橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄安全性分析

張門(mén)哲，劉明虎，亢寒晶，唐守峰，劉思源

（1.湖北石首長(zhǎng)江公路大橋有限公司，湖北 荊州 434400；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 100088；3.北京華路安交通科技有限公司，北京市 100071）

0 引言

中央分隔帶護(hù)欄作為一種重要交通安全防護(hù)設(shè)施，在防止車(chē)輛穿越中央分隔帶與對(duì)向車(chē)輛碰撞方面發(fā)揮了重要作用[1]。尤其對(duì)于橋梁中央分隔帶，因?yàn)椴煌默F(xiàn)場(chǎng)條件，一旦發(fā)生車(chē)輛穿越中央分隔帶護(hù)欄事故，造成后果可能更為嚴(yán)重。高速公路橋梁多為左右分幅建設(shè)，中央分隔帶護(hù)欄大部分按照與橋側(cè)護(hù)欄相同的方式，兩道橋梁翼緣板共設(shè)置兩道懸臂式混凝土護(hù)欄與橋面進(jìn)行可靠連接[2]。但是對(duì)于中央分隔帶相鄰的翼緣板距離較近的情況，可以利用翼緣板端部作為嵌固槽，通過(guò)嵌固的方式設(shè)置中央分隔帶護(hù)欄。因此提出一種橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄，混凝土墻體嵌固在相鄰的翼緣板之間，并將原先需要設(shè)置兩道護(hù)欄的情況變成一道，在保證安全性能的同時(shí)，具有節(jié)約成本、便于施工、占用橋梁面積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但需要對(duì)其安全性能進(jìn)行分析論證。

依托某特大橋工程，采用計(jì)算機(jī)仿真分析和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法[3]，對(duì)橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄安全防護(hù)性能進(jìn)行分析論證。

1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的橋側(cè)混凝土護(hù)欄通過(guò)在橋梁板內(nèi)設(shè)置基礎(chǔ)連接筋的方式錨固護(hù)欄墻體，如圖1所示。橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄則無(wú)需該項(xiàng)操作，在嵌固基礎(chǔ)上直接綁筋、支模、澆筑即可。圖2為橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖。護(hù)欄嵌固在翼緣板之間，嵌固部分上部寬度1 m，底部寬度0.6 m，底部?jī)蓚?cè)通過(guò)橋梁翼緣板嵌固深度為0.19 m，護(hù)欄路面以上總高度1.02 m，護(hù)欄頂部設(shè)置阻爬坎。護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為SA級(jí)。

圖1 傳統(tǒng)橋側(cè)混凝土護(hù)欄斷面圖

圖2 橋梁中央分隔帶嵌固式基礎(chǔ)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2 護(hù)欄安全性能仿真分析

通過(guò)試驗(yàn)與仿真模型的對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高精度計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)橋梁嵌固式基礎(chǔ)混凝土護(hù)欄進(jìn)行安全性能分析[4-6]。

2.1 仿真模型驗(yàn)證

圖3為某混凝土護(hù)欄車(chē)輛碰撞實(shí)車(chē)試驗(yàn)與仿真模擬碰撞結(jié)果的對(duì)比圖示，圖4為某混凝土護(hù)欄臺(tái)車(chē)實(shí)際試驗(yàn)與仿真模擬碰撞結(jié)果的對(duì)比圖示。從中可以看到仿真和試驗(yàn)混凝土護(hù)欄裂紋效果一致，說(shuō)明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

圖3 車(chē)輛碰撞混凝土破壞情況對(duì)比圖示

圖4 臺(tái)車(chē)試驗(yàn)混凝土破壞情況對(duì)比圖示

圖5為某特高等級(jí)混凝土護(hù)欄車(chē)輛碰撞計(jì)算機(jī)實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果的對(duì)比圖示。從中可以看到車(chē)輛碰撞過(guò)程中的姿態(tài)基本一致，驗(yàn)證了仿真模型模擬的準(zhǔn)確性，為采用該仿真模型進(jìn)行橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄的安全性能分析奠定了基礎(chǔ)。

圖5 車(chē)輛碰撞護(hù)欄過(guò)程對(duì)比圖示

2.2 計(jì)算機(jī)仿真分析

按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建立橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)仿真模型如圖6所示，按照碰撞條件要求采用車(chē)輛模型對(duì)該護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能分析。

圖6 橋梁嵌固式基礎(chǔ)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖示

2.2.1 SA級(jí)碰撞條件計(jì)算機(jī)仿真分析

橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為SA級(jí)，按照SA級(jí)碰撞條件建立車(chē)輛碰撞護(hù)欄模型，分析護(hù)欄的安全性能。碰撞條件如表1所列。

表1 SA級(jí)護(hù)欄的碰撞實(shí)驗(yàn)條件及防護(hù)能量一覽表

圖7為小客車(chē)碰撞過(guò)程之圖示，可見(jiàn)車(chē)輛駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)[7]。

圖7 小客車(chē)碰撞過(guò)程之圖示

圖8為小客車(chē)碰撞護(hù)欄的加速度時(shí)程曲線圖，縱向和橫向的乘員碰撞后加速度分別為92.8 m/s2、178.6 m/s2，滿足指標(biāo)對(duì)乘員碰撞后加速度不得大于200 m/s2的要求；圖9為小客車(chē)碰撞的速度時(shí)程曲線圖，縱向和橫向的乘員碰撞速度分別為3.7 m/s、7.7 m/s，滿足指標(biāo)對(duì)乘員碰撞速度不得大于12 m/s要求。

圖10為小客車(chē)行駛軌跡圖，可以看出小客車(chē)駛離護(hù)欄后10 m未越出駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖11為大客車(chē)碰撞過(guò)程之圖示，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好[7]。

圖12為大客車(chē)行駛軌跡圖，可以看出大客車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖13為大客車(chē)碰撞過(guò)程，護(hù)欄迎撞面受力曲線圖，峰值為835.8 kN。

圖8 小客車(chē)碰撞過(guò)程加速度時(shí)程曲線圖（單位：m/s2）

圖9 小客車(chē)碰撞過(guò)程速度時(shí)程曲線圖

圖10 小客車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖11 SA級(jí)大客車(chē)碰撞過(guò)程之圖示

圖12 SA級(jí)大客車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖13 SA級(jí)大客車(chē)碰撞護(hù)欄迎撞面受力曲線圖

圖14為大貨車(chē)碰撞過(guò)程之圖示，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好[7]。

圖14 SA級(jí)大貨車(chē)碰撞過(guò)程之圖示

圖15為大貨車(chē)行駛軌跡圖，可以看出大貨車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出8.7 m寬的駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖15 SA級(jí)大貨車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖16為大貨車(chē)碰撞過(guò)程，護(hù)欄迎撞面受力曲線圖，峰值為1 619.57 kN。

圖16 SA級(jí)大貨車(chē)碰撞護(hù)欄迎撞面受力曲線圖

通過(guò)以上分析結(jié)果可以看出，橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄在SA級(jí)碰撞條件下，仿真計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，其中大貨車(chē)碰撞受力曲線峰值較大。為了進(jìn)一步驗(yàn)證橋梁護(hù)欄嵌固式基礎(chǔ)可靠性，采用SS級(jí)大貨車(chē)模型進(jìn)一步驗(yàn)證橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄的安全性。

2.2.2 SS級(jí)大貨車(chē)計(jì)算機(jī)仿真分析

建立SS級(jí)大貨車(chē)碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄仿真模型，碰撞條件如表2所列。

表2 SS級(jí)護(hù)欄的碰撞實(shí)驗(yàn)條件及防護(hù)能量一覽表

圖17為SS級(jí)大貨車(chē)碰撞過(guò)程之圖示，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好[7]。

圖17 SS級(jí)大貨車(chē)碰撞過(guò)程之圖示

圖18為大貨車(chē)行駛軌跡圖，可以看出大貨車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖18 SS級(jí)大貨車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖19為大貨車(chē)碰撞過(guò)程，護(hù)欄迎撞面受力曲線圖，峰值為2 510.56 kN。

圖19 SS級(jí)大貨車(chē)碰撞護(hù)欄迎撞面受力曲線圖

3 實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

采用SS級(jí)大貨車(chē)碰撞試驗(yàn)條件組織進(jìn)行實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)，對(duì)橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄的安全性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。試驗(yàn)車(chē)輛與試驗(yàn)護(hù)欄如圖20所示。

圖20 試驗(yàn)車(chē)輛與試驗(yàn)護(hù)欄之實(shí)景

圖21是SS級(jí)大貨車(chē)碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄過(guò)程之圖示，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好。

圖21 SS級(jí)大貨車(chē)試驗(yàn)碰撞過(guò)程之圖示

圖22為大貨車(chē)行駛軌跡圖，可見(jiàn)大貨車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖22 SS級(jí)大貨車(chē)試驗(yàn)碰撞行駛軌跡圖

圖23為大貨車(chē)碰撞后車(chē)輛損壞情況之實(shí)景，車(chē)輛前大燈損壞；車(chē)輛車(chē)體碰撞側(cè)車(chē)體與護(hù)欄刮擦損壞；車(chē)輛前橋損壞。

圖23 大貨車(chē)碰撞后車(chē)輛損壞情況之實(shí)景

圖24為大貨車(chē)碰撞基礎(chǔ)嵌固式混凝土護(hù)欄后護(hù)欄損壞情況之實(shí)景，混凝土墻體頂部出現(xiàn)了少量混凝土結(jié)構(gòu)脫落區(qū)域，但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，車(chē)輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為32 m。

圖24 大貨車(chē)碰撞后護(hù)欄損壞情況之實(shí)景

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到護(hù)欄橫向動(dòng)態(tài)變形值0 m，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值0.5 m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值1.4 m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值1.95 m。

SS級(jí)大貨車(chē)碰撞基礎(chǔ)嵌固式混凝土護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，護(hù)欄安全防護(hù)能力較佳，嵌固式基礎(chǔ)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄與傳統(tǒng)橋梁中央分隔帶混凝土護(hù)欄相比采用了嵌固式基礎(chǔ)，具有節(jié)約成本、便于施工、占用橋梁面積小等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析，SA級(jí)的小客車(chē)、大客車(chē)、大貨車(chē)碰撞和SS級(jí)大貨車(chē)碰撞橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求；采用SS級(jí)大貨車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證橋梁嵌固式基礎(chǔ)中央分隔帶混凝土護(hù)欄具有較好防護(hù)能力，在實(shí)際中的應(yīng)用可以有效地維護(hù)公路行車(chē)安全。