橋梁護欄精細化提升改造應(yīng)用研究

劉 偉

（山西交科公路勘察設(shè)計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

近年來我國公路橋梁數(shù)量呈直線上升趨勢，由于修建年代、施工水平和標準不同，橋梁防護設(shè)施的設(shè)置型式和種類多樣，防護能力各異。1994年之前我國護欄設(shè)計規(guī)范存在空白，《公路工程技術(shù)標準》88 版規(guī)范要求“高速公路及一級公路的橋梁應(yīng)設(shè)置護欄”。1994年至2006年，高速公路橋梁護欄以PL2防護等級的組合式橋梁護欄為代表，防護能量達到130 kJ[1]。 2006年之后，高速公路橋梁防護設(shè)施最低防撞等級為SB級，防護能量280 kJ[2]。

2006年以前修建的橋梁，距今已超過17年，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，車輛組成、交通流特征發(fā)生了變化，交通量急劇增加、載重量增大，社會公眾出行對公路橋梁防護能力提出了更高的要求，2006年以前修建橋梁，護欄防護能力已不滿足通行安全要求。2020年9月交通運輸部辦公廳下發(fā)了《交通運輸部辦公廳關(guān)于進一步做好公路獨柱墩橋梁運行安全提升等四個專項行動實施工作的通知》，其中包含提升公路橋梁安全防護能力專項行動，這對完善在役公路橋梁防護設(shè)施，提升公路橋梁通行防護能力，降低車輛沖破橋梁護欄墜落的安全風險起重要作用。

1 橋梁護欄現(xiàn)狀調(diào)查

調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，高速公路橋梁護欄形式豐富多樣，典型形式有F 型混凝土護欄、單坡型混凝土護欄、組合式護欄、梁柱式護欄及波形梁護欄，同種護欄型式又存在不同的病害程度。故要想獲得滿足規(guī)范要求、經(jīng)濟可行的護欄改造效果，必須對橋梁護欄及橋面板現(xiàn)狀進行詳細調(diào)查。

1.1 護欄結(jié)構(gòu)調(diào)查

以山西某高速為例，橋梁防護設(shè)施均采用《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 074—94）設(shè)計：大中橋梁路側(cè)防撞護欄均為PL2級組合式護欄[1]，混凝土底座+上部鋼扶手，混凝土底座高度分為63 cm 與68.5 cm 兩種（見圖1、圖2）；中央分隔帶均為兩波型波形梁護欄，立柱直徑為114 mm（見圖3）。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)部分橋梁組合式護欄底座混凝土保護層松散、脫落，嚴重影響其耐久性，橋梁護欄提升時應(yīng)充分考慮其產(chǎn)生的不利影響。

圖1 組合式護欄1（底座68.5 cm）

圖2 組合式護欄2（底座63 cm）

圖3 中分帶波形梁護欄

1.2 橋面板結(jié)構(gòu)調(diào)查

JTG D81—2017 規(guī)定“橋梁護欄與橋面板應(yīng)進行可靠連接”[2]，如橋面板強度不足，則可能導致橋梁護欄傾覆或橋面板撕裂。山西某高速公路橋面板采用了預制空心板及箱梁兩種形式，通過調(diào)查橋面板結(jié)構(gòu)分為三類，結(jié)果見表1。

表1 橋面板結(jié)構(gòu)匯總

2 護欄提升方案

在橋梁護欄防護能力提升工作中，如全部拆除重建勢必會導致浪費大、投資多、工期長等問題，嚴重影響公路運營；如對原有護欄進行利用，則面臨橋梁護欄和橋面板結(jié)構(gòu)形式多樣，護欄配筋型式、高度也可能包含很多種組合的問題，一橋一策提升方案是不現(xiàn)實的，橋梁護欄防護能力提升是一項系統(tǒng)工程，可以參考“全面排查、關(guān)鍵參數(shù)分析、最不利要素組合、防護能力科學提升”的思路對高速公路的橋梁護欄防護能力提升提出精準解決方案。

根據(jù)對山西某高速公路調(diào)查分類情況，結(jié)合原橋梁護欄結(jié)構(gòu)和橋面板結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀研究提出了4 種精細化提升方案：對位于無翼緣或小翼緣橋面板且技術(shù)狀況良好的混凝土護欄，拆除原有組合式護欄的上部鋼橫梁和支柱，植筋加高混凝土護欄使其總高度至110 cm[3]；對無翼緣或小翼緣橋面板，迎撞面馬蹄部位長年受融雪劑及自然環(huán)境的侵蝕導致混凝土剝落的混凝土護欄[4]，鑿除迎撞面混凝土保護層，頂面植筋加高，迎撞面改為F 型混凝土護欄；因植筋加高后翼緣板承載能力不足大翼緣橋面板的混凝土護欄，采用增設(shè)梁柱式結(jié)構(gòu)加高設(shè)計；前3 種方案均能將原混凝土護欄提升至SS 級。對中央分隔帶波形梁護欄，拆除原兩波板，通過安裝增高套筒與三波形護欄板，將原波形梁護欄提升至SB 級。具體提升方案如下。

a）提升方案一 對于無翼緣或小翼緣橋面板的混凝土護欄，可不必進行橋面板承載力驗算，直接采用加高方案即可。拆除上部鋼構(gòu)件，為增強新舊結(jié)構(gòu)銜接，鑿除頂部20 cm 混凝土，所有豎向鋼筋均與原護欄鋼筋焊接，最后選用C35 混凝土以直墻型加高混凝土護欄[5]，在頂面設(shè)置防爬坎，使總高度到110 cm，防護等級達到SS 級（見圖4）；為提升混凝土護欄耐久性在迎撞面及頂面整體進行防腐涂裝。

圖4 組合式護欄1改造圖

b）提升方案二 同樣對于無翼緣或小翼緣橋面板的混凝土護欄，但其迎撞面混凝土侵蝕、破損嚴重，為實現(xiàn)對既有護欄的加固，同時提升護欄防撞等級，首先鑿除原護欄迎撞面混凝土保護層，使其裸露出鋼筋，采用連接筋使既有護欄鋼筋與加厚部位鋼筋連接在一起，在原護欄內(nèi)側(cè)澆筑C40 混凝土，同時在頂部植筋并澆筑C35 混凝土，增加根部厚度級護欄高度，實現(xiàn)護欄提升至SS 級（見圖5）。

圖5 組合式護欄2改造圖

c）提升方案三 對于大翼緣橋面板的混凝土護欄，橋面板承載能力的驗算參照《提升公路橋梁安全防護能力專項行動技術(shù)指南》附錄B 驗算示例的方法進行：經(jīng)驗算，由于橋梁建設(shè)期較早，其懸臂鋼筋直徑較小、布設(shè)間距均大，故其懸臂承載能力無法滿足SS 級護欄碰撞荷載。設(shè)計碰撞荷載下車輛撞擊護欄后，懸臂板可能被撕裂。

數(shù)值仿真分析見圖6，具體方案為通過在原混凝土底座上增設(shè)梁柱式結(jié)構(gòu)提升橋梁護欄防護能力（見圖7），通過梁、柱之間的防阻塊分散對橋面板集中撞擊力，從而防止懸臂板因承載力不足而撕裂。同時，對梁柱式結(jié)構(gòu)進行了實車碰撞試驗，試驗結(jié)果表明，該提升方案滿足SS防撞等級，且橋梁懸臂板不會發(fā)生撕裂破壞。

圖6 有限元仿真驗證提升方案

圖7 組合式護欄2提升方案

d）提升方案四拆除中央分隔帶原波形護欄的兩波板和托架，保留原立柱，并在原有立柱上安裝增高套管、改進型PB 防阻塊和三波形鋼護欄板，中分帶兩側(cè)增高套管使用2 根φ12 熱浸鍍鋅鋼絲繩斜穿穩(wěn)定，將護欄提升為SB 級（見圖8）。

圖8 中分帶波形梁護欄改造圖

3 工程應(yīng)用評價

根據(jù)提升方案對山西某高速公路橋梁護欄防護能力進行了升級改造。項目實施過程中暴露出一些具體問題，如混凝土護欄頂部鑿除20 cm 后，原護欄外露的鋼筋長度仍然無法滿足鋼筋雙面焊接長度要求（規(guī)范要求不小于5 倍鋼筋直徑）；由于高速建造時間較早，少數(shù)波形梁護欄立柱根部銹蝕嚴重，強度不足。面對施工中出現(xiàn)的種種問題，經(jīng)過多方研討，針對混凝土護欄焊接長度不足問題，提出加大鑿除高度的方案，直至滿足鋼筋焊接長度要求；對波形梁護欄立柱強度不足問題，采用局部更換立柱方案，通過植筋將法蘭盤立柱固定于橋梁臺帽上。

山西某高速橋梁護欄提升改造后，提升了橋梁防護安全與路域景觀（見圖9），未發(fā)生車輛沖出橋梁的交通事故，安全性能良好。

圖9 橋梁護欄提升后效果

相較鑿除重建方案，本文提出的精細化提升方案大大縮短了施工工期，通過對混凝土護欄底座的合理利用節(jié)約了資源，降低了工程造價，減少了施工對高速運營產(chǎn)生的影響，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

橋梁護欄防護能力精細化提升改造方案的實施，有力破解了情況較為復雜、處治難度較大的在役橋梁安全防護能力的提升難題，對于以后橋梁護欄升級改造具有較強的指導意義。橋梁護欄提升時，通過再利用既有橋梁護欄底座和鋼立柱，可有效降低施工期間通行車輛發(fā)生墜橋的風險，同時能節(jié)約施工工期，減少材料使用量，降低橋梁護欄的全生命周期成本。