高速公路跨线桥桥墩位置安全防护结构研究

高速公路跨线桥桥墩位置安全防护结构研究

阳初 1，亢寒晶 2 ，刘思源 2 ，闫书明 2

（ 1.深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司，深圳 518057;

2.北京华路安交通科技有限公司，北京 100070）

摘 要：为解决高速公路跨线桥桥墩位置安全防护问题，进行高速公路跨线桥桥墩位置护栏安全防护结构研究。根据依托工程中桥墩和护栏设置现状建立车辆碰撞桥墩位置仿真模型，分析现有结构安全缺陷和最不利碰撞位置，基于分析结果、防护目标及原则并提出桥墩位置防护结构设计方案：采用具有一定高度和宽度的嵌固式混凝土结构，在桥墩处用钢结构连接，通过设置圆弧与原结构过渡；进一步通过仿真计算和安全性能分析，结果表明：桥墩防护方案可对车辆形成有效防护，并可保护桥墩免受车辆正面碰撞。

关键词：桥墩防护；护栏；跨线桥；计算机仿真

1 引 言

在我国高速公路建设中，存在一些上跨高速公路的桥梁路段，这些桥梁路段经常需要在桥下公路的中央分隔带处设置桥墩。一些桥墩位置缺乏合理的防护设施，在发生车辆碰撞的事故时会造成比较大的伤害。这些事故主要包括两种形式，一种为车辆直接正面碰撞桥墩，危害最大；另一种为车辆侧碰桥墩附近的护栏，发生侧倾后车体局部正碰撞桥墩，如图1所示。事故不仅车辆及乘员伤害巨大，在撞击能量较大的情况下也会伤害桥梁主体。为了保护车辆、乘员及桥墩安全，跨线桥桥墩处需设置防护结构，以降低事故发生时产生的危害，挽救生命和降低损失^[1]。

图1 车辆侧倾正碰墩柱示意图 图2 上层桥桥墩与下层桥中央分隔的位置关系

本文依托某相关工程，利用计算机仿真技术进行高速公路跨线桥桥墩位置护栏安全防护结构研究，以实现桥墩位置的有效防护。

2 实际工程条件和防护目标

背景工程为一高速公路桥梁上跨另一高速公路桥梁。下层桥设计速度为100km/h，中央分隔带设置了混凝土护栏；上层桥设置了1.2m×2.5m的矩形墩，在交汇处桥墩穿过下层桥的中央分隔带，位置关系如图2所示，因空间不足，下层桥护栏在桥墩位置断开。

工程中桥梁墩柱侵入了高速公路中央分隔带范围，且墩柱表面与护栏迎撞面距离较小，车辆碰撞过程中易出现正碰或局部正碰墩柱的情况，且大型车碰撞时伤害更为严重。进一步结合《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）对发生事故严重程度等级高的桥梁路段的等级选取原则^[2]，确定防护目标和基本的防护原如下：（1）防护结构防护等级选为SS级，防护能量520kJ，按照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—01）SS级护栏大型车的碰撞条件如表1所示^[3]；（2）防护结构应连续且具有足够的刚度，碰撞发生时不会发生过大变形使车辆直接正面碰撞墩柱；（3）防护结构可在一定程度上控制车辆的侧倾程度，允许轻微刮擦，但应避免发生车辆侧倾过大而局部正碰墩柱的情况；（4）防护结构仍需兼顾现场设置条件，包括中央分隔带的宽度、设置于中央分隔带内的管线、与现有中央分隔带的过渡、行车方向等问题。

表1 SS级大型车碰撞条件

3 仿真模型的建立和现有防护结构安全性能分析

3.1 仿真模型的建立

车辆碰撞防护结构的模拟采用大变形动态显示有限元方法，并采用中心差分法求解拉格朗日增量描述的动态显式有限元求解方程，当设置的时间步长小于临界值时可得到稳定的计算结果。行业内已有专家针对计算机仿真技术在车辆碰撞护栏分析方面进行研究^[4]，该项技术在护栏优化和安全分析方面具有非常大的优势，但实际应用时其准确性需与相关试验进行对比验证^[4,5]。建立大客车、大货车仿真模型，主要金属板件均采用壳单元并控制网格质量，加大非碰撞区域网格尺寸以提高计算效率；对于接触，采用原理简单且算法动量守恒的惩罚函数方法^[6]。

得出大客车和大货车仿真和试验结果的对比，车辆的运行轨迹和驶出角度仿真结果和试验结果一致（具体对比图略），说明仿真模型的准确性较高。因此采用这两个车辆模型进行桥墩位置的防护研究。

3.2 现有结构安全性能分析

按照实际工程条件建立大客车和大货车碰撞仿真模型，并按照墩柱前方1m、墩柱中间、墩柱后方1m三个位置进行碰撞分析，仿真结果如图3所示。可见碰撞点为墩柱前方1m时车辆侧倾车身局部车身与墩柱正碰，现有结构不满足防护目标，同时可确定墩柱前1m为较危险的碰撞点。

图3 现有结构不同碰撞点安全性能分析

4 桥墩防护结构设计

防护结构的设计考虑在现有护栏结构的上方增加具有一定刚度的加强结构，提高结构高度、改善车辆侧倾并增强导向能力；该结构仅需与现有护栏结构进行连接，避免影响中央分隔带内设置的管线和对桥墩结构造成影响；同时防护结构宜保持结构连续和协同受力，尽量避免薄弱点的存在；进一步根据行车方向考虑增设的防护结构与现有护栏结构的过渡。基于上述考虑提出防护结构方案：防护结构设置在双片混凝土护栏上方，中间形成嵌固式连接，实现结构的协同稳定；防护结构路面以上总高度达到1.7m，墩柱每侧设置的防护结构长度4m，宽度方向与护栏迎撞面保持齐平；防护结构沿着行车方向设置圆弧，实现原混凝土护栏与防护结构之间的过渡；桥墩两侧防护结构之间通过钢板和螺栓连接在一起。

5 桥墩防护结构安全性能仿真分析

利用计算机仿真技术，对提出的桥梁防护方案按照墩柱前1m位置、与混凝土护栏过渡位置两个碰撞点分析结构的安全性能。

5.1 墩柱前1m位置碰撞

建立大客车和大货车碰撞混凝土桥墩防护结构^[7]墩柱前1m碰撞位置模型如图4所示，仿真碰撞结果如表2所示，可见车辆碰撞后顺利导出，未发生车身局部正碰桥墩的现象，驶出轨迹平顺，对相邻车道影响较小，防护结构和护栏混凝土结构发生轻微破损，但影响较小，防护结构安全性能满足要求。

图4 车辆碰撞混凝土防护结构模型

表2 混凝土防护结构方案墩柱前1m碰撞仿真结果

5.2 防护结构与原护栏过渡位置碰撞

防护结构还需考虑其与混凝土护栏过渡位置是否存在安全隐患，因此进一步建立大客车和大货车碰撞过渡位置模型，其仿真碰撞结果如表3所示，可见车辆碰撞后顺利导出，大客车驶出轨迹角度稍大，但仍在框图范围内，满足安全指标要求，防护结构和护栏混凝土结构发生轻微破损，但影响较小，过渡位置安全性能可靠。

表3 混凝土防护结构方案碰撞过渡位置仿真结果

6 结 论

（1）通过仿真计算发现，原公路桥墩位置处护栏不能满足安全要求，需要设置桥墩防护结构避免车辆与桥墩正面碰撞，并确定墩柱前1m为较危险的碰撞点。

（2）综合考虑结构的防撞能力、导向能力、受力协同性、结构连续性，以及连接设施和与现有结构过渡问题，提出混凝土桥墩防护结构，仿真结果显示该两种结构的危险碰撞位置和过渡位置安全性能均满足要求。

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作者简介：阳初(1986一)，男，工程师，从事道路设计工作7年。Email：yangc@sutpc.com

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