城市橋梁防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)與計(jì)算技術(shù)分析

1.前言

橋梁安全防護(hù)設(shè)施是橋梁工程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，其主要包括防撞護(hù)欄、緩沖設(shè)施、限界結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施、人行護(hù)欄以及防拋網(wǎng)、隔離柵等其他安全防護(hù)設(shè)施，必須與土建工程同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步投入生產(chǎn)使用，在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)堅(jiān)持“以人為本、預(yù)防為主、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、重點(diǎn)突出”的基本原則。其中，防撞護(hù)欄是橋梁安全防護(hù)設(shè)施的重中之重，關(guān)乎橋梁運(yùn)營(yíng)安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部相繼下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)公交車行駛安全和橋梁防護(hù)工作的意見》 （安委〔2018〕6號(hào)）、《關(guān)于開展城市橋梁安全防護(hù)設(shè)施隱患排查整治工作的通知》 （建辦城電〔2018〕46號(hào)），橋梁安全防護(hù)設(shè)施引發(fā)業(yè)內(nèi)高度重視。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于橋梁防撞護(hù)欄的相關(guān)章節(jié)亦進(jìn)行了相應(yīng)修訂，并已于2019年9月1日發(fā)布實(shí)施。本文結(jié)合城市橋梁特點(diǎn)和規(guī)范最新修編的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)城市橋梁中防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行技術(shù)分析。

2.防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)

2.1 防撞護(hù)欄安裝條件

此次《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》修編后，對(duì)橋梁防撞護(hù)欄的安裝要求和標(biāo)準(zhǔn)作出明確規(guī)定：

1.對(duì)于存在以下情況時(shí)必須設(shè)置防撞護(hù)欄：

①臨空高度大于6.0m或水深大于5.0m；

②跨越急流、重要道路、鐵路、主要航道、軌道交通、水源保護(hù)區(qū)、人員密集區(qū)和人員通道等；

③特大懸索橋、斜拉橋、拱橋等纜索承重橋梁或跨海大橋。

2.對(duì)于存在以下情況時(shí)宜設(shè)置防撞護(hù)欄：

①設(shè)計(jì)速度大于或等于50km/h的城市主干路或次干路；

②臨空高度大于3.0m小于6.0m或水深大于2.0m小于5.0m；

③跨越道路、橋梁等人工構(gòu)筑物時(shí)；

④橋面常有積冰、積雪時(shí)。

由此可見，必須設(shè)置和宜設(shè)置防撞護(hù)欄的橋梁，在具體工程案例中覆蓋面將達(dá)到90%以上。換言之，在城市橋梁設(shè)計(jì)中，不同的斷面布置型式和不同的道路交通等級(jí)，車行道外側(cè)大概率存在設(shè)置防撞護(hù)欄的客觀需要。

2.2 防撞護(hù)欄形式選擇

防撞護(hù)欄按其類型可分為剛性護(hù)欄、柔性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：

一是橋梁護(hù)欄的防撞性能，主要體現(xiàn)在能有效吸收設(shè)計(jì)碰撞能量并使其正確改變行駛方向。

二是受碰撞后的護(hù)欄變形程度，主要體現(xiàn)在最大動(dòng)態(tài)位移外延值或最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值。

三是環(huán)境和景觀的要求，如梁體結(jié)構(gòu)型式及承重要求、積雪地區(qū)的特殊要求以及景觀通透性要求等方面。

四是橋梁主體結(jié)構(gòu)及承重要求以及護(hù)欄的全壽命周期成本等。

對(duì)于城市橋梁來說，綜合上述因素條件，比較廣泛采用的還是臨空側(cè)以安裝剛性護(hù)欄為主，中央分隔帶及機(jī)非分隔帶側(cè)以安裝剛性護(hù)欄或半剛性護(hù)欄為主。

2.3 防撞護(hù)欄安裝方式選擇

按照安裝位置，可分為路側(cè)護(hù)欄和中央分隔帶護(hù)欄。

對(duì)于城市橋梁來說，中央分隔帶護(hù)欄位于左路肩，不受慢行交通及橋梁美觀性要求的制約，其設(shè)計(jì)與安裝相對(duì)簡(jiǎn)易，直接沿中央分隔帶進(jìn)行現(xiàn)澆安裝即可實(shí)現(xiàn)。

至于橋梁路側(cè)護(hù)欄，應(yīng)根據(jù)橋梁斷面布置的差異，進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計(jì)。

①對(duì)于機(jī)非分離的城市橋梁， 如機(jī)非分隔帶寬度≥200cm時(shí)，臨空側(cè)可不再安裝防撞護(hù)欄；如機(jī)非分隔帶寬度＜200cm時(shí)，沿機(jī)非分隔帶的臨機(jī)動(dòng)車道側(cè)需設(shè)置防撞護(hù)欄。

②對(duì)于機(jī)非共面的城市橋梁，如按照前述要求需要設(shè)置防撞護(hù)欄時(shí)，可選擇在機(jī)非分隔處設(shè)置，防撞護(hù)欄與橋梁主體應(yīng)牢固連接。對(duì)于改建橋梁，如安裝連接困難，也可選擇預(yù)制的新澤西護(hù)欄，但機(jī)非防撞護(hù)欄的斷頭應(yīng)按規(guī)范規(guī)定安裝防撞斷頭等緩沖設(shè)施，并配以明確的標(biāo)志標(biāo)線。

對(duì)于該類橋梁，機(jī)非分隔處設(shè)置防撞護(hù)欄后，人行道臨空側(cè)仍可安裝人行護(hù)欄，基本不影響橋梁的立面通透性和景觀性等方面的要求。

③對(duì)于路側(cè)無非機(jī)動(dòng)車道和人行道的機(jī)動(dòng)車專用橋梁，應(yīng)在路側(cè)直接設(shè)置防撞護(hù)欄。

2.4 防撞護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)選擇

按照現(xiàn)行《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，常規(guī)城市橋梁一般涉及五個(gè)防護(hù)等級(jí)，分別為B、A、SB、SA、SS級(jí)。對(duì)于因橋梁線形、橋梁高度、橋下水深、車輛構(gòu)成、交通量或其他不利現(xiàn)場(chǎng)條件等因素易造成更嚴(yán)重碰撞后果的路段，應(yīng)在下表的基礎(chǔ)上提高1個(gè)及以上等級(jí)。其中，跨越大型飲用水水源一級(jí)保護(hù)區(qū)橋梁、特大懸索橋、斜拉橋等纜索承重橋梁，防護(hù)等級(jí)宜采用HB級(jí)別。因此，城市橋梁共涉及B、A、SB、SA、SS、HB六個(gè)防護(hù)等級(jí)，對(duì)于碰撞能量低于70KJ（C級(jí)及以下）或高于640KJ（HB級(jí)以上）時(shí)，防撞護(hù)欄應(yīng)確定特殊的碰撞條件。

3.防撞護(hù)欄的計(jì)算分析

如前所述，城市橋梁以現(xiàn)澆鋼筋混凝土剛性護(hù)欄的應(yīng)用最為普遍，而此類護(hù)欄的設(shè)置條件往往是在邊梁的翼緣板端部，是橋梁主體結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的位置。本文就以裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁臨空側(cè)設(shè)置的SS級(jí)鋼筋混凝土剛性護(hù)欄為例，進(jìn)行計(jì)算分析。

防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)計(jì)算與防護(hù)等級(jí)、碰撞條件等因素密切相關(guān)。防撞護(hù)欄按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行作用組合，并取各自最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)；在進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮基本組合和偶然組合兩種作用效應(yīng)。護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值RW采取屈服線分析方法確定，荷載分項(xiàng)系數(shù)、荷載組合值系數(shù)按現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定采用，其中橫向和縱向荷載不與豎向荷載進(jìn)行組合。

表1 橋梁防撞護(hù)欄防護(hù)等級(jí)使用條件明細(xì)

表2 防撞護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)與防護(hù)能量對(duì)照

圖1 裝配式小箱梁路側(cè)防撞護(hù)欄構(gòu)造及配筋示意圖

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2017）可知：對(duì)于SS級(jí)橋梁防撞護(hù)欄，汽車橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值Ft為520kN，荷載分布長(zhǎng)度Lt為240cm。裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁懸臂長(zhǎng)度按照常用值取86.6cm，SS護(hù)欄高度為110cm；考慮結(jié)構(gòu)保護(hù)層及鋪筑層，防撞護(hù)欄計(jì)算高度H取125cm。

3.1 防撞護(hù)欄橫向荷載抗力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算分析

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》，護(hù)欄的總的橫向承載能力RW按照下式計(jì)算：

其中，LC為屈服線破壞模式的臨界長(zhǎng)度；MW為護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩；Mb為護(hù)欄頂部除MW之外的橫梁附加彎曲承載力矩；MC為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩。其計(jì)算值分別為：

3.2 防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)分析

在橋梁鋼筋混凝土防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)工程案例中，經(jīng)計(jì)算分析可知，防撞護(hù)欄自身的強(qiáng)度在配筋設(shè)計(jì)方面很容易滿足受力要求，但防撞護(hù)欄與小箱梁懸臂板形成整體后，小箱梁懸臂板配筋率是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要控制節(jié)點(diǎn)。根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》可知，橋面板每單位長(zhǎng)度的拉力T計(jì)算如下：

據(jù)此，可根據(jù)預(yù)制小箱梁翼緣板截面尺寸、懸臂長(zhǎng)度等構(gòu)造尺寸，結(jié)合上述計(jì)算數(shù)據(jù)，即可完成SS級(jí)橋梁防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)配筋工作。

4.結(jié)論

在城市橋梁工程設(shè)計(jì)工作中，橋梁防撞護(hù)欄作為橋梁主體的附屬工程在設(shè)計(jì)時(shí)往往不易引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。設(shè)計(jì)人員通常認(rèn)為按照橋梁防護(hù)等級(jí)的規(guī)定，將其構(gòu)造尺寸、結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度符合規(guī)范要求且保證與橋梁主體結(jié)構(gòu)可靠連接即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。但通過上述分析可知，與防撞護(hù)欄相連接的橋面翼緣板強(qiáng)度往往是受力計(jì)算的控制性節(jié)點(diǎn)，尤其是裝配式空心板、裝配式小箱梁其翼緣板截面尺寸較小表現(xiàn)更為顯著。隨著近年來對(duì)公路及市政行業(yè)對(duì)橋梁安全防護(hù)設(shè)施的高度重視，在進(jìn)行橋梁防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)因地制宜綜合考慮其安裝條件、安裝方式、防護(hù)等級(jí)等因素并強(qiáng)化精確計(jì)算分析，變得尤為重要。