黃龍帶特大橋橋側護欄優化

羅愛道，龔　帥，滕玉祿，亢寒晶

（1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510288；2.北京華路安交通科技有限公司，北京市　100071）

黃龍帶特大橋橋側護欄優化

羅愛道1，龔帥2，滕玉祿2，亢寒晶2

（1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510288；2.北京華路安交通科技有限公司，北京市100071）

為對黃龍帶特大橋橋側護欄進行優化，結合了前期研發的特高防護等級景觀鋼護欄成果，并對優化結構性能進行分析，結果表明：相比原設計方案優化結構的安全性能更高，工程適應性強，施工工藝更加簡便，且材料用量更少，大大節省了工程造價，同時還具有更好的景觀效果。可見該優化結構滿足實際工程應用要求。

橋梁護欄；碰撞試驗；防護等級；結構優化；性能分析

0　引言

大廣高速公路黃龍帶特大橋地處重要水源保護區黃龍帶水庫，設計速度為100 km/h，橋梁總長930 m，主橋段橋側設有斜拉索。根據黃龍帶特大橋結構特點和所處位置，其橋梁護欄設計應滿足三個基本要求：保護乘員不受到嚴重傷害、保護橋梁斜拉索結構不受到嚴重沖擊、保護水資源不受到嚴重污染，而黃龍帶特大橋橋側護欄原設計方案防護能力及效果已不能滿足當前需求，因此根據相關規范規定及工程現場實際防護需求，對黃龍帶特大橋橋側護欄原設計方案進行系統優化［1，2］。

1　原橋梁護欄設計方案

黃龍帶特大橋原設計主橋段和引橋段橋側均設置雙層護欄，其中內側為SS（520kJ）防護等級的金屬梁柱式護欄，護欄由4根矩形管橫梁（120 mm× 160 mm×6 mm）、間距為1.5 m的斜H型立柱、混凝土基座組成；外側為SA（400kJ）防護等級的混凝土護欄，護欄采用改進型坡面，高度為1.0 m，且外側護欄上部設有鋼性防拋網。如圖1所示。

圖1　原設計黃龍帶特大橋橋側護欄設置圖

2　優化設計依據

2.1原方案設計依據分析

原方案設計的依據主要是《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81-2006）（后簡稱《設計規范》），并在其基礎上進行了兩道防護設計，設計防護等級為SS級（《設計規范》中最高防護等級）。但隨著高速公路的快速發展，跨越危險區域的路段越來越多，對護欄防護能力的要求也日漸嚴苛，因此黃龍帶特大橋橋側護欄設計應在規范要求的基礎上提高其安全系數［3，4］；同時綜合護欄的設置條件，兩道防護效果是否可行需進一步論證。

2.2相關規范的最新規定

2013年12月1日《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）頒布，強調應用在公路上的護欄必須要經過實車足尺碰撞試驗驗證其安全性能滿足指標要求，并對護欄的安全防護性能指標、防撞等級均提出了高標準要求；2013年10月份《公路交通安全設施設計規范》（修訂（JTG D81-2006）征求意見稿）（目前處于送審階段）完成，根據其對橋梁護欄防護等級適用條件規定，結合黃龍帶特大橋所處位置、設計速度，應選擇HB級橋梁護欄（見表1）。同時依據規定“因橋梁線形、運行速度、橋梁高度、交通量、車輛構成和其他不利現場條件等因素易造成更嚴重碰撞后果的路段，應在表6.3.2的基礎上提高護欄的防護等級”，考慮黃龍帶特大橋斜拉索設置在護欄外側，一旦車輛穿越護欄碰撞斜拉索，將威脅橋梁主體結構安全，因此應在HB級的基礎上提高一個等級，采用HA級（760kJ）防護等級護欄。

表1　橋梁護欄防撞等級適用條件（《公路交通安全設施設計規范》表6.3.2）

2.3先進技術成果的成功開發

經過前期科研攻關，按照規范最新要求研究開發了一系列新型交通安全設施，其中特高等級景觀鋼護欄主要應用于特殊防護需求路段，其安全性能經系統評價各項指標均滿足最新評價標準要求，防護等級達到了目前最高等級HA級；且該護欄可以有效降低車輛側傾量，對護欄背部斜拉索等構筑物形成良好保護；同時護欄結構設計新穎、造型美觀，景觀效果通透。

綜上以上優化設計依據，根據新標準和新規范規定及工程現場實際防護需求，對原設計主橋段和引橋段橋側雙層護欄進行優化。

3　特高防護等級景觀鋼護欄

3.1結構組成

圖2為特高防護等級景觀鋼護欄結構，護欄總高為1.5 m，混凝土基座高550 mm，底寬500 mm，迎撞面采用改進型坡面形式；上部鋼護欄由矩形橫梁、立柱組成，橫梁呈上、中、下三排分布；立柱為人字形，由Q345B材質鋼板焊接而成，立柱中心線間距為2 m；預埋螺栓型號為M30，錨固深度為430 mm。

3.2實車足尺碰撞試驗

根據評價標準要求采用多種車型對特高防護等級景觀鋼護欄進行系統安全評價［5，6］，碰撞試驗條件見表2。

圖3為試驗車輛最大外傾時刻狀態，經測量車輛側傾越過護欄最大值僅為498 mm，可見護欄對后面構筑物起到了良好保護作用。

圖2　特高防護等級景觀鋼護欄結構圖

表2　特高防護等級景觀鋼護欄碰撞條件

圖3　實車足尺碰撞試驗結果

通過多車型系統碰撞，高防護等級景觀鋼護欄各項指標均滿足評價標準要求，防護等級達到了最高等級HA級（760 kJ）。

因此，采用特高防護等級景觀鋼護欄對黃龍帶特大橋橋側護欄進行優化，可有效降低車輛沖出路外墜落水庫的事故概率，可對乘員和水資源安全保駕護航。

4　優化結構

綜合安全性、規范符合性、美觀性、適用性等多角度，對黃龍帶特大橋橋側護欄進行優化：將主橋段和引橋段的橋側內側護欄均優化為特高防護等級景觀鋼護欄；將主橋段橋側外側護欄優化為矩形防拋網基座，且保留外側護欄上部的鋼性防拋網。圖4為優化后黃龍帶特大橋橋側護欄設置圖。

圖4　優化后黃龍帶特大橋橋側護欄設置圖（單位：cm）

5　優化結構性能分析

5.1安全性分析

原設計橋側內側護欄為金屬梁柱式護欄，該護欄設計防護等級為SS級520 kJ，對于特殊危險路段防護能力明顯不足，車輛穿越事故不可避免。一旦發生失控車輛翻越橋側內側護欄的情況，車輛的行駛姿態就無法確定［5～7］，因此采用第二道護欄防護復雜狀態的失控車輛難度極大。

優化結構采用橋側內側護欄進行安全防護，采用外側護欄及上部的剛性防護網對失控車輛拋灑物進行收集。其中內側特高防護等級景觀鋼護欄依據“現行標準”進行了實車碰撞試驗驗證，防護等級達到了新規范規定的最高等級HA級（760 kJ），安全性能可靠；同時根據實車碰撞試驗，特高防護等級景觀鋼護欄可有效抑制失控車輛在碰撞護欄過程中的側傾，避免因車輛側傾過大而碰撞橋梁斜拉索，可對橋梁結構起到保護作用；而第二道護欄對于車輛碰撞時產生的拋灑物起到一定防拋收集作用，降低橋下水源地受污染的風險。

可見優化結構安全防護性能可靠、系統受力合理、滿足依托工程的實際防護需求，能有效提高該路段的交通安全水平。

5.2適用性分析

由于車輛碰撞橋梁護欄時，碰撞力最終將傳遞給橋梁翼緣板，因此需要對橋梁翼緣板在車輛碰撞荷載作用下的安全性進行復核［8］。現基于特高防護等級景觀鋼護欄實車試驗翼緣板強度對黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板和引橋段T梁翼緣板的強度進行復核。

5.2.1實車試驗翼緣板強度計算

圖5為特高防護等級景觀鋼護欄在實車試驗翼緣板上的位置及其危險截面A-A的計算示意圖。

圖5　特高防護等級景觀鋼護欄及其危險截面A-A

按雙筋矩形截面進行承載力驗算，fsd=280 MPa，fsd'=280MPa，fcd=22.4MPa，As'=2011mm2，As=3142mm2，b=1 000 mm，h=280 mm，a'=38 mm，a=30 mm。則x=14.14＜2a'，說明受壓區鋼筋不會達到其抗壓設計強度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時計算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，故每延米A-A計算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=202.7 kN·m。

5.2.2黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板強度復核

圖6為特高防護等級景觀鋼護欄在黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板上的位置及其危險截面B-B的計算示意圖，針對B-B截面進行計算并基于實車試驗翼緣板強度進行復核。

按雙筋矩形截面進行承載力驗算，fsd=280 MPa，fsd'=280MPa，fcd=26.5MPa，As=1662mm2，As'=1662mm2，b=1 000 mm，h=530 mm，a=28 mm，a'=38 mm。

fcdbx+fcd'As'=fcdAs，則 x=0＜2a'，說明受壓區鋼筋不會達到其抗壓設計強度，則抗彎承載力為：

圖6　主橋段特高防護等級景觀鋼護欄及其危險截面B-B

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時計算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，每延米B-B計算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=229.5 kN·m。大于實車試驗翼緣板每延米抗彎承載力202.7 kN·m，故黃龍帶特大橋的主橋段箱梁翼緣板強度滿足設置特高防護等級景觀鋼護欄要求。

5.2.3 黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板強度復核

特高防護等級景觀鋼護欄位于黃龍帶特大橋引橋段邊梁翼緣板與中梁翼緣板的現澆段上（見圖7），根據護欄所處位置，其受碰撞時傳遞至T梁翼緣板的彎矩由C-C截面和D-D截面共同承受，因此可驗算C-C截面與D-D截面每延米受彎承載力之和，驗證T梁翼緣板的安全性。

圖7　引橋段特高防護等級景觀鋼護欄位置示意圖

首先計算C-C截面抗彎承載力，圖8為每延米C-C計算截面，按雙筋矩形截面進行承載力驗算，fsd=312.8 MPa，fsd'=280 MPa，fsd=22.4 MPa，As=1 916 mm2，As'=1 131 mm2，b=1 000 mm，h=310 mm，a=122 mm，a'=36 mm。

fcdbx+fsd'As'=fsd'As，則 x=12.62＜2a'，說明受壓區鋼筋不會達到其抗壓設計強度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時計算抗彎承載力：

圖8　翼緣板C-C截面示意圖（單位：cm）

由于Mu2＞Mu1，故每延米C-C計算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=104.7 kN·m。

接下來計算D-D截面抗彎承載力，圖9為每延米D-D計算截面，按雙筋矩形截面進行承載力驗算，fsd=280 MPa，fsd'=360 MPa，fcd=18.4 MPa，As=2 262 mm2，As'=785 mm2，b=1 000 mm，h=310 mm，a=80 mm，a'=30 mm。

圖9　翼緣板D-D計算截面示意圖（單位：cm）

fcdbx+fsd'As'=fsdAs，則x=19.06＜2a'，說明受壓區鋼筋不會達到其抗壓設計強度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時計算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，故每延米D-D計算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=134.8 kN·m。

因此，黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板每延米抗彎承載力為（104.7+134.8）=239.5 kN·m，大于實車試驗翼緣板每延米202.7 kN·m的抗彎承載力，因此黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板強度滿足設置特高防護等級景觀鋼護欄的要求。

5.3施工方便性分析

通過加工工藝的研究，在滿足結構受力要求的前提下，將人字形立柱從整體式優化為分離式，更加便于安裝（圖10）。

圖10　基于加工工藝研究的立柱優化

預埋螺栓的定位是型鋼式護欄安裝的關鍵技術，通過多次施工工藝研究，為保證預埋螺栓定位精確設置預埋鋼板［9］，為保證立柱安裝方便在底板上開大孔（見圖11），此外優化結構的橫梁采用標準件，長度為6 m一節，通過在橫梁連接件上設置長扁孔使其安裝方便。

圖11　基于施工工藝研究的立柱安裝

綜上分析，可見特高防護等級景觀鋼護欄具有一套切實方便的施工工藝和施工流程。

5.4經濟性分析

5.4.1橋側內側護欄工程量對比

特高防護等級景觀鋼護欄與原設計金屬梁柱式護欄每公里護欄材料量對比見表3。

表3　橋側內側護欄優化前后材料用量對比表（每1 km）

經對比，特高防護等級景觀鋼護欄鋼材用量較原設計金屬梁柱式護欄少，鋼筋和混凝土用量較原設計金屬梁柱式護欄多；但原設計金屬梁柱式護欄未設置定位鋼板，不方便施工，且橫梁為9 m一節不方便采購，需進行調整，調整后其鋼材用量較特高等級景觀鋼護欄多出20 t左右，統籌考慮，這兩種護欄造價基本持平。

5.4.2橋側外側護欄工程量對比

優化后橋側外側護欄及其上部鋼性防拋網僅用于防止失控車輛上的拋灑物墜落橋下，因此主橋段和引橋段橋側外側護欄均可將斷面優化為矩形來作為防拋網基礎，相應配筋也可大幅度降低。主橋段、引橋段外側護欄優化前后每公里護欄材料用量對比見表3和4。

表3　主橋段外側護欄優化前后材料用量對比表（每1 km）

表4　引橋段外側護欄優化前后材料用量對比表（每1 km）

經統計，優化后主橋段每延公里較原設計可節省鋼筋用量50.56 t、混凝土用量97 m3；優化后引橋段每延公里較原設計可節省鋼筋用量45.49 t、混凝土用量53 m3，且優化后外側護欄斷面簡化為矩形，模板及施工費用均可大幅度降低。經測算，優化后主橋段橋側外側護欄每公里可節省工程造價59.7萬、優化后引橋段橋側外側護欄每延公里可節省工程造價52.4萬，黃龍帶特大橋主橋段424 m、引橋段506 m，故黃龍帶特大橋優化后橋側護欄雙側共可節省約103萬元，大大節省了工程造價。

5.5景觀效果分析

黃龍帶特大橋橋側內側采用的特高防護等級景觀鋼護欄不僅防護等級高、安全性好，且景觀效果通透、結構設計新穎、造型美觀，其造型具有“以人為本”、“天人合一”的雙重寓意。

橋側外側結構原設計路面以上有效高度為1 m，對護欄的景觀通透性形成遮擋，優化后外側結構為50 cm寬×70 cm高的矩形構造，通過三維效果圖模擬可以看到景觀效果通透，提高了運營舒適度［10］，如圖12所示。

圖12　橋梁外側結構優化前后效果圖

6　結語

優化后橋側內側護欄采用特高防護等級景觀鋼護欄，并針對外側護欄進行斷面及配筋優化，一方面使結構受力更為合理，提高了護欄的防護等級，滿足相關規范要求，另一方面節省了工程造價且提升了景觀效果，因此優化后的護欄結構具有更顯著的安全性、經濟性、美觀性及施工便利性。

［1］JTG D81-2006，公路交通安全設施設計規范［S］.

［2］JTG B05-01-2013，公路護欄安全性能評價標準［S］.

［3］閆書明，惠斌，李巍，等.基于碰撞分析的特高防撞等級橋梁護欄安全評價［J］.特種結構，2010，27（1）:66-70.

［4］侯德藻，袁玉波，楊曼娟，等.在用橋梁護欄安全性能改進方法研究［J］.公路交通科技，2010，27（5）:110-116.

［5］閆書明.單坡面混凝土護欄碰撞分析［J］.北京工業大學學報，2012（4）：586-589.

［6］閆書明.防撞活動護欄碰撞分析［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2013，37（5）:1046-1050.

［7］鄧向陽，歐陽浩，閆書明，等.橋梁護欄安全防護體系研究［J］.城市道橋與防洪，2010（9）:172-176.

［8］邰永剛，劉小勇，張穎，等.車輛碰撞護欄對橋梁翼緣板的影響研究［J］.公路工程，2010，35（3）:81-84.

［9］梁亞平.高防護等級景觀混凝土橋梁護欄預制施工工藝研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2013，10（10）:239-242.

［10］方堅宇，張穎，劉小勇，等.鳳凰型美觀混凝土護欄開發研究［J］.公路工程，2008，33（6）:126-129.

U443.7

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1009-7716（2016）07-0104-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.031

2016-05-13

羅愛道（1981-），男，江西南昌人，碩士，工程師，從事高速公路路橋工程技術與建設管理工作。