鐵路橋墩防撞設計研究

王曉寧

摘? ?要：鐵路作為我國交通運輸的大動脈，是國民經濟發展的重要力量。隨著國家經濟的發展，相繼修建了大量的鐵路，跨越道路、江河等的橋梁越來越多。隨著大中型貨車數量的增加和船舶設計的大型化，橋梁面對的撞擊可能也日漸增加。橋梁的安全與穩定關系著鐵路運輸的安全。本文通過對鐵路橋墩防撞設計的研究，重點對汽車撞擊橋墩的危害進行設計闡述，為鐵路橋墩防撞設計提供一些建議和參考。

關鍵詞：鐵路橋墩;防撞;設計研究

1? 前言

鐵路作為我國交通大動脈，承載了我國一部分貨物和人員的運輸任務。作為設計者要在設計過程中保證鐵路結構的安全，這是我們每一位設計者的責任和義務。就鐵路橋梁而言，在橋墩設計過程中需要充分考慮各種工況下外力撞擊的影響。在汽車撞擊橋梁事故中，失控車輛不僅對橋梁和鐵路行車安全造成了很大影響，同時也威脅著人們的出行安全，因此橋墩防護設計就顯的尤為重要。

鐵路橋墩樁基一般多為群樁樁基，且各樁基之間形成了相對獨立的關系。同時，在分析鐵路橋墩防撞設計中可以發現，橋墩的剛度和橋墩的延展性等參數都影響著橋墩對鐵路撞擊力的影響，鐵路橋梁與墩柱之間的距離限制較為嚴格。在對鐵路橋墩防撞擊設計過程中，若對鐵路橋墩防撞設計的具體限定條件考慮不足，可能導致橋墩受到撞擊后發生位移、剛度降低以及震動力影響列車通過等情況發生，對線路運營安全產生不利影響。因此，在鐵路橋墩設計過程中，按規范要求進行的撞擊力驗算有時并不能滿足一些特殊情況的需要，還應對橋墩外部進行防護設計。本文重點對鐵路上跨公路橋的橋墩防撞實施設計進行介紹。

2? 鐵路橋墩防撞設計原則

對鐵路跨公路橋的橋墩進行防撞設計過程中，必須要考慮鐵路橋墩的彈性和塑性變形。在對鐵路橋墩進行防撞設計的過程中，首先需要根據鐵路橋墩產生撞擊的原因及撞擊后的損壞程度進行一定的了解，其次，根據對鐵路橋墩撞擊荷載設計和驗算基礎上，根據道路等級、環境等因素為鐵路橋墩選擇設計合理的防撞結構，提高橋墩的安全性。

國內目前鐵路上跨公路橋的橋墩常用的防撞結構有波形護欄和鋼筋混凝土防撞墻。其中，波形護欄的剛度低，防撞吸能效果較好，常用于一般等級公路的防撞設計。鋼筋混凝土防撞墻可以根據實際需要，對結構尺寸進行特殊設計，這種設計多用于高等級公路以及嚴格要求防撞的路段。通過設置防撞結構，大大的提高了鐵路橋墩的抗撞擊能力和抗震能力，同時大幅度提高橋墩的安全性和穩定性，保障了線路的使用壽命。對于道路在車輛行進方向兩側安全范圍內的所有橋墩都應設置相應的防撞結構。

2.1? 公路路測安全凈區

目前，國外經常通過公路路側危險度的研究來完善道路防撞設施，而我國對這方面研究較少，而且該理論的適應范圍有限，一般只適用于無側向防護的道路。

在設計無防護措施的鐵路跨越公路的橋墩防撞設施過程中，需要考慮公路路側安全凈區。所謂安全凈區指的是公路方向最右側車道以外的無障礙物，同時可以為失控車輛提供正常返回路線的行駛區域。

當鐵路橋墩位于安全凈區外側時，失控車輛可以避免與橋墩發生碰撞。最早這類安全凈區通常針對車輛的安全而設計，避免車輛在行駛過程中發生安全事故，對人身安全造成威脅。

隨著我國道路交通的發展，目前大部分高等級公路采用波形護欄或防撞護欄對道路進行全封閉，因此該模型不適用于對這一類公路進行防撞結構設計。在這種工況下，車速快、載重大、超載以及超速嚴重的大型貨車撞擊力可以達到1500kN以上，撞擊力和破壞力相對驚人。現行《鐵路橋涵設計規范》規定順行車方向撞擊力采用1000kN顯然不能完全適用于所有工況。

2.2? 防撞結構設計原則

在對鐵路橋墩進行防撞設計過程中，首先應當保證設計的防撞結構具有良好的強度、剛度、抗腐蝕能力以及抗震能力。同時，在防撞結構設計的過程中，應當保持防撞結構的安全性和可靠性。其次，在防撞結構設計的過程中，應當根據所處環境選擇符合鐵路橋墩實際情況的設計方案。最后，防撞結構的設計應當保證低成本、高質量，同時與周圍環境相協調的設計外觀。

目前，橋墩防撞設計的指導原則尚無統一標準。公路車輛類型眾多，例如以載重量為標準可劃分為輕型、中型和重型，各類車輛對橋墩構成的潛在危險程度是不一樣的，要求橋墩在重型車輛的撞擊下仍保持完好無損無疑是不明智的。因此，當橋墩考慮重型車輛撞擊時，建議以橋梁受到撞擊時不影響鐵路行車安全為設計的指導原則。

3? 鐵路橋墩防撞設計思路

在鐵路橋墩防撞設計過程中，不僅需要考慮撞擊后的橋墩安全，同時還要考慮車輛在撞擊后的狀態，如變形、破損等情況，避免發生嚴重的交通事故。因此，在鐵路橋墩防撞設計的過程中，應當加入雙重保護的理念，使得車輛動能能夠最大程度的轉換為防撞的動能，同時最大限度保證車輛的安全性和穩定性。在鐵路橋墩防撞設計的過程中，針對鐵路的設計可以借鑒國內外成功的橋梁防撞結構設計經驗。對于鐵路橋墩防撞擊設計思路如下。

首先，在防撞結構設計的過程中，應當運用等效靜力法對防撞結構進行設計驗算。這種方法操作簡單，并且易于運行，符合傳統的設計要求和結構設計習慣。然而通過國內外研究學者的研究結果表明，在設計這類結構的過程中，靜力和沖擊力在互相作用時破壞形態大不相同，所以僅僅通過傳統的設計方式無法滿足防撞設計的要求。

其次，在對傳統的路側波形護欄進行設計的過程中，需要保證撞擊車輛的運行軌跡合理以及保證車內人員的安全。目前我國對于撞擊后護欄的設計不夠合理，同時也未撞擊后護欄的設計進行重視。在橋墩護欄設計的過程中，它除了能保證運行軌跡的合理外，也能夠保證車內人員的安全性。在考慮防護結構和橋墩自身聯合防撞擊時，應當考慮設計的護欄結構能否對橋墩進行防護作用。

目前，我國對于鐵路橋墩的防撞設計還存在一定問題。由于車輛撞擊作用屬于偶然荷載，對橋墩防撞結構進行相關設計時，撞擊數據和試驗尚不健全，采用的設計方法還不是很成熟，同時對于防撞結構設計也沒有具體的規定和做法，現有的防撞結構大多是基于國內外研究學者的研究成果加以設計和西很對工程的某些特殊要求進行設計。因此對橋墩防撞結構的設計還應當進行進一步的研究。

4? 鐵路橋墩防撞設計方案的實施

目前，橋墩防撞設計的指導原則尚無統一標準。鐵路橋墩防撞結構在設計的過程中，常用的防護形式有波形護欄、鋼筋混凝土防撞墻以及兩種形式結合的防護結構。波形護欄為柔性結構、鋼筋混凝土防撞墻為剛性結構。一般波形護欄是按照國家和行業標準在工廠制作的成品，運至現場后按照設計圖紙的位置進行施工安裝即可，其缺點是承受的沖擊力有限，對橋墩的防護作用也有限，而且容易變形損壞，需要經常維護保養，因此常用于一般道路上橋墩的防護。而鋼筋混凝土防撞墻則是根據現場具體情況進行的特殊結構設計，其形狀、尺寸、位置等要素需要根據跨越的道路等級、環境以及業主的要求等不同條件進行區分，可用于各種道路橋墩的防護。其缺點是占地面積大，沖擊破壞后強度降低，防護效果降低，且難以修復，可能需要重新修建。下面主要以鋼筋混凝土形式的防撞墻進行簡要設計闡述。

在對防撞墻進行設計的過程中，應當根據道路等級、車輛行駛速度以及周邊環境綜合確定防撞墻的類型和防護方案。防撞結構的功能不僅是防止車輛撞擊橋墩，而且要起到引導車輛的作用，在外觀設計上要結合具體情況做成流線型或船頭型等形狀，目的是為了防止車輛失控正面撞擊造成嚴重的交通事故。

鋼筋混凝土防撞墻設置于橋墩四周，一般外形同橋墩。防撞墻內根據預先確定的車輛撞擊力和擬定的結構尺寸進行計算配筋，其主筋采用HRB400型鋼筋，直徑一般不小于16mm，通常配雙層鋼筋;箍筋采用HPB300型鋼筋，直徑不小于8mm。主筋和箍筋間距一般不大于20cm，具體可根據實際計算結果確定。根據受力計算情況最終檢驗確定防撞墻的厚度和高度，墻的厚度一般取30cm～50cm;高度140cm～200cm，這里要特別注意，墻的高度為路面以上部分，對于一些橋墩基礎頂低于路面的情況要按照車輛撞擊路徑模型另行計算，這里主要介紹正常工況。在確定了墻身尺寸后再根據防撞墻尺寸和地質條件確定基礎尺寸、埋深以及基底處理方式，一般來講，基礎構造鋼筋并與墻身鋼筋相連，鋼筋連接情況可按規范要求采取焊接或綁扎搭接。防撞墻和橋墩之間一般留有30cm～80cm空隙，內部用聚苯乙烯等柔性材料填塞密實，上部設置5cm厚水泥砂漿保護層，并設置2%排水坡。整個防撞墻混凝土標號要結合所處區域混凝土的耐久性等級綜合確定，且不低于C35。結構布置示意圖見圖1。在沒有中間隔離帶或隔離帶較窄的道路上可將防撞墻迎車一面做成流線型或船頭型，所有防撞結構施工完畢后在其表面按規范要求刷反光漆、貼反光材料和設置引導車輛的標志標線等交通結構。

該防撞結構有如下幾點優點。

（1）利用這種防撞結構可以避免車輛硬性地撞擊橋墩。同時，在對鐵路橋墩柱進行設計的過程中，可以充分利用防撞結構對鐵路橋墩的保護作用進行個性化設計，做到內外相結合，并與周圍環境相協調。

（2）防撞墻與橋墩之間的空隙在車輛猛烈撞擊的情況下起到了很好的緩沖和吸能作用，有效降低撞擊后對橋所產生的破壞和振動影響，保證了橋墩的安全和穩定。

（3）在有波形護欄防護的高等級道路上，在防撞墻外側加裝波形護欄，起到雙層保護作用的同時，也盡可能避免了車輛直接撞擊橋墩的可能，大大的降低了事故的發生。同時防撞墻在一般事故時也不需要太多的維修，只需對損壞的波形護欄進行維修更換即可，大大提高了橋墩的安全性和防撞結構的適用性，同時在撞擊發生后最大限度的保證了線路運營安全不受影響。

5? 結語

隨著我國鐵路和公路的不斷發展。各種道路互相交叉和跨越的情況越來越多，各類型的道路尤其是重載道路和重型貨車也越來越多，各類大型車輛向著馬力更強和載重更大的方向發展，這對鐵路橋梁的安全間接構成了極大的威脅，因此要特別重視對橋梁防撞的設計研究，從而更好的保障鐵路運營的安全。通過本文的介紹，希望各位設計者能夠提高和加強對防撞設施的認識和研究。

參考文獻：

[1] TB 10002—2017.鐵路橋涵設計規范[S].

[2] 劉艷秋，李建.柔性防撞結構與加固措施在老橋防護中的應用[J].中國水運（下半月），2018（3）：204～205+208.