橋梁跨越高速公路中分帶設墩的安全處置措施與仿真分析

方睿

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

以往在高速公路中央分隔帶內設置的橋墩形式各異，尺寸各不相同。國內各大公路設計院對于中分帶存在障礙物時，相應規范要求的理解及對應的防護處理方案也不盡相同。《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）[1]頒布以來，為強化高速公路交通安全運營保障能力，提升高速公路的安全防控水平，國內不少省市對已建成通車的高速公路進行了安全設施的規范符合性排查。本文旨在結合某省相關排查工作，系統梳理橋梁跨越高速公路中分帶設墩的安全措施。

1 工程背景

本文以國內某省2000年以來建成通車的高速公路為例，首先對橋梁跨越高速公路中分帶設墩情況下，安全設施的規范符合性進行排查，并對問題進行分類；其次依據規范條文進行相應分析驗算；最后結合仿真模擬結果提出改造方案。

2 規范解讀

《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）規定，當中央分隔帶內存在車輛無法安全穿越的障礙物時，其可能發生的事故嚴重等級判定為“中”，中央分帶護欄的防護等級應不低于SBm 級。

車輛沖擊護欄會導致護欄變形，若護欄與橋墩的間距較小，則車輛有碰撞橋墩的風險，大型車輛碰撞護欄還可能發生側傾。因此規范規定，中央分隔帶護欄面與其所防護的障礙物的距離，一般應大于護欄最大橫向動態位移外延值W，主要通行車輛為大型車輛時應大于最大動態外傾當量值VIn。從實際防撞效果來看，采用混凝土墻式護欄能有效降低W 值，而若要減小VIn則需要增加護欄高度。

選擇W 或VIn作為設計控制指標，主要取決于“主要行駛車輛”是否為“大型車輛”，但規范中對“主要行駛車輛”和“大型車輛”均未明確定義。鑒于此，行業內專家進行了專題研討[2]，認為現階段滿足下列條件之一則可認為“公路主要行駛車輛為大型車輛”：第一，結合《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）第6.2.11 條，總質量大于或等于25t 的車輛自然數所占比例大于20%。第二，結合《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）[3]，載質量大于7t 的貨車及19 座以上的客車車輛自然數之和所占比例大于50%。

按照上述條件對高速公路的主要行駛車輛進行判斷，大部分都不屬于大型車輛范疇。因此，W 值作為護欄設計的控制指標更為普遍。

3 歸類分析

根據規范符合性排查結果，目前高速公路中分帶橋墩障礙物處護欄主要存在以下兩類問題：

一是采用波形梁護欄，橋墩處允許變形空間不滿足規范要求；二是采用混凝土護欄，橋墩處允許變形空間不滿足規范要求，甚至侵入護欄范圍。

3.1 波形護欄

此次研究以符合規范最低要求的SBm 級護欄為例，其最大橫向動態位移外延值W 應滿足小于中央分隔帶護欄迎撞面與橋墩距離的要求，同時符合《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）[4]對于緩沖功能、導向功能、阻擋功能等各項安全性能評價指標的要求。

SBm 級波形梁護欄的W 值為1.34m，但高速公路一般路段中分帶設有橋墩等障礙物時，允許變形空間大多難以滿足此要求。因此，中分帶有障礙物時，波形護欄的適用情況較少。

此外，在滿足規范要求的前提下，若提高護欄防護等級，設計防護能量將相應提高，W 值也會相應增大。例如，SBm 級波形梁護欄設計防護能量為280kJ，對應W 值為1.34m；而SSm 級波形梁護欄設計防護能量為520kJ，對應W 值增大為1.76m。

對于采用波形梁護欄但W 值不滿足規范要求的情況，宜考慮改為設置混凝土護欄。改為混凝土護欄后仍需滿足W 值的要求，例如SAm 級混凝土護欄，W值需大于0.503m。

3.2 混凝土護欄

高速公路一般路段中分帶設有橋墩等障礙物時，即使采用混凝土護欄其允許變形空間大多也難以滿足W 值要求。因此，需要考慮兩方面的安全性問題：一是橋梁中墩防撞安全（橋墩安全）；二是橋梁中墩處的防護結構安全（車輛安全）。

3.2.1 中墩防撞安全分析

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[5]中4.4.3 條對汽車的撞擊力作了相應的規定。橋梁結構考慮汽車撞擊作用時，撞擊力設計值在車輛行駛方向為1000kN，在車輛行駛的垂直方向為500kN，撞擊點位于路面以上1.2m 處，兩個方向的撞擊力應分別計算，不進行疊加。橋墩防撞應驗算墩身和基礎順橋向、橫橋向的承載能力。驗算荷載應根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）4.1.5 條進行組合，考慮撞擊力、汽車荷載、溫度、制動力等參與組合。撞擊力彎矩直接按照撞擊力計算，制動力及溫度作用均按照墩柱剛度分配，墩柱按照偏心受壓構件計算（計算長度取2L）。通過驗算可知，2000年后建成的大多數高速公路跨線橋，其中墩防撞能力能夠滿足上述防撞要求。對于極少數墩身防撞驗算不滿足的橋墩，應考慮采用合理的加固措施。

3.2.2 中墩防護結構安全分析

高速公路一般上跨橋梁以25m、30m 跨徑為主，下部結構多采用柱式墩，中分帶護欄外側凈距不足1m，橋墩侵入護欄設置空間很常見。這其中又因為允許變形空間的不同，分為兩種情況：第一，對于允許變形空間小于W 且大于0.3m 的橋墩處，可完整設置SBm級混凝土護欄，符合《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的要求。第二，對于允許變形空間小于0.3m 的橋墩處，無法完整設置SBm 級混凝土護欄，但必須滿足護欄迎車面要求，因此需對護欄進行削薄處理。

4 仿真分析

此次研究對采用削弱護欄防護性能的較不利方案進行了仿真模擬，相應的方案為[6]：橋墩直徑1.5m，護欄設置長度36m，護欄路面以上高度1m、F 型坡面形式，中分帶混凝土護欄和波形梁護欄之間設置3m過渡段，混凝土采用C30。墻體配筋采用HRB400，其中豎向鋼筋直徑16mm，間距15cm；縱向鋼筋直徑12mm，斷面共設置14 根（見圖1）。

4.1 碰撞參數

此次研究依據《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的5.3.3 條確定試驗碰撞參數，按照表5.3.3 防護等級為“四”，選取相應的碰撞車型、車輛總質量、碰撞速度、碰撞角度。

4.2 性能指標

阻擋功能符合：能有效阻擋車輛，防止車輛發生穿越、翻越和騎跨護欄的情況；護欄構件經受撞擊后，不允許發生侵入車輛乘員艙的情況。緩沖功能符合：車上乘員在碰撞發生時，其縱、橫向速度均不得大于12m/s；車上乘員在碰撞發生后，其縱、橫向加速度均不得大于200m/s2。導向功能符合：車輛在碰撞后不允許翻車；碰撞后經駛離點駛出的輪跡不允許超出直線F 所劃定的范圍（見圖2）。其中，參數A 和B 應按照《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）表4.1.3 進行取值。

4.3 撞擊位置

此次研究對碰撞點距橋墩中心距分別取0m、1m、2m、3m、4m、5m 進行仿真模擬，檢驗是否出現車輛與橋墩碰撞導致安全性能不滿足評價標準的情況。同時，對于大中型車輛，以“車體與橋墩發生碰撞而產生絆阻的可能性最大”為原則，確定較不利碰撞點。

4.4 仿真模型

此次研究采用ANSYS/LS-DYNA 作為仿真模擬應用軟件，該程序為一種顯式通用非線性動力分析有限元程序，被廣泛應用于汽車、航空航天、國防、電子等工業領域，求解各種非線性結構的碰撞、沖擊、爆炸等非線性問題。

此次研究模型橋墩墩身直徑1.5m，高度取4.6m為公路行駛車輛的最大限高，混凝土護欄模型長度為36m。墩身及護欄均采用solid65+link8 模擬混凝土與鋼筋，并對底部設置固定約束（見圖3）。在車輛建模完成并導入后，進一步對車輛的碰撞速度、碰撞角度、碰撞點等進行設置，從而形成完整的車輛碰撞有限元模型（見圖4）。

4.5 模擬結論

通過仿真模擬計算對原設計橋墩中墩防護結構進行安全性能檢驗。1.5t 小型客車、10t 中型客車碰撞結果顯示，防護結構的阻擋、導向和緩沖功能均符合《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的要求。但大型貨車在碰撞后駛出過程中，車廂會與橋墩發生碰撞，導致駛出角度偏大，輪跡超出了導向駛出框直線F 的范圍，因此需要對防撞結構進行優化設計。

防撞結構的優化設計思路是通過加高護欄，減小車輛碰撞橋墩防護結構后的最大動態外傾當量值VIn。在此次研究中，混凝土護欄高度由SBm 級標準的1m 加高至1.4m，加高部分采用直壁形式，相應增加4 根縱向鋼筋，并調整豎向鋼筋。

5 結論

本文以國內某省2000年以來建成通車的高速公路為例，對橋梁跨越高速公路中分帶設墩的安全規范符合性問題進行排查和分類，并依據規范條文和仿真模擬進行分析驗算，得出主要結論如下：

第一，高速公路中分帶處橋墩安全防護結構設計，首先需要確定是采用W 還是VIn作為控制指標。經專家研討，認為總質量大于或等于25t 的車輛自然數所占比例大于20%，或載質量大于7t 的貨車及19 座以上的客車車輛自然數之和所占比例大于50%的情況，屬于“公路主要行駛車輛為大型車輛”。該類情況下采用VIn作為控制指標，其余情況采用W 作為控制指標。第二，高速公路一般路段，中分帶采用波形梁護欄在跨線橋設墩處W 值多數情況難以滿足規范要求，可考慮改為設置混凝土護欄。第三，中分帶橋墩兩側設置混凝土護欄的，仍需驗算其W 值是否滿足規范要求。對于W 值不滿足規范要求的，碰撞發生時橋墩有可能受到撞擊，因此需要進行橋墩墩身防撞能力驗算。若存在橋墩侵入護欄設置空間的情況，需要對中分帶防撞結構進行特殊設計，確保護欄的迎撞面符合規范要求。此外，對于采用特殊設計的中分帶防撞結構，建議結合仿真模擬對護欄的阻擋功能、緩沖功能和導向功能進行復核驗算。