筑牢安全网—公路桥梁墩柱防护设施设置技术初探

在我国已通车的公路上，依据结构设计或使用需求，公路中央分隔带内往往存在一些不同尺寸、不同高度的构造物，例如桥梁墩柱。桥梁墩柱对于公路行车安全而言，一定程度上等同于人为设置的障碍物。在进行公路交通工程设计时，设计人员通常通过在障碍物周围设置护栏等设施来对通行车辆进行安全防护，避免失控车辆驶出路外与构造物碰撞，降低事故后果的严重程度。

在《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）（以下简称“现行规范D81”）中，对于桥梁墩柱等构造物的防护做出如下规定：“当防护的障碍物高于护栏高度、公路主要行驶车型为大型车辆时，应选择车辆最大动态外倾当量值（VIn）。”即在对桥梁墩柱进行防护时应考虑车辆外倾当量值对桥墩的影响，而对于一般高度较矮的小型客车考虑护栏最大横向动态位移外沿值则是比较直观的方式，如图1所示。

图1 车辆最大动态外倾当量值VIn

和SB级混凝土护栏碰撞试验

护栏按照刚性可区分为柔性护栏、半刚性护栏以及刚性护栏，一般而言，其VIn值随着护栏刚性增强而减小。以刚性护栏的代表——混凝土护栏为例，即使采用JTG D81-2017规范中的SB级F型和单坡型混凝土护栏，其客车碰撞后的VIn值也分别达到1.11m和1.39m，即在桥梁墩柱处设置以上形式混凝土护栏时，要求混凝土护栏立面距离桥梁墩柱距离至少超过1m以上。对于我国高速公路而言，由于土地资源有限，常用的中央分隔带宽度多为2m或3m，中分带两侧护栏立面间距通常为2m或1.5m，我国早期设置的很多公路桥墩处在不侵占路面空间的基础上，很难再有空间设置护栏。笔者对福建省的一些桥墩防护车型为大型车辆的公路展开调研，发现其中分隔带内的桥墩防护无法满足标准规范变形值要求。例如：福建省京台闽侯互通及京台白沙互通匝道桥，其应用的福建闽华型SA级混凝土护栏VIn值，通过研究证明为1.9米，因此该数值不满足规范变形值的要求。此外，福建省罗宁高速某处中央分隔带桥墩护栏迎撞面，距离桥墩宽度不足20cm，已无空间设置混凝土护栏或低变形量护栏。因此国内公路桥墩防护设施的设置普遍存在没有足够空间、所使用防护设施的防护能力不足等问题。

图2 调研的部分桥墩混凝土护栏代表形式

有鉴于此，该文将展开公路桥梁墩柱和防护设施设置技术研究，对不同桥梁墩柱安全防护形式的防护能力和经济性能进行综合论证，旨在提出桥墩安全防护设施在不同工况下的设置技术路线。

对于公路桥梁墩柱的防护性能的评价方法参照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）（以下简称“JTG B05”）的试验碰撞条件、碰撞点位置、测试参数及方法等规定。

对于桥梁墩柱防护设施标准段进行碰撞时，小型客车和大中型车辆（包括特大型客车）的碰撞点，应位于沿试验车辆行车方向距离护栏标准段起点1/3长度处。护栏布置方式和碰撞点的位置如图3所示：

图3 护栏标准段的碰撞点位置

图4 防撞垫散落位置限制区域

护栏的阻挡功能、导向功能和缓冲功能应当满足规范相应要求。

而对于防撞垫等作为缓冲吸能设施的代表类型，阻挡功能应符合下列要求：

1.非导向墩柱防护设施构件及脱离件不得侵入车辆乘员舱。

2.当质量大于2kg的非导向墩柱防护设施脱离件散落时，散落位置应位于图4所示的直线Aa和直线Ad之间；直线Aa和直线Ad均应与防撞垫侧边平行，且间距均应为0.5m。

对于有空间设置可导向墩柱防护设施的路段，可选择使用混凝土护栏和低变形量护栏，从而达到保护桥墩和车辆安全之目的。

我国国内早期对于混凝土护栏的实车碰撞试验涉及SB级单坡型混凝土护栏、SB级F型混凝土护栏、闽华型SA级混凝土护栏。

图5 混凝土护栏形式

由于部分实车碰撞试验数据的缺失，此项研究采用有限元分析进行了仿真模拟计算。使用hypermesh软件进行了有限元仿真建模，建立了单坡型、F型和加强型SS级混凝土护栏三种模型，并进行了SS级碰撞试验的仿真模拟，得出VIn值如表2所示。

图6 SS级混凝土护栏模拟碰撞时侧倾对比

   （从左到右依次为单坡型、F型和加强型）

作为典型的刚性护栏，混凝土护栏以JTG B05规范进行评价，其W值则十分优秀，护栏的横向位移一般可以忽略不计，因此车辆的高度越低，则混凝土护栏对于桥墩的保护效果则更加突出。对于构造物的防护，主要从两个方面进行考虑：一是避免车辆撞击构造物后，对构造物造成损伤或破坏，造成严重的经济损失或带来更为严重的二次事故，此方面可简称为构造物防护；二是降低车辆驶出路外与构造物撞击后，给车辆和车内乘员带来的安全财产损失，此方面可简称为乘员防护。以上两方面的安全防护与交通安全防护理念以及防护技术成熟度密切相关。混凝土护栏受到撞击后只能通过车辆自身的爬升和碰撞摩擦吸收碰撞能量，吸收效果有限，因此刚性护栏的碰撞实验中乘员加速度普遍偏大，在乘员防护方面表现略逊一筹。

以某公司的SA级高强型低变形量护栏为例，对于独柱墩的防护使用18m长度的低变形量护栏。根据JTG B05规范进行SA级实车碰撞试验验证，客车和货车的最大VIn值仅为0.28m。

通过VIn值对比发现，与混凝土护栏相比，低变形量类护栏具有更高的防护高度，不仅在阻挡大型车辆对桥墩的破坏方面拥有更为优越的性能，而且还具有施工时间短，搭接更便捷等优势，如表3所示。

依据《公路工程技术标准（JTG B01-2014）》，设计速度大于100km/h的高速公路和一级公路的C值为0.5m，100km/h及以下的则为0.25m。

图7 公路工程技术标准（JTG B01-2014）

建筑限界图

以SA级高强型低变形量护栏的VIn值，可以推算出其所防护路段的原型桥墩允许的最大直径，即中央分隔带宽度减去两倍C值和两倍VIn值（0.28m），如表4所示。

由此可知，高强低变形量护栏在技术指标上存在着相当的优势，使用范围广泛，只是价格上明显高于以钢筋混凝土为原料打造的混凝土护栏，各种护栏的经济性对比如表5所示。

值得注意的是，从实验指标上分析，SA级高强型低变形量护栏，具有优秀的刚性，价格亦不菲，应用于设计速度更低、中央分隔带宽度更宽裕、直径或宽度更小的桥墩路段显然是一种浪费。以设计速度为80km/h的一级公路为例，C值应为0.25m，假设中央分隔带为3m且需要防护的圆墩直径为1.2m，可计算得出留给护栏的VIn值和W值等指标中最大值的上限为0.65m，且根据“现行规范D81”的6.2.3条规定，设计速度为80km/h的一级公路的中央分隔带防护等级为SB级。各项安全评价指标均不大于0.65m的SB级护栏的成本，至少比SA级高强型低变形量护栏降低50%。

桥梁墩柱防护设施的设计可从安全性和经济性两个角度出发，避免护栏选型造成的成本上升或安全风险增加。合理设置公路桥梁墩柱防护设施，可有效降低防护设施费用，综合经济效益更为显著。

作为典型的非导向墩柱防护设施，防撞桶、防撞垫等，通常设置于障碍物前端，车辆碰撞时通过自体变形吸收碰撞能量，从而降低乘员的伤害程度，属于缓冲设施。根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）6.5.1条第三款，高速公路、作为干线的一级公路中分隔带护栏其实端部，上跨高速公路的跨线桥中墩端部，宜设置可导向防撞垫。而针对国内诸多此类工况，目前养护部门仍仅使用防护效果较差的防撞桶。

2011年，交通运输部公路科学研究院开展了防撞桶安全防护能力分析，共研究了3个防撞桶以及9个防撞桶布设在波形梁护栏三角端前的防护能力。根据JTG B05规范要求，通过1.5吨小型客车在80km/h速度下正碰实车碰撞试验研究发现：3个防撞桶的车体Y轴加速度为20.7g，超过了20g加速度要求，3个防撞桶的缓冲功能不满足JTG B05规范要求。而9个防撞桶的阻挡、导向、缓冲功能满足要求，但是受限于现场道路条件，难于在现场实施安装，因此在设置非导向墩柱防护设施时，还应考虑其结构尺寸和防护能力。选取具有良好实车碰撞试验防护指标的防护设备为更好的选择。然而即使防撞垫具有明确的实验指标和防护能量的数据，该设备在道路上主要起到缓冲功能，导向性能有限，且只能针对小型客车，对于大型车辆撞击桥墩，难以起到防护作用。由此可知，防撞垫等非导向设施在防护中墩的应用场景非常有限。

需要设置墩柱的非导向防护设施时，在运营路段新设墩柱且加以设置此类防护设施，应与所选用非导向墩柱防护设施同时设计；墩柱直径或宽度计算应结合所选用非导向墩柱防护设施的总体外形尺寸，满足计算净区宽度要求；承台埋深等结构尺寸应满足所选用非导向墩柱防护设施锚固要求。其锚固方式则应根据墩柱承台或基础的埋深确定。

有关公路桥梁墩柱和防护设施新技术的论证研究，通过资料收集与桥梁墩柱现场调研，统计国内现有桥梁墩柱形式、已设置的防护设施，提出了公路可导向和非导向桥梁墩柱防护设施安全性能的下列论证方法：

文中论证了多种混凝土护栏形式，依据实车碰撞试验和有限元仿真计算两种方式，研究了不同截面形式混凝土护栏对于大型车辆的防护表现，结果不尽如人意，现有规范所提到的不经过改造的混凝土护栏很难满足中墩防护的安全指标。

提出了一种综合考虑安全性和经济性的选取墩柱防护设施的设计方法，通过选取满足道路防护等级及安全性能指标的防护设施，能在保证车辆和桥墩安全的前提下产生更优的经济效益，对于国内以后的中墩防护设计具有参考价值。

论证了非导向墩柱防护设施的局限性，对于无法设置导向型墩柱防护设施的地段，对非导向防护设施的选取和设置提出了设置要求。