摘要:通过对高速公路跨线桥桥墩防撞措施进行比较分析，提出跨线桥桥墩防撞设计的一种思路，并结合工程实例对防护设计进行介绍，为同类设计提高参考。
关键词:高速公路;跨线桥;桥墩防撞;改扩建
0引言
高速公路跨线桥是其它道路跨越高速公路的常见结构，是高速公路桥梁设计的重要组成部分。随着经济和技术的发展，高速公路交通量、车辆运载能力和车速都在逐渐增加，车辆撞击跨线桥桥墩的概率和破坏程度也随之增大，因此对桥墩采取必要的防撞措施，是跨线桥设计的重要环节。而在高速公路改扩建项目中，原桥利用的跨线桥路侧桥墩与扩建后路基距离减小，桥墩受碰撞风险也相应增大，因此对桥墩进行防撞设计就更加重要。通过对跨线桥桥墩防撞措施的比较分析，提出一种设计思路和方法，为今后类似设计提供参考。
1防撞设计的理念和思路
1．1设计理念
近年来，对桥墩防车辆撞击的研究逐渐增多，其研究涉及桥墩受撞击的影响因素、撞击力计算方法、防撞设计原则等多方面。例如有研究者提出增加塑性耗能措施或降低碰撞接触刚度，在碰撞过程中允许构件发生一定程度的变形和损伤，能有效减小桥墩的撞击力［1］;还有专家提出在公路桥墩防撞设计时，建议遵循“小撞不坏、中撞可修、大撞不倒”的三级防撞理念，并进行基于碰撞概率的成本—效益分析［2］。结合以往设计并参照公路交通安全设计中“宽容设计，适度防护”的设计理念，作者认为跨线桥桥墩防撞设计应注意以下几点:(1)应充分考虑防撞、耗能措施的设计，减小车辆与桥墩的碰撞概率，降低车辆、人员伤害程度，抵消撞击力对桥墩的影响。(2)优先考虑桥墩安全，当防撞、耗能措施不能消除撞击对桥墩的影响时，应针对桥墩进行防撞设计，降低桥梁倒塌造成二次事故的可能性。(3)桥墩防撞设计应适度，根据事故严重程度，事故发生的概率，采取适度的防护等级，保证设计合理经济。同时注意桥墩尺寸和钢筋配置相匹配，不能单纯采用增加截面或增加钢筋的方式，避免桥墩发生脆性破坏。
1．2设计思路
桥墩防撞与交安防护设施密不可分，因此桥墩防撞设计应结合交安设计的相关规定理清设计思路。首先，参照公路安全净区的要求核实桥墩是否需要考虑防撞设计。根据交安设计规范［3］高速公路路侧和中分带应设置安全净区，以降低车辆失控造成事故的严重程度。所谓安全净区是指公路行车道以外、无障碍物、车辆驶出行车道后可以停车或驶回公路的带状区域(见图1)。当跨线桥桥墩位于安全净区内时，桥墩对于车辆来说就是障碍物，有被失控车辆撞击的风险，故需要进行防撞设计，反之桥墩可不考虑桥墩防撞。在设计中因地形、地物、技术难度、经济效益、节约占地等因素影响，很多跨线桥不能单孔跨越路基和安全净区。而对于高速公路改扩建项目，原桥利用的跨线桥更是无法避免桥墩置于扩建后的安全净区内的，综上分析大部分情况下设计人员需要考虑桥墩防撞设计。其次，应明确桥墩防撞等级。根据交安规范要求，高速或高铁桥梁桥墩发生碰撞事故严重程度为高级，防护等级取五、六级，其它跨线桥发生碰撞事故严重程度为中级，对应防护等级为四级，桥墩的防撞等级不宜低于该标准。最后，结合防护等级核查是否需要验算桥墩撞击抵抗力。根据交安规范［3］，护栏与桥墩间距应大于护栏的横向变形量，目的是避免失控车辆碰撞桥墩，保证车辆人员安全。由于车辆与桥墩碰撞是相互作用，它自然也可成为评判桥墩是否需要抗撞验算的标准。护栏横向变形量与护栏形式和防护等级有关，对属于半刚性防护的波形梁护栏和金属梁柱式护栏可采用车辆最大动态外倾当量值(VIn)，例如SS级护栏大型车取值为2．36m;而混凝土护栏属于刚性防护几乎不发生变形，但应注意满足防撞墙设置空间。当桥墩与护栏间距不满足以上要求时，应考虑抗撞力计算。
2桥墩防撞方案探讨
2．1中央分隔带桥墩防撞方案分析
高速公路中分带处桥墩的防撞形式可分为刚性或半刚性两种。半刚性防护主要采用分离式波形梁护栏，该方案侧重于对车辆和人员的保护，通过护栏变形来抵消或折减撞击力。但是该方案护栏与桥墩间距不满足护栏横向变形量的要求。这是因为现有高速公路中分带宽度取值一般为2～3m，扣除公路建筑限界“C值”后中间带宽度仅有1．5～2m，波形梁与桥墩间距为40cm左右(见图2)，失控车辆仍然会撞击桥墩。早期的高速公路多采用此方案，桥梁因碰撞失效垮塌事故屡有发生，对跨线桥的安全运营产生严重威胁。针对这一问题已经有研究者提出了加强措施，例如成资渝高速公路针对不同类型的桥墩结构，研发了现役天桥中分带桥墩增设组合式防撞体系，通过耗能措施降低碰撞力［4］。但由于耗能措施的变形空间有限，实际碰撞中它未必能达到理想的缓冲作用，中分带桥墩依然存在撞击风险，因此中分带桥墩采用刚性防护对降低碰撞危害更为有利。刚性防护多采用防撞岛结构，即在两端设置混凝土结构，例如防撞墙等，并与桥墩预留安全空间;中部由型钢组成梁柱式护栏，并与两端防撞墙连接成为整体;同时为提高结构整体性，在基础间设置横向系梁(见图3)。该方案侧重于保护桥墩安全，对车辆和人员伤害较大。防撞岛的端部刚度大防撞击能力强，但中部型钢护栏碰撞时会发生变形，如果车辆撞击中部时仍会对桥墩产生一定影响。为增加中部刚度可采用整体式防撞岛，即端部和中部均采用混凝土防撞墙连接成整体形式，但设计时应注意核查中间带空间是否满足防撞墙的设置要求，桥墩与防撞墙满足一定的安全距离，不宜使桥墩紧贴防撞墙。防撞设计时，当中分带桥墩采用刚性防撞岛防护时，桥墩受撞击影响很小，可不验算桥墩撞击抵抗力。
2．2路侧桥墩防护措施探讨
高速公路路侧桥墩防护一般采用波形梁护栏结构。与中分带半刚性防护原则一致，主要目的是保护车辆和人员安全，没有考虑护栏与桥墩相互作用的问题。结合高速公路建设现状，作者认为对路侧桥墩防护设计应更加细化。根据跨线桥重要程度和防撞等级，采用适度、经济、合理的防撞方案，在保护桥梁抗撞的同时尽量兼顾车辆和人员安全。对于新建跨线桥和改扩建项目中的原桥利用的跨线桥路侧桥墩应结合其特点有针对性设计，设计时应根据路基与桥墩的相对距离L值(见图4)采用不同防护方式。(1)当距离L大于相应防护等级的车辆最大动态外倾当量值(VIn)时，根据上述设计思路可采用波形梁护栏防护，该方案对车辆、人员和桥墩的伤害都相对较小，护栏通过变形可避免车辆撞击桥墩，这种情况下路侧桥墩可不考虑抗撞力验算。(2)当距离L不满足条件(1)但大于交安规范［3］3．5．5条规定的最大动态变形值0．6m时，可参照桥梁护栏的设计原则，采用金属梁柱式护栏防护，并通过增加立柱埋深或采用整体式基础等方式提高防撞性能(见图5)，该方案对车辆人员伤害稍大，但对撞击力有较好的折减作用，桥墩抗撞能力需按折减后的撞击力验算。(3)当距离L小于0．6m时，护栏变形空间很小，路侧桥墩应采用刚性防护。该方案对失控车辆和人员伤害最大，但对桥墩防撞保护很强，可不考虑桥墩撞击抵抗力的验算。
2．3桥墩抗撞力的简化计算
车辆撞击桥墩是一个复杂的非线性动态力学过程，为方便计算规范采用“等效静力法”给出了撞击力的等效静力值，并规定当设置有防撞设施时可予以折减，折减后不小于1/6［5］。当折减力没有实测值时，可参考交安设计规范表3．5．5的值计算。由于撞击属于偶然作用，故桥墩按承载能力极限状态的偏心受压构件验算即可。
2．4实例分析
以某高速公路改扩建项目为例，该项目原桥利用的跨线桥包括拖拉机天桥和汽车天桥，上部结构均为钢筋混凝土连续箱梁，下部桥墩为柱式墩，跨线桥具体数据见表1。首先对中分带桥墩进行防撞设计，该项目中分带宽度为3m，根据表1可知中分带桥墩抗撞能力均偏弱，依据设计原则应采用刚性防撞岛防护，同时为加强桥墩正面防撞能力，端部设计成混凝土实体岛头形式，两个岛头之间采用金属梁柱式护栏连接(见图6)。而在路侧桥墩防撞设计时，考虑到大型车辆较多，路侧防护等级提高一级按五级(SA级)设计，桥墩防撞分别采用了刚性或半刚性防护。从表1数据来看，由于拖拉机天桥路侧桥墩与护栏间距L值小于0．6m，而且桥墩抗撞能力偏弱，根据防撞设计原则路侧桥墩应采用刚性防护，本项目路侧刚性防护参照防撞岛形式设计(见图7)，对桥墩的保护能力较好。而对于汽车天桥，通过对表1数据的分析可知，其路侧桥墩与护栏距离L值小于(VIn)值但大于0.6m，设计时可采用半刚性的金属梁柱式护栏，由于汽车天桥的路侧桥墩撞击抵抗力与折减后的撞击力设计值接近，而且护栏与桥墩距离远大于0．6m，对撞击力的折减作用相对较大，故桥墩可不考虑抗撞补强设计。
3结束语
通过以上分析，设计人员应重视跨线桥桥墩防撞设计:(1)在桥位选址时就应注意避开路线指标较差的段落，降低由设计因素发生车辆撞击的概率。(2)在桥梁布孔时应注意满足安全净距或护栏横向变形量的要求。(3)桥墩防撞设计应结合交安设施，避免桥墩不设防或过度设防的问题，与交安设计密切配合，才能确定合理的防撞措施。桥墩撞击力的计算是动力学问题，这与碰撞刚度、汽车重量、车速、撞击角度都有关，目前对车辆、护栏、桥墩三者相互作用关系的研究还较少，防护措施的折减作用需要进一步通过碰撞试验分析总结。现行规范对防撞措施和撞击力的规定也仍需完善。
参考文献
［1］李界全，张南，高闵．桥墩撞击力计算及影响因素研究［J］．公路工程，2018(2)．
［2］陈林，肖岩．桥墩防车辆撞击研究综述［J］．公路交通科技，2012(8)．
［3］中华人民共和国交通运输部．公路交通安全设施设计规范:JTGD81－2017［S］．北京:人民交通出版社，2017．
［4］蒋锐，秦兴治．现役天桥中墩增设组合式防撞体系研究［J］．公路，2020(1)．
［5］中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范:JTGD60－2015［S］．北京:人民交通出版社，2017．
作者:陈连海 单位:辽宁省交通规划设计院有限责任公司