橋墩防汽車撞擊計算分析方法和防撞方案探討

陳 宇

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著我國國民經濟的高速發展和人民生活水平的提高，我國公路和市政交通基礎設施得到了跨越式的發展，各大城市的汽車保有量也急劇攀升，公路干線和城市道路的交通日益繁忙。隨之而來，我國道路交通安全不容樂觀，交通事故頻頻發生，其中汽車撞擊橋墩的事故，不僅可能導致車毀人亡，嚴重時還會造成橋梁橋墩損壞，甚至出現橋梁垮塌的嚴重后果，帶來無可挽回的生命和財產損失。通過對汽車撞擊橋墩的案例進行具體分析，結合相關規范的規定，對橋墩的防撞設計和防撞方案進行探討。

1 汽車撞擊橋墩后果分析

當小型車撞上較為堅固的橋墩時，橋墩自身損壞較小，但撞擊車輛損毀嚴重，經常出現車毀人亡的后果；當大型車輛撞上較為薄弱的橋墩時，橋墩會出現較為嚴重的損壞，甚至被撞斷，嚴重影響到橋梁整體結構的安全；而且，由于高速的碰撞產生的巨大沖擊力，駕乘人員生命面臨著巨大的威脅。

2 橋墩的防撞計算

汽車撞擊橋墩產生的撞擊力，與汽車撞擊速度、撞擊角度、橋墩尺寸高度以及橋墩的約束情況等有關，可通過撞擊試驗和有限元數值模擬進行汽車撞擊力的分析，但從工程實際角度，設計人員需結合規范的規定進行橋墩的防撞設計。

《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.4.3條規定橋梁結構在必要的時候可考慮汽車的撞擊作用。汽車撞擊力設計值在車輛行駛方向應取1000kN，在車輛行駛垂直方向應取500kN，兩個方向的撞擊力不同時考慮。撞擊力應作用于行車道以上1.2m處，直接分布于撞擊涉及的構件上[1]。設計計算時可按此規定，根據橋墩控制截面的尺寸和配筋情況，再依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)，按照偶然荷載工況，對橋墩控制截面進行正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力驗算[2]。

汽車對橋墩的撞擊破壞效應尚在研究階段，不同規范對于汽車撞擊力的規定也并不相同，而且差異較大。筆者將中國規范對汽車撞擊力的規定與歐洲規范和美國規范進行橫向對比后發現(表1)，中國規范的汽車撞擊力大小與歐洲規范的規定較為接近，與美國規范相比則明顯偏小，而且各規范對汽車撞擊的位置規定也各不相同。

表1 我國規范與其它主要規范汽車撞擊力規定對比

《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.4.3條只規定了車輛撞擊的計算荷載和撞擊位置，并未對荷載計算的原理進行論述，而《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69-95)第3.1.13條則給出了明確的汽車撞擊力計算公式,“汽車撞擊力可按下式估算：P=Wv/gT”[3]，其中W為汽車重量，建議值150kN；v為汽車速度，建議值22.2m/s(換算車速為80km/h)；g為重力加速度9.18m/s2；T為碰撞時間，建議取值1.0s。規范同時規定，“在快速路主干道及次干道順行車方向上估算撞擊力不足350kN，按350kN計，垂直行車方向則按175kN計。”[5]該規范給出了汽車撞擊力的估算公式，筆者認為可以為工程實際的設計計算提供一定的參考。對于城市內的橋梁，按照較為常見的混凝土罐車作為計算荷載，其滿載重量約為45t，汽車車速按照80km/h，通過公式計算P=Wv/gT=450×22.2/(9.18×1)=1088kN，與《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)規定的1000kN基本一致。若計算車輛參考《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2011)規定的車輛荷載，計算荷載為70t，汽車車速按照80km/h，通過公式計算P=Wv/gT=700×22.2/(9.18×1)=1693kN，與歐洲規范的規定較為接近。可見，按照《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69-95)公式簡化計算得到的結果與各國規范對于汽車撞擊力的規定較為吻合。若汽車計算荷載更大或者汽車車速更快，則通過公式計算得到的汽車撞擊將更大。因此，筆者建議在進行橋墩防撞設計時，宜考慮實際存在的汽車撞擊風險，根據橋下實際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進行汽車撞擊力計算，與《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)規定的1000kN比選后取較大者對橋墩進行防撞設計。

3 橋墩防撞方案比選

船舶撞擊橋墩的危害很大，很容易撞斷橋墩進而導致橋梁垮塌，近年來船舶撞擊橋墩導致垮塌的案例也頻頻出現，因此，我國對船舶撞擊橋墩的情況更為重視，相關研究開展得比較早，而對汽車撞擊橋墩的研究則開展得較為遲緩。實際兩者撞擊橋墩后橋墩的破壞機理較為接近，橋墩破壞多為剪切破壞，破壞表現為橋墩被撞斷。因此，在考慮橋墩防止汽車撞擊時，可充分借鑒橋墩防船舶撞擊的相關經驗。

對于船舶撞擊橋墩的情況，船舶重量大，而撞擊速度則相對較慢；汽車撞擊橋墩時，汽車重量相比于船舶重量則較小，但是撞擊的速度較快。由于船舶重量相對于汽車來說要大得多，撞擊的能量更大，破壞力更強，因此，在通航河道內的橋梁防撞設施是必不可少的。但對于汽車撞擊橋梁的情況，由于汽車重量相對較小，橋梁結構相對更加堅固，撞擊后表現多為橋梁結構未出現撞斷破壞的情況，而是汽車遭到嚴重的損毀。但是，當汽車重量很大，撞擊速度很快，橋墩相對薄弱時，橋墩則也存在著被撞斷的風險。因此，橋墩的防止汽車撞擊也應該引起足夠的重視，一方面要保證橋梁結構的安全，另一方面也要本著以人為本的原則，保證撞擊車輛和駕乘人員的安全。

橋墩防止汽車撞擊的方案主要分為“主動防撞”和“被動防撞”。主動防撞是通過設置標志標牌，對駕駛人員進行提醒和引導來減少汽車撞擊橋墩情況的發生。主動防撞只是一種手段，設計中是必不可少的，但也不能完全避免汽車撞擊橋墩情況的發生。被動防撞的方法主要為避撞和防撞兩種。避撞的方法主要表現為在設計階段通過跨徑調整，避免在路中設置橋墩，增加橋墩與行車道之間的安全距離等方法。防撞則是針對性地對橋墩采取相關的防護方案。現在主流橋墩的防護方案主要包括隔離式防護裝置和附著式柔性防護裝置兩種。

隔離式防護裝置通過設置組合防撞護欄(圖1)或混凝土防撞島(圖2)，對橋墩進行隔離式防護。防撞護欄的優點是可以通過防撞護欄的變形起到一定的緩沖和阻隔的作用，能夠吸收一部分撞擊的能量，因此，防撞護欄在低速撞擊下較為有效，在高速撞擊下防撞效果則相對較差，橋墩依舊存在被撞壞的風險。混凝土防撞島則通過設置剛性的混凝土防撞島對橋墩進行隔離防護，汽車撞擊時先撞到外圍的防撞島，從而避免橋墩受到汽車的直接撞擊，防撞島在高速公路收費站最為常見。隔離式防護方案使用時都會占用較大的地面空間，因此，此種防護方案在公路橋梁上采用較多，而在市政橋梁采用相對較少。隔離式防護方案另外一個缺點是側重于對橋墩的防護，并未考慮到對撞擊車輛的保護。

圖1 鋼組合護欄

圖2 混凝土防撞島

近年來，借鑒水中橋墩防止船舶撞擊采用的防撞結構，逐漸發展出各式各樣的附著式柔性防護裝置。此類裝置多采用耗能防護結構，附著于橋墩的表面，起到消減車輛撞擊力，保護橋墩的作用，同時也能夠防止車輛刮擦磕碰造成橋墩局部破壞。耗能防護結構的采用多種多樣，總體上外圍采用鋼板包裹，內部采用橡膠或高分子彈性材料的結構偏多。較傳統的隔離式防護裝置，附著式防護裝置具有重量輕、安裝方便、占用空間小、吸能效果好、易修復等優點。同時，此類裝置符合以人為本的理念，通過吸收撞擊能量有效降低事故車輛損失，從而起到了保護車輛和駕乘人員的效果。筆者參與設計的沈陽市東陵路高架橋即采用附著式柔性防護裝置(圖3)，本項目中位于道路中間的橋墩面臨著較大的汽車撞擊風險，采用傳統的隔離式防護裝置占用較多的地面空間而且視覺效果差，結合橋墩的防撞計算和相關試驗，最終選定了附著式柔性防護裝置。而且從交通事故的反饋來看，起到了較好的防護效果，防護裝置不僅保護了橋墩和車輛，而且防護裝置損壞后方便修復，對交通影響較小。但是，附著式柔性防護裝置種類繁多，吸能防撞效果也參差不齊，筆者建議設計人員在采用時需仔細甄別，結合項目的實際情況，通過防撞計算和試驗，針對性選取合適的防撞方案。

圖3 附著式防護裝置(東陵路高架橋)

綜合以上，建議設計時應盡量減少橋墩被汽車撞擊的風險，當需要采用防撞方案時，宜結合工程實際情況因地制宜的選取，選用隔離式防撞裝置時需要適當考慮對撞擊車輛和駕駛人員的保護，選用附著式柔性防護裝置時，需通過計算和試驗有效保證橋墩的安全。

4 結論

對于汽車撞擊橋墩的情況我們要予以足夠的重視，設計時應盡量減少橋墩被汽車撞擊的風險。防撞計算宜考慮實際存在的汽車撞擊風險，根據橋下實際通行車輛的重量和汽車速度，可參考《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69-95)提供的估算公式進行汽車撞擊力計算，與《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)規定的撞擊力進行包絡設計。防護方案宜結合工程實際情況因地制宜地選用，對于橋墩結構偏弱，并距離行車道有足夠的空間時，可采用隔離式防護裝置；對于橋墩結構較強，距離行車道的空間較小時，可采用附著式柔性防護裝置；也可以根據實際需要，綜合采用兩種防護方案，保護橋墩的同時保護撞擊車輛和駕乘人員的安全。