撞橋梁組合式護(hù)欄后，護(hù)欄下部多完好無損，而上部的橫梁和立柱破壞嚴(yán)重，多處被撞斷且長度達(dá)10 m以上，說明該護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)剛度有所不足，且上下結(jié)構(gòu)剛度不匹配，影響了護(hù)欄對(duì)車輛阻擋功能[4]，在該事故中失控車輛發(fā)生了翻越墜落橋下(見圖4)；同時(shí)，車輛碰撞橋梁組合式護(hù)欄后，車頭往往不能有效轉(zhuǎn)向，這是由于立柱距離護(hù)欄迎撞面過近導(dǎo)致車輛發(fā)生絆阻(見圖5)，影響了護(hù)欄對(duì)車輛導(dǎo)向功能[4]。

圖4 某高速路出口匝道事故

圖5 某高架橋事故

結(jié)合事故形態(tài)分析，既有舊橋梁組合式護(hù)欄的破壞模式主要為兩種，即發(fā)生在跨中碰撞的破壞模式I和發(fā)生在立柱碰撞的破壞模式II(見圖6)。護(hù)欄的極限抗力取圖6(a)和圖6(b)所示的兩種破壞模式確定的抗力中的較小值[5-6]，計(jì)算方法如下：

(a) 破壞模式I(碰撞跨中)

(b) 破壞模式II(碰撞立柱)

(1)

當(dāng)車輛的碰撞荷載發(fā)生在圖6(b)所示的立柱處時(shí)，最大合成強(qiáng)度為立柱承載能力PP、橫梁承載能力R′R和減小后的混凝土墻承載能力R′w之和[5-6]：

(2)

則組合式護(hù)欄的極限抗力為：

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

式中：RR為一跨橫梁的極限抗力,kN；PP為立柱的極限橫向抗力,kN；R′R為兩跨橫梁的極限橫向抗力,kN；Rw為護(hù)欄的總的橫向承載能力,kN；

R′w為減少后以抵抗立柱荷載的混凝土墻的抗力,kN；H為護(hù)欄的有效高度,m；Hw為混凝土墻的高度,m；HR為橫梁的高度,m；Lc為屈服線破壞模式的臨界長度,m；Lt為碰撞荷載分布的縱向長度,m；Mw為護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩,kN·m；Mb為護(hù)欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎曲承載力矩,kN·m；Mc為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩,kN·m/m。

運(yùn)用上述方法從理論計(jì)算的角度對(duì)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的橫向極限抗力進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)(橫梁和立柱)設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏弱，說明早期建造的這種橋梁組合式護(hù)欄結(jié)構(gòu)具有一定不足。

3 護(hù)欄防護(hù)能力分析

為進(jìn)一步分析既有舊橋梁組合式護(hù)欄的安全防護(hù)性能，橋梁組合式試驗(yàn)護(hù)欄按1∶1結(jié)構(gòu)尺寸在碰撞試驗(yàn)場上建造，并對(duì)該護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。由于大型車輛穿越橋梁組合式護(hù)欄事故較多，重點(diǎn)采用大型客車和貨車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，碰撞條件均為車重10 t、碰撞速度80 km/h、碰撞角度20°[4]，碰撞能量為280 kJ。如圖7所示為試驗(yàn)護(hù)欄與試驗(yàn)車輛。

圖7 試驗(yàn)護(hù)欄與試驗(yàn)車輛

圖8為大客車碰撞橋梁組合式護(hù)欄的試驗(yàn)結(jié)果。碰撞該護(hù)欄后,大客車車體發(fā)生嚴(yán)重傾斜，最后發(fā)生翻車；橋梁組合式護(hù)欄底部混凝土沒有明顯破壞，上部鋼結(jié)構(gòu)在8 m范圍內(nèi)發(fā)生了變形；橫梁變形較大，在立柱區(qū)域出現(xiàn)了口袋現(xiàn)象；立柱沒有明顯變形，但是碰撞區(qū)域立柱和混凝土墻體的連接螺栓發(fā)生了破壞，致使立柱與混凝土基礎(chǔ)發(fā)生了脫離。圖9為碰撞后大貨車和橋梁組合式護(hù)欄的破壞情況，可見車輛發(fā)生解體性破壞，護(hù)欄對(duì)車輛形成了嚴(yán)重絆阻，立柱距離護(hù)欄迎撞面過近是產(chǎn)生該結(jié)果的主要原因；護(hù)欄構(gòu)件侵入車輛乘員艙，碰撞區(qū)域橋梁組合式護(hù)欄的橫梁和立柱被全部撞斷，進(jìn)一步說明了上部鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于下部混凝土墻體的剛度相對(duì)較弱，設(shè)計(jì)存在一定不合理性。

(a) 車輛翻車

(b) 護(hù)欄變形

(a) 車輛絆阻后解體

(b) 護(hù)欄損壞

通過以上較為系統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)可知，既有舊橋梁組合式護(hù)欄不滿足護(hù)欄安全性能指標(biāo)要求，達(dá)不到280 kJ的防護(hù)性能，難以滿足新交通環(huán)境的高等級(jí)防護(hù)需求，需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

4 解決方案

4.1 加強(qiáng)改造方案

既有舊橋梁組合式護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)和底部混凝土基座剛度不匹配，以及上部鋼結(jié)構(gòu)立柱與迎撞面距離過近，是造成橋梁組合式護(hù)欄安全防護(hù)性能不足的兩個(gè)重要原因，因此分別從護(hù)欄上下剛度匹配性、上部鋼結(jié)構(gòu)迎撞面與立柱間距合理性兩方面對(duì)橋梁組合式護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改造設(shè)計(jì)。

經(jīng)分析，橋梁組合式護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)和底部混凝土剛度不匹配的主要原因是橫梁結(jié)構(gòu)剛度弱以及上部鋼結(jié)構(gòu)和底部混凝土連接螺栓易被拔出失效兩方面。對(duì)于鋼橫梁剛度弱，采用矩形管代替原來的圓管，有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎性能，同時(shí)為提高護(hù)欄對(duì)車輛的抗傾覆能力，采用雙橫梁結(jié)構(gòu)，將護(hù)欄的有效高度提高；對(duì)于上下結(jié)構(gòu)連接螺栓易被拔出問題，將螺栓錨固深度增加，同時(shí)提高螺栓強(qiáng)度。鋼結(jié)構(gòu)立柱距離迎撞面過近，車輛碰撞后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重絆阻，影響其導(dǎo)向功能，為解決此問題，將防阻塊增設(shè)在橫梁和立柱之間，不僅增加了立柱和迎撞面之間的間距，而且方便安裝[7]。

基于以上分析，結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)、景觀及施工方便性，針對(duì)既有舊橋梁組合式護(hù)欄提出加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方式的解決方案，加強(qiáng)改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為SS級(jí)，由鋼橫梁及內(nèi)套管、H型立柱、原混凝土護(hù)欄基座、錨固螺栓構(gòu)成。

加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)組合式橋梁護(hù)欄構(gòu)造(見圖10)如下：

a.護(hù)欄總高度1 305 mm；

b.混凝土墻體為既有舊橋梁護(hù)欄砼基座再利用；

c.上部加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)高630 mm，由間距2 m的斜H型立柱(前后翼板與頂部蓋板厚8 mm、腹板厚6 mm)、鋼管橫梁(橫梁斷面尺寸：160 mm長×120 mm寬×6 mm厚，內(nèi)套管斷面尺寸：144 mm長×100 mm寬×8 mm厚)等組成；

d.地角螺栓型號(hào)為10.9級(jí)M24，嵌固深度為300 mm(背部)和400 mm(迎撞側(cè))；

e.立柱與橫梁之間、橫梁內(nèi)外套管之間螺栓型號(hào)為10.9級(jí)M20。

圖10 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁組合式護(hù)欄(單位：mm)Figure 10 Bridge built-up guardrail by strengthening steel structure (Units: mm)

采用前面所給極限抗力計(jì)算方法，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁組合式護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的橫向極限抗力通過了驗(yàn)算，從理論計(jì)算的角度驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)合理性。

4.2 方案安全性能評(píng)價(jià)

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)，對(duì)上述加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)組合式橋梁護(hù)欄進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，表1為SS等級(jí)碰撞試驗(yàn)條件。

表1 碰撞條件Table 1 Impact conditions碰撞車型車輛總質(zhì)量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小客車1.510020大客車18.08020大貨車33.06020

橋梁組合式試驗(yàn)護(hù)欄按1∶1結(jié)構(gòu)尺寸在碰撞試驗(yàn)廣場上建造，試驗(yàn)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)尺寸、材料型號(hào)和性能指標(biāo)均與設(shè)計(jì)要求一致；設(shè)置長度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。如圖11所示為試驗(yàn)護(hù)欄。實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行3種車型的系統(tǒng)實(shí)車足尺碰撞驗(yàn)證[4]，如圖12所示。

圖11 試驗(yàn)護(hù)欄Figure 11 Test guardrails

圖12 試驗(yàn)車輛Figure 12 Test vehicles

圖13為車輛碰撞護(hù)欄行駛軌跡圖，可見車輛碰撞護(hù)欄后順利導(dǎo)向并平穩(wěn)駛出，沒有發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離碎片沒有侵入車輛乘員艙內(nèi)[4]，阻擋和導(dǎo)向功能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)乘員碰撞速度最大值為6.9 m/s2，乘員碰撞后加速度最大值為72.8 m/s2，均符合評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，說明護(hù)欄的消能緩沖效果良好[4]，圖14為小客車碰撞試驗(yàn)護(hù)欄的緩沖性能曲線。

(a) 小客車

(b) 大客車

(c) 大貨車

(a) 縱向緩沖性能曲線

(b) 橫向緩沖性能曲線

加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)組合式橋梁護(hù)欄評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 護(hù)欄各項(xiàng)安全指標(biāo)Table 2 Guardrail safety indicators阻擋功能導(dǎo)向功能緩沖功能車輛是否穿越、翻越和騎跨試驗(yàn)樣品試驗(yàn)樣品構(gòu)件及其脫離碎片是否侵入車輛乘員艙車輛碰撞后是否翻車車輛碰撞后的輪跡是否滿足導(dǎo)向駛出框要求乘員碰撞速度/(m·s-1)乘員碰撞后加速度/(m·s-2)護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形量D/m護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值W/m車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值VI/m車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn/m小型客車測試結(jié)果否否否是縱向x為4.1橫向y為6.9縱向x為72.8橫向y為70.50.000.40——是否合格合格合格合格合格合格合格————大型客車測試結(jié)果否否否是——0.300.700.450.70是否合格合格合格合格合格————大型貨車測試結(jié)果否否否是——0.250.650.700.95是否合格合格合格合格合格————

結(jié)果表明，加強(qiáng)改造后的橋梁組合式護(hù)欄安全性能指標(biāo)包括阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能完全滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備SS級(jí)(520 kJ)的防撞安全性能[8～13]。

4.3 改造方案應(yīng)用效果

既有舊橋梁組合式護(hù)欄加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方案由于具備SS級(jí)高防護(hù)等級(jí)，且施工方便、景觀較好，已經(jīng)在高速公路上推廣使用，并取得了良好應(yīng)用效果。圖15為既有舊橋梁組合式護(hù)欄加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方案的應(yīng)用照片。

圖15 實(shí)際工程應(yīng)用Figure 15 Practical project application

5 結(jié)論

a.通過對(duì)既有舊橋梁組合式護(hù)欄事故形態(tài)進(jìn)行分析，護(hù)欄上結(jié)構(gòu)與下結(jié)構(gòu)剛度不匹配，影響護(hù)欄對(duì)車輛的阻擋功能；立柱距離護(hù)欄迎撞面過近導(dǎo)致車輛易絆阻，影響護(hù)欄對(duì)車輛的導(dǎo)向功能。

b.提出既有舊橋梁組合式護(hù)欄破壞模式，包括發(fā)生在跨中碰撞的破壞模式I和發(fā)生在立柱碰撞的破壞模式II，并基于此通過極限抗力計(jì)算，護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)(橫梁和立柱)設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏弱；進(jìn)一步對(duì)既有護(hù)欄安全防護(hù)性能進(jìn)行碰撞分析，護(hù)欄不滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)安全性能指標(biāo)要求。

c.結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)、景觀及施工方便性，針對(duì)既有舊橋梁組合式護(hù)欄提出加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方式的解決方案，通過采用實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)對(duì)方案的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明加強(qiáng)改造后的橋梁組合式護(hù)欄安全性能指標(biāo)包括阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能

完全滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備SS級(jí)(520 kJ)的防撞安全性能。