梁柱式鋼結構橋梁護欄結構設計研究

杜武軍

（中鐵長安重工有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著我國交通運輸事業的快速發展，公路橋梁建設呈現出穩步發展的趨向，但由于我國幅員遼闊，因此在橋梁建造的過程中會遇到各類地形，而交通組成在這一階段又發生了較為明顯的變化，車輛不僅呈現出高速化和大型化趨向，橋梁跨徑也更大一些，因此，橋梁安全防護問題暴露得更加明顯。通過增設護欄等方式或提升護欄防護等級等方式，能夠提高車輛在橋梁上的行駛安全性。

1 橋梁的護欄類型和結構分析

1.1 橋梁的護欄類型分析

現階段橋梁護欄在構建過程中，通常會使用三種不同的方式進行施工：第一種是使用混凝土作為基礎材質進行護欄構建；第二種是使用金屬梁柱式護欄方式進行施工；第三種是使用組合式護欄方式進行施工。由于第一種和第三種施工設計方式，很容易讓護欄量大增，因此在使用階段很容易讓橋梁出現較大的靜態荷載。如果在未來大跨徑橋梁的應用變得更加廣泛，那么橋梁就需要在設計方面，呈現出輕量化改良的趨向。相較于金屬梁柱式護欄而言，另外兩種護欄結構通透性不佳，這就意味著在一些容易發生極端天氣變化的區域，會出現清理方面的問題，與此同時，車輛在行駛過程中也很容易出現視覺方面的壓抑感，這很難使橋梁交通效果和質量得到更全面的完善。為了解決這一問題，需要進行金屬梁柱式護欄結構的推廣和應用。相較于其他兩種結構來說，這一種類型的護欄不僅美觀通透，并且重量較輕，不容易積攢砂礫和雨雪，在清理過程中不需要耗費過多的時間和精力。因此，金屬梁柱式護欄在應用方面是具有較為明顯優勢的，技術人員要對此引起重視[1]。

1.2 橋梁的護欄結構分析

第一，在公路交通安全實施設計細則中，進行了護欄總高度方面的規范性論述。在一般情況下，A 級的金屬梁柱式護欄在高度上不得少于1.25m。但由于25t 的大型貨車車廂底板高度為1.25m，為了避免車輛在行駛過程中翻越和騎跨護欄，護欄設計總高度應當保持在1.3m。

第二，在護欄立柱設計過程中，需要遵循強梁弱柱的原則，因此設計人員要考慮到碰撞載荷在基礎方面的影響程度。而大多數護欄立柱都需要使用異形h 型結構，且在立柱的根部需要設置窄斷面的圓弧，只有如此才能夠讓立柱承載的強度得到更進一步保障，碰撞荷載也不容易向橋梁基礎方面進行傳遞。

第三，在護欄整體結構設計過程中，需要合理把控頂層的橫梁壁厚以及下部三層橫梁壁厚規格。通常情況下，下部三層的橫梁壁厚都需要在4mm，頂層的橫梁壁厚需要在6mm，與此同時，橫梁需要選擇Q345 材質進行設計，且相應的立柱間距不得小于1.5m，立柱的底板厚度需要維持在20mm。在此過程中，技術人員還需要合理把控壁厚、高度以及壁材質。材質選擇大體是Q235，壁厚控制在8mm，高度在1200mm，而橋梁的基礎高度則需要調整為100mm，在此過程中需要額外關注混凝土的強度等級，相應的強度等級要達到C40。在綜合考慮了橋梁護欄的防護功能之后，需要進一步遵循強梁弱柱的理念，進行立柱和橫梁的結構規格優化[2]。具體的護欄結構如圖1所示。

圖1 梁柱式鋼結構橋梁護欄側面

第四，在護欄橫梁結構設計過程中，需要全面考慮橫梁抗彎承載能力，為了讓現場施工的便捷程度得到更進一步提升，技術人員可嘗試進行異形圓弧狀開口橫梁的應用。為了讓碰撞過程得到進一步緩沖，技術人員可在橫梁背部添加設置專用的防阻塊。當然，由于橫梁縱向連接強度也需要得到更全面的完善，因此技術人員需要采用內管套設計，通過上下四層橫梁設計方式，來提升相應的護欄橫梁設計質量。

2 護欄結構優化安全性能分析

2.1 車輛方面的安全性能

以大型貨車和大型客車的碰撞進行模擬分析驗證，不難發現護欄在碰撞過程中是很容易對車輛的安全性能產生影響的。在車輛發生碰撞的過程中，護欄能夠起到一定的導向和阻擋功能，甚至會改變碰撞過程中車輛的行駛軌跡和姿態。在進行大型客車碰撞模擬試驗過程中，客車碰撞過程行駛姿態如圖2所示。

圖2 仿真模擬試驗中大型客車的行駛姿態

通過對圖2 中信息的總結和分析不難發現，在大型客車碰撞的過程中，整體的姿態仍舊趨于平穩，并未發生較為明顯的姿態失衡現象，也沒有出現諸如翻車、跳車或護欄發生斷裂的現象。這一過程中護欄頂多發生了動態形變，相應的形變數值也沒有超過390mm。車輛的最大外傾值約為620mm，因此車輛不容易沖出護欄。由于相應的變形情況和外傾值都在合理范圍內，因此車輛即便發生了嚴重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

除了大型客車之外，進行大型貨車的碰撞模擬試驗也是很有意義的，具體的試驗過程如圖3 所示。

圖3 仿真模擬試驗中大型貨車的行駛姿態

通過分析和總結圖3 中信息不難發現，車輛在碰撞過程中整體姿態仍舊趨于平穩，并未出現跳車或翻車等現象，在具體的碰撞過程中，護欄也并未出現斷裂方面的問題，護欄雖然出現了動態形變，但相應的形變值大約在200mm，車輛的最大外徑值也保持在600mm，因此車輛不容易沖出護欄。由于相應的變形情況和外傾值都在合理范圍內，因此即便車輛發生嚴重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

2.2 橋梁的基礎安全性能

如果在大型車輛交通行駛過程中，出現大型碰撞方面的問題，那么護欄所承受的碰撞力很可能超出警戒范圍，最終使得橋梁基礎所承受的彎矩大于正常值，因此進行大型車輛的碰撞模擬試驗是很有必要的，在具體的試驗過程中，技術人員還要觀測其對橋梁基礎的影響程度。相應的觀察重點需要放置在考察連接螺栓的失效情況以及相應基礎的破壞情況方面[3]。

由于橋梁本身在基礎部分設計過程中，對立柱根部進行了專項的局部弱化設計，因此即便發生大型車輛碰撞的突發性事故，司乘人員和車輛安全也能得到有效保障，并且橋梁基礎會通過自屈服的方式來卸載掉部分的碰撞力，因此碰撞力不容易向橋梁基礎傳遞。在對連接螺栓進行檢查的過程中不難發現，連接螺栓并未發生破壞方面的問題，因此相應碰撞對橋梁主體的不利影響得到了有效控制。

2.3 司乘人員的安全性能

雖然大型車輛的碰撞能量要遠遠大于小型車輛，但小型車輛的碰撞速度卻要明顯比大型車輛高一些。由于小型車輛的總質量小，因此在碰撞過程中司乘人員所遭受的沖擊也要明顯大于大型車輛。因此，要想分析在車輛碰撞過程中，司乘人員是否受到安全影響，應當使用小型客車進行碰撞模擬試驗，在此過程中，技術人員需要對車輛的沖擊和姿態進行相應的數據分析。在具體的小型客車碰撞模擬試驗過程中，相應的碰撞車輛整體姿態較為平穩，也沒有發生跳車或翻車等問題，護欄在此過程中也并未斷裂，整體的車輛行駛姿態良好。因此，在梁柱式鋼結構護欄設計應用過程中，不論是橋梁的基礎安全性能、司乘人員的安全性，還是車輛的安全性均能夠得到保障。這就意味著這一類護欄設計是值得進行推廣和應用的。

3 具體案例分析中的護欄優化

3.1 具體案例概況

武漢青山長江公路大橋在主體工程建設完成后，需要進行橋梁方面的施工建設以及護欄設計的優化應用。在原有的橋梁使用過程中，其護欄結構如圖4所示。護欄的總體高度約為1.54m，其所使用的立柱形式為方形鋼管，橫梁也為方形鋼管，且是采取四層分布的方式進行施工建設的，為了對這一護欄結構的安全性進行評估，技術人員通過進行仿真模型建構的方式完成車輛碰撞方面的數據試驗。在具體試驗過程中，技術人員使用碰撞速度為80km/h，車重為14t的SA 級大客車來完成相應的試驗。在具體的碰撞模擬試驗過程中，車輛出現側翻現象，且具體的護欄效果并不理想，測試結果如圖5 所示。

圖4 原橋梁的護欄結構圖

圖5 仿真模擬試驗中大型客車的行駛姿態

在原橋梁護欄設計過程中，存在著較為明顯的不足。第一，相應的方管立柱與橫梁連接并不順暢。第二，護欄的總高度低于貨車的車廂底板，因此在大型車輛防護方面所能夠起到的效果十分有限。第三，底部焊板是與行車方向垂直的，這很容易對車輛造成阻擋。第四，立柱與方管橫梁結構迎撞面之間的距離并未達到理想狀態，因此在車輛行駛過程中很容易存在風險。故而進行護欄結構的全面優化與革新顯得尤為必要。

3.2 護欄結構優化

3.2.1 進行護欄總高度的調整

在進行護欄結構優化設計過程中，首先需要考慮護欄總體高度。如果護欄總體高度過低，那么其在大型車輛防護方面所能夠產生的效果就會十分有限，因此為了讓橋梁護欄在車輛防護方面的作用得到更進一步提升，技術人員需要花費更多時間和精力來精準確定護欄高度。在對不同車輛的碰撞事故案例進行分析后不難發現，大型貨車一旦出現碰撞問題，那么車廂很容易受損，因此護欄高度必須高于車廂的底板高度，否則難以起到有效的防護作用，通過調查研究不難發現，該項目地點所通過的貨車車廂底板最大高度約在1.5m，因此護欄的高度要大于1.57m，技術人員可將護欄總高度調整為1.66m，借此來改善其在大型車輛行駛過程中的防護效果。

3.2.2 選擇科學合理的橫梁形式

在梁柱式鋼結構橋梁護欄優化設計的過程中，可選擇使用橫梁截面的形式有很多種，除了常見的矩形和圓形之外，異形和方形也可發揮作用。但需要注意的是，圓形管橫梁在與立柱連接方面存在著一定問題，因此這類型的橫梁形式不應加以考慮。除此之外，異形管橫梁也不方便進行加工，因此這類橫梁形式也不加以考慮。矩形管橫梁則有所不同，相較于方形管橫梁來說，矩形管橫梁所能夠達到的抗溫能力要明顯更強一些，因此在具體的碰撞事故發生后，矩形管橫梁能夠加大橫梁迎撞面與立柱之間的距離，從這個角度來看，這類型的橫梁形式在降低車輛受到立柱位置阻礙方面，能夠產生極大的作用，因此在護欄結構的優化設計過程中，技術人員應將原橋梁所使用的方形橫梁改成矩形管橫梁[4-5]。

3.2.3 優化底部焊接板的形式

在原有的橋梁護欄結構過程中，迎撞面與底部焊接板之間的方向是相互垂直的，這就意味著一旦車輛與護欄發生了碰撞，焊接板就會阻礙車輛的車輪，最終形成較為嚴重的災害性事故。因此，在護欄結構優化施工的過程中，需要針對焊接板現階段存在的不足進行優化設計，爭取讓焊接板盡可能地平行于行車方向，減少對車輛的阻礙。與此同時，技術人員還需要盡可能地加大焊縫長度，并及時提升立柱底部的焊接強度。如此，能夠讓護欄在車輛發生碰撞的過程中達到更佳的防護效果[6]。

4 結語

總而言之，進行梁柱式鋼結構橋梁護欄的優化設計是很有必要的，這類橋梁護欄結構的全面應用，不僅能夠起到絕佳的防護作用，還能夠提升橋梁建筑的美觀程度。在具體實施中，應該從總高度調整以及立柱選擇等方面出發，進行結構優化設計，使護欄結構能夠盡可能減少碰撞事故產生的危害性。隨著信息技術的快速發展，在后續的結構優化設計過程中，可嘗試進行信息技術的融合，促使梁柱式鋼結構橋梁護欄設計達到更理想的效果。