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

隨著經濟建設的發展，城市中各種現代化的交通設施，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，而交通運輸的發展也導致了交通事故的急劇上升。交通安全已經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生，給人們的生命財產造成了嚴重威脅。

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性的論述，然后結合工程實例，根據規范要求，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，原則上需要根據公路等級和設計速度并結合交通量、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，車輛越出有可能發生二次事故時，或穿越飲用水源地級保護區等特殊路段的橋梁，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《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81-2017)表6-4選定。

1.2 護欄形式的選擇

橋梁護欄形式按結構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、結構要求、經濟性和養護維修等方面確定適當的護欄形式，其形式要滿足構造要求，具體構造要求見《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《公路交通安全設施設計細則》JTG/TD81-2017規定：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)，可根據現行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規定得到；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量(kg)，可根據現行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規定得到；B-輪胎最外側立面之間的距離(m)，可根據現行《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01)的相關規定得到；g-重力常數，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《公路交通安全設施設計細則》JTG/T D81-2017規定：

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

(2)新型橋梁護欄結構試件應按承載能力極限狀態法進行設計。試驗構件所承受的荷載如下圖所示，數值如下：

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、荷載組合值系數等應按現行《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60)的規定采用，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區灞河橋，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《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單獨計算，因此只需考慮橫向和縱向荷載的組合。

根據防撞護欄圖建立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

由結構力學可知，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進行組合)。

以工況①為例，計算結果如下：

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。滿足規范要求。

(2)立柱最不利承載力驗算

由結構力學可知，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 語

(1)對防撞護欄的設計要求和一般流程進行了系統闡述；

(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。