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铁路桥墩防撞设计研究

2019-10-21王晓宁

装饰装修天地 2019年2期
关键词:防撞设计研究

王晓宁

摘   要:铁路作为我国交通运输的大动脉,是国民经济发展的重要力量。随着国家经济的发展,相继修建了大量的铁路,跨越道路、江河等的桥梁越来越多。随着大中型货车数量的增加和船舶设计的大型化,桥梁面对的撞击可能也日渐增加。桥梁的安全与稳定关系着铁路运输的安全。本文通过对铁路桥墩防撞设计的研究,重点对汽车撞击桥墩的危害进行设计阐述,为铁路桥墩防撞设计提供一些建议和参考。

关键词:铁路桥墩;防撞;设计研究

1  前言

铁路作为我国交通大动脉,承载了我国一部分货物和人员的运输任务。作为设计者要在设计过程中保证铁路结构的安全,这是我们每一位设计者的责任和义务。就铁路桥梁而言,在桥墩设计过程中需要充分考虑各种工况下外力撞击的影响。在汽车撞击桥梁事故中,失控车辆不仅对桥梁和铁路行车安全造成了很大影响,同时也威胁着人们的出行安全,因此桥墩防护设计就显的尤为重要。

铁路桥墩桩基一般多为群桩桩基,且各桩基之间形成了相对独立的关系。同时,在分析铁路桥墩防撞设计中可以发现,桥墩的刚度和桥墩的延展性等参数都影响着桥墩对铁路撞击力的影响,铁路桥梁与墩柱之间的距离限制较为严格。在对铁路桥墩防撞击设计过程中,若对铁路桥墩防撞设计的具体限定条件考虑不足,可能导致桥墩受到撞击后发生位移、刚度降低以及震动力影响列车通过等情况发生,对线路运营安全产生不利影响。因此,在铁路桥墩设计过程中,按规范要求进行的撞击力验算有时并不能满足一些特殊情况的需要,还应对桥墩外部进行防护设计。本文重点对铁路上跨公路桥的桥墩防撞实施设计进行介绍。

2  铁路桥墩防撞设计原则

对铁路跨公路桥的桥墩进行防撞设计过程中,必须要考虑铁路桥墩的弹性和塑性变形。在对铁路桥墩进行防撞设计的过程中,首先需要根据铁路桥墩产生撞击的原因及撞击后的损坏程度进行一定的了解,其次,根据对铁路桥墩撞击荷载设计和验算基础上,根据道路等级、环境等因素为铁路桥墩选择设计合理的防撞结构,提高桥墩的安全性。

国内目前铁路上跨公路桥的桥墩常用的防撞结构有波形护栏和钢筋混凝土防撞墙。其中,波形护栏的刚度低,防撞吸能效果较好,常用于一般等级公路的防撞设计。钢筋混凝土防撞墙可以根据实际需要,对结构尺寸进行特殊设计,这种设计多用于高等级公路以及严格要求防撞的路段。通过设置防撞结构,大大的提高了铁路桥墩的抗撞击能力和抗震能力,同时大幅度提高桥墩的安全性和稳定性,保障了线路的使用寿命。对于道路在车辆行进方向两侧安全范围内的所有桥墩都应设置相应的防撞结构。

2.1  公路路测安全净区

目前,国外经常通过公路路侧危险度的研究来完善道路防撞设施,而我国对这方面研究较少,而且该理论的适应范围有限,一般只适用于无侧向防护的道路。

在设计无防护措施的铁路跨越公路的桥墩防撞设施过程中,需要考虑公路路侧安全净区。所谓安全净区指的是公路方向最右侧车道以外的无障碍物,同时可以为失控车辆提供正常返回路线的行驶区域。

当铁路桥墩位于安全净区外侧时,失控车辆可以避免与桥墩发生碰撞。最早这类安全净区通常针对车辆的安全而设计,避免车辆在行驶过程中发生安全事故,对人身安全造成威胁。

随着我国道路交通的发展,目前大部分高等级公路采用波形护栏或防撞护栏对道路进行全封闭,因此该模型不适用于对这一类公路进行防撞结构设计。在这种工况下,车速快、载重大、超载以及超速严重的大型货车撞击力可以达到1500kN以上,撞击力和破坏力相对惊人。现行《铁路桥涵设计规范》规定顺行车方向撞击力采用1000kN显然不能完全适用于所有工况。

2.2  防撞结构设计原则

在对铁路桥墩进行防撞设计过程中,首先应当保证设计的防撞结构具有良好的强度、刚度、抗腐蚀能力以及抗震能力。同时,在防撞结构设计的过程中,应当保持防撞结构的安全性和可靠性。其次,在防撞结构设计的过程中,应当根据所处环境选择符合铁路桥墩实际情况的设计方案。最后,防撞结构的设计应当保证低成本、高质量,同时与周围环境相协调的设计外观。

目前,桥墩防撞设计的指导原则尚无统一标准。公路车辆类型众多,例如以载重量为标准可划分为轻型、中型和重型,各类车辆对桥墩构成的潜在危险程度是不一样的,要求桥墩在重型车辆的撞击下仍保持完好无损無疑是不明智的。因此,当桥墩考虑重型车辆撞击时,建议以桥梁受到撞击时不影响铁路行车安全为设计的指导原则。

3  铁路桥墩防撞设计思路

在铁路桥墩防撞设计过程中,不仅需要考虑撞击后的桥墩安全,同时还要考虑车辆在撞击后的状态,如变形、破损等情况,避免发生严重的交通事故。因此,在铁路桥墩防撞设计的过程中,应当加入双重保护的理念,使得车辆动能能够最大程度的转换为防撞的动能,同时最大限度保证车辆的安全性和稳定性。在铁路桥墩防撞设计的过程中,针对铁路的设计可以借鉴国内外成功的桥梁防撞结构设计经验。对于铁路桥墩防撞击设计思路如下。

首先,在防撞结构设计的过程中,应当运用等效静力法对防撞结构进行设计验算。这种方法操作简单,并且易于运行,符合传统的设计要求和结构设计习惯。然而通过国内外研究学者的研究结果表明,在设计这类结构的过程中,静力和冲击力在互相作用时破坏形态大不相同,所以仅仅通过传统的设计方式无法满足防撞设计的要求。

其次,在对传统的路侧波形护栏进行设计的过程中,需要保证撞击车辆的运行轨迹合理以及保证车内人员的安全。目前我国对于撞击后护栏的设计不够合理,同时也未撞击后护栏的设计进行重视。在桥墩护栏设计的过程中,它除了能保证运行轨迹的合理外,也能够保证车内人员的安全性。在考虑防护结构和桥墩自身联合防撞击时,应当考虑设计的护栏结构能否对桥墩进行防护作用。

目前,我国对于铁路桥墩的防撞设计还存在一定问题。由于车辆撞击作用属于偶然荷载,对桥墩防撞结构进行相关设计时,撞击数据和试验尚不健全,采用的设计方法还不是很成熟,同时对于防撞结构设计也没有具体的规定和做法,现有的防撞结构大多是基于国内外研究学者的研究成果加以设计和西很对工程的某些特殊要求进行设计。因此对桥墩防撞结构的设计还应当进行进一步的研究。

4  铁路桥墩防撞设计方案的实施

目前,桥墩防撞设计的指导原则尚无统一标准。铁路桥墩防撞结构在设计的过程中,常用的防护形式有波形护栏、钢筋混凝土防撞墙以及两种形式结合的防护结构。波形护栏为柔性结构、钢筋混凝土防撞墙为刚性结构。一般波形护栏是按照国家和行业标准在工厂制作的成品,运至现场后按照设计图纸的位置进行施工安装即可,其缺点是承受的冲击力有限,对桥墩的防护作用也有限,而且容易变形损坏,需要经常维护保养,因此常用于一般道路上桥墩的防护。而钢筋混凝土防撞墙则是根据现场具体情况进行的特殊结构设计,其形状、尺寸、位置等要素需要根据跨越的道路等级、环境以及业主的要求等不同条件进行区分,可用于各种道路桥墩的防护。其缺点是占地面积大,冲击破坏后强度降低,防护效果降低,且难以修复,可能需要重新修建。下面主要以钢筋混凝土形式的防撞墙进行简要设计阐述。

在对防撞墙进行设计的过程中,应当根据道路等级、车辆行驶速度以及周边环境综合确定防撞墙的类型和防护方案。防撞结构的功能不仅是防止车辆撞击桥墩,而且要起到引导车辆的作用,在外观设计上要结合具体情况做成流线型或船头型等形状,目的是为了防止车辆失控正面撞击造成严重的交通事故。

钢筋混凝土防撞墙设置于桥墩四周,一般外形同桥墩。防撞墙内根据预先确定的车辆撞击力和拟定的结构尺寸进行计算配筋,其主筋采用HRB400型钢筋,直径一般不小于16mm,通常配双层钢筋;箍筋采用HPB300型钢筋,直径不小于8mm。主筋和箍筋间距一般不大于20cm,具体可根据实际计算结果确定。根据受力计算情况最终检验确定防撞墙的厚度和高度,墙的厚度一般取30cm~50cm;高度140cm~200cm,这里要特别注意,墙的高度为路面以上部分,对于一些桥墩基础顶低于路面的情况要按照车辆撞击路径模型另行计算,这里主要介绍正常工况。在确定了墙身尺寸后再根据防撞墙尺寸和地质条件确定基础尺寸、埋深以及基底处理方式,一般来讲,基础构造钢筋并与墙身钢筋相连,钢筋连接情况可按规范要求采取焊接或绑扎搭接。防撞墙和桥墩之间一般留有30cm~80cm空隙,内部用聚苯乙烯等柔性材料填塞密实,上部设置5cm厚水泥砂浆保护层,并设置2%排水坡。整个防撞墙混凝土标号要结合所处区域混凝土的耐久性等级综合确定,且不低于C35。结构布置示意图见图1。在没有中间隔离带或隔离带较窄的道路上可将防撞墙迎车一面做成流线型或船头型,所有防撞结构施工完毕后在其表面按规范要求刷反光漆、贴反光材料和设置引导车辆的标志标线等交通结构。

该防撞结构有如下几点优点。

(1)利用这种防撞结构可以避免车辆硬性地撞击桥墩。同时,在对铁路桥墩柱进行设计的过程中,可以充分利用防撞结构对铁路桥墩的保护作用进行个性化设计,做到内外相结合,并与周围环境相协调。

(2)防撞墙与桥墩之间的空隙在车辆猛烈撞击的情况下起到了很好的缓冲和吸能作用,有效降低撞击后对桥所产生的破坏和振动影响,保证了桥墩的安全和稳定。

(3)在有波形護栏防护的高等级道路上,在防撞墙外侧加装波形护栏,起到双层保护作用的同时,也尽可能避免了车辆直接撞击桥墩的可能,大大的降低了事故的发生。同时防撞墙在一般事故时也不需要太多的维修,只需对损坏的波形护栏进行维修更换即可,大大提高了桥墩的安全性和防撞结构的适用性,同时在撞击发生后最大限度的保证了线路运营安全不受影响。

5  结语

随着我国铁路和公路的不断发展。各种道路互相交叉和跨越的情况越来越多,各类型的道路尤其是重载道路和重型货车也越来越多,各类大型车辆向着马力更强和载重更大的方向发展,这对铁路桥梁的安全间接构成了极大的威胁,因此要特别重视对桥梁防撞的设计研究,从而更好的保障铁路运营的安全。通过本文的介绍,希望各位设计者能够提高和加强对防撞设施的认识和研究。

参考文献:

[1] TB 10002—2017.铁路桥涵设计规范[S].

[2] 刘艳秋,李建.柔性防撞结构与加固措施在老桥防护中的应用[J].中国水运(下半月),2018(3):204~205+208.

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