日中橋梁護欄設計介紹與對比

林康 倪正田 秦玉峰

(大連市市政設計研究院有限責任公司 116000)

引言

順應道路交通安全設施防護要求的不斷提高,橋梁護欄防止失控車輛越出橋外的功能越來越被重視。日本規范中,對在防止失控車輛越出橋外的同時如何最大限度保護司乘人員的生命安全方面有較為明確具體的描述。伴隨著鋼結構橋梁的推廣使用,金屬梁柱式護欄的使用也越來越廣泛,此種護欄有美觀性較好的一面,也有對設置聲屏障不利的一面。本文在對日本護欄介紹的同時與我國的護欄加以分析對比,有區別于波形護欄或混凝土護欄的一些特點在選用時需要加以注意。

1 兩國護欄的性能比較

車輛護欄的首要作用是防止車輛脫逸,對失控車輛進行阻擋,防止失控車輛沖破、翻越或穿越護欄帶來的一系列不良后果。這一點無論是在日本道路協會2008年頒布的《防護欄的設置基準同解說》[1]中,還是在我國的《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81 -2017)[2]和《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81 -2017)[3]都有著明確和充分的說明。

兩國護欄在性能方面的比較見表1。在可吸收的碰撞能量上,我國最高等級的護欄HA 級大于日本最高等級護欄SS 級。在護欄的高度上,我國高等級護欄高度大于日本護欄的高度。在阻擋能力方面,滿足我國《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 -01 -2013)[4]的護欄,在防止車輛越出橋外的攔擋能力方面強于日本。

表1 日中護欄性能比較Tab.1 Performance comparison of barriers between Japan and China

在確保防止車輛脫逸的基礎之上,進一步追求安全性能。安全性能主要針對小型車輛,對于大型車輛,不脫逸到路外基本上就保證了安全;但對于小型車輛,護欄結構侵入到車內,或者發生劇烈碰撞,車輛雖沒有脫逸,但司乘人員的生命安全得不到保證。通常護欄的強度與緩沖性能成相反趨勢,日本各種等級的護欄是在平衡強度與緩沖性能基礎上制定的。日本通過規定車輛與護欄相撞時加速度的限值為小型車輛司乘人員提供更多的保護。

護欄的導向功能指護欄有使失控車輛導回正常行駛方向的作用。即使滿足了阻擋性能和安全性能,假如撞擊車輛發生翻車、急停、或橫在道路上,或橫向大幅度反彈,也有可能對后續車輛及并行車輛造成損害。日本《防護欄的設置基準同解說》[1]中要求被撞擊車輛的反彈速度在撞擊速度的60%以上,反彈角度在60%以下。對于1t 的小型車輛,以100km/h 的速度與護欄相撞后,反彈速度須在60km/h 以上。護欄應為連續平順結構,撞擊車輛不能被護欄卡住,車輛仍然沿道路前進方向以原速度60%以上行進,給后續車輛以反應時間。日本規范中車輛與護欄撞擊的角度小型車輛為20°,大型車輛為15°。車輛與護欄相撞后,反彈角度在撞擊角度的60%以下,即不得以較大的角度被橫向彈出,給并行車輛以反應時間。理想的情況是通過護欄的整體作用迫使車輛逐步轉向,一直恢復到正常的行駛方向。

兩者對比,我國強調防,通過攔阻作用防止車輛沖出橋外,規范中護欄術語的英文翻譯為Barrier;日本對乘員的保護方面有較多考慮,強調的是護,護欄在官方的英文翻譯為Guard Fence。

2 保證護欄安全性能的結構措施

護欄本身也是一種障礙物,并不是強度越高越好,尤其對于小型車輛,在阻擋能力方面,防止沖破和翻越護欄方面的能力已經足夠強,只須注意防止小型車輛從護欄下方穿越,通常設置多道橫梁即可。安全性能最主要體現在緩沖作用。緩沖作用主要指車輛與護欄相撞時,降低對碰撞車輛和車內乘員沖擊程度的能力。對乘員的沖擊最主要指對頭部的沖擊,認為撞擊后不留下嚴重后遺癥的加速度限界值為20g(g為重力加速度)[1]。作為參考,汽車急剎車時加速度約0.6g,航母艦載機著艦時加速度約3g,載人飛船發射時加速度約6g。反映到結構中主要通過三個方法,一是在小型車輛乘員頭部高度位置附近不允許設置主橫梁,波形護欄波形板的高度較低就是為了避開小型車輛乘員頭部的位置。護欄主橫梁高度較低的同時還要保證防止翻越的阻擋作用,可以在主橫梁的上方設置頂部橫梁,但頂部橫梁要比主橫梁退后5cm,避免對小型車輛乘員造成傷害。二是通過改進護欄迎撞面的形狀,調整車輛與護欄相撞時的姿態,將剛性混凝土護欄的迎撞面作成斜坡,外側車輪與護欄底部首先相撞后高度提升,使得車輛內傾,從而減少小型車輛乘員頭部位置與護欄相撞時的加速度,提高緩沖效果。三是通過在護欄內側設置路緣石,使得車輛在與護欄相撞之前,外側車輪首先提升至路緣石高度使得車輛內傾提高緩沖效果。三種提高緩沖能力方法的圖示見表2,由于方法三中的護欄分為混凝土護欄和鋼護欄,所以表中共分為4種情況。

表2 各種形式護欄的安全性能Tab.1 Safety performance of various types of barriers

3 橋梁護欄對建筑限界的影響

日本高速公路公司的設計要領第二集橋梁建設篇[6]中具體給出了中小橋和大橋的建筑限界與護欄的關系,見表3。此處所謂的中小橋指總橋長50m 以下的橋梁,護欄內側鋪裝層上面要保證道路限界的全寬。橋長50m 以上橋梁的建筑限界的外側下角部,與隧道類似,作250mm ×250mm(500mm)的臺階形切角。工程實踐上100m 以下橋梁的建筑限界按道路處理,100m 及以上橋梁作臺階形切角。

表3 日本高速道路橋梁段的建筑限界Tab.3 Building limits of expressway bridge sections in Japan

我國的規范規定護欄的任何部分不得侵入公路建筑限界。在《公路工程技術標準》(JTG B01 -2014)[7]、《城市道路工程設計規范》(CJJ37 -2012)[8]、《城市道路工程技術規范》(GB 51286 -2018)[9]中明確給出公路、市政道路及隧道的建筑限界,但橋梁段沒有單獨列出來。由于橋梁段均設有護欄,與路基段有所不同。參考日本的作法,中小橋在護欄內側保證道路限界全寬; 大橋、特大橋、市政橋梁出于經濟性考慮或用地條件的限制,與隧道有一定的相似性,底部作臺階形切角。

我國《城市橋梁設計規范》 (CJJ11 -2011)[10]則規定： 對主干路、次干路、支路的橋梁,橋面為混合行車道或專用機動車道時,人行道或檢修通道緣石宜高出車行道路面0.25m ～0.40m。此時的建筑限界規范沒有明確說明,筆者認為對于路緣石高度大于25cm 的新建橋梁應加寬路緣帶寬度以保證側向凈寬才能滿足建筑限界的要求。

4 橋梁護欄形式的選擇

日本的高速公路和城市高速道路(即收費的城市快速路)無論是混凝土橋還是鋼橋,包括采用鋼橋面板的橋梁,防撞護欄的標準形式均為鋼筋混凝土剛性護欄。日本高速公路橋梁段采用的護欄見表4,日本城市高速道路橋梁段采用的護欄見表5。對于跨越高速公路,城市高速公路的橋梁通常情況下也須使用混凝土護欄。除非是交通量很少的農林道路等,不存在從跨線橋墜落到高等級道路的危險的,才可以采用金屬梁柱式防撞護欄。考慮橋梁段不同于路基段,護欄之外沒有安全位置,波形護欄等半剛性護欄受撞擊后存在較大的變形量,采用混凝土護欄的理由是剛性護欄受撞擊后變形小,具有更高的安全性。日本的城市高速道路雖然大面積采用鋼結構橋梁,但即使是鋼橋面板,也選用混凝土護欄。與高速公路混凝土護欄的區別是受用地條件限制,內側為垂直壁面。城市高速公路位處城市核心部,除了考慮護欄的安全性、美觀性,另一方面要考慮高速路對周圍聲環境的影響。很多路段需要加裝聲屏障,金屬梁柱式護欄雖然美觀性好,但為通透性結構,不滿足隔聲的要求; 在護欄之外再加裝聲屏障,通透性護欄的美觀性體現不出來,又增加了聲屏障的造價,用地條件也得不到保證。僅是對于對景觀性要求較高的市政橋梁較多采用金屬梁柱式護欄。

表4 日本高速公路的橋梁段采用的防撞護欄[6]Tab.4 Barriers used in bridge sections of Japanese expressways

表5 日本城市高速道路采用的護欄(以東京高速道路為例)[11]Tab.5 Barriers used on urban expressways in Japan (taking Tokyo Expressway as an example)

東京高速道路的護欄為豎直壁面的臺階形,加上預制路緣石的尺寸,在壁面垂直的護欄內部,路緣石寬度為350mm,靠近中央分離帶的路緣石寬度在時速為60km 時為350mm,時速為80km 時為475mm。在一定程度上體現出護欄也是一種障礙物,車速越高安全距離越大的特點。路緣石的上表面高于鋪裝上表面100mm,而且高度近年來還有加大的趨勢[12]。

我國公路交通安全設施設計細則[3]規定,鋼結構橋梁宜采用金屬梁柱式護欄。日本的鋼橋比例雖然遠高于我國,但高速公路、城市高速公路的橋梁以及跨越高等級公路、鐵路的橋梁采用混凝土護欄。

5 選用金屬梁柱式護欄的注意點

護欄本身是一種障礙物,強度也不是越強越好。這不僅是技術經濟的問題,而且也是出于對生命安全保護的要求。路緣石對行車有一定視線誘導功能。當車輪接觸路緣石時對駕駛員有警告作用和使車輛恢復正常行駛方向的功能。高速行車時路緣石是一種障礙物,但是護欄的妨礙作用比路緣石更大。使用不同種類和等級的護欄時需考慮與緣石的配合作用。

高速公路設有較寬的側向凈寬,當采用波形護欄或較低等級的金屬梁柱式護欄時,由于護欄的波形板位置位于小型車輛乘員頭部位置以下,無需路緣石的配合。較高等級的波形護欄在波形板上方還設有輔助橫梁,但輔助橫梁的位置比波形板退后50mm,波形板為主要撞擊部位,波形板的位置仍低于小型車輛乘員頭部位置。使用單坡形或F 形混凝土護欄時,由于撞擊面傾斜避開了與小型車輛乘員頭部直接相撞。由于用地條件和建設環境的制約,鋼結構橋梁在市政工程中有擴大使用的趨勢,金屬梁柱式護欄的使用范圍也會有所擴大。但是由于此種形式的護欄高度較大,小型車輛乘員頭部位置附近會有護欄橫梁。這時需要通過在橫梁撞擊面的前方位置設置一定高度的路緣石,使車輛在撞到護欄之前輪胎先行接觸路緣石,一方面與護欄的輕微碰撞會被避免,另一方面較重的側向碰撞時一側車輪爬上路緣石后車輛產生一定角度的內傾,避免小型車輛乘員頭部位置與護欄相撞。市政道路受用地條件限制,沒有路肩,道路兩側均為路緣石(立緣石),如果簡單地將道路段的路緣石與橋梁段金屬梁柱式護欄底座之間對齊就可能發生護欄侵入建筑限界或護欄對小型車輛司乘人員生命安全保護不足的問題,如表6 所示。

表6 橋梁段護欄與道路段路緣石的關系Tab.6 The relation between bridge section barrier and road section curb stone

我國規范公路工程技術標準[7]中規定,路緣石高度小于或等于0.25m。一般情況下,高速公路可不設路緣石。公路交通安全設施設計規范[2]中規定,高速公路、一級公路的橋梁不宜設置路緣石。為減少護欄受到撞擊對橋面板產生的影響需要設置路緣石時,其高度宜控制在5cm ～10cm 之間。路緣石內側宜與橫梁迎撞面保持在同一平面內,或位于立柱和橫梁迎撞面之間的適當位置。而日本的規定是路緣石內側在護欄橫梁迎撞面的前方,而且計算護欄高度時不考慮路緣石的高度,仍然是從路面算起。筆者認為,對于道路段使用立緣石的市政道路而言,與之相銜接的使用金屬梁柱式護欄的橋梁段的欄桿底座與道路段緣石之間應具有一定的連續性和平順性,采用護欄后退的方式3 較為合理。表7 為日本市政道路采用金屬梁柱式護欄時橫梁迎撞面與路緣石的位置關系,與車行道相鄰時迎撞面比路緣石退后250mm; 設在與人行道外側,與人行欄桿組合設置的車行護欄則不必受此限制。

表7 金屬梁柱式護欄應用舉例Tab.7 Examples of application of metal beam-column barriers

6 結論

1.我國護欄在防止車輛沖出橋面的防護能力方面強于日本,但對乘員的生命安全保護方面還有提高余地,護欄對小型車輛的安全性問題應予以重視。

2.市政道路的建筑限界寬于路面,為了確保橋梁段的建筑限界,必須保證道路的側向凈寬,護欄不得侵入。

3.市政橋梁如果需要加裝聲屏障或將來有可能加裝聲屏障的橋梁護欄,采用混凝土護欄有較大優勢。