運營橋梁防撞護欄承載能力驗算評估存在的問題及新的計算方法初探

趙 戈， 鄒 衡， 安 峰， 賈黎麗

(重慶高速公路集團有限公司， 重慶 401121)

自2018年重慶萬州公交墜江事件后，國務院安全生產委員會、交通運輸部及各省市主管部門下文要求就對運營橋梁的安全防護能力進行評估及提升。根據現行規范JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》[1]及交通運輸部就橋梁防護設施評估提升的各類指南的相關要求，重慶高速公路集團有限公司就轄區范圍內部分橋梁防撞護欄的能力進行評估，在評估驗算過程中，發現對于運營中的橋梁，特別是建設年代較早的中小跨徑預應力簡支T梁，其懸臂板的承載能力難以通過驗算，甚至其僅為計算承載需求的1/9左右。從工程經驗看，如果橋梁構件的承載能力需求比達到1∶9，那該構件將是一個并不安全，甚至可看作是危險的結構體系。但從我國公路橋梁建設的情況看，中小跨徑預應力簡支T梁是運用最為廣泛的橋梁結構之一，且根據我國多年的高速公路運營經驗及相關文獻、報道來看，雖車輛撞擊橋梁防撞護欄的交通事故時有發生，但因沖擊導致橋梁防撞系統發生嚴重的破壞失效，進而引起更為嚴重的交通事故的案例鮮有見聞。這說明現有公路橋梁安全防護體系基本可達到預期的防護效果，但這又與前述的承載能力計算結果不相符合，這也表明規范中對于護欄防護能力的計算方法可能存在一定的使用局限性。

為此，針對運營橋梁的防撞護欄改造，如簡單的按照現行規范標準要求，對不能通過防護體系承載能力驗算的橋梁進行結構加強，將造成極大的社會資源浪費。如何正確評估既有橋梁防護體系的承載能力，在安全、經濟、合理的前提下更有針對性地制定既有橋梁的護欄提升方案，是當今存在于我國公路建設、管理行業從業人員中的一個重要課題。本文將從我國歷版規范中，對于公路橋梁防撞護欄的計算分析方法演變過程入手，分析其防撞護欄承載能力驗算理論，并在現行規范中驗算方法的基礎上，提出針對既有橋梁防撞護欄承載能力驗算的新的計算方法。

1 驗算標準的演變

我國針對公路橋梁防撞護欄的技術標準，可按照規范發布的年限分為4個階段：1) 1994年以前，無相關設計參考規范限定；2) 1994年—2006年，針對高速公路橋梁所頒布的JTJ 074—94《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》[2](簡稱《94規范》)對橋梁護欄的建設提出相關要求；3) 2006年—2017年，防撞護欄設計參考規范為JTG D81—2006《公路交通安全設施設計規范》[3](簡稱《06規范》)；4) 2017年以后，防撞護欄設計參考規范為JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》[1](簡稱《17規范》)。以下是對上述規范中關于橋梁防撞護欄的防撞能力驗算的演變過程，并結合國外相關規范進行分析。

1.1 碰撞荷載標準值的演變

車輛在碰撞護欄時，碰撞荷載的作用點是沿著護欄迎撞面移動的，隨著時間而變化，并在某一時間點出現峰值。車輛碰撞護欄是十分復雜的過程，目前國內外學者對沖擊荷載作用下的鋼筋混凝土結構的動力響應做了大量研究，也提出了多個基于沖擊能量的碰撞數值模型及鋼筋混凝土結構在沖擊荷載下的損傷和破壞形態等理論，到目前為止尚沒有精確且適用的方法來進行車輛碰撞護欄時的沖擊力計算公式。因此在國內外的規范中，不管是針對不同防護等級的防撞護欄，還是依靠由車輛碰撞試驗結果所提出的標稱碰撞力標準值，這些理論均難以直接運用在護欄的碰撞力計算中。在國內外關于防撞護欄的碰撞力，均為按照護欄的防護等級需求給定其相應的碰撞荷載標準值及相應分布長度，然后按照均布荷載進行計算，如表1所示。

表1 各規范PL3級護欄碰撞荷載標準值對比

由表1可知，從我國歷年規范更替的情況看，以PL3級護欄為例，規范中對于碰撞荷載的標準值均有較為明顯的提高。同時，對比美國公路運輸協會規范《AASHTO LRFD Bridge》(8th，2017)中相應的TL-5級護欄，其碰撞荷載標準值為551.25 kN，分布長度為2.438 m[4]，其相應的計算荷載集度為226.1 kN/m，與我國的《17規范》相近。

由表1還可知，我國3版規范中對于碰撞力的荷載集度在逐漸提高，在對比等級的護欄中，《06規范》規定的荷載集度在《94規范》的基礎上提高了15.6%，而《17規范》規定的荷載集度在《06規范》的基礎上提高了108.4%。雖然從荷載集度上《17規范》較《06規范》中提高了1倍以上，但因2部規范的計算方法并不相同，故就防護設計的強度不一定大幅提升。

1.2 計算方法的演變

從規范的發展看，《94規范》對護欄及護欄與橋面板連接強度的驗算方法是基于強度的計算理論，即按照規范給定碰撞力，并根據懸臂梁的受力計算方法，按照鋼筋混凝土截面對護欄進行受力計算；《06規范》計算方法本質上與《94規范》相同。

而現行的《17規范》中對于橋梁防撞護欄承載能力的計算理論，已摒棄原有基于強度的設計計算方法，改為與AASHTO相同的基于延性的屈服線計算理論作為護欄強度的主要計算方法，并引入了能力保護構件的設計思路。以混凝土護欄為例，其設計計算主要分為如下2個步驟：

1) 護欄本體的承載能力驗算

對于鋼筋混凝土護欄的橫向承載力驗算，根據現行規范標準要求，采用屈服線分析(Yield LineAnalysis)，通過護欄的截面及配筋情況，按照碰撞發生在護欄標準段與碰撞發生在端部，分別驗算護欄的公稱承載能力，并與相應等級護欄需承受的公稱荷載相比較，判定其防撞能力能否滿足要求，如圖1所示。

(a) 結構形式

(b) 標準段碰撞計算模型

(c) 端部碰撞計算模型

2) 護欄與梁體連接強度驗算

橋梁防撞護欄受到車輛撞擊后，在橋梁護欄上受到橫橋向的水平沖擊荷載作用時，主梁結構最薄弱區域為翼緣板懸臂部分，另因翼緣板在橫橋向一般為變截面，在沖擊荷載下，翼緣板最不利截面為護欄內表面與翼緣板相交部分，也是橋梁結構承載力的驗算截面，如圖2所示。

圖2 結構驗算截面位置示意

具體的驗算荷載組合及計算公式見JTG/T D81—2017《公路交通安全設施設計細則》[5](簡稱《17細則》)，本文僅對其計算理論的運用進行分析。為進一步分析規范中的計算理論，現行規范中引入了能力保護構件(Capacity Protected Member)的設計概念，即在計算時將防撞護欄作為能力保護構架，而將主梁懸臂作為被保護構件，設計要求懸臂板的驗算截面強度高于護欄的公稱承載能力，使其在極端荷載作用下，破壞發生在護欄中，而不會發生在懸臂板上。

2 承載能力計算理論分析

通過對比我國歷版規范的演變過程可知，相較早期的規范版本，現行《17規范》設計理念、計算理論均發生了較大的變化，采用了針對極端荷載作用更為科學合理的塑性計算理論，并引入了能力保護構件的設計理念。

2.1 屈服線計算理論

《17規范》中最為明顯的變化，是各個等級防撞護欄碰撞荷載標準值的荷載集度均出現了較為明顯的提高。但在實際設計計算中發現，橋梁護欄的斷面尺寸和配筋并未出現較大的變化，這與橋梁防撞護欄的設計相對較為保守有一定的關系，但根本上，是因防撞護欄的計算理論不同所致。

《17規范》的計算理論摒棄了傳統的基于結構強度的靜力計算方法，而采用基于結構發生延性破壞的屈服線理論(或稱為塑性線理論)對防撞護欄的承載能力進行驗算。在早期規范中，基于強度計算理論僅能計算結構破壞前的強度及線彈性階段的結構強度，而不能充分考慮結構在發生塑性形變后的承載能力。而沖擊碰撞破壞是一種偶然且極端的結構破壞形態，在此類荷載下是允許結構本身發生可控的開裂、變形，考慮結構進入塑性階段的承載能力，從而能夠充分地利用材料本身的強度。

2.2 能力保護構件理論

能力保護構件理念基于結構構件的重要性及其損壞發生后的可修復性，并以此作為主要評價標準，即人為使結構構件重要性較低，并當發生損壞后，修復代價更小的結構構件，且設計強度低于其鄰近的主要構件。一旦地震、爆炸、撞擊等極端情況發生，通過次要構件的破壞耗能或阻斷外荷載的急需輸入，從而避免了主要構件發生嚴重破壞的設計理念，如同在電路中設置“保險絲”的作用。橋梁結構設計中最常見的能力保護構件為門架墩的橫系梁，在地震發生時，橫系梁的破壞既耗散了地震荷載，又釋放了部分對橋墩的約束，減輕了橋墩在地震中的破壞程度，使得橋梁結構在地震中不至于發生坍塌。在震后，橫系梁的修復難度也遠小于橋墩出現嚴重破壞后的修復難度。由此可見，能力保護構件設計理論的基礎在于區分主要構件與次要構件，并在極端情況發生時，將破壞點引至對橋梁結構重要性更低、影響更小、修復代價較小的次要構件，進而達到保護主要構件目的的設計理論。

《17細則》附錄“D.4橋面板懸臂設計”中，對支撐混凝土護欄的橋面板考慮極限狀態I，規定“橋面板懸臂可提供彎曲抗載能力Ms(kN·m/m)，與式D.4.2規定的拉力T(kN/m)同時作用，應超過護欄根部的Mc。軸向拉力T可表示為：T=RW/(Lc+2H)”[5]。在式中，Rw為采用屈服線理論計算的護欄對橫向荷載的抗力標準值，而非由碰撞本身所產生的荷載。《17規范》要求主梁懸臂板與護欄連接處的設計強度要高于護欄本體的強度，即在出現極端情況時，破壞將發生在護欄本體內，而非發生在主梁懸臂板中。

2.3 計算理論適用性分析

車輛沖擊碰撞橋梁結構防撞護欄屬于偶然荷載，而采用考慮材料塑性階段性能的屈服線理論，比基于強度的設計理論更為科學合理。但筆者認為，能力保護構件的設計理念運用在橋梁防護體系中，也存在一定的局限性。

2.3.1 橋梁防撞體系所保護的主體應該為行駛在橋梁上的駕乘者，而非橋梁

橋梁防撞體系的主要作用是防止行駛車輛在發生碰撞后，因防護體系失效而導致車輛沖出橋面造成二次損失。無論是護欄墻體發生破壞，還是主梁翼緣板邊緣發生破壞，一旦防護系統失效后將導致較為嚴重的后果，并評價為防護體系失效。較行駛車輛沖出橋面所發生的后果及造成車毀人亡的損傷而言，橋梁結構的破壞是發生在主梁上還是護欄墻體上并不重要。

2.3.2 對采用混凝土護欄的橋梁，主梁懸臂和防撞護欄的結構形式相似，其修復難度相當

城市橋梁在橋側設置慢行系統，公路橋梁則在橋梁兩側翼緣板上設置了防撞護欄。常見的預應力T梁或預應力小箱梁的預應力均布置在腹板內，其翼緣板外緣并未布置預應力鋼束。因此，翼緣板外側本質上與混凝土護欄的結構形式相同，均為鋼筋混凝土結構，在極端情況下發生破壞，修復難度相近。

2.3.3 能力保護構件的設計理念需在橋梁結構設計時執行，而對既有橋梁的評估并不適用

橋梁安全防護體系不僅包含橋梁的防撞護欄，還應包含防撞護欄與橋面懸臂板的結點。根據筆者對現今橋梁設計情況的調查，大多中小跨徑高速公路橋梁設計時，基本都是套用相應跨徑和結構體系橋梁的標準圖，而防撞護欄的標準圖與主梁的標準圖往往是獨立的，而并未進行配套設計。另外，筆者對收集到重慶市及周邊省份的高速公路橋梁標準圖進行計算分析，發現標準圖中各等級護欄的設置均較為保守。以某省SS級混凝土護欄為例，其豎向鋼筋采用Φ16 mm的HRB400按間距10 cm進行排布，該規格護欄按照《17規范》進行計算，其公稱承載能力甚至超過了其等級承載需求的1倍以上。按照能力保護構件的設計理念，其護欄本體的防撞能力，變成了與之相連接的懸臂板需求，這一理念相較保守的護欄本體設計將導致懸臂板的強度需求急劇增大。對于既有橋梁，如在設計時未進行護欄本體和主梁懸臂的強度匹配設計，則很難通過承載能力驗算。

2.3.4 在《17細則》中，對橋面板懸臂驗算不通過的情況表述不清晰，且未給出明確的結論與后續驗算評估方法

針對橋面板懸臂設計驗算不通過的情況，《17細則》附錄D.4章節的條文說明原文為“如果橋面板懸臂的承載能力小于所規定的值，那么護欄的屈服線破壞機理就不能如圖D.3.1-1一樣，式D.3.1-1和式D.3.1-2就不正確。碰撞試驗的目的是保存下來，不必識別出是否達到了護欄系統的極限強度。這可能會使護欄系統過度設計，導致橋面板也進行過度設計的可能性增加。”[5]《17細則》條文說明表述方式令人費解，且其語序與用詞并非中文的理解習慣。為了理解其條文說明要義，筆者查閱了《AASHTO LRFD BDS》中相關內容的闡述，美規的原意為“如撞擊后發生破壞的破壞面不在防撞墻本體，則規范中給定的屈服線計算理論則不適用于該情況，相應的計算公式也不成立。如果橋梁護欄出現了明顯的過度設計，為滿足驗算要求，則可能導致橋面板懸臂也出現過度設計。對于此類情況，可通過碰撞試驗進行識別驗證。”[4]

分析上述條文可知，規范中已認識到當因防撞護欄的設計強度過于保守后，再使用該計算公式已無法對防護體系的安全狀況進行正確的評估，且規范中也明確表明這類情況并非是不安全情況，此時驗證其安全性的方式只能采用碰撞試驗，但沒有給出一個可行的計算驗證方法。

3 既有橋梁防撞護欄計算評估方法改進

通過對規范中橋梁護欄的承載能力進行理論分析，基本可回答本文開篇所提出的問題，即對部分預應力簡支T梁，其橋面板懸臂端的計算承載能力僅有防護需求的1/9的情況下，還可基本達到其應有的防護效果，其根本原因在于引入能力保護構件設計理論。

如前所述，以往大多數橋梁設計時，并未考慮護欄強度與橋面板強度之間的匹配問題，而隨著規范中對于碰撞力的逐版提升，其護欄本體的截面尺寸均在增大，配筋均在增強。

經計算發現，即使在《94規范》頒布實施時期，建設的部分高速公路橋梁，其護欄本體橫向荷載的抗力標準值已超過該規范要求的2倍以上，此時在計算橋面板懸臂與護欄本體的連接強度時，過高的護欄本體強度則變為了計算連接強度的承載力需求。2000年左右通車的某高速公路橋梁護欄體系如圖3所示。圖3中，護欄根部斷面a-a的寬度為33.4 cm，而主梁與護欄連接處斷面b-b的寬度僅有13 cm，僅從截面寬度比較，防撞護欄本體的強度遠高于橋面板懸臂的強度，是出現上述問題的主要原因。

圖3 驗算截面示意

綜上分析，目前國內外關于橋梁防撞護欄防護能力的驗算，均不能對既有橋梁防撞護欄體系的承載能力進行正確判斷，如何認識和評估現有橋梁防撞體系的防撞能力是各等級公路橋梁管理者需解決的難題。對既有現狀的橋梁護欄，通常采用建立實體有限元模型驗算，或通過實車碰撞來進行有效性驗證。但由于三維建模計算工作量較大，且對碰撞力時程曲線的選取和邊界條件的設置等不同，對計算結果影響較大，因此需進行大量深入研究工作；采用碰撞試驗的方式雖直觀，但相應的實施周期較長，且成本高。為此，本文在現有規范的基礎上，提出一種簡便有效的評估驗算方法，對既有橋梁的防撞體系進行能力驗算。

3.1 削弱截面法計算護欄承載能力

通過對計算理論的分析可知，《17規范》中對于橋梁防撞體系承載能力的驗算思路為：1) 使用塑性理論計算護欄本體的承載能力，證明防撞護欄本身具備足夠的強度；2) 通過驗算后，再使用能力保護構件的計算理念比對護欄本體強度和與之連接的主梁翼緣板的強度，若翼緣板強度高于護欄本體強度，則認為整個系統是安全的。

根據上述分析，通過該驗算思路對防撞系統進行評估會帶來一個悖論，若護欄本體強度與梁體懸臂端強度均能夠滿足防護需求，但懸臂板強度低于護欄本體強度，則按照《17規范》的計算方法，均不可能通過驗算，這一點在T型梁、小箱梁這類在橋側帶有厚度較小的翼緣板的橋梁中表現較為突出，筆者在對類似橋梁的多次比較驗算中也得到了相應的證實。

對于此類“強護欄弱梁”防撞體系的橋梁，如果人為的削弱護欄強度，比如縮小其截面尺寸或切斷部分豎向鋼筋，使其強度剛好滿足相應等級護欄的要求，再以削弱強度后的護欄本體強度代入規范中支撐混凝土護欄的橋面板強度計算中，如果此時可通過計算，即可判定為該結構體系是安全的，那么也可以判定，在進行護欄本體削弱前的結構體系也是安全的。

綜上分析，削弱截面法計算護欄承載能力的本質是評估既有橋梁的防撞設施時，在護欄本體的驗算抗力Rw超過橋梁護欄的汽車橫向碰撞荷載標準值后，需計算支撐混凝土護欄的橋面板強度，此時計算其橋面板每單位長度的拉力T，不再代入護欄本體的驗算抗力Rw，而應代入削弱截面后護欄本體的驗算抗力，或者直接代入相應等級護欄碰撞荷載標準值。

3.2 橋梁護欄能力保護構件的重新定義

橋梁防撞體系的設置主旨為保障駕乘人員的人身安全，如按照結構設計的理念以橋梁護欄作為主梁的能力保護構件并不完全適用于護欄防護體系的設計，而應以橋梁防撞護欄體系作為橋梁車行道的能力保護構件，即避免當防撞體系受到極端荷載的作用下，發生因車行道損壞威脅到其他行駛車輛安全的情況。

因此，對于橋梁防撞體系能力保護構件的劃分，因加入了駕乘者的因素，則不應簡單地以橋梁構件本身作為劃分標準，更為合理的劃分方式是按照橋梁的使用功能，將橋梁行車道內部作為被保護構件，而將行車道外的翼緣板與防撞護欄作為能力保護構件。這一點體現在主梁翼緣板驗算截面的選取中，規范推薦采用主梁與護欄交界的截面進行強度驗算，參考美國科羅拉多州交通部的橋梁設計手冊，建議采用車行道(或應急車道)外緣作為懸臂板的驗算截面[4]。同時，在驗算時也可充分考慮橋面調平層混凝土對截面承載能力的貢獻。懸臂板的驗算截面如圖4所示。

圖4 《CDOT Bridge Design Manual》中臂驗算截面的選取

但驗算截面的內移與混凝土調平層的貢獻考慮也是有運用條件的，只有對橋梁護欄內側鋼筋外伸至橋面調平層一定長度的橋梁方可考慮，而對于護欄鋼筋并未深入調平層混凝土的情況，則不應考慮調平層混凝土對于翼緣板強度的影響。橋梁護欄及翼緣板鋼筋布置情況如圖5所示。

圖5 某高速公路橋梁護欄及翼緣板鋼筋布置情況

4 結論

1) 《17規范》及其配套的《17細則》中，針對橋梁防撞體系的設計引入了基于塑性的計算理論與能力保護構件的設計思路，較之前版本的規范是技術的一大進步。但因橋梁防撞體系的首要功能是保證駕乘人員安全，而非保護橋梁結構本身，故若按照橋梁構件來劃分保護構件與被保護構件的方法并不恰當。能力保護的設計理念運用在橋梁護欄體系中，不應將護欄結構作為主梁的能力保護構件，而應理解為護欄體系是橋梁車行道的能力保護構件。

2) 《17規范》中對于橋梁防撞體系的驗算評價方法，可有效指導新建橋梁設計，但對舊橋防護能力的評價使用中，存在較大的局限性。本文提出的削弱界面計算橋梁防護體系承載能力的計算方法，其計算原理和驗算原則是對《17規范》所提出驗算方法的擴展，其本質是對未采用能力保護構件理論設計的橋梁，表明在驗算階段也不宜采用能力保護構件的理論進行驗算。但作為一種新的驗算方法的探索，其適用性需要進一步驗證。

3) 新建橋梁防撞護欄的設計應該結合與其相連接的主梁翼緣板強度相匹配。在我國目前的公路橋梁防護體系設計過程中，較多的設計單位采用的是固定結構形式的防撞護欄，放置在不同結構體系的橋梁中，如將此護欄安置在厚度較薄的預制T型梁、預制小箱梁的翼緣板邊緣，雖不致造成結構不安全，但卻會因為其連接強度不足，導致護欄本體的強度不能完全發揮，形成較大的強度富余，進而造成了不必要的浪費。因此，建議設計單位在進行橋梁防撞護欄設計時，應將防撞護欄與翼緣板形成一個系統進行設計，以充分利用各材料的性能。

4) 護欄鋼筋外伸至橋面調平層中，可明顯提高護欄系統的整體性，雖已有不少的橋梁已按此方法進行實施，但規范中并無明確要求，建議后續規范中將其作為構造要求進行明確。