城市橋梁防車撞研究

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

為滿足城市交通的需求，公路、橋梁、軌道成了必不可少的基礎(chǔ)建設(shè)，其中城市跨線橋起著尤為突出的作用。隨著城市化進程的不斷深入，汽車數(shù)量快速增加，而車輛超高、超速，駕駛?cè)藛T違規(guī)駕駛以及交通標志、防撞設(shè)施不完善等問題引發(fā)的車撞橋梁的事故時有發(fā)生。事故一旦發(fā)生，輕則路段封閉，車輛無法正常行駛，造成大面積交通癱瘓，對橋梁結(jié)構(gòu)造成影響；重則車毀橋垮，對車輛駕駛?cè)藛T造成生命威脅，損失難以預估[1]。

為緩解交通壓力和城市擁堵問題，城市橋梁的建設(shè)必將進一步增長，因此保護橋梁安全運營特別重要。在車輛撞擊橋梁事故中，橋墩、主梁和護欄存在較大的被撞風險，是主要的撞擊易損構(gòu)件。其中，橋墩作為橋梁豎向的主要承重構(gòu)件，防撞能力相對較弱，一旦發(fā)生撞擊特別是重載汽車碰撞下，將可能引發(fā)橋梁的整體坍塌，發(fā)生嚴重事故[2]。

二、橋梁事故風險性及實例

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示1966到2005十年間共發(fā)生1502起橋梁破壞事故，其中撞擊事故高達200起，達到總事故的14%[3]。北京市交通部門統(tǒng)計，在北京1000多座立交橋中，近50%都發(fā)生過撞擊事故。

2009年3月23日，渝黔高速公路一品至界石路段上兩輛貨車發(fā)生車掛，欲躲避的貨車突破波形梁護欄約束，沖入中央分隔帶撞斷了人形天橋的支柱，導致人行天橋整體垮塌，造成1死4傷，路線中斷3小時。

2014年12月11日，昆明西二環(huán)快速通往安寧匝道口方向，一輛奔馳越野車在撞到匝道口的隔離墩后起火爆炸，乘客全部遇難。

2018年12月24日，重慶市西城大道附近，一輛渣土車撞上輕軌2號線橋墩，貨車車頭嚴重變形，司機當場死亡。

可見，車撞橋梁事故頻繁發(fā)生，對城市交通運營造成嚴重影響，因此研究橋梁防撞措施，有效地保護橋、車、人的安全尤為重要。

三、城市橋梁防撞裝置分類及研究

我國橋梁防撞裝置的分類和研究最早是建立在船舶撞擊橋梁領(lǐng)域，但隨著國家陸路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，逐漸運用于城市橋梁防車撞上。

(一)防撞裝置分類

從橋梁采取的防撞方式來看，有主動防撞和被動防撞兩種。

1.主動防撞。橋梁主動防撞是指在橋梁區(qū)域采取預警、導航、交通管制等綜合措施提醒駕駛?cè)藛T遵守交通法規(guī)，安全駕駛減小車輛撞擊橋梁概率。但主動防撞只是一種預防手段，并不能完全避免車輛撞擊橋墩的發(fā)生。主動防撞技術(shù)要結(jié)合被動防撞設(shè)施，才能做到“攻防兼?zhèn)洹保蟠鬁p少車撞橋事故發(fā)生，降低橋梁及車輛的損壞，保證橋區(qū)安全[4]。

2.被動防撞。橋梁被動防撞一般可分為避撞和防撞[5]。

避撞是指在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中提高橋梁抵抗車輛撞擊的能力，讓橋墩回避車輛撞擊的方法。主要考慮因素有：(1)公路寬度有限，沒有足夠的空間設(shè)置防撞裝置或裝置與橋墩之間的距離不滿足要求；(2)雖護欄的設(shè)置使得單個事故的嚴重程度降低，但由于減小了車輛可行駛區(qū)域，可能造成車輛撞擊(護欄)事故的增加，其撞擊損失總額很有可能會超過不設(shè)置防護的情況。對橋墩自身進行防撞設(shè)計時不需額外設(shè)置區(qū)域，并且省去維護費用等[6]。但方案的設(shè)計需要根據(jù)橋墩自身的抗力、橋墩位置、路線線型、車輛類型、造價等多方面因素綜合考慮，十分復雜。

獨立防車撞是指在橋梁外圍設(shè)有防撞墩、防撞護欄等設(shè)施將車輛與橋墩隔離，避免橋墩受到車輛的直接碰撞，給橋墩提供更可靠的保護。我國目前還沒有建立統(tǒng)一的防撞設(shè)施設(shè)計規(guī)則，王君杰等學者從工程師的角度出發(fā)，建議將橋墩被動防撞系統(tǒng)分為3類：獨立式防撞系統(tǒng)、附著式防撞系統(tǒng)和一體式防撞系[7]，更加直觀易懂。

第一類防撞系統(tǒng)需要與橋墩保持一定的安全距離，常見裝置有獨立防撞墩、防撞護欄等。這種裝置是利用防撞系統(tǒng)的聯(lián)合彈性變形吸收車輛的沖擊能量，獨立布置，及時止住車輛，有效地對橋墩進行保護。缺點是對高能量碰撞的防護效果較差，修復成本較高，適用于行車速度不高的區(qū)域；第二類裝置附著于橋梁結(jié)構(gòu)，主要利用材料自身變形來實現(xiàn)車輛撞擊橋墩時的能量轉(zhuǎn)換，碰撞時消耗部分能量，減小對橋墩的撞擊，從而保護橋墩。同時，裝置的自身變形能夠減小碰撞時車輛的變形量，保護車上人員安全。該種裝置安裝方便且便于維修更換，適用多種復雜的環(huán)境。但由于體積較小，結(jié)構(gòu)自身變形受限，一般適用于小能量的撞擊防護；第三類比如采用鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等形成的防撞結(jié)構(gòu)體系，如混凝土承臺，綠化帶、人工島、混凝土護欄等。

(二)新型防撞裝置研究

新的交通形勢下，為滿足現(xiàn)代交通工程需求，進行了大量的橋梁防撞裝置的研發(fā)工作。

巫祖烈等學者[8]通過船橋碰撞試驗，驗證了泡沫鋁防撞裝置具有一定的吸能效果及對橋墩的保護作用。李嵩林等學者[8]對環(huán)保型浮式柔性防撞裝置進行碰撞試驗，通過比較防撞前后防撞設(shè)施各參數(shù)的變化，研究其吸能效果并進行數(shù)值仿真分析。胥睿學者[9]將波形鋼板橡膠混凝土、平鋼板橡膠混凝土和橡膠混凝土作為橋墩防撞層，運用錘擊法和擺錘試驗對三種覆層的防撞效果進行論證。肖榮清等學者[9]通過模型試驗，驗證液體穩(wěn)壓柔性消能橋墩防撞設(shè)施的可行性。張建強等學者[10]通過用數(shù)值模擬設(shè)計驗證了復合材料格構(gòu)板裝置的防撞性能，具有抗沖擊、耗能好的特點，對城市立交橋、跨線橋橋墩減小車撞力有較好的提升等。

四、總結(jié)與展望

車輛撞擊橋墩事故顯然不是個例，從以往的事故看，車橋碰撞后產(chǎn)生的后果十分嚴重。傳統(tǒng)防護裝置在結(jié)構(gòu)形式和材料性能表現(xiàn)出諸多問題，隨著新工藝、新材料的出現(xiàn),結(jié)構(gòu)形式應(yīng)考慮車型的變化、注重結(jié)構(gòu)美觀，材料的運用也向輕質(zhì)高強的塑料、橡膠、纖維等新型高分子復合材料轉(zhuǎn)型。