上跨鐵路橋梁微變量防撞護欄研究

秦延朋 白依婷

北京市高速公路交通工程有限公司，中國·北京 101102

1 引言

對于公路橋梁上跨越鐵路線路的特殊路段，一旦發生車輛穿越護欄墜落橋下的事故，不僅會造成事故車輛自身損失，還將對鐵路運營造成巨大影響。目前，中國鐵路運營里程突破14 萬km，一旦造成中斷，將會影響全網運營，導致經濟損失不堪設想。基于現有上跨鐵路橋梁護欄提出增設高防護等級護欄改造方案，防護等級達到SS 級，防撞能量提高520kJ 以上，且具有較好的減小車輛外傾功能，可有效降低車輛發生側翻、受損防拋設施墜落橋下的事故發生率，不但會挽救司乘人員生命，而且對鐵路安全運營提供保護。研究成果將有利于改善上跨鐵路橋梁特殊路段的交通安全水平，促進中國交通事業的和諧發展，促進社會的文明進步，有效地配合國家“以人為本、安全至上”相關政策的實施，具有顯著的社會效益和經濟效益。

2 上跨鐵路橋梁高防護等級護欄需求

在公路中存在一些上跨越鐵路的特殊危險路段，在該路段一旦發生車輛穿越護欄墜落橋下的事故，不僅會造成事故車輛自身損失，還會導致鐵路運營的中斷，更有甚者會引起火車與事故車輛相撞的特大惡性二次事故，由此造成的社會經濟損失難以估量。

根據近年來對中國交通事故調查統計，公路上跨鐵路路段由于上跨護欄防護能力不足造成車輛墜橋的惡性交通事故已經發生多起。相關的事故案例如下：

2013年10月18日，深圳一重約26t 的箱式貨車從南山興海路往月亮灣大道匝道上掉落，鐵路橋面砸出一段約10m的缺口，導致鐵路交通中斷。

圖1 重型貨車墜橋砸斷鐵路

橋梁護欄往往需要與橋梁防落物網、照明、標志等交通安全設施配套設置，目前這些配套設施通常設置在橋梁護欄頂部或外側，上跨鐵路橋梁護欄不僅要求能夠有效防護車輛，還需要對防落物網、標志、照明燈設施進行保護。上述橋梁護欄與配套設施的設置方式可滿足普通路段的防護需求，但對于跨鐵路路段則存在一定安全隱患，如圖2所示。

圖2 車輛外傾碰撞防拋網

若車輛碰撞護欄后發生較大側傾，有可能直接碰撞防落物網等設施，而一旦破損物墜落橋下，除造成事故車輛人員傷亡外，若砸中鐵路高壓線（鐵路路段往往設置高壓電線，如圖3所示）將嚴重影響公路及鐵路安全運營，若砸中鐵路或正在運行的火車，則后果更加不堪設想，因此上跨鐵路橋梁護欄除對事故車輛具有高防護能力外，還宜具有減小車輛碰撞護欄配套設施的概率。

圖3 鐵路路段高壓電線

綜上所述，跨鐵路橋梁護欄不僅應設計高防護等級，還應具備對配套設施形成有效防護的功能，如通過研究增加配套設施與護欄迎撞面距離和減少車輛外傾（可有效減少側翻概率）等措施，因此需要進行特殊設計。

3 上跨鐵路橋梁護欄安全性能指標

上跨鐵路橋梁路段對護欄防護性能提出了特殊要求，即護欄不僅應具備高等級防護功能，還應具有使車輛低側傾、防側翻的功能。

3.1 防護等級與碰撞條件

為提高公路安全運營水平，2017 交通運輸部頒布了JTG D81-2017《公路交通安全設施設計規范》（后稱《設計規范》），其中提出了提升橋梁護欄防護等級的要求。《設計規范》對橋梁護欄防護等級適用條件的規定：對于設計速度為120km/h的高速公路，車輛駛出橋外有可能造成二次重大事故或二次特大事故的路段，其橋梁護欄的防護等級應為SS 級[1]。

考慮在跨鐵路橋梁路段，若橋梁護欄防護等級不足，可能發生車輛穿越或翻越橋側護欄墜落橋下的事故，不僅會造成事故車輛自身損失，還會導致鐵路運營的中斷，更有甚者會引起火車與事故車輛相撞的特大惡性二次事故，因此將跨鐵路橋梁護欄防護等級確定為《設計規范》中最高防護等級SS 級[2]。

根據現行JTG B05-01-2013《公路護欄安全性能評價標準》（后稱《評價標準》）對護欄不同防護等級對應碰撞試驗條件的規定，SS 級護欄碰撞條件如表1所示。

表1 《評價標準》規定SS 等級護欄碰撞試驗條件

3.2 安全性能評價指標

根據《評價標準》的規定，對跨鐵路橋梁護欄進行安全性能評估的指標包括阻擋功能、緩沖功能和導向功能，以下為具體說明。

（1）阻擋功能指護欄應阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，護欄構件及其脫離碎片不得侵入車輛乘員艙。

（2）緩沖功能指乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200m/s2。

（3）導向功能指車輛碰撞護欄后不得翻車，運行軌跡在圖4所示的導向駛出框內不得越過直線F，其中參數A 和B 的取值規定如表2所示。

圖4 車輛運行軌跡要求

表2 參數A 和B 的取值

4 現有上跨鐵路橋梁護欄防護能力分析

中國早期建設高速公路橋梁段多采用一種組合式護欄結構如圖5所示，該結構根據1994年頒布的JTJ074-94《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》設計，總高度在1m左右，其特點為上部是由H 型立柱與圓管橫梁組成的鋼結構，下部為新澤西坡面的鋼筋混凝土結構。

圖5 現有跨鐵路橋梁護欄結構

上述梁組合式護欄按防護等級SB 級進行過標準實車足尺碰撞試驗，圖6為大客車碰撞橋梁組合式護欄過程，碰撞條件為車輛總質量10t，碰撞速度80km/h，碰撞角度20°。

圖6 大客車碰撞護欄過程

圖7為碰撞橋梁組合式護欄后中貨車破壞情況，碰撞條件為車輛總質量18t，碰撞速度60km/h，碰撞角度20°。

圖7 大貨車碰撞護欄過程

通過以上實車碰撞試驗，可見大客車發生翻車現象；中貨車受到解體性破壞，護欄構件侵入了乘員艙。因此該橋梁組合式護欄安全性能不滿足評價標準要求，防護等級未達到SB 級。

5 跨鐵路橋梁護欄改造結構研究

為了使跨鐵路橋梁護欄滿足高等級防護功能及減小車輛外傾功能的需求，根據跨鐵路橋梁路段不同設置條件，對現有跨鐵路橋梁護欄結構進行優化改造，提出增設護欄改造方案。

5.1 方案設計

為不影響橋下鐵路正常運營，提出增設一道護欄的改造方案。考慮型鋼護欄具有自重輕、車輛碰撞后外傾量小的特點，在現有跨鐵路橋梁護欄內側增設經實車試驗驗證的高防撞等級型鋼護欄，如圖8所示，以降低車輛穿越護欄沖出橋外、防落物網受損墜落橋下的事故概率，從而保障高速公路與鐵路安全運營。該方案可保留原橋梁護欄和防落物網等設施不變，且對橋下鐵路運營幾乎沒有影響。

圖8 上跨鐵路橋梁微變量防撞護欄思路示意圖

圖9為設置于現有上跨鐵路橋梁護欄內側的高防撞等級型鋼護欄基本結構：護欄總高1.5m，下部基座高150mm，底寬500mm，橫梁迎撞面與基座迎撞面平齊；金屬梁柱結構由橫梁，立柱組成，橫梁呈四排分布，橫梁凈間距為230mm，下橫梁中心距基座頂面290mm；立柱為斜H 形，由Q345B 材質鋼板焊接而成，立柱中心線間距為2m；預埋螺栓采用為M30，立柱與橫梁連接螺栓、橫梁拼接螺栓均采用M22。

圖9 高防撞等級型鋼護欄基本結構（單位：mm）

5.2 計算機仿真安全性能評估

根據上文提到的標準碰撞條件，采用經實車足尺碰撞試驗驗證的計算機仿真模型對內側增設高防撞等級型鋼護欄的改造方案安全性能進行分析[3,4]。

5.2.1 小客車碰撞

圖10為小客車碰撞內側增設高防撞等級型鋼護欄仿真模型過程，可見車輛平穩駛出。

圖10 小客車行駛軌跡與導向駛出框

5.2.2 大客車碰撞

圖11為大客車碰撞內側增設高防撞等級型鋼護欄仿真模型過程，可見護欄防車輛側翻效果顯著，車輛外傾量較小，可平穩駛出。

圖11 大客車行駛軌跡與導向駛出框

圖12為內側增設高防撞等級型鋼護欄方案減小車輛外傾效果，可見大客車碰撞護欄過程中外傾量較小，有效避免了撞擊護欄配套防拋設施，因此該方案滿足跨鐵路橋梁護欄特殊安全性能指標要求。

圖12 內側增設高防撞等級型鋼護欄方案減小大客車側傾效果

5.2.3 整體式貨車碰撞

圖13為整體式貨車碰撞內側增設高防撞等級型鋼護欄仿真模型過程，可見護欄防車輛側翻效果顯著，車輛外傾量較小，可平穩駛出。

圖13 整體式貨車行駛軌跡與導向駛出框

圖14為內側增設高防撞等級型鋼護欄方案減小車輛外傾效果，可見整體式貨車碰撞護欄過程中外傾量較小，有效避免了撞擊護欄配套防拋設施，因此該方案滿足跨鐵路橋梁護欄特殊安全性能指標要求。

圖14 內側增設高防撞等級型鋼護欄方案減小整體式貨車側傾效果

綜上所述，通過采用經試驗驗證的高精度計算機仿真模型對內側增設高防撞等級型鋼護欄改造方案的安全性能進行分析。結果表明，小客車、大客車、整體式貨車碰撞護欄后各項指標均滿足跨鐵路橋梁護欄安全性能指標要求，護欄防撞等級達SS 級（防護能量≥520kJ），且具有較好的減小車輛外傾功能，可有效降低車輛發生側翻的概率。

6 上跨鐵路橋梁微變量防撞護欄實車碰撞試驗

根據標準碰撞條件，對上述方案采用的高防撞等級型鋼護欄進行實車足尺碰撞試驗，兩端進行錨固處理[5]，以下為主要試驗結果。

6.1 小客車碰撞護欄結果

圖15為小客車碰撞護欄行駛軌跡圖，可見小客車碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態；小客車沒有穿越、翻越或騎跨護欄；試驗護欄構件及脫離件沒有侵入車輛乘員艙。乘員碰撞后縱向與橫向加速度10ms 平均值的最大值分別為37.3m/s2、70.6m/s2均小于200m/s2；乘員縱向與橫向碰撞速度分別為5.1m/s、8.4m/s 均小于12m/s。

圖15 小客車碰撞護欄軌跡圖

圖16為小客車導向駛出框，可見小客車在10m 內沒有越過邊界線F。

圖16 小客車導向駛出框

6.2 大客車碰撞護欄結果

圖17為大客車碰撞護欄行駛軌跡圖，可見大客車碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態；大客車沒有穿越、翻越和騎跨護欄；試驗護欄構件及脫離件沒有侵入車輛乘員艙。

圖17 大客車碰撞護欄軌跡圖

圖18為大客車導向駛出框，可以看出大客車在20m 內沒有越過邊界線F。

圖18 大客車導向駛出框

6.3 整體式貨車碰撞護欄結果

圖19為整體式貨車碰撞護欄行駛軌跡圖，可見整體式貨車碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態；整體式貨車沒有穿越、翻越和騎跨護欄；試驗護欄構件及脫離件沒有侵入車輛乘員艙。

圖19 整體式貨車碰撞護欄軌跡圖

圖20為整體式貨車導向駛出框，可以看出整體式貨車在20m 內沒有越過邊界線F。

圖20 整體式貨車導向駛出框

6.4 小結

通過實車碰撞試驗驗證，可見上跨鐵路橋梁微變量防撞護欄的安全性能各項指標均滿足評價標準要求，防護等級可達SS 級；根據相關試驗數據可知，大客車與大貨車的車輛最大動態外傾當量值VIn分別為380mm、410mm，均遠小于高防撞等級型鋼護欄與現有跨鐵路橋梁護欄背部構筑物的間距（約1m）。因此，增設上跨鐵路橋梁微變量防撞護欄方案滿足上跨鐵路橋梁護欄的特殊安全性能指標要求。

7 結語

論文針對現有上跨鐵路橋梁護欄的安全防護性的不足進行了分析，基于現有跨鐵路橋梁護欄進行設計改造，提出了增設護欄方案，通過小型客車、大型客車、大型貨車的實車足尺碰撞試驗驗證，防護指標滿足規范的要求，防護等級達SS 級。增設護欄方案結合現場設置條件及設計細則要求進行設計，達到保護護欄附屬設施的效果，滿足上跨鐵路橋梁護欄安全性能指標要求，對于提高高速公路上跨安全運營水平具有重要意義。增設護欄方案可有效解決現有上跨鐵路橋梁護欄安全防護能力不足的隱患，降低車輛和司乘人員身心損害風險，提升道路安全運營水平，滿足公路、鐵路平安、暢通的安全發展需求，具有較好的市場前景，社會及經濟效益良好。