既有跨湖區長大橋梁護欄防撞能力提升設計

李 雷，徐小靖，馮 晶

(1.中億豐建設集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215000; 2.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215000)

近一段時期以來,國內發生多起重特大交通安全事故,如2017年8月陜西安康大客車撞擊隧道事故、2018年10月重慶萬州長江二橋公交車墜江事故等,給橋梁安全防護工作敲響了警鐘。在此背景下,江蘇省交通運輸廳相繼出臺了一系列通知,決定在全省范圍內開展提升公路橋梁安全防護和連續長陡下坡路段安全通行能力專項行動。本項目橋梁由于發生過多起人員傷亡的交通事故,被蘇州市政府列為2020年度90項重大安全生產事故隱患整改項目之一,實施市級掛牌督辦。

1 工程概況

本項目橋梁跨越蘇州太湖風景區,分兩幅,東幅橋全長4 204 m,西幅橋全長4 358 m,兩幅橋的結構形式一致。單幅橋寬12.8 m,路幅布置為0.5 m護欄+7.5 m車行道+2.5 m硬路肩(非機動車道)+2 m人行道+0.3 m石材欄桿,兩幅橋之間的“天窗”凈寬1.5 m,橋梁總寬26.6 m,除通航孔采用預應力混凝土箱梁外,其余均采用預應力混凝土空心板梁。線路等級為二級公路兼顧城市主干道,限速60 km/h。橋梁現場照片如圖1所示。

橋梁位于飲用水源二級保護區范圍內,施工期對水質及環保要求較高。人行道板下布置有16孔φ16 cm 10 kV及以下電力管線,采用混凝土包裹。現狀人行道側石為凈高30 cm、厚15 cm的鋼筋混凝土側石。

現狀人行道外側欄桿高1.1 m,為細石混凝土結構,防撞能力不足,主要依靠凈高30 cm的側石防護車輛安全。由于橋梁位于太湖風景區,對橋梁景觀要求較高,現狀欄桿造型、色彩與橋梁結構較好的融為一體,早已被當地人們所接受和認可。

2 防撞能力提升設計方案比選

根據《提升公路橋梁安全防護能力專項行動技術指南》(交通運輸部辦公廳,2019年4月)及江蘇省交通運輸廳有關文件,結合國內其他項目改造案例,設計共提出三個提升橋梁護欄防撞能力的方案,主要區別在于增設或改造護欄的位置不同:1)在硬路肩(非機動車道)內設置,如圖2所示;2)在人行道外側設置護欄,需拆除現有欄桿,如圖3所示;3)在人行道側石位置增設護欄,見圖4。

2.1 硬路肩內增設防撞護欄

在硬路肩內設置防撞護欄,不僅可以起到保護機動車不會墜入湖中,還可以防止機動車撞擊非機動車以及行人。在滿足機動車道右側硬路肩寬度不小于75 cm的條件后,扣除防撞護欄寬尺寸,硬路肩范圍內可供非機動車通行的路面寬度僅為1.45 m(見圖2),不滿足《城市道路路線設計規范》關于非機動車道寬度的要求。考慮到該橋梁兼顧城市橋梁功能,硬路肩在實際交通功能中用以通行非機動車,因此該方案難以被交警部門接受。

2.2 人行道外側欄桿改建為防撞護欄

本橋梁連接太湖風景區和該區域重要的旅游度假區,現狀人行道側欄桿造型和材質為與周圍環境和文化較為協調,橋梁建成年代較長,人們在心理上早已接受該人行道欄桿。若將現狀欄桿更換為金屬或混凝土防撞護欄,則欄桿外觀較“硬”,與橋梁柔和的造型與橋位處典型的江南文化的“軟”不協調,同時,對橋梁的外觀也有較大改變,景觀有較大影響,因此該方案業主和市民難以接受。

2.3 人行道側石位置增設防撞護欄

前兩個方案業主較難接受,為此,設計提出在人行道側石位置增設防撞護欄的方案。該方案不僅能起到防止車輛墜入湖中的目的,還能防止車輛撞擊行人。同時,橋梁人行道外側的現有石材欄桿可完全保留,護欄設置在人行道側石位置,基本不影響大橋的整體景觀風貌,施工期間對水域、水質、生態沒有任何不良影響。為最大限度降低增設的護欄對現有橋梁景觀的影響,設計采用“融入”的景觀設計手法,選用有一定造型的、適合橋位周邊文化和自然景觀的護欄立柱,同時,將欄桿和側石均涂裝成乳白色,與現狀人行道外側欄桿顏色保持一致。因此,業主傾向采用此方案。通過對以上三種防撞護欄方案的比較(見表1),最終推薦方案三,也為業主所接受。

表1 護欄方案比選表

3 增設護欄設計方案

3.1 防撞護欄等級選取

根據江蘇省人民政府《關于全省縣級以上集中式飲用水水源地保護區劃分方案的批復》(蘇政復[2009]2號)文件內容,項目橋梁位于飲用水源二級保護區范圍內,護欄防撞等級滿足設計規范即可,不需要額外提高。

本項目橋梁屬于二級公路,設計速度為60 km/h,部分橋梁段位于二級水源保護區范圍內,車輛事故嚴重等級為“中”。依據JTG/T 81—2017公路交通安全設施設計規范規定,確定本項目橋梁護欄的設防等級為三(A)級。

對于組合式護欄,按照JTG/T D81—2017公路交通安全設施設計細則第 6.3.5 條的規定:各防護等級組合護欄的高度可在同等級混凝土護欄高度80 cm的基礎上增加 10 cm,即護欄高度不低于81+10=91 cm,本項目設計護欄高度擬定為100 cm,滿足規范要求。新增護欄設計斷面見圖5。

3.2 防撞護欄總體設計方案

護欄采用不銹鋼材質,立柱采用鑄造成型的整體式結構,立柱間距為2 m,橫管為φ127×6 mm的圓管,鋼結構高度70 cm,側石高度30 cm,護欄總高100 cm。護欄立柱所需錨固寬度至少35 cm,而現狀鋼筋混凝土側石橫向寬度僅為15 cm,無法布置立柱,故需要增加側石橫向寬度。

人行道下布設有眾多強電管線,且用混凝土包裹密實,所以往人行道內側加寬側石是不可行的,因此設計考慮往硬路肩一側新增厚度20 cm的梯形混凝土基座用以布置金屬護欄立柱,如圖6所示,同時也增加了側石的美觀和趣味。新增加的梯形混凝土采用水平植筋的方式與現狀側石形成整體共同受力。

根據老橋檢測報告中顯示,橋梁始建于1994年,梁體結構多處出現破損、露筋等病害,評定等級為2類橋梁,因此,增設護欄時不宜過多增加橋梁恒荷載、不宜對現狀橋梁空心板進行植筋施工,且不宜采用大型施工機械。為此,如圖5所示,設計考慮鑿除緊挨人行道側石的1 m寬路面,鑿除至梁結構頂面,鑿除總厚度為20 cm,含10 cm瀝青混凝土和10 cm混凝土鋪裝。鑿除后水平放置護欄立柱錨固螺栓,恢復16 cm厚的C50混凝土鋪裝和鋼筋網,然后鋪筑4 cm厚的瀝青混凝土。

對于老橋結構來說,增加的恒載僅為護欄立柱基座的梯形混凝土以及鋼結構護欄的自重,恒載增加值合計約1.1 kN/m。經驗算復核,橋梁結構的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態均滿足設計期的有關規范要求。

3.3 防撞護欄抗傾覆驗算

根據規范JTG B05-01—2013公路護欄安全性能評價標準實驗車輛的主要技術參數指標,三(A)級護欄選取1.5 t的小客車及10 t的中型客車,10 t的中型貨車分別計算實驗車輛的抗傾覆有效高度(護欄考慮Z=0.3 m的變形量)。根據項目實際情況補充驗算大型客車實驗車輛的抗傾覆有效高度(大型客車按照防護等級提高為SA級計算,護欄考慮Z=0.45 m的變形量)。

經計算,小客車的抗傾覆高度為0.487 m,中型客車的抗傾覆高度為0.406 m,中型貨車的抗傾覆高度為0.608 m,大型客車的抗傾覆高度為0.746 m,護欄橫梁平均高度為0.770 m,規范規定的三(A)防護等級三種車型及補充計算的大型客車抗傾覆計算均滿足要求。

3.4 防撞護欄車輛撞擊計算

依據JTG B05-01—2013公路護欄安全性能評價標準,確定設防等級為三(A)級的試驗碰撞車輛為1.5 t小型客車、10 t中型客車、10 t中型貨車。

依據JTG D81—2017公路交通安全設施設計規范計算車輛作用在護欄上的最大橫向力[1]:

考慮護欄橫向動態變形值為0.3 m,分別計算三(A)級防護等級下小型客車、中型客車、中型貨車三種不同車型的汽車碰撞力,得到各車輛最大碰撞力如表2所示。

表2 各車輛橫向碰撞力計算值

計算可得:在三(A)級防護等級條件下各試驗類型車輛作用在護欄上的最不利橫向力大小為177.9 kN。根據有關規范對護欄承載能力、抗傾覆、螺栓承載力等進行了驗算,均滿足規范要求。

4 基座連接設計

為減少對現狀橋梁的破壞,且避免對橋梁主體結構的破壞,本次方案采用對現狀橋面混凝土鋪裝分塊拆除[2](與護欄立柱對應),在現狀鋪裝內預埋前排螺栓至梁頂,老橋混凝土鋪裝內的鋼筋網完全保留;后排螺栓采用植筋方法,然后澆筑橋面和基座混凝土[3],攤鋪橋面瀝青混凝土(瀝青鋪裝厚度減小為4 cm),基座連接如圖7所示。完工后效果圖如圖8所示。

5 施工方案

分段封閉非機動車道,在機非分隔處設置圍擋,形成施工作業區。為保護橋梁結構安全,采用小型機械進行橋面鋪裝鑿除(橫橋向鑿除1 m寬),露出原橋面鋪裝鋼筋網。預埋防護護欄地腳螺栓,綁扎鋼筋網,然后重新澆筑1 m寬的混凝土鋪裝,厚度為16 cm,強度等級為C50,最后鋪筑4 cm瀝青混凝土并恢復標志標線。本項目橋梁對景觀要求較高,因此,人行道側石側面和頂面均進行了真石漆的噴涂(見圖9)。

6 結語

在進行橋梁防撞能力提升設計中,要根據項目的位置、文化和環境要求,遵循安全、美觀、環保的原則,合理選擇橋梁護欄等級、外形并確定護欄合適的設置部位。防撞護欄與老橋結構的連接方式應根據實際情況靈活選擇,既要考慮連接的可靠、耐久,也要考慮老橋結構的安全。