高速公路中央分隔带桥墩防护设计分析.pdf

总656期2023年第26期（9月 中）收稿日期：2023-03-02作者简介：潘宝宁（1990），男，宁夏银川人，工程师，研究方向为公路交通安全设施设计。高速公路中央分隔带桥墩防护设计分析潘宝宁（宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750000）摘要：为解决跨线桥中央分隔带桥墩防护问题，以具体工程为依托，结合公路建筑界限及防护设施缓冲变形要求，针对不同桥墩尺寸、不同防护型式，分别用软件模拟计算防护设施碰撞变形量，判断桥墩与防护设施之间净距是否满足变形量要求，以此确定防护方案可行性。计算分析结果表明，波形梁护栏变形量较大不适用一般宽度中央分隔带桥墩防护，钢筋网混凝土薄壁墙防撞岛可用于大尺寸桥墩防护，混凝土护栏+金属横梁防护可用于相对小尺寸桥墩防护。关键词：跨线桥；中分带；桥墩；金属横梁；薄壁墙；防撞岛中图分类号：U442.5文献标识码：A0 引言在高速公路改扩建中，4车道高速公路桥梁一般可以单孔跨越，但对于 6 车道以上高速公路采用 1 孔跨越，跨径和梁高均增加较大，常规预制结构跨径难以满足，需要采用现浇、悬浇或钢结构桥梁，但其建设成本较高，而在中央分隔带设墩可减少近一半跨径，大幅降低桥梁规模及工程造价，同时由于减少了上跨桥梁高度，可降低桥梁占地及借方填筑，因此中分带设置桥墩在桥梁设计中被广泛采用。为保障上跨桥行车安全，桥墩防护尤为重要，防护设施既要保证公路建筑限界又要满足变形量要求。鉴于此，本文将对两种新型刚性防护设施进行分析，模拟计算各防护设施碰撞变形值，对比确定各尺寸桥墩分别适用的防护型式，可为类似工程提供参考。1 工程概况本文以乌海玛沁公路（宁夏境）某段工程两种尺寸桥墩为例，对中分带桥墩防护方案进行分析。工程中天桥上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁，下部结构采用独柱墩、肋式桥台、钻孔灌注桩基础，中分带花瓶矩形独柱墩尺寸为 4 m（顺行车方向）1.2 m（垂直行车方向）；匝道桥跨越被交高速时，在被交高速中分带设置独柱矩形墩，尺寸为 1.6 m（顺行车方向）1.3 m（垂直行车方向）。根据 公路路线设计规范（JTG D202017）要求1，公路建筑限界范围内不得有任何障碍物侵入，乌玛高速项目路段设计速度为100 km/h，双向4车道，路基宽度为26 m，左侧路缘带宽度为0.75 m，中央分隔带宽度为2 m，侧向余宽C值为0.25 m，留给设置护栏可利用有效宽度为2-0.25 2=1.5m。公路交通安全设施设计细则（JTG/T D812017）6.2.4条提出：当防护的障碍物低于护栏高度时，宜选择护栏最大横向动态位移外延值；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。根据交通量预测结果，本项目路段大型车占比小于20%，应考虑中央分隔带护栏面距其防护的障碍物的距离大于护栏最大横向动态位移外延值。2 中央分隔带桥墩防护方案常见桥墩防撞设施有半刚性波形梁护栏、混凝土防撞岛、刚性混凝土护栏。早期对桥墩防护相对薄弱，多根据 公路交通安全设施设计细则（JTG/T D812017），采用加强型波形梁护栏，但2017版规范中要求选取护栏型式时应考虑护栏碰撞后的变形量。波形梁护栏属于半刚性护栏，碰撞后变形量较大，多数情况下不满足现行规范变形值要求。混凝土护栏是现行规范中采用的桥墩防护方案，对桥墩作围绕包封处理，但需要中央分隔带整体加宽或在桥墩处设置局部加宽渐变段。加宽中央分隔带会增加公路占地，局部加宽会导致公路线形扭曲不顺畅，影响行车舒适性或行车安全。因此，设计上极少采用加宽中央分隔带设置混凝土护栏包封方案。新型低变形量防撞护栏，防护性能较高，变形量较低，能够减小设施受碰撞的概率，但均涉及专利产权，造价相对较高，工程中有用于ETC124交通世界TRANSPOWORLD门架防护的工程实例，尚未大面积推广使用。2.1 波形梁护栏防护根据公路交通安全设施设计细则（JTG/T D812017）6.2.3条，本项目中分带一般路段应设置Am级护栏，为保障桥梁结构安全，设计时中分带桥墩提高等级采用SB级护栏。若采用SB级波形梁护栏，护栏板结构宽度为8.5 cm，立柱间距一般为2 m，参照公路交通安全设施设计细则（JTG/T D812017）6.2.7条中，SB级波形梁护栏小型客车碰撞变形值为85 cm，中型客车为134 cm。对于天桥4 m1.2 m独柱墩，SB级护栏立柱间距为2 m，无法跨越天桥桥墩，若采用4 m立柱间距，扣除桥墩宽度 1.2 m 后防护设施可利用宽度为 30cm，护栏板背面距桥墩距离（30-8.52）/2=6.5cm，仍不满足波形梁护栏碰撞变形要求；对于匝道桥 1.6 m1.3 m独柱墩，扣除桥墩宽度1.2 m后防护设施可利用宽度为20 cm，虽立柱可避开桥墩布设，但护栏板背面距桥墩距离（20-8.52）/2=1.5cm，也不满足波形梁护栏碰撞变形要求。因此，采用波形梁护栏方案不满足规范要求。2.2 混凝土护栏+金属横梁防护相关研究表明刚性护栏几乎不变形。为满足护栏变形和公路建筑限界要求，设置刚性防护设施。若采用常规 SB 级 F 型混凝土护栏，护栏本身结构宽度为48.3 cm，考虑到 F 型混凝土护栏可占用 C 值宽度 12.5cm后，中分带可利用有效宽度为1.75 m，扣除桥墩宽度后两侧无位置设置混凝土护栏。因此拟在桥墩前后设置混凝土护栏，桥墩处断开采用其他防撞性能好、变形量小的设施。以往工程刚性防撞设施多采用船型岛头，施工时岛头浇筑支模相对不便，且与波形梁护栏无法平直搭接，存在角度，搭接不牢固，撞击时最先碰撞面为波形梁护栏，船型岛头降能消能作用不明显，现工程中多采用圆形岛头。本方案桥墩前后对称设置钢筋混凝土护栏，端头渐变为圆形防撞岛头，岛头侧壁上留有凹槽，方便与正常路段上的波形梁护栏过渡段衔接；桥墩处两侧设置从上到下排列的金属横梁，金属横梁阵列中的任一金属横梁的一端与提前预埋在混凝土护栏中的金属槽钢对焊而成，空腔内灌注混凝土以防锈蚀；同时为提高结构整体性，桥墩前后混凝土护栏之间设置横向钢筋混凝土加劲肋，桥墩处竖向设置两根槽钢作为加劲连接件，使多根金属横梁共同受力；底部铺筑80 cm厚钢筋混凝土基础，基础施工时预埋混凝土护栏钢筋，使基础与混凝土护栏连成一体，增强防撞体防撞性能；两侧防撞墙之间空隙填砂砾，顶部回填种植土绿化或采用六棱砖铺筑，防撞设施和桥墩外设置黄黑立面标记。图1、图2分别为防撞设施横断面布置设计图和工程现场实际效果照片。乌玛高速匝道桥独柱矩形墩（尺寸 1.6 m1.3 m）采用上述方案，鉴于此桥墩位于弯道下坡处，大型车比例较高，为提高防撞等级，设置HA级混凝土护栏，金属横梁采用型号为 16 槽钢，桥墩处加劲肋净距为2 m，槽钢安装后距离桥墩最小距离为10 cm，经软件模拟计算槽钢碰撞后最大变形为2.8 cm，碰撞变形后不触及桥墩，可较好保证桥墩安全。天桥花瓶矩形独柱墩（尺寸4 m1.2 m）若采用上述方案，桥墩处加劲肋净距至少4 m，槽钢安装后距离桥墩最小距离为15 cm，经模拟计算后槽钢最大变形为26 cm，碰撞变形后触及桥墩将力传递至桥墩，影响桥墩结构安全，因此该方案不适用设置大尺寸桥墩防护，可作为小尺寸矩形墩、圆形墩及多柱式桥墩防护。2.3 钢筋网混凝土薄壁墙防撞岛对于类似乌玛天桥花瓶矩形独柱墩（尺寸4 m1.2 m）等尺寸相对较大的桥墩，采用钢筋网混凝土薄壁墙防撞岛，防撞岛侧壁采用钢筋网混凝土薄壁墙，设置圆形岛头并留有凹槽方便与正常路段波形梁护栏搭接，空隙部分填充细沙，起到缓冲消能作用，避免碰撞力直接传导至桥墩。经计算薄壁墙最大厚度()150-120/2=15(cm)，但墙壁紧贴桥墩无缓冲变形余地，不满规范要求，若将薄壁墙厚度调整为12 cm，桥墩与墙壁间75 cm路缘带 25 cm40.9中央分隔带30 cm厚种植土200 cm25 cm40.975 cm路缘带填砂砾槽钢12.512.5130 cm图1 防撞设施横断面布置图2 工程现场实际效果照片125总656期2023年第26期（9月 中）距为3 cm，缓冲变形空间较小，若继续降低墙壁厚度会造成施工不便且影响防撞性能。根据 公路路线设计规范（JTG D202017）中6.3.1条注解：设计速度为120 km/h、100 km/h时，受地形、地物限制的路段或多车道公路内侧仅限小型车辆通行的路段，可论证采用最小值。本路段设置大型车靠右标志，并采用分车型分车道限速方式，内侧为小客车车道，外侧为货车车道，因此可认为项目路段内侧主要通行车辆为小型车，且此处受桥墩尺寸限制，为保证建筑界限，跨线桥宽度范围内路缘带采用规范最小值 50 cm，其他正常路段仍然采用一般值 75 cm，桥墩前后设置 50 m 渐变段，中分带宽度由正常路段200 cm 渐 变 为 250 cm。调 整 后 薄 壁 墙 最 大 厚 度()200-120/2=40(cm)。为保证墙壁不紧贴桥墩并留有缓冲变形余地，采用12 cm厚钢筋网混凝土薄壁墙，墙壁与桥墩净距为40-12=28(cm)，缓冲变形空间相对较宽，因此认为此方案可行。图3、图4分别为防护设施平面布置设计图和工程现场实照。为进一步加强护栏防撞能力，在桥墩前后两侧薄壁墙之间设置横向支撑，顶部回填种植土绿化，为提升景观效果，也可采用六棱砖铺筑。为加强此处警示效果，在桥墩及防撞岛迎车面贴黄黑相间立面标记、设置警示标志，提前配合设置纵向减速振动标线，提醒驾驶员减速行驶4。此方案压缩左侧路缘带 25 cm，一定程度上影响了局部线形美观性，天桥桥墩均位于直线段，行车安全基本不受影响，相比之下，此方案可作为条件受限时大尺寸独柱墩的防护方式，也适用于其他小尺寸或多柱桥墩防护，工程中可将压缩宽度的非标准F型混凝土护栏作为墙壁，但相关研究表明货车车尾处车辆最大动态外倾当量值：F型加强型单坡型，本文不再详细分析。4 结束语跨线桥在中央分隔带内设墩可以有效减小桥梁跨径和规模，节约造价，但其防护需特殊设计。防护设施选择应在满足公路建筑界限前提下，尽量采用无变形或变形量较小的防撞设施，具备良好的消能、缓冲、导向作用，桥墩与防撞设施应留有一定缓冲变形余地，避免撞击力直接传导至桥墩，保证桥墩结构安全。参考文献：1 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路路线设计规范：JTG D202017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.2 交通运输部公路科学研究院.公路交通安全设施设计细则：JTG/T D812017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.3 交通运输部公路科学研究院.公路交通安全设施设计规范：JTG D812017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.4 张灿华，刘樊程.高速公路中央分隔带桥墩防护设计方法J.交通世界，2019（10）：80-81.填砂（顶面用混凝土六棱砖砌护）接SB级波形梁护栏槽口中分带边线C25混凝土1006020552060100100中分带墩身25017625121225R100图3 防护设施平面布置图4 工程现场实照（上接第123页）的注意事项。同时检测不同水泥掺量、早强剂掺量对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响。研究表明水泥稳定碎石混合料可用于低温环境下高等级公路修建中。参考文献：1 高建强.低温环境下水泥稳定碎石基层施工技术研究D.天津：河北工业大学，2018.2 王福胜.公路大厚度水泥稳定碎石基层施工技术J.交通世界，2022（19）：152-154.3 胡宇龙.公路工程水泥稳定碎石基层施工技术的应用研究J.四川水泥，2022（8）：254-256.4 徐野,孙宇航.水泥稳定碎石基层双层连铺施工工艺及质量控制J.公路，2020，65（6）：134-138.126