橋梁護欄安全性分析與研究

文｜ 上海同豐工程咨詢有限公司 楊虎

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，國民出行條件也得到了大大改善，但近年來不斷有超速車輛沖出人行道或沖入對向車道，發生側翻后墜出橋外，造成群死群傷的惡性交通事件，給人民群眾生命財產和社會安定造成嚴重威脅，橋梁防護問題已成為重大的社會公共安全問題。

我國的道路橋梁按照管養部門不同進行劃分，主要歸于交通運輸部及住房和城鄉建設部兩大部門管理。交通運輸部所管橋梁多分布于高速公路、國省干線、縣道和鄉道等公路，即通常所說的公路橋梁，此類橋梁主要作用為連通不同的行政區域，大部分道路橋梁不設置人行道；而住房和城鄉建設部所管橋梁主要分布在城市區域內的快速路、主干路、次干路、支路和街坊路上，即通常所說的城市橋梁，這類橋梁因處于城市空間內，大部分設置人行道。

橋梁護欄是指設置在橋梁兩側建筑限界以外的防護裝置，主要分為剛性護欄、半剛性護欄及柔性護欄，目前使用較為廣泛的是剛性護欄和半剛性護欄。由于我國公路和城市道路里程的不斷增加，在役橋梁亦不斷增加，因橋梁的修建年代不同，建設水平參差不齊，所參照的標準依據也各有不同，進而導致橋梁安全防護設施的設置種類和形式多種多樣。

本文以某城區橋梁護欄設施為例，根據安全防護能力排查結果，對橋梁防撞護欄的安全性進行分析，并依據現行規范要求提出合理性建議。

1 項目概況

某市按照《關于開展城市橋梁護欄升級改造專項工作的通知》文件精神對城區內橋梁護欄進行安全隱患排查，本次排查樣本總數為147 座橋梁，其中特大橋13 座，大橋36 座，中橋38 座，小橋60 座。通過排查，城區內橋梁護欄主要分為四種類型：機動車行橋兩側的混凝土護欄（剛性護欄）和組合型護欄（半剛性護欄），非機動車道橋金屬梁柱式欄桿（半剛性護欄）和大理石裝飾護欄。橋梁護欄安全性排查主要依據《城市道路交通設施設計規范》（GB 50688-2011）和《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）中相關條文的規定。

2 護欄安全性分析

2.1 靜態基礎數據安全性分析

根據《城市道路交通設施設計規范》（GB 50688-2011）第7.5.2 條人行護欄的設計應符合下列規定：“人行護欄的凈高不宜低于1.10m，并不得低于0.90m，有跌落危險處的欄桿的垂直桿件間凈距不應大于0.11m”。本次排查某市城區有44 座橋梁欄桿基礎數據不滿足上述規范規定，占全部橋梁總數的29.9%。

對于人行護欄凈高的基礎數據不足可采用提升高度的方式進行改善。在基礎數據不滿足的44 座橋梁中包含了各種類型的護欄結構，但多數為在役時間較久的剛性混凝土護欄和半剛性組合型護欄。剛性護欄中混凝土護欄凈高不足，可以將原有混凝土護欄頂面鑿毛并植筋，以直墻型加高混凝土護欄，目的使加高后的護欄高度滿足安全性的防護需求。單坡型混凝土護欄加高方案見圖1。

圖1 單坡型混凝土護欄加高方案示意圖

對于其他類型的護欄基礎數據不足（欄桿垂直桿件間距不足），只能采取拆除重建的方式進行改造，改造過程中拆除原有護欄后應注意采取相應的防護措施，防止車輛及人員沖出道路建筑限界以外，造成交通事故，尤其當橋下為通行道路和人行通道時，更應嚴防二次事故的發生。

2.2 防撞性能安全性分析

橋梁護欄安全性能評價指標主要有三個：①阻擋碰撞車輛穿越、翻越和騎跨的能力，即阻擋功能；②降低對車輛及車內乘員沖擊程度的能力，即緩沖功能；③使碰撞車輛向行車方向順利導出并恢復運行狀態的能力，即導向功能。其中阻擋功能是護欄最基本的功能，但也是最重要的功能。護欄的阻擋功能可以將汽車碰撞時產生的沖擊力按承載能力極限狀態的偶然荷載效應組合進行檢算，可大致估算出護欄能否有效的阻擋該車輛碰撞時產生的沖擊荷載。

采用真實車輛進行碰撞試驗是綜合評價護欄防撞性能最直接、最有效的方法。可以從保護駕乘人員的角度出發，以交通事故再現的方式來分析車輛碰撞前后駕乘人員和車輛相對護欄的運動狀態及損傷狀況，并以此來改進護欄的結構狀態，改善護欄的安全特性。

車輛碰撞護欄的過程是十分復雜的，碰撞荷載的作用點是沿著護欄的迎撞面變化的，隨著碰撞時間的推移，整個碰撞過程的不同時間碰撞荷載的大小亦不相同，另外車輛不同的速度、角度所產生的荷載也千差萬別，因此這種動態分析無法采用精確的計算方法來進行描述。一般情況下，可以采用靜力方式計算，即給護欄加載靜態力來近似模擬動態碰撞問題，而靜態力計算的關鍵在于確定撞擊力的大小和加載角度，關于用靜態力來計算分析動態碰撞問題，新規范《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81-2017）有比較詳細的計算原理和方法，本文計算依據新規范進行。

橋梁護欄防撞性能安全專項評估首先應根據橋梁所在的道路等級、設計車速、周邊環境及護欄整體狀態，按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）確定橋梁護欄的防撞等級，再通過現場橋梁護欄靜態基礎數據的采集，采用現場護欄實測數據建立計算模型進行檢算。本文重點以剛性護欄中的混凝土護欄（本次排查范圍內某橋，以下統一簡稱“該橋”）為例進行介紹。

2.2.1 護欄細部構造尺寸的確定

護欄靜態基礎數據的采集參照舊規范《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81-2006）相關規定進行，由于各類護欄計算的關鍵在于模型建立，而模型建立的關鍵在于護欄細部構造尺寸的確定，混凝土護欄主要采用以下參數進行數據采集：

（1）總高度H；

（2）混凝土底寬B；

（4）斜坡混凝土高度H1；

數據采集參數圖如下圖2 所示，現場實測數據見表1。

2.2.2 護欄撞擊橫向力的確定

橋梁護欄防撞性能安全性分析模型計算除須護欄細部構造尺寸外，還應確定道路的等級、通行車輛參數、設計車速等參數。

（1）道路等級的確定

圖2 混凝土護欄數據采集參數圖

橋梁護欄所在道路等級的確定主要查閱橋梁或所在道路的設計圖紙，圖紙中對道路的等級通常會有明確的界定，該橋竣工圖紙中明確該橋所屬道路等級為城市主干路。當圖紙中對道路等級沒有說明或設計圖紙缺失時，可以根據道路在城市路網中的地位、交通流量或道路的規模來確定。

（2）通行車輛參數

《公路護欄安全評價標準》JTGB05-01-2013 中對各類車輛相關的技術參數調查結果進行了統計，對規范中車輛參數的選用應先進行現場交通情況調查，根據調查結果該橋通行客車的主要技術參數見表2。

（3）設計車速參數

道路的設計時速可以查閱竣工圖紙等資料，當資料缺失時可以根據橋梁護欄所在道路上機動車的限速來間接確定。

（4）護欄橫向撞擊力確定

根據該橋竣工圖紙，橋梁所屬道路等級為城市主干路，設計時速為60km/h，該橋下有地面道路和人行道，當橋面有車輛掉下時可能引起二次重大事故，根據城市橋梁設計規范要求該橋護欄等級取SA 級。

新規范《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81-2017）條文說明3.5.5 條中給出了基于一定假定的車輛與護欄碰撞數學模型。利用上述確定的參數可求得近似的單位長度橫向撞擊力值，具體計算結果見表3。

2.2.3 護欄極限承載能力的確定

將護欄視作懸臂構件，在護欄上施加單位橫向力，橫向力作用點為：對于混凝土及組合式防撞護欄，假定小型客車的撞擊高度距離地面距離為0.4m，中型客車的撞擊高度距離地面距離為0.5m，大型客車的撞擊高度距離地面距離為0.6m，特大型客車的撞擊高度距離地面距離為0.7m。

車輛撞擊力作為偶然荷載，根據規范規定，需對承載能力極限狀態下防撞護欄的承載能力進行檢算，承載能力極限狀態應按下式要求進行檢算：

式中：γ0—結構重要性系數；

Sd—作用組合的效應（如軸力、彎矩或表示幾個軸力、彎矩的向量）設計值；

Rd—結構或結構構件的抗力設計值。

2.2.4 護欄防撞安全性能判定

本例橋梁護欄在各車型推算橫向撞擊力作用下，單位長度護欄底部截面承載能力檢算結果見表4。

由表4 可知，單位長度護欄底部截面承載能力在各車型推算的橫向撞擊力下產生的作用效應均小于護欄底部截面的抗力，滿足安全性要求。

3 小結

“10·28 重慶公交車墜江事件”后，交通運輸部發布了《提升公路橋梁安全防護能力專項行動技術指南》用于完善在役橋梁安全防護設施，提升公路橋梁防護能力。住房和城鄉建設部也發布了《關于開展城市橋梁防護升級改造專項工作的通知》，同時還對現行《城市橋梁設計規范》中橋梁防撞護欄和人行道欄桿的條文進行了修訂。主管部門的目的都在于提升橋梁護欄防護能力，滿足公共安全的需求。

本文根據某市在役城市橋梁排查結果重點對剛性護欄的安全性進行了分析，分析主要從靜態基礎數據的安全性和防撞性能的安全性兩個方面著手，分析的方式方法通過了專家評審，對于其他地區橋梁護欄安全隱患排查起到借鑒作用，但各地區還應充分考慮地域因素，做到因地制宜、因橋制宜。

表1 護欄主要細部尺寸測量及復核

表2 客車的主要技術參數

表3 不同車型單位長度橫向撞擊力匯總表

表4 單位長度護欄底部截面承載能力檢算結果