既有旧桥梁组合式护栏事故分析与解决方案

龚 帅,张文豪,刘 航,邓 宝,王 新,闫书明

(1.北京华路安交通科技有限公司，北京 100070；2.山东高速股份有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

高速公路交通事故已经成为影响公路运营效益的重要因素，尤其是对于公路桥梁路段，一般位于高位，一旦车辆碰撞护栏，如果其护栏安全性能有所不足则易发生穿越或翻越护栏后坠落桥下的特大恶性事故(见图1)。根据统计数据表明，车辆穿越或翻越桥梁护栏的一些事故多与早期建造的一种桥梁组合式护栏有关(见图2)，这种组合式护栏是依照1994年发布(现已废止)的“074规范”设计，根据多年的实践防护效果来看，这种早期护栏结构防护能力有所不足，已经无法为当前运营期公路安全提供有效防护，因此有必要针对这种旧桥梁组合式护栏进行升级改造。

(a) 案例一

(b) 案例二

相关文献及工程应用表明利用原混凝土护栏植筋加高的改造方案可行，但存在景观性较差、施工和养护较困难的问题；拆除重建高等级护栏改造彻底，但造价高、施工风险高。本文通过对既有旧桥梁组合式护栏的破坏模式分析与极限抗力计算，以及安全防护性能分析，确定了既有护栏结构安全性能不足并分析原因，然后结合安全、经济、景观及施工方便性，针对既有旧桥梁组合式护栏提出加强钢结构方式的解决方案，采取多种车型通过实车足尺碰撞试验对该方案的安全性能进行评价[1-3]。

图2 既有旧桥梁组合式护栏

1 既有旧桥梁组合式护栏结构

既有旧桥梁组合式护栏下方混凝土基座坡面为新泽西型，上部钢结构由牛角型支架和钢管横梁(φ140 mm×4 mm)组成，钢管横梁的中心高度为1 040 mm；横梁外侧迎撞面与混凝土基座顶部迎撞面边缘齐平。如图3所示为既有旧桥梁组合式护栏结构尺寸。

图3 既有旧桥梁组合式护栏结构(单位：mm)Figure 3 Structure of the existing old bridge built-up guardrail (Units: mm)

2 护栏破坏模式分析及其极限抗力计算方法

图4、图5为既有旧桥梁组合式护栏相关事故案例，从事故中可以看出，车辆碰撞桥梁组合式护栏后，护栏下部多完好无损，而上部的横梁和立柱破坏严重，多处被撞断且长度达10 m以上，说明该护栏上部结构刚度有所不足，且上下结构刚度不匹配，影响了护栏对车辆阻挡功能[4]，在该事故中失控车辆发生了翻越坠落桥下(见图4)；同时，车辆碰撞桥梁组合式护栏后，车头往往不能有效转向，这是由于立柱距离护栏迎撞面过近导致车辆发生绊阻(见图5)，影响了护栏对车辆导向功能[4]。

图4 某高速路出口匝道事故

图5 某高架桥事故

结合事故形态分析，既有旧桥梁组合式护栏的破坏模式主要为两种，即发生在跨中碰撞的破坏模式I和发生在立柱碰撞的破坏模式II(见图6)。护栏的极限抗力取图6(a)和图6(b)所示的两种破坏模式确定的抗力中的较小值[5-6]，计算方法如下：

(a) 破坏模式I(碰撞跨中)

(b) 破坏模式II(碰撞立柱)

(1)

当车辆的碰撞荷载发生在图6(b)所示的立柱处时，最大合成强度为立柱承载能力PP、横梁承载能力R′R和减小后的混凝土墙承载能力R′w之和[5-6]：

(2)

则组合式护栏的极限抗力为：

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

式中：RR为一跨横梁的极限抗力,kN；PP为立柱的极限横向抗力,kN；R′R为两跨横梁的极限横向抗力,kN；Rw为护栏的总的横向承载能力,kN；

R′w为减少后以抵抗立柱荷载的混凝土墙的抗力,kN；H为护栏的有效高度,m；Hw为混凝土墙的高度,m；HR为横梁的高度,m；Lc为屈服线破坏模式的临界长度,m；Lt为碰撞荷载分布的纵向长度,m；Mw为护栏关于其竖向轴的弯曲承载力矩,kN·m；Mb为护栏顶部除Mw之外的横梁附加弯曲承载力矩,kN·m；Mc为悬臂型护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩,kN·m/m。

运用上述方法从理论计算的角度对护栏标准段的横向极限抗力进行了验算，结果表明护栏上部钢结构(横梁和立柱)设计强度偏弱，说明早期建造的这种桥梁组合式护栏结构具有一定不足。

3 护栏防护能力分析

为进一步分析既有旧桥梁组合式护栏的安全防护性能，桥梁组合式试验护栏按1∶1结构尺寸在碰撞试验场上建造，并对该护栏结构进行实车足尺碰撞试验。由于大型车辆穿越桥梁组合式护栏事故较多，重点采用大型客车和货车进行碰撞试验，碰撞条件均为车重10 t、碰撞速度80 km/h、碰撞角度20°[4]，碰撞能量为280 kJ。如图7所示为试验护栏与试验车辆。

图7 试验护栏与试验车辆

图8为大客车碰撞桥梁组合式护栏的试验结果。碰撞该护栏后,大客车车体发生严重倾斜，最后发生翻车；桥梁组合式护栏底部混凝土没有明显破坏，上部钢结构在8 m范围内发生了变形；横梁变形较大，在立柱区域出现了口袋现象；立柱没有明显变形，但是碰撞区域立柱和混凝土墙体的连接螺栓发生了破坏，致使立柱与混凝土基础发生了脱离。图9为碰撞后大货车和桥梁组合式护栏的破坏情况，可见车辆发生解体性破坏，护栏对车辆形成了严重绊阻，立柱距离护栏迎撞面过近是产生该结果的主要原因；护栏构件侵入车辆乘员舱，碰撞区域桥梁组合式护栏的横梁和立柱被全部撞断，进一步说明了上部钢结构相对于下部混凝土墙体的刚度相对较弱，设计存在一定不合理性。

(a) 车辆翻车

(b) 护栏变形

(a) 车辆绊阻后解体

(b) 护栏损坏

通过以上较为系统的碰撞试验可知，既有旧桥梁组合式护栏不满足护栏安全性能指标要求，达不到280 kJ的防护性能，难以满足新交通环境的高等级防护需求，需要对其进行升级改造。

4 解决方案

4.1 加强改造方案

既有旧桥梁组合式护栏上部钢结构和底部混凝土基座刚度不匹配，以及上部钢结构立柱与迎撞面距离过近，是造成桥梁组合式护栏安全防护性能不足的两个重要原因，因此分别从护栏上下刚度匹配性、上部钢结构迎撞面与立柱间距合理性两方面对桥梁组合式护栏上部钢结构进行分析和改造设计。

经分析，桥梁组合式护栏上部钢结构和底部混凝土刚度不匹配的主要原因是横梁结构刚度弱以及上部钢结构和底部混凝土连接螺栓易被拔出失效两方面。对于钢横梁刚度弱，采用矩形管代替原来的圆管，有效提高结构的抗弯性能，同时为提高护栏对车辆的抗倾覆能力，采用双横梁结构，将护栏的有效高度提高；对于上下结构连接螺栓易被拔出问题，将螺栓锚固深度增加，同时提高螺栓强度。钢结构立柱距离迎撞面过近，车辆碰撞后会产生严重绊阻，影响其导向功能，为解决此问题，将防阻块增设在横梁和立柱之间，不仅增加了立柱和迎撞面之间的间距，而且方便安装[7]。

基于以上分析，结合安全、经济、景观及施工方便性，针对既有旧桥梁组合式护栏提出加强钢结构方式的解决方案，加强改造结构设计防护等级为SS级，由钢横梁及内套管、H型立柱、原混凝土护栏基座、锚固螺栓构成。

加强钢结构组合式桥梁护栏构造(见图10)如下：

a.护栏总高度1 305 mm；

b.混凝土墙体为既有旧桥梁护栏砼基座再利用；

c.上部加强钢结构高630 mm，由间距2 m的斜H型立柱(前后翼板与顶部盖板厚8 mm、腹板厚6 mm)、钢管横梁(横梁断面尺寸：160 mm长×120 mm宽×6 mm厚，内套管断面尺寸：144 mm长×100 mm宽×8 mm厚)等组成；

d.地角螺栓型号为10.9级M24，嵌固深度为300 mm(背部)和400 mm(迎撞侧)；

e.立柱与横梁之间、横梁内外套管之间螺栓型号为10.9级M20。

图10 加强钢结构桥梁组合式护栏(单位：mm)Figure 10 Bridge built-up guardrail by strengthening steel structure (Units: mm)

采用前面所给极限抗力计算方法，加强钢结构桥梁组合式护栏标准段的横向极限抗力通过了验算，从理论计算的角度验证了结构合理性。

4.2 方案安全性能评价

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)，对上述加强钢结构组合式桥梁护栏进行实车足尺碰撞试验，表1为SS等级碰撞试验条件。

表1 碰撞条件Table 1 Impact conditions碰撞车型车辆总质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小客车1.510020大客车18.08020大货车33.06020

桥梁组合式试验护栏按1∶1结构尺寸在碰撞试验广场上建造，试验护栏的结构尺寸、材料型号和性能指标均与设计要求一致；设置长度符合标准规定要求。如图11所示为试验护栏。实车足尺碰撞试验依据标准规定进行3种车型的系统实车足尺碰撞验证[4]，如图12所示。

图11 试验护栏Figure 11 Test guardrails

图12 试验车辆Figure 12 Test vehicles

图13为车辆碰撞护栏行驶轨迹图，可见车辆碰撞护栏后顺利导向并平稳驶出，没有发生穿越、翻越和骑跨护栏现象，护栏构件及其脱离碎片没有侵入车辆乘员舱内[4]，阻挡和导向功能满足评价标准要求。同时乘员碰撞速度最大值为6.9 m/s2，乘员碰撞后加速度最大值为72.8 m/s2，均符合评价指标要求，说明护栏的消能缓冲效果良好[4]，图14为小客车碰撞试验护栏的缓冲性能曲线。

(a) 小客车

(b) 大客车

(c) 大货车

(a) 纵向缓冲性能曲线

(b) 横向缓冲性能曲线

加强钢结构组合式桥梁护栏评价指标如表2所示。

表2 护栏各项安全指标Table 2 Guardrail safety indicators阻挡功能导向功能缓冲功能车辆是否穿越、翻越和骑跨试验样品试验样品构件及其脱离碎片是否侵入车辆乘员舱车辆碰撞后是否翻车车辆碰撞后的轮迹是否满足导向驶出框要求乘员碰撞速度/(m·s-1)乘员碰撞后加速度/(m·s-2)护栏最大横向动态变形量D/m护栏最大横向动态位移外延值W/m车辆最大动态外倾值VI/m车辆最大动态外倾当量值VIn/m小型客车测试结果否否否是纵向x为4.1横向y为6.9纵向x为72.8横向y为70.50.000.40——是否合格合格合格合格合格合格合格————大型客车测试结果否否否是——0.300.700.450.70是否合格合格合格合格合格————大型货车测试结果否否否是——0.250.650.700.95是否合格合格合格合格合格————

结果表明，加强改造后的桥梁组合式护栏安全性能指标包括阻挡功能、导向功能和缓冲功能完全满足评价标准的要求，具备SS级(520 kJ)的防撞安全性能[8～13]。

4.3 改造方案应用效果

既有旧桥梁组合式护栏加强钢结构方案由于具备SS级高防护等级，且施工方便、景观较好，已经在高速公路上推广使用，并取得了良好应用效果。图15为既有旧桥梁组合式护栏加强钢结构方案的应用照片。

图15 实际工程应用Figure 15 Practical project application

5 结论

a.通过对既有旧桥梁组合式护栏事故形态进行分析，护栏上结构与下结构刚度不匹配，影响护栏对车辆的阻挡功能；立柱距离护栏迎撞面过近导致车辆易绊阻，影响护栏对车辆的导向功能。

b.提出既有旧桥梁组合式护栏破坏模式，包括发生在跨中碰撞的破坏模式I和发生在立柱碰撞的破坏模式II，并基于此通过极限抗力计算，护栏上部钢结构(横梁和立柱)设计强度偏弱；进一步对既有护栏安全防护性能进行碰撞分析，护栏不满足评价标准安全性能指标要求。

c.结合安全、经济、景观及施工方便性，针对既有旧桥梁组合式护栏提出加强钢结构方式的解决方案，通过采用实车足尺碰撞试验对方案的安全性能进行评价，表明加强改造后的桥梁组合式护栏安全性能指标包括阻挡功能、导向功能和缓冲功能

完全满足评价标准的要求，具备SS级(520 kJ)的防撞安全性能。