李 雷，徐小靖，冯 晶
(1.中亿丰建设集团股份有限公司,江苏 苏州 215000; 2.苏交科集团股份有限公司,江苏 苏州 215000)
近一段时期以来,国内发生多起重特大交通安全事故,如2017年8月陕西安康大客车撞击隧道事故、2018年10月重庆万州长江二桥公交车坠江事故等,给桥梁安全防护工作敲响了警钟。在此背景下,江苏省交通运输厅相继出台了一系列通知,决定在全省范围内开展提升公路桥梁安全防护和连续长陡下坡路段安全通行能力专项行动。本项目桥梁由于发生过多起人员伤亡的交通事故,被苏州市政府列为2020年度90项重大安全生产事故隐患整改项目之一,实施市级挂牌督办。
1 工程概况
本项目桥梁跨越苏州太湖风景区,分两幅,东幅桥全长4 204 m,西幅桥全长4 358 m,两幅桥的结构形式一致。单幅桥宽12.8 m,路幅布置为0.5 m护栏+7.5 m车行道+2.5 m硬路肩(非机动车道)+2 m人行道+0.3 m石材栏杆,两幅桥之间的“天窗”净宽1.5 m,桥梁总宽26.6 m,除通航孔采用预应力混凝土箱梁外,其余均采用预应力混凝土空心板梁。线路等级为二级公路兼顾城市主干道,限速60 km/h。桥梁现场照片如图1所示。
桥梁位于饮用水源二级保护区范围内,施工期对水质及环保要求较高。人行道板下布置有16孔φ16 cm 10 kV及以下电力管线,采用混凝土包裹。现状人行道侧石为净高30 cm、厚15 cm的钢筋混凝土侧石。
现状人行道外侧栏杆高1.1 m,为细石混凝土结构,防撞能力不足,主要依靠净高30 cm的侧石防护车辆安全。由于桥梁位于太湖风景区,对桥梁景观要求较高,现状栏杆造型、色彩与桥梁结构较好的融为一体,早已被当地人们所接受和认可。
2 防撞能力提升设计方案比选
根据《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》(交通运输部办公厅,2019年4月)及江苏省交通运输厅有关文件,结合国内其他项目改造案例,设计共提出三个提升桥梁护栏防撞能力的方案,主要区别在于增设或改造护栏的位置不同:1)在硬路肩(非机动车道)内设置,如图2所示;2)在人行道外侧设置护栏,需拆除现有栏杆,如图3所示;3)在人行道侧石位置增设护栏,见图4。
2.1 硬路肩内增设防撞护栏
在硬路肩内设置防撞护栏,不仅可以起到保护机动车不会坠入湖中,还可以防止机动车撞击非机动车以及行人。在满足机动车道右侧硬路肩宽度不小于75 cm的条件后,扣除防撞护栏宽尺寸,硬路肩范围内可供非机动车通行的路面宽度仅为1.45 m(见图2),不满足《城市道路路线设计规范》关于非机动车道宽度的要求。考虑到该桥梁兼顾城市桥梁功能,硬路肩在实际交通功能中用以通行非机动车,因此该方案难以被交警部门接受。
2.2 人行道外侧栏杆改建为防撞护栏
本桥梁连接太湖风景区和该区域重要的旅游度假区,现状人行道侧栏杆造型和材质为与周围环境和文化较为协调,桥梁建成年代较长,人们在心理上早已接受该人行道栏杆。若将现状栏杆更换为金属或混凝土防撞护栏,则栏杆外观较“硬”,与桥梁柔和的造型与桥位处典型的江南文化的“软”不协调,同时,对桥梁的外观也有较大改变,景观有较大影响,因此该方案业主和市民难以接受。
2.3 人行道侧石位置增设防撞护栏
前两个方案业主较难接受,为此,设计提出在人行道侧石位置增设防撞护栏的方案。该方案不仅能起到防止车辆坠入湖中的目的,还能防止车辆撞击行人。同时,桥梁人行道外侧的现有石材栏杆可完全保留,护栏设置在人行道侧石位置,基本不影响大桥的整体景观风貌,施工期间对水域、水质、生态没有任何不良影响。为最大限度降低增设的护栏对现有桥梁景观的影响,设计采用“融入”的景观设计手法,选用有一定造型的、适合桥位周边文化和自然景观的护栏立柱,同时,将栏杆和侧石均涂装成乳白色,与现状人行道外侧栏杆颜色保持一致。因此,业主倾向采用此方案。通过对以上三种防撞护栏方案的比较(见表1),最终推荐方案三,也为业主所接受。
表1 护栏方案比选表
3 增设护栏设计方案
3.1 防撞护栏等级选取
根据江苏省人民政府《关于全省县级以上集中式饮用水水源地保护区划分方案的批复》(苏政复[2009]2号)文件内容,项目桥梁位于饮用水源二级保护区范围内,护栏防撞等级满足设计规范即可,不需要额外提高。
本项目桥梁属于二级公路,设计速度为60 km/h,部分桥梁段位于二级水源保护区范围内,车辆事故严重等级为“中”。依据JTG/T 81—2017公路交通安全设施设计规范规定,确定本项目桥梁护栏的设防等级为三(A)级。
对于组合式护栏,按照JTG/T D81—2017公路交通安全设施设计细则第 6.3.5 条的规定:各防护等级组合护栏的高度可在同等级混凝土护栏高度80 cm的基础上增加 10 cm,即护栏高度不低于81+10=91 cm,本项目设计护栏高度拟定为100 cm,满足规范要求。新增护栏设计断面见图5。
3.2 防撞护栏总体设计方案
护栏采用不锈钢材质,立柱采用铸造成型的整体式结构,立柱间距为2 m,横管为φ127×6 mm的圆管,钢结构高度70 cm,侧石高度30 cm,护栏总高100 cm。护栏立柱所需锚固宽度至少35 cm,而现状钢筋混凝土侧石横向宽度仅为15 cm,无法布置立柱,故需要增加侧石横向宽度。
人行道下布设有众多强电管线,且用混凝土包裹密实,所以往人行道内侧加宽侧石是不可行的,因此设计考虑往硬路肩一侧新增厚度20 cm的梯形混凝土基座用以布置金属护栏立柱,如图6所示,同时也增加了侧石的美观和趣味。新增加的梯形混凝土采用水平植筋的方式与现状侧石形成整体共同受力。
根据老桥检测报告中显示,桥梁始建于1994年,梁体结构多处出现破损、露筋等病害,评定等级为2类桥梁,因此,增设护栏时不宜过多增加桥梁恒荷载、不宜对现状桥梁空心板进行植筋施工,且不宜采用大型施工机械。为此,如图5所示,设计考虑凿除紧挨人行道侧石的1 m宽路面,凿除至梁结构顶面,凿除总厚度为20 cm,含10 cm沥青混凝土和10 cm混凝土铺装。凿除后水平放置护栏立柱锚固螺栓,恢复16 cm厚的C50混凝土铺装和钢筋网,然后铺筑4 cm厚的沥青混凝土。
对于老桥结构来说,增加的恒载仅为护栏立柱基座的梯形混凝土以及钢结构护栏的自重,恒载增加值合计约1.1 kN/m。经验算复核,桥梁结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态均满足设计期的有关规范要求。
3.3 防撞护栏抗倾覆验算
根据规范JTG B05-01—2013公路护栏安全性能评价标准实验车辆的主要技术参数指标,三(A)级护栏选取1.5 t的小客车及10 t的中型客车,10 t的中型货车分别计算实验车辆的抗倾覆有效高度(护栏考虑Z=0.3 m的变形量)。根据项目实际情况补充验算大型客车实验车辆的抗倾覆有效高度(大型客车按照防护等级提高为SA级计算,护栏考虑Z=0.45 m的变形量)。
经计算,小客车的抗倾覆高度为0.487 m,中型客车的抗倾覆高度为0.406 m,中型货车的抗倾覆高度为0.608 m,大型客车的抗倾覆高度为0.746 m,护栏横梁平均高度为0.770 m,规范规定的三(A)防护等级三种车型及补充计算的大型客车抗倾覆计算均满足要求。
3.4 防撞护栏车辆撞击计算
依据JTG B05-01—2013公路护栏安全性能评价标准,确定设防等级为三(A)级的试验碰撞车辆为1.5 t小型客车、10 t中型客车、10 t中型货车。
依据JTG D81—2017公路交通安全设施设计规范计算车辆作用在护栏上的最大横向力[1]:
考虑护栏横向动态变形值为0.3 m,分别计算三(A)级防护等级下小型客车、中型客车、中型货车三种不同车型的汽车碰撞力,得到各车辆最大碰撞力如表2所示。
表2 各车辆横向碰撞力计算值
计算可得:在三(A)级防护等级条件下各试验类型车辆作用在护栏上的最不利横向力大小为177.9 kN。根据有关规范对护栏承载能力、抗倾覆、螺栓承载力等进行了验算,均满足规范要求。
4 基座连接设计
为减少对现状桥梁的破坏,且避免对桥梁主体结构的破坏,本次方案采用对现状桥面混凝土铺装分块拆除[2](与护栏立柱对应),在现状铺装内预埋前排螺栓至梁顶,老桥混凝土铺装内的钢筋网完全保留;后排螺栓采用植筋方法,然后浇筑桥面和基座混凝土[3],摊铺桥面沥青混凝土(沥青铺装厚度减小为4 cm),基座连接如图7所示。完工后效果图如图8所示。
5 施工方案
分段封闭非机动车道,在机非分隔处设置围挡,形成施工作业区。为保护桥梁结构安全,采用小型机械进行桥面铺装凿除(横桥向凿除1 m宽),露出原桥面铺装钢筋网。预埋防护护栏地脚螺栓,绑扎钢筋网,然后重新浇筑1 m宽的混凝土铺装,厚度为16 cm,强度等级为C50,最后铺筑4 cm沥青混凝土并恢复标志标线。本项目桥梁对景观要求较高,因此,人行道侧石侧面和顶面均进行了真石漆的喷涂(见图9)。
6 结语
在进行桥梁防撞能力提升设计中,要根据项目的位置、文化和环境要求,遵循安全、美观、环保的原则,合理选择桥梁护栏等级、外形并确定护栏合适的设置部位。防撞护栏与老桥结构的连接方式应根据实际情况灵活选择,既要考虑连接的可靠、耐久,也要考虑老桥结构的安全。
