某城市快速路橋梁鋼護欄選型與設計

朱小林

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

橋梁護欄是保證橋梁安全暢通的重要交安設施，充分考慮周圍環境而設計恰當的護欄會形成一道美麗的風景線，近年來它逐漸成為工程設計人員關注的重點。橋梁護欄的作用是防止失控車輛越出機動車道或越過分隔帶，吸收碰撞車輛的能量并改變其行駛軌跡，最大限度地減少對乘員和路人的傷害。護欄并不是設置得越多越好、強度越高越好，因為護欄本身也是一種障礙物[1]。確定護欄的防撞級別要考慮該路段的設計速度、車型特點、路線線形及周圍環境等因素。

1 工程概況

臨汾市濱河東路貫通工程襄汾段采用八車道城市快速路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬度60.0 m，設計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。該項目在ZK11+194.4（YK11+193.6）處跨越汾河，命名為城北汾河大橋，橋梁全長426 m，前右角105°，上部結構采用先簡支后連續預應力混凝土箱梁，下部結構采用柱式墩、肋板臺，鉆孔灌注樁基礎。全橋平面位于 R=600 m，Ls=230 m（右轉） ；直線段；R=700 m，Ls=200 m（左轉）的平曲線上，墩臺徑向布置。橋面寬度為：2×（4 m人行道+5 m非機動車道+3 m分車帶+16.25 m機動車道+0.5 m防撞護欄）。城北汾河大橋位于襄汾縣城郊，且跨越汾河，因此設計時不僅考慮安全需要，同時應兼顧景觀需要。本橋橋梁橫斷面圖見圖1。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：m）

2 護欄型式選擇

橋梁護欄主要分為剛性護欄（如鋼筋混凝土護欄）、半剛性護欄（如鋼護欄）和柔性護欄（如繩索護欄）三類，三者各有利弊，適用于不同情況。對設置非機動車和人行道的公路，車輛和行人處于同一平面上，對交通量大、車速高的橋梁段，為保護行人及非機動車，宜設置機非分隔帶護欄，把機動車和非機動車在平面上分隔開，提高車輛和行人的安全性。

橋梁護欄型式選擇考慮的因素主要有[2]：

a）護欄的防撞性能。所選取的護欄型式強度上要能有效地吸收車輛撞擊能量，能阻止失控車輛翻出橋外或進入護欄外車道。主要從公路等級、護欄外危險物特征等方面加以考慮。

b）景觀要求。對景觀有要求的橋梁宜選用梁柱式橋梁護欄或組合式的橋梁護欄。鋼護欄的景觀效果要明顯優于混凝土防撞墻。

c）護欄全壽命周期成本。除了考慮初期建設成本外，還應考慮投入使用后的養護成本及廢舊材料的回收利用價值。

城北汾河大橋機動車道與非機動車道分隔帶寬3.0 m，在機動車道一側設置防撞護欄，防止失控車輛越過分隔帶給非機動車和行人帶來安全隱患。由于混凝土防撞墻通視性不佳且維修復雜，景觀不好；同時為了避免失控車輛對非機動車道帶來危害，分隔帶寬度不大時不宜選用柔性護欄。綜合考慮擬采用一種結構輕盈美觀的鋼護欄，不僅可以滿足功能要求，還可以起到美化環境的作用。

橋梁鋼護欄是近年來隨著城市發展而廣泛應用起來的，它的優點主要有：視覺美觀、通視性好；結構輕盈、重量輕；維修方便；二次反彈較小、阻隔性也不差；色彩較豐富；可回收利用。目前國內鋼護欄主要由立柱和橫梁組成的，其中立柱主要有板狀、框架型和箱型結構3種，板狀結構立體性好、造型美觀、剛性好，適用于有美觀要求的城市橋梁，本橋選用板狀立柱；橫梁形狀主要有圓管和方管兩種，圓管自潔性好、受水時間短、吸能強、美觀、通視性好，本橋選用圓管橫梁。城北汾河大橋鋼護欄見圖2。

圖2 城北汾河大橋鋼護欄

3 鋼護欄的設計

護欄設計應遵循“滿足規范、注重創新”的原則，力求達到安全、經濟和美觀和諧統一?！豆窐蚝O計通用規范》3.5.7條規定，需要設置欄桿的橋梁，其欄桿的設計，除應滿足受力要求外，尚應注意美觀，欄桿高度不應小于1.1 m[3]；《城市橋梁設計規范》9.5節規定，人行道或安全帶外側的欄桿高度不應小于1.1 m，防撞護欄的設計按《公路交通安全設施設計規范》的規定執行。在失控車輛撞擊護欄時，應防止司乘人員的頭部直接撞擊到護欄上，護欄結構應采取必要措施以防止車輛成員頭部直接撞擊護欄。本橋鋼護欄設計高度為1.2 m，并使護欄向上逐漸外傾一定距離，可滿足規范的要求，并且在景觀方面也得以改善。

3.1 護欄防撞等級確定

本橋鋼護欄設置在機非分隔帶處，為保護行人、非機動車及提高車輛運行的通暢性，把機動車和非機動車在平面上分隔開而設置。

根據《公路交通安全設施設計規范》表5.2.5可知，設計速度為80 km/h時，車輛駛出橋外有可能造成交通事故等級為重大事故或特大事故時，護欄等級選用SB級。

3.2 橋梁護欄碰撞荷載

車輛撞擊護欄的過程比較復雜，通過適當簡化，《公路交通安全設施設計規范》經過合理假設、推導給出了車輛作用在護欄上的最大橫向力為：

式中：m表示車輛質量；v表示碰撞速度，本項目取v=80 km/h=22.22 m/s；θ表示碰撞角度，一般取20°；C表示車輛中心距離前保險杠的距離；b表示車輛寬度；Z表示護欄的橫向變形，金屬護欄取0.3～0.6 m。

對于本橋鋼護欄，車輛質量小客車取1.5 t，大客車取14 t；設計速度v=22.22 m/s；護欄的橫向變形Z值取0.6 m；防撞等級是SB級時，則碰撞力按表1取值250 kN。

表1 （規范中表5.1.0）橋梁護欄碰撞荷載

車輛撞向護欄時，碰撞力是沿著護欄碰撞面移動的，并隨時間而變化。對于金屬制橋梁護欄，考慮車輛碰撞護欄總的接觸長度為12 m。

為了簡化計算，根據《公路交通安全設施設計細則》[4]，橋梁護欄的碰撞設計荷載作用在橫梁的跨中和立柱上時，橫梁的彎矩等于PL/6，P為碰撞力，L為分布長度。由于發生碰撞后橫梁變形吸能，故立柱承受的設計荷載不等于碰撞荷載，根據歐美等國的試驗結果，規范建議立柱的設計荷載取碰撞力的1/4。

3.3 護欄結構設計驗算

根據以往的研究經驗和力學知識，護欄橫梁圓管的跨中截面、立柱截面削弱處、立柱底焊接部位等處為護欄的薄弱部位，也是最有可能首先破壞的部位，設計時要特別注意。按《公路交通安全設施設計細則》中5.1.2條說明的規定，金屬橋梁護欄可結合所用材料的規格、力學性能，參考現行《鋼結構設計規范》的規定進行設計計算。

3.3.1 橫梁設計

根據《公路交通安全設施設計細則》5.4.1條，為了防止因豎向凈空設計不合適引起的車輛絆阻，橫梁豎向凈空要求小于等于30 cm，最底層橫梁距路面的凈空小于等于35 cm，故橫梁間距取為30 cm，共設置4道橫梁。

鋼護欄橫梁的跨中設計彎矩按式（2）計算：

式中：P為橫梁承受的碰撞力，作用于跨中；L為橫梁的跨徑；n為橫梁數量，不宜超過4根。根據《鋼結構設計規范》[5]4.1.1條，抗彎強度應按式（3）驗算：

設計彎矩M0=（P·L/6）/n=250×1.45/24=15.1 kN/m；Wnx=π（D3-d3）/32=33.8 mm3；圓形截面γx=1.2；橫梁采用Q420鋼，f=380 N/mm2。 則 Mx/(γx·Wnx)=15.1×103/(1.2×33.8)=372≤f=380 N/mm2，橫梁抗彎滿足要求。

3.3.2 立柱設計

考慮到金屬材質的剛度特性，規范對立柱的間距也有規定，見表2。

表2 金屬護欄立柱間距 m

本橋鋼護欄立柱間距取1.5 m，凈距1.45 m。板狀立柱的厚度為3 cm，滿足最小截面厚度要求。按《公路交通安全設施設計細則》5.1.2-2式，立柱的設計荷載P0=P/4。受力分布圖見圖3。

圖3 護欄立柱受力分布圖

車輛撞擊護欄后，鋼管將撞擊力傳給立柱，立柱板件在截面薄弱處可能發生斷裂。立柱板件在撞擊力下的抗剪強度應按式（4）驗算：

抗彎強度應按式（5）驗算：

驗算結果見表3。

表3 護欄立柱截面驗算結果 N/mm2

根據《鋼結構設計規范》表3.4.1-1，Q345鋼、厚度30 mm對應的f值為295 N/mm2，抗剪強度設計值fv為170 N/mm2，由表3可知護欄立柱截面強度滿足要求。

3.3.3 立柱與底座焊縫強度驗算

角焊縫按它與外力方向的不同可分為側面焊縫、正面焊縫、斜焊縫以及由它們組合而成的圍焊縫。根據國內外大量實驗的結果證明，角焊縫的強度與外力的方向有關，其中，側面焊縫的強度最低。按最不利狀況，現按側面焊縫來進行立柱底焊縫強度驗算，并忽略正面焊縫提供的強度，過程如下：

根據《鋼結構設計規范》7.1.3條，角焊縫焊腳尺寸取10 mm，每片立柱單側焊縫計算長度取180 mm。焊縫質量等級一級，查《鋼結構設計規范》表3.4.1-3，角焊縫的強度設計值為160 N/mm2，則：

經計算，立柱底焊縫強度滿足要求。

3.3.4 護欄與橋面板連接設計

鋼護欄立柱與橋面板的連接方式主要有直接埋入式和地腳螺栓兩種。考慮到混凝土支承力和抗剪強度不好控制，本橋采用地腳螺栓連接，車輛碰撞荷載通過立柱由地腳螺栓傳遞給橋面板。每塊護欄底板通過4根M30預埋螺栓與橋面板連接起來，螺栓長度800 mm，端部180°彎起，預埋螺栓與梁內鋼筋焊為一體。

4 結語

近年來橋梁護欄的景觀要求越來越受到人們的重視，本文以臨汾市濱河東路貫通工程襄汾段城北汾河大橋為工程背景進行了機非分隔帶護欄的型式選擇，并對該橋機非分隔帶鋼護欄的薄弱部位進行了設計驗算。以期為今后類似的橋梁護欄設計提供一點思路，為人們創造更加美觀舒適和安全快捷的出行條件。目前我國鋼護欄的研究還在不斷地完善之中，待橋梁建成通車后，筆者將對實際的運營效果和事故數據進行跟蹤調查，并對設計方案和參數進行必要調整，使得護欄的設計更加合理。