城市橋梁防撞護欄設計

封 偉,吳 峰，劉耀榮，付誠俊

(西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，城市中各種現(xiàn)代化的交通設施，如城市立交、高架道路等大量興建，在交通運輸中所起的作用日益增強，而交通運輸?shù)陌l(fā)展也導致了交通事故的急劇上升。交通安全已經(jīng)成為一個世界性的大難題，其中由于汽車撞斷防撞護欄的事故頻頻發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)造成了嚴重威脅。

城市橋梁多采用波形梁護欄或梁柱式鋼護欄，既美觀又可以減輕恒荷載，又可以直接避免車輛對人行道的撞擊，并且減少車輛碰撞荷載對主梁沖擊力的影響。以早期建造的波形梁護欄為基礎，采用計算機仿真和實體碰撞試驗相結(jié)合的方法，對波形梁護欄進行碰撞分析，該計算方法具有建模復雜、成本高等特點。本文首先對橋梁防撞護欄的設計方法和一般設計流程進行了系統(tǒng)性的論述，然后結(jié)合工程實例，根據(jù)規(guī)范要求，采用有限元軟件對防撞護欄進行了驗算，該計算方法簡單、方便，可作為防撞護欄設計的通用方法。

1 設計方法

1.1 設置原則及等級的選擇

防撞護欄的選定原則為：路外危險等級越高，事故后果越嚴重。速度越高，事故的后果越嚴重。公路等級越高，承擔的交通量更大，路段的風險也越大。對交通量大、車速高的橋梁段，車輛碰撞行人和自行車(非機動車)的事故嚴重度增大，應設置相應等級的護欄。

橋梁護欄防護等級的選取，從以下兩個方面加以考慮:

(1)公路等級和設計速度

設置橋梁護欄時，原則上需要根據(jù)公路等級和設計速度并結(jié)合交通量、運行速度和投資費用等因素選擇相應防護等級的橋梁護欄。

(2)路側(cè)危險物特征

橋梁鄰近(平行)或跨越公路、鐵路，車輛越出有可能發(fā)生二次事故時，或穿越飲用水源地級保護區(qū)等特殊路段的橋梁，需要在這些路段設置更高防護等級的橋梁護欄。不利的現(xiàn)場條件還包括較小的曲線半徑、位于曲線路段的陡坡、橫向坡度發(fā)生變化或沿線氣象條件惡劣等情況。

護欄最小防護等級由公路等級和事故嚴重程度等級確定。根據(jù)《公路交通安全設施設計規(guī)范》(JTG D81-2017)表6-4選定。

1.2 護欄形式的選擇

橋梁護欄形式按結(jié)構(gòu)形式可分為剛性護欄(鋼筋混凝上F型，單坡型梁柱式等)、半剛性護欄(金屬梁柱式、雙波形梁護欄、三波形梁護欄等)和組合式護欄等。

橋梁護欄的防護等級確定后，可以主要從容許變形程度、美觀、結(jié)構(gòu)要求、經(jīng)濟性和養(yǎng)護維修等方面確定適當?shù)淖o欄形式，其形式要滿足構(gòu)造要求，具體構(gòu)造要求見《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81-2017)附錄D.1。

1.3 抗傾覆驗算

根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》JTG/TD81-2017規(guī)定：橋梁護欄高度應大于等于車輛抗傾覆荷載的有效高度。橋梁護欄與車輛的關系如圖1所示。

圖1 橋梁護欄與車輛的關系示意

車輛抗傾覆荷載的有效高度為

其中，G-配載后試驗用標準車輛重心距橋面板的高度(m)，可根據(jù)現(xiàn)行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規(guī)定得到；W-相應于所需要的防護等級的配載后試驗用標準車輛的質(zhì)量(kg)，可根據(jù)現(xiàn)行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規(guī)定得到；B-輪胎最外側(cè)立面之間的距離(m)，可根據(jù)現(xiàn)行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規(guī)定得到；g-重力常數(shù)，g=9.8 N/kg；Ft-相當于所需要的防護等級的橫向荷載(N)，見《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81-2017)表3.5.4。

護欄構(gòu)件的設置應滿足下列條件：

Ri-橫梁的承載能力(N)；Yi第i根橫梁距橋面板的距離(m)。

1.4 汽車撞擊驗算

根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》JTG/T D81-2017規(guī)定：

(1)所有荷載應施加于縱向橫梁構(gòu)件。縱向荷載向立柱的分布應符合橫梁構(gòu)件的連續(xù)性。橫向荷載的分布應與護欄系統(tǒng)假定的破壞機理相一致。

(2)新型橋梁護欄結(jié)構(gòu)試件應按承載能力極限狀態(tài)法進行設計。試驗構(gòu)件所承受的荷載如下圖所示，數(shù)值如下：

橫向碰撞荷載Ft和分布長度Lt：為偶然荷載，作用方向與護欄面垂直。數(shù)值和Lt取《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81-2017)表3.5.4。

縱向碰撞荷載FL和分布長度LL：FL為偶然荷載，作用方向與護欄平行。數(shù)值為長度同Lt。

豎向碰撞荷載FV和分布長度LV：為偶然荷載，作用方向為垂直向下。數(shù)值為車輛重力，LV為車輛長度。

圖2 金屬護欄的設計荷載、豎向位置及水平分布長度

(3)各類和在分布系數(shù)、荷載組合值系數(shù)等應按現(xiàn)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60)的規(guī)定采用，其中橫向和縱向荷載不應和豎向荷載進行組合。

2 工程概況

本項目位于西安市浐灞生態(tài)區(qū)灞河橋，道路等級：城市主干路；設計速度：主路：50 km/h；橋梁汽車荷載等級：城-A級；橋梁設計安全等級：一級；防撞護欄的防撞等級：SA級。

鋼材均采用Q345D鋼材。

2.1 抗傾覆驗算

根據(jù)SA級護欄標準，由于是鋼護欄，有一定的允許變形量，因此橫向荷載按平均值取Ft=320 KN；根據(jù)SA級護欄標準，取各種標準車型進行驗算。

對于小型客車、中型客車，滿足抗傾覆荷載驗算。

2.2 汽車撞擊驗算

該防撞欄桿等級為SA級，根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81-2017)表3.5.4，取撞擊力標準值為320 KN，分布長度為2.4 m進行加載。

由于橫向和縱向荷載不應和豎向荷載進行組合，而且對于豎向荷載的計算在抗傾覆計算中已經(jīng)單獨計算，因此只需考慮橫向和縱向荷載的組合。

根據(jù)防撞護欄圖建立MIDAS Civil模型，整體模型及局部模型圖，如圖3、圖4所示。模型共計981個節(jié)點，930個單元，其中梁單元906個，板單元24個。欄桿全部采用Q345鋼材，護欄立柱底部采用剛接。

圖3 模型整體圖

圖4 模型局部圖

為了更好模擬汽車撞擊欄桿過程中，附近欄桿對撞擊力的應力重分布作用，建立11個節(jié)段欄桿，共計16.5 m，作用位置為中間欄桿。

(1)橫梁最不利承載力驗算

由結(jié)構(gòu)力學可知，當橫向和縱向撞擊荷載以橫梁中點為對稱軸作用時，橫梁受力最不利。荷載工況分以下三種組合：

①1.0恒載+1.0橫向撞擊荷載；

②1.0恒載+1.0縱向撞擊荷載；

③1.0恒載+0.7橫向撞擊荷載+0.7縱向撞擊荷載(取汽車荷載的頻遇值系數(shù)進行組合)。

以工況①為例，計算結(jié)果如下：

最大拉應力值為240 MPa，最大壓應力值為282 MPa，均存在于立柱底部。最大位移為7.9 mm。滿足規(guī)范要求。

(2)立柱最不利承載力驗算

由結(jié)構(gòu)力學可知，當橫向和縱向撞擊荷載以立柱為對稱軸作用時，立柱受力最不利。荷載工況同上。以工況①為例，計算結(jié)果如下：

最大拉應力值為224 MPa，最大壓應力值為266 MPa，均存在于底部橫梁與立柱接觸處。最大位移為6.2 mm。滿足規(guī)范要求。

綜上所述，防撞欄桿滿足抗傾覆驗算和汽車撞擊驗算。

3 結(jié) 語

(1)對防撞護欄的設計要求和一般流程進行了系統(tǒng)闡述；

(2)以實際設計項目為背景，采用有限元軟件對防撞護欄進行了詳細的計算分析。

(3)為非標準城市橋梁防撞護欄的設計提供一定借鑒。