高速公路舊橋防撞護欄提升設計方案

張 茜

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

從20世紀80年代我國第一條沈大高速公路修建以來，截至2019年底，我國高速公路總里程已達14.96萬km，位居世界第一[1]。隨著高速公路的蓬勃發(fā)展，交通安全設施役齡增加，交通事故頻發(fā)，近年發(fā)生多起車輛墜橋的嚴重交通安全事故。因此，防撞護欄，特別是橋梁護欄的設施維護和安全提升已是道路交通安全的重中之重。

1 設計分析

依據(jù)2019年4月交通運輸部辦公廳發(fā)布《提升公路橋梁安全防護專項行動技術指南》(簡稱《指南》)和JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規(guī)范》(簡稱《交安規(guī)范》)、JTG/T D81—2017《公路交通安全設施設計細則》(簡稱《交安細則》)對現(xiàn)役的幾座高速公路大中橋梁橋側護欄進行了調(diào)查[2]，護欄型式如圖1所示。調(diào)查發(fā)現(xiàn)早期建成的高速公路橋梁護欄多數(shù)已無法滿足交通安全要求，主要問題為[3-4]：

1) 橋側護欄高度、迎撞面尺寸及配筋等大多不滿足現(xiàn)行規(guī)范防撞構造要求。

2) 護欄防撞等級及碰撞荷載取值較低?，F(xiàn)役高速橋側護欄設計標準一般參照94版或2006版高速公路交安設計規(guī)范設計實施，其采用的防撞等級和車輛碰撞荷載標準等參數(shù)均與現(xiàn)行規(guī)范值相差較大，若發(fā)生交通事故，車輛沖斷或嚴重破壞護欄的幾率較高。

3) 道路運營條件變化?，F(xiàn)行高速公路車流量加大，運營車型向小型和重型化2個方向發(fā)展，特別是重型車碰撞時發(fā)生沖斷或騎跨護欄的風險較高；另一個是現(xiàn)役高速經(jīng)過多番改造維修，道路路面高度有一定變化，存在原護欄高度不足現(xiàn)象，這也加大了事故風險。

因此，為保證橋側護欄的安全性，避免二次事故的發(fā)生，按現(xiàn)行標準對護欄的安全性進行逐一核查、提升改造必不可少。提升方案也應依照上述主要問題，針對護欄構造尺寸的合規(guī)性、護欄的承載力驗算、對原橋梁的影響分析等進行核查?，F(xiàn)選用一現(xiàn)役高速公路橋側護欄提升實例進行詳細分析。

2 設計實例

某一段長約138 km的現(xiàn)役高速公路于2003年底建成通車，橋梁的護欄需進行提升。公路管養(yǎng)部門在2019年根據(jù)《指南》要求對所轄橋梁進行排查和調(diào)研：路段共有223座橋梁的橋側護欄尺寸不滿足現(xiàn)行《交安規(guī)范》和《指南》的相關要求，需進一步排查分析并提出橋側護欄提升方案，以排除安全隱患。

2.1 護欄分類及評估

查閱路段竣工圖，全線橋梁橋側護欄分為3類：混凝土墻式護欄、組合式護欄和波形護欄，如圖2所示。防撞護欄設計尺寸滿足94版《交安規(guī)范》要求，但不滿足現(xiàn)行2017版《交安規(guī)范》要求。依據(jù)《指南》相關條款，本路段223座橋梁40%評估為Ⅰ類，60%評估為Ⅱ類，無Ⅲ類，其中Ⅱ類需進行逐步改造提升。

2.2 護欄方案

本路段高速設計車速80 km/h～100 km/h，參照2017版《交安細則》 表6.3.2條規(guī)定，橋側護欄防護等級基本為5(SA)級設計和4(SB)級。原防撞護欄可采用多種方案提升至規(guī)范要求，經(jīng)綜合比選，主要有以下幾種可行方案[5-6]。

1) 方案1：提升為混凝土墻式護欄

該方案需植筋加高混凝土墻15 cm～40 cm，高度不等。提升方案設計如圖3所示。

優(yōu)點：(1) 可保持混凝土墻外觀一致；(2) 混凝土耐久性好，構造整體性強，與原構造匹配度高；(3) 構造尺寸滿足規(guī)范要求；(4) 后期養(yǎng)護費用低。

(a) 加高為SB級護欄 (b) 加高為SA級護欄

缺點：(1) 主梁二期恒載增加較大，對原主梁結構有一定影響；(2) 施工工藝需采用植筋，支模澆筑，工序較復雜；(3) 混凝土需養(yǎng)護，工期較長，施工期對交通通行影響較大。

本方案施工前要求對原建護欄的病害進行加固維修，再對護欄提升表面鑿毛、植筋；亦可鑿出一段原建護欄，保留原主筋，再進行加高。植筋需注意盡量避開原護欄主筋，植筋深度及孔距均應滿足設計要求。

2) 方案2：提升為普通組合式護欄

該方案需植錨栓增加鋼組合梁柱構造30 cm～55 cm，高度不等。提升方案設計如圖4所示。

(a) 加高為SB級護欄 (b) 加高為SA級護欄

優(yōu)點：(1) 鋼梁柱自重較輕，主梁二期恒載增加較小，對主橋結構影響也較??；(2) 鋼結構工廠加工，施工質(zhì)量有保證；(3) 因現(xiàn)場施工僅為植螺栓和拼裝，施工便捷，施工進度快，對交通通行影響較小。

缺點：(1) 鋼構件立柱基座需特殊定制，工程造價較高；(2) 鋼構件后期維護費較高；(3) 加高護欄景觀效果欠佳。

本方案施工前要求對原建護欄的病害進行加固維修，并加工鋼立柱、橫梁及定制騎跨式鋼基座。施工時需植入錨栓，橫向錨栓B宜穿過混凝土墻錨固，錨栓應盡量避開原護欄主筋，盡可能減少對護欄構造的損壞。

3) 方案3：提升為特殊組合式護欄[7-9]

綜合方案1和方案2的優(yōu)缺點，為了進一步提升護欄的整體景觀協(xié)調(diào)性，減輕增加護欄重量對橋梁的影響，達到模塊預制、快速安裝等需求，提出了第3種特殊組合式護欄方案：在已建的混凝土墻式護欄或者組合式護欄(拆除原鋼扶手，保留混凝土墻部分)上方，增設復合材料防撞套箱。構造包括：復合材料防撞套箱、固定鋼板和錨栓。其中復合材料防撞套箱之間依次通過嵌套連接，套箱內(nèi)填填充料；套箱和已建混凝土護欄通過固定鋼板和錨栓連接。提升方案設計如圖5所示。

優(yōu)點：(1) 構造自重輕，對原橋主梁受力影響??；(2) 復合材料基本同時具備傳統(tǒng)混凝土和鋼材的強度高、輕質(zhì)、耐久性等特性；(3) 構造模塊化施工，加工便利、施工快速，對運營交通影響?。?4) 構造碰撞后破壞，維修加固便捷。

(a) 平面(b) 立面(c) 橫斷面

缺點：(1) 復合材料造價高，提升構造每延米造價較鋼扶手高約15%～25%；(2) 有安裝精度要求，平曲線半徑較小段橋梁需特殊設計。

4) 綜合比選

方案1具有造價低、景觀效果好、后期維護費用小的優(yōu)勢，但其施工期占道時間長，施工風險大；方案2是工廠定制鋼結構成品，現(xiàn)場安裝，工期短、施工快，但造價較高、鋼結構后期維護費較高；方案3綜合了前2種方案優(yōu)點，施工模塊化、維護費用低，但復合材料的選擇和成品造價相對較高。

綜上所述，因護欄提升屬于維修加固范疇，各方案選擇還應以經(jīng)濟適用為原則。方案1在制定詳細的交通組織方案前提下為優(yōu)選方案；對于工期要求短、后期維護較便利的特殊路段可選用方案2；因我國在防撞護欄上應用復合材料材還屬于起步階段，在國家未出臺相關政策法規(guī)的前提下，方案3的實施需謹慎。

2.3 護欄計算[10-15]

以上3種方案中，以方案1混凝土墻式護欄的自重最大(每延米重量約8.35 kN/m)，較原混凝土護欄重量增加約15%～20%，故以方案1混凝土墻式護欄計算為例，按現(xiàn)行規(guī)范分析改造護欄自身承載力及其對原橋的受力影響。

1) 提升護欄后原橋承載力分析

(1) 計算方法

按平面桿系理論，運用Midas2019版本進行計算，求得結構在施工階段和運營階段時的應力和內(nèi)力，按規(guī)范中所規(guī)定的各項容許指標，驗算結構是否滿足要求。

承載力極限狀態(tài)驗算應根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》第7.3.1條規(guī)定采用下列表達式：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

(1)

式中：橋梁承載能力系數(shù)Z1、承載能力惡化系數(shù)ξe、混凝土截面折減系數(shù)ξc和鋼筋截面折減系數(shù)ξs等檢算系數(shù)應取自最新橋梁定期檢查報告。

(2) 計算結果

經(jīng)對本項目223座橋梁中典型橋梁類型：6 m、16 m和20 m跨空心板梁、20 m跨小箱梁、30 m跨T梁以及40 m跨現(xiàn)澆箱梁進行提升后承載力影響分析，計算結果如表1所示。

由表1可知，提升護欄增加的重量對橋梁整體計算影響較小，一般均能滿足橋梁建成期相關規(guī)范要求。

表1 提升護欄后原橋承載力分析計算結果

2) 提升護欄的承載力分析

(1) 計算方法

公路橋梁護欄和橋面板承載力驗算參照2017版《交安細則》附錄D和《指南》附錄B、D的計算方法進行驗算。當護欄構件和橋面板的承載力大于或等于汽車碰撞荷載標準值產(chǎn)生的效應時，可認為護欄和橋面板的承載力滿足要求。

(2) 計算結果

本項目提升后護欄等級主要為SB級，部分特殊路段采用SA級。選取提升為混凝土護欄的承載力計算結果如表2所示。

由表2可知，汽車碰撞發(fā)生在護欄端部或者伸縮縫處為最不利，此時提升護欄的橫向承載力亦能滿足現(xiàn)行2017版《交安規(guī)范》要求。

表2 提升護欄承載力及橋面板承載力分析計算結果

3) 提升護欄處橋面板懸臂端承載力驗算

選取典型橋梁中預制梁最大懸臂主梁做護欄承載力計算分析。橋面板懸臂設計如圖6所示，懸挑長度985 mm，懸臂板厚100 mm，調(diào)平鋪裝層厚100 mm。

按2017版《交安細則》附錄D.4考慮主梁懸臂在橫向和縱向碰撞荷載作用下(狀態(tài)Ⅰ)引起的彎矩，以及受豎向碰撞荷載作用下(狀態(tài)Ⅱ)引起的彎矩是否小于懸臂板自身的承載力值，計算簡圖如圖7所示。對懸臂板任意截面受壓區(qū)混凝土壓應力合力作用點取矩，截面應滿足：

Mu=Mc+Ms+Mb≤Mn=Asfsk(h0-x/2)-T(h0/2-x/2)

(2)

按圖7計算圖示驗算的2種狀態(tài)下的計算結果如表3所示。

由表3可見，車輛碰撞模式為狀態(tài)Ⅰ下橋梁懸臂端受力為最不利，但最大懸臂狀態(tài)下亦可基本滿足規(guī)范要求。

4) 計算小結

采用混凝土護欄方案提升橋側護欄，其增加重量對原橋承載力的影響較??；但汽車碰撞荷載發(fā)生下，護欄端部受力最不利，設計應加強此處的構造及配筋；車輛水平碰撞作用下，主梁懸臂影響最大，應重點核查懸臂端受力情況，必要時進行橋梁加固。

(a) 20 m小箱梁標準橫斷面 (b) 20 m小箱梁斷面配筋

表3 提升護欄處橋面懸臂端承載力計算結果

3 結束語

1) 高速公路橋梁護欄提升是一個綜合系統(tǒng)工程，前期需評估護欄及橋梁狀態(tài)，完善護欄提升前的加固維修等準備工作；后期應根據(jù)橋梁狀態(tài)、工期及造價選擇合理的提升方案。

2) 為不致中斷交通，橋梁外側護欄改造工程可采用占道施工方案，施工前應制定詳細的施工組織方案。

3) 護欄提升施工前須對原橋梁主體結構進行檢測加固，滿足設計要求后方可施工。對病害嚴重的橋梁建議進行承載力檢測評估，并重新進行護欄提升橋梁承載力驗算；施工過程中應盡量避免對原結構造成擾動，施工時須做好預警觀測、檢測工作，以免發(fā)生施工安全方面的事故。

4) 對于評估為Ⅱ類的橋梁護欄,應進一步從橋梁評定技術狀態(tài)、交通組織條件、護欄提升方案、工程造價等方面制定詳細分期實施方案。

5) 新材料和新構造在提升護欄應用實施應按規(guī)范要求進行計算分析，必要時需進行試驗支撐，方可逐步推廣。