混凝土桥墩防车辆撞击设计的国际比较

混凝土桥墩防车辆撞击设计的国际比较

0因桥墩在车辆撞击作用而设安全净区内的桥梁结构随着社会经济的快速发展，道路里程、汽车数量和驾驶能力的不断增加，作为一个交通中心的桥梁面临着越来越严重的威胁，即车辆在桥梁上的损坏。按传统方法设计的桥梁桥墩当遭遇大型车辆的撞击时,将有可能面临垮塌的危险。以下几起车辆撞击桥墩的灾难性事故有助于对其有进一步的了解:1993年,美国阿拉巴马州Evergreen市发生水泥罐车撞击桥墩事故并造成部分桥梁垮塌,司机重伤。更为严重的是,紧随撞击车辆的另外2辆汽车因躲避不及也撞到垮塌桥梁上并致使2位司机死亡。经过调查分析,美国国家交通安全委员会(NTSB)向美国AASHTO及FHWA提出对桥墩进行撞击危险性评估并开展桥墩防撞研究的建议。2004年,美国德克萨斯州CorpusChristi市发生天然气罐车撞击桥墩事故,造成司机死亡,被撞桥墩完全破坏。由图1可以发现,虽然桥墩设置了防撞护栏,但它显然没有起到有效的作用。2009年4月17日凌晨,1辆水泥罐车撞断京珠高速公路湖南耒宜段1座跨线桥桥墩并导致桥面塌陷,同时造成2人当场死亡,1人受伤,相关路段封闭逾60d,事故造成的桥梁维护费用高达数百万元(图2)。更不可思议的是,2010年4月2日,该桥梁桥墩竟然再次被水泥罐车撞击。人们在庆幸其未造成如前次事故那样严重后果的同时,不得不担心它是否有能力抵挡车辆下一次的撞击。事实上,撞击桥墩事故对桥梁结构造成的严重危害已经引起了各国的关注。早在1978年,英国便出版了《钢桥、混凝土桥及组合桥-荷载规范》(BS5400),规定限速在80km/h以上的公路上跨桥墩需要设置防护结构,并考虑一定的车辆撞击力。《欧洲规范1—偶然作用》(BSEN1991-1-7:2006)规定按道路的类型确定桥墩的撞击力特征值,并采用风险评估的方法确定撞击力调整系数。美国AASHTO《桥梁设计规范》(AASHTOLRFDSI-1-1994)规定当路侧安全净区内有桥墩时需设置防撞护栏;除以下情况外,设计桥墩时需要考虑车辆撞击力:(1)桥墩受到路堤的保护;(2)3m内有高于1370mm的防撞护栏;(3)3m以外有高于1070mm的防撞护栏;(4)桥墩或桥台结构距离公路边缘9m以上。我国《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)首次引入了桥墩防车辆撞击的条文,规定桥梁在必要时可考虑汽车撞击作用。虽然桥墩防车辆撞击的设计和研究已进行了几十年,但各国长期以来均采用简单的静力设计法对桥墩进行防撞设计,未能考虑桥墩刚度、延性等参数对撞击力的影响,这与实际情况差别较大。其次,规范中等效静力的理论来源非常含糊。例如美国AASHTO《桥梁设计规范》(AASHTOLRFDSI-1-1994)指出其设计撞击力是根据36t重的牵引-挂车撞击护栏的试验以及其他卡车的撞击分析得到的,但却并没有给出相关的参考文献。我国《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)则直接指出其车辆撞击力的相关规定是参考国外规范得到的。特别地,我国规范目前尚采用单一的、较低的、非强制的撞击力设计值,这对于我国的桥梁安全是极为不利的。为满足人们对交通安全越来越苛刻的要求,同时也为了避免巨额的桥梁维修费用支出,如何对桥墩进行合理的防撞设计已成为目前亟待解决的问题。本文主要就桥墩防护结构和桥墩自身结构方面对桥墩防撞设计研究进行综述分析,并提出目前存在的主要问题及相应的建议。1内均置防护结构由于高速公路中防撞护栏的普遍使用,许多桥墩外侧一定范围内均设置有此类防护结构(图3)。美国AASHTO《桥梁设计规范》(AASHTOLRFDUS-5-2010)明确规定,位于公路路侧安全净区范围内的桥墩应设置防撞护栏。1.1美国《公路安全与运营实践》所谓路侧安全净区是指公路行车方向最右侧车行道以外、相对平坦、无障碍物、可供失控车辆重新返回正常行驶路线的带状区域(图4)。因此,当桥墩位于路侧安全净区外时,失控车辆不会与桥墩发生碰撞。这一概念在早期主要针对车辆安全,防止路侧障碍物对车辆安全构成威胁。但由于车辆与桥梁的相互作用关系,它很自然地被应用到桥梁安全领域。1967年,美国AASHO(AASHTO前身)出版了公路设计“黄皮书”——《公路安全与运营实践》,它是美国官方第1份关于路侧安全设计的报告,而该报告的第2版(1974)则首次引入了路侧宽容设计理念,建议将高速公路安全净区宽度设计为9m。与以前的单一的安全净区设计不同,1977年的《交通护栏的选择、定位与设计指南》将路侧安全净区宽度定义为与交通量、车行速度及路堤坡度等有关的变量。鉴于路侧安全净区虽可有效降低路侧撞击事故,但同时也增加了公路建设的成本,1982年,GRAHAM等对路侧安全净区的宽度设计进行了成本-效益分析,从而得到了各种路段特征下的宽度优化值,即美国现行AASHTO规范建议值。目前各国对路侧安全净区的认识还有较大差别。与美国根据路段特征决定安全净区宽度值不同,欧洲尚有不少国家采用固定宽度的安全净区,例如英国取为4.5m。英国《公路桥梁的车辆撞击荷载设计》(BD60/04)规定距离行车道边缘4.5m以内的上跨桥墩需考虑车辆撞击作用,在此范围之外则需进行撞击风险及撞击后果的评估,以决定该桥墩是否考虑防撞设计或采用护栏等防撞措施。我国《公路交通安全设施设计规范》(JTGD81—2006)规定高速公路及一级公路路侧安全净区内设有上跨桥梁墩台时应设置路侧护栏。不过,该规范尚未给出安全净区宽度的具体设计值。尽管存在不少差异,但采用路侧安全净区作为桥墩是否考虑防撞或设置防护结构的依据已经被多个国家所接受。1.2实车撞击试验实车碰撞试验一直都是检验护栏合格与否最重要的依据。美国联邦公路管理署(FHWA)规定2011年以后研发的护栏等路侧安全设施在应用于国家公路系统(NHS)前必须通过相应的实车碰撞试验。目前各国已经进行了大量的实车碰撞试验,开发出了各种形式的防撞护栏,也形成了各自的护栏碰撞试验评价标准,例如美国NCHRPReport350。然而到目前为止尚未见到专门针对桥墩护栏的试验规范,绝大多数试验都没有考虑到桥墩护栏的特殊性。比如,护栏与被防护物体的间距应确保车辆不会碰撞到物体而导致阻绊或更为严重的后果。对于重心高的车辆,即便护栏与被防护对象间的距离满足护栏变形量的要求,当车辆碰撞护栏后,仍有可能侧翻过护栏进而与障碍物发生碰撞。我国的《高速公路护栏安全性能评价标准》(JTG/TF83-01—2004)总结了一部分试验结果,给出了几种护栏的最大动态变形量,这对于进一步研究桥墩护栏是有益的。2003年,ROHDE等对一种由防撞垫及防撞护栏构成的桥墩防护系统进行了4次实车碰撞试验(图5),得到了护栏的动态水平位移和汽车加速度时程,并对桥墩的损伤情况进行了定性描述。2008年,ROSENBAUGH等针对混凝土护栏碰撞试验中汽车车头会越过护栏从而可能撞击桥墩的现象,研究了混凝土护栏与桥墩的合理设置距离(图6)。在前人试验的基础上确定了混凝土护栏外边缘与桥墩表面之间的距离为425mm,并通过试验验证了这一距离可以保证汽车对桥墩的冲击作用很小,车辆车头的破坏也因此得到显著降低。虽然以上试验将桥墩实体纳入试验研究范围,但研究者没有对车-护栏-桥墩3者之间的影响,例如护栏在降低汽车对桥墩的撞击力方面贡献究竟有多大,进行定量分析,其原因在于研究者的目的是保证车辆人员的安全而不是桥墩的安全。实车碰撞试验具有真实再现整个汽车碰撞过程和试验数据可靠等优点,但也有成本昂贵、不易操控、测量数据有限、试验不能重复等不足。数值模拟技术,特别是有限元模拟技术则可以有效地弥补这一缺陷。自1992年美国国家碰撞分析中心(NCAC)成立以来,该机构开发并公布了众多汽车及道路设施的有限元模型,大大促进了车辆撞击护栏的研究。1999年,MONTELLA等对卡车撞击钢护栏进行了有限元模拟,发现卡车重心位置的变化对撞击后果有较大影响:若卡车重心后移,则卡车翻车的风险提高而翻越护栏的风险降低。与实车碰撞试验的情况类似,目前还鲜有研究者将护栏与桥墩进行联合防撞分析,对于车-护栏-桥墩3者之间的相互作用关系尚待进一步研究。1.3运动轨迹及护栏位移从上世纪90年代起,我国一批学者采用动力学方法对汽车-护栏的碰撞过程进行了简化分析。例如刘少源及丁桦等分别采用柔性梁法和考虑波形梁弯曲性能后改进的柔性梁法模拟了车辆脱离护栏前的运动轨迹以及护栏的位移。赵鸣等、郭军等及石红星等采用刚体运动原理或质量-弹簧系统研究了汽车运动轨迹以及汽车撞击力。李华建立了一种组合型护栏横向位移的计算模型。这些简化分析方法可以对桥墩防护结构的设计提供参考,但由于这些方法对车辆进行了大量简化,因此一方面其分析精度有限,另一方面无法处理大型车辆撞击护栏时可能出现的翻越护栏等问题。1.4跨公路桥梁桥墩的抗冲击能力桥墩附属防撞设施是指外包于桥墩结构表面的起缓冲、耗能作用的防撞设施。通常这些防撞设施采用变形和耗能能力突出的材料,例如泡沫铝或各种复合材料。早期这种附属防撞设施主要用于跨水路桥梁桥墩的防护,但随着车辆撞击桥墩问题的日益突出,一部分学者开始考虑将这种附属防撞设施应用于跨公路桥梁桥墩的防撞。2006年,徐东丰通过摆锤冲击试验研究了采用泡沫铝材料防护的桥墩的抗冲击性能。2011年,张建强等研发了一种新型的复合材料防撞设施,并通过有限元对其抗车辆撞击性能进行了研究。由于车辆和船舶在质量、速度及结构本身等方面的较大差异,防车辆撞击的桥墩附属防撞设施必然有其自身的特点。目前的文献大多是对一些防撞设施性能的定性描述,还远没有形成有效的设计方法。2有足够的空间设置虽然桥墩护栏对桥墩防撞起到了一定的作用,但具体工程中还可能出现以下情况:(1)公路宽度有限,没有足够的空间设置护栏或护栏与桥墩之间的距离不能满足要求(图3)。(2)虽然护栏的设置使得单个事故的严重程度降低,但由于护栏减小了车辆的可行驶区域,必然造成车辆撞击(护栏)事故的增加,其撞击损失总额很可能超过不设置防撞护栏的情况。有鉴于此,对桥墩自身进行防撞设计也是必不可少的。2.1叉车撞击试验现有的车辆碰撞试验数据绝大部分来源于小型汽车的室内碰撞试验,而针对大型卡车的碰撞试验寥寥无几,相应的有限元分析也十分有限。2005年,EL-TAWIL等首次采用LS-DYNA软件对小型和中型卡车(图7)撞击桥墩进行了有限元模拟,图8为分析得到的中型卡车撞击力时程曲线。由于最大撞击力持续时间很短,桥墩来不及对此做出反应,作者认为等效静力(这里指其对应的位移与最大动态位移相等的静推覆力)比最大撞击力更适于桥墩防撞设计。通过比较等效静力与AASHTO规范中的设计撞击力(1800kN),作者发现,在某些情形下该规范会使设计偏于不安全。另外,分析还指出,2种卡车对应的等效静力均大致与汽车撞击速度呈线性关系。事实上,若将车辆撞击结构物简化为双自由度质量-弹簧模型,则可推知被撞结构物的位移与撞击体速度成正比,从而得到上述等效静力与汽车撞击速度成线性关系的结论。但还必须认识到这种模型是高度简化的,是否能够用于设计,还需要更多计算模型和试验的验证。2010年,BUTH等总结了美国历年发生的大型卡车撞击桥墩事故,发现桥墩的破坏形态主要表现为剪切破坏。这与2009年京珠高速耒宜桥梁桥段受撞破坏形态一致。通过对卡车撞击刚性桥墩进行有限元模拟,得到以下结论:(1)发动机与车厢货物撞击桥墩分别形成了撞击力时程曲线中的2个峰值;(2)桥墩直径对车辆撞击力的大小影响不大;(3)车厢货物的刚度特性对撞击力的大小影响很大。作者利用实际桥墩撞击事故数据对大型卡车撞击桥墩进行了概率预测并得到以下结果:(1)带中央分隔带公路中的桥墩被撞概率比不带分隔带公路中的桥墩高;(2)位于公路曲线段的桥墩被撞概率比直线段的桥墩高,并且被撞概率随着曲线弧度增大而增大。(3)每公里桥墩数越多,被撞概率越大。BUTH等首次采用牵引-半挂车对桥墩进行了实车碰撞试验(图9),试验卡车重36t,撞击速度约80km/h。由于试验控制的问题,1号试验卡车与桥墩中心有一定偏移,而2号试验卡车则与桥墩对中撞击。试验测得的桥墩上下支座处撞击反力的合力如图10所示,可以看出,2个试验得到的撞击力有不少差别,特别是在碰撞前期。其原因很可能是1号试验中卡车发动机与桥墩未对中碰撞,造成前期撞击力较小。根据试验和分析结果,作者给出以下建议:(1)设计撞击力作用方向取与车道方向成0～15°的夹角方向,作用高度由AASHTO规范中的路面以上1.2m提高至1.5m;(2)设计撞击力由原来的1800kN提高至2700kN。2.2单自由度质量-弹簧模型传统的结构设计是基于承载力的设计,桥墩防撞设计也是如此。为了对桥墩自身进行防撞设计,最重要的是得到车辆的撞击力。表1列出了中、美、英规范对车辆撞击力的规定。可以看到,英国规范对桥墩的防撞设计要求最为严格与细致,美国其次,而我国规范的要求最低。车辆撞击力的确定方法主要包括实车碰撞试验、数值模拟和集中质量模型计算3类。美国AASHTO《桥梁设计规范》(AASHTOLRFDUS-5-2010)中的车辆撞击力便是实车碰撞试验与数值模拟确定的结果。《欧洲规范1—偶然作用》(BSEN1991-1-7:2006)附录C则建议采用单自由度质量-弹簧模型计算车辆撞击力,即F=vrkm−−−√F=vrkm,并取车辆弹性刚度k=300kN/m。文献采用弯曲杆单元、单质点弹簧分别模拟桥墩与车辆,对碰撞过程进行了仿真分析,并建立了刚性和柔性2种车辆刚度下桥墩内力(弯矩)的简化计算方法。与规范中采用等效撞击力进行桥墩设计不同,作者直接采用考虑了惯性效应的桥墩弯矩最大值进行设计。FUJIKAKE等采用双自由度质量-弹簧-阻尼模型计算冲击体(落锤)与混凝土构件的冲击力时程及构件位移(图11),并考虑了构件的非线性、应变率效应及混凝土构件的局部破坏对构件整体效应的影响。显然,由于实际车辆碰撞过程伴随着强非线性特征,且不同车型差别很大,因此能否选择合理的车辆等效刚度是上述集中质量模型应用的关键。3新型桥墩设计方法由前述可知,桥墩防撞设计包括防护结构防撞和桥墩自身防撞2种方式。前者可以有效降低车辆对桥墩的撞击作用,但需要较大的设置区域,有时还会因此导致更高的撞击概率。后者则不需要额外的设置区域,并且省去了护栏维护的麻烦。将2者结合起来进行桥墩的联合防撞设计是一种合理的设计方法,其基本流程如图12所示。目前桥墩防车辆撞击设计尚处于起步阶段,许多关键问题还没有解决,具体包括以下几点:(1)车辆撞击力数据严重缺乏,规范中确定的等效静力设计值缺少依据。(2)在抗冲击设计领域,广泛采用的是等效静力的设计方法,因为它简单易行,且符合传统的结构设计习惯。然而研究表明结构在静力和冲击动力作用下的破坏形态不完全相同,因此仅仅依靠等效静力进行桥墩的设计是不够的,还要考虑冲击作用下结构破坏的特点,并得到相应的配筋设计方法。(3)传统的路侧护栏设计关心的主要是撞击车辆的运行轨迹及车内人员的安全,对撞击后护栏的反应往往不够重视。然而桥墩护栏的设计则不然,它除了保证一般撞击车辆的运行轨迹及车内人员的安全满足要求