某城市快速路橋梁鋼護(hù)欄選型與設(shè)計(jì)

朱小林

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

橋梁護(hù)欄是保證橋梁安全暢通的重要交安設(shè)施，充分考慮周圍環(huán)境而設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)淖o(hù)欄會(huì)形成一道美麗的風(fēng)景線，近年來(lái)它逐漸成為工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)。橋梁護(hù)欄的作用是防止失控車輛越出機(jī)動(dòng)車道或越過(guò)分隔帶，吸收碰撞車輛的能量并改變其行駛軌跡，最大限度地減少對(duì)乘員和路人的傷害。護(hù)欄并不是設(shè)置得越多越好、強(qiáng)度越高越好，因?yàn)樽o(hù)欄本身也是一種障礙物[1]。確定護(hù)欄的防撞級(jí)別要考慮該路段的設(shè)計(jì)速度、車型特點(diǎn)、路線線形及周圍環(huán)境等因素。

1 工程概況

臨汾市濱河?xùn)|路貫通工程襄汾段采用八車道城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度采用80 km/h，路基寬度60.0 m，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。該項(xiàng)目在ZK11+194.4（YK11+193.6）處跨越汾河，命名為城北汾河大橋，橋梁全長(zhǎng)426 m，前右角105°，上部結(jié)構(gòu)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋平面位于 R=600 m，Ls=230 m（右轉(zhuǎn)） ；直線段；R=700 m，Ls=200 m（左轉(zhuǎn)）的平曲線上，墩臺(tái)徑向布置。橋面寬度為：2×（4 m人行道+5 m非機(jī)動(dòng)車道+3 m分車帶+16.25 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m防撞護(hù)欄）。城北汾河大橋位于襄汾縣城郊，且跨越汾河，因此設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮安全需要，同時(shí)應(yīng)兼顧景觀需要。本橋橋梁橫斷面圖見圖1。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：m）

2 護(hù)欄型式選擇

橋梁護(hù)欄主要分為剛性護(hù)欄（如鋼筋混凝土護(hù)欄）、半剛性護(hù)欄（如鋼護(hù)欄）和柔性護(hù)欄（如繩索護(hù)欄）三類，三者各有利弊，適用于不同情況。對(duì)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車和人行道的公路，車輛和行人處于同一平面上，對(duì)交通量大、車速高的橋梁段，為保護(hù)行人及非機(jī)動(dòng)車，宜設(shè)置機(jī)非分隔帶護(hù)欄，把機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車在平面上分隔開，提高車輛和行人的安全性。

橋梁護(hù)欄型式選擇考慮的因素主要有[2]：

a）護(hù)欄的防撞性能。所選取的護(hù)欄型式強(qiáng)度上要能有效地吸收車輛撞擊能量，能阻止失控車輛翻出橋外或進(jìn)入護(hù)欄外車道。主要從公路等級(jí)、護(hù)欄外危險(xiǎn)物特征等方面加以考慮。

b）景觀要求。對(duì)景觀有要求的橋梁宜選用梁柱式橋梁護(hù)欄或組合式的橋梁護(hù)欄。鋼護(hù)欄的景觀效果要明顯優(yōu)于混凝土防撞墻。

c）護(hù)欄全壽命周期成本。除了考慮初期建設(shè)成本外，還應(yīng)考慮投入使用后的養(yǎng)護(hù)成本及廢舊材料的回收利用價(jià)值。

城北汾河大橋機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車道分隔帶寬3.0 m，在機(jī)動(dòng)車道一側(cè)設(shè)置防撞護(hù)欄，防止失控車輛越過(guò)分隔帶給非機(jī)動(dòng)車和行人帶來(lái)安全隱患。由于混凝土防撞墻通視性不佳且維修復(fù)雜，景觀不好；同時(shí)為了避免失控車輛對(duì)非機(jī)動(dòng)車道帶來(lái)危害，分隔帶寬度不大時(shí)不宜選用柔性護(hù)欄。綜合考慮擬采用一種結(jié)構(gòu)輕盈美觀的鋼護(hù)欄，不僅可以滿足功能要求，還可以起到美化環(huán)境的作用。

橋梁鋼護(hù)欄是近年來(lái)隨著城市發(fā)展而廣泛應(yīng)用起來(lái)的，它的優(yōu)點(diǎn)主要有：視覺美觀、通視性好；結(jié)構(gòu)輕盈、重量輕；維修方便；二次反彈較小、阻隔性也不差；色彩較豐富；可回收利用。目前國(guó)內(nèi)鋼護(hù)欄主要由立柱和橫梁組成的，其中立柱主要有板狀、框架型和箱型結(jié)構(gòu)3種，板狀結(jié)構(gòu)立體性好、造型美觀、剛性好，適用于有美觀要求的城市橋梁，本橋選用板狀立柱；橫梁形狀主要有圓管和方管兩種，圓管自潔性好、受水時(shí)間短、吸能強(qiáng)、美觀、通視性好，本橋選用圓管橫梁。城北汾河大橋鋼護(hù)欄見圖2。

圖2 城北汾河大橋鋼護(hù)欄

3 鋼護(hù)欄的設(shè)計(jì)

護(hù)欄設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“滿足規(guī)范、注重創(chuàng)新”的原則，力求達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和美觀和諧統(tǒng)一?！豆窐蚝O(shè)計(jì)通用規(guī)范》3.5.7條規(guī)定，需要設(shè)置欄桿的橋梁，其欄桿的設(shè)計(jì)，除應(yīng)滿足受力要求外，尚應(yīng)注意美觀，欄桿高度不應(yīng)小于1.1 m[3]；《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》9.5節(jié)規(guī)定，人行道或安全帶外側(cè)的欄桿高度不應(yīng)小于1.1 m，防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)按《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。在失控車輛撞擊護(hù)欄時(shí)，應(yīng)防止司乘人員的頭部直接撞擊到護(hù)欄上，護(hù)欄結(jié)構(gòu)應(yīng)采取必要措施以防止車輛成員頭部直接撞擊護(hù)欄。本橋鋼護(hù)欄設(shè)計(jì)高度為1.2 m，并使護(hù)欄向上逐漸外傾一定距離，可滿足規(guī)范的要求，并且在景觀方面也得以改善。

3.1 護(hù)欄防撞等級(jí)確定

本橋鋼護(hù)欄設(shè)置在機(jī)非分隔帶處，為保護(hù)行人、非機(jī)動(dòng)車及提高車輛運(yùn)行的通暢性，把機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車在平面上分隔開而設(shè)置。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.5可知，設(shè)計(jì)速度為80 km/h時(shí)，車輛駛出橋外有可能造成交通事故等級(jí)為重大事故或特大事故時(shí)，護(hù)欄等級(jí)選用SB級(jí)。

3.2 橋梁護(hù)欄碰撞荷載

車輛撞擊護(hù)欄的過(guò)程比較復(fù)雜，通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》經(jīng)過(guò)合理假設(shè)、推導(dǎo)給出了車輛作用在護(hù)欄上的最大橫向力為：

式中：m表示車輛質(zhì)量；v表示碰撞速度，本項(xiàng)目取v=80 km/h=22.22 m/s；θ表示碰撞角度，一般取20°；C表示車輛中心距離前保險(xiǎn)杠的距離；b表示車輛寬度；Z表示護(hù)欄的橫向變形，金屬護(hù)欄取0.3～0.6 m。

對(duì)于本橋鋼護(hù)欄，車輛質(zhì)量小客車取1.5 t，大客車取14 t；設(shè)計(jì)速度v=22.22 m/s；護(hù)欄的橫向變形Z值取0.6 m；防撞等級(jí)是SB級(jí)時(shí)，則碰撞力按表1取值250 kN。

表1 （規(guī)范中表5.1.0）橋梁護(hù)欄碰撞荷載

車輛撞向護(hù)欄時(shí)，碰撞力是沿著護(hù)欄碰撞面移動(dòng)的，并隨時(shí)間而變化。對(duì)于金屬制橋梁護(hù)欄，考慮車輛碰撞護(hù)欄總的接觸長(zhǎng)度為12 m。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]，橋梁護(hù)欄的碰撞設(shè)計(jì)荷載作用在橫梁的跨中和立柱上時(shí)，橫梁的彎矩等于PL/6，P為碰撞力，L為分布長(zhǎng)度。由于發(fā)生碰撞后橫梁變形吸能，故立柱承受的設(shè)計(jì)荷載不等于碰撞荷載，根據(jù)歐美等國(guó)的試驗(yàn)結(jié)果，規(guī)范建議立柱的設(shè)計(jì)荷載取碰撞力的1/4。

3.3 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)知識(shí)，護(hù)欄橫梁圓管的跨中截面、立柱截面削弱處、立柱底焊接部位等處為護(hù)欄的薄弱部位，也是最有可能首先破壞的部位，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。按《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中5.1.2條說(shuō)明的規(guī)定，金屬橋梁護(hù)欄可結(jié)合所用材料的規(guī)格、力學(xué)性能，參考現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.3.1 橫梁設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》5.4.1條，為了防止因豎向凈空設(shè)計(jì)不合適引起的車輛絆阻，橫梁豎向凈空要求小于等于30 cm，最底層橫梁距路面的凈空小于等于35 cm，故橫梁間距取為30 cm，共設(shè)置4道橫梁。

鋼護(hù)欄橫梁的跨中設(shè)計(jì)彎矩按式（2）計(jì)算：

式中：P為橫梁承受的碰撞力，作用于跨中；L為橫梁的跨徑；n為橫梁數(shù)量，不宜超過(guò)4根。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]4.1.1條，抗彎強(qiáng)度應(yīng)按式（3）驗(yàn)算：

設(shè)計(jì)彎矩M0=（P·L/6）/n=250×1.45/24=15.1 kN/m；Wnx=π（D3-d3）/32=33.8 mm3；圓形截面γx=1.2；橫梁采用Q420鋼，f=380 N/mm2。 則 Mx/(γx·Wnx)=15.1×103/(1.2×33.8)=372≤f=380 N/mm2，橫梁抗彎滿足要求。

3.3.2 立柱設(shè)計(jì)

考慮到金屬材質(zhì)的剛度特性，規(guī)范對(duì)立柱的間距也有規(guī)定，見表2。

表2 金屬護(hù)欄立柱間距 m

本橋鋼護(hù)欄立柱間距取1.5 m，凈距1.45 m。板狀立柱的厚度為3 cm，滿足最小截面厚度要求。按《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》5.1.2-2式，立柱的設(shè)計(jì)荷載P0=P/4。受力分布圖見圖3。

圖3 護(hù)欄立柱受力分布圖

車輛撞擊護(hù)欄后，鋼管將撞擊力傳給立柱，立柱板件在截面薄弱處可能發(fā)生斷裂。立柱板件在撞擊力下的抗剪強(qiáng)度應(yīng)按式（4）驗(yàn)算：

抗彎強(qiáng)度應(yīng)按式（5）驗(yàn)算：

驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 護(hù)欄立柱截面驗(yàn)算結(jié)果 N/mm2

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.4.1-1，Q345鋼、厚度30 mm對(duì)應(yīng)的f值為295 N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv為170 N/mm2，由表3可知護(hù)欄立柱截面強(qiáng)度滿足要求。

3.3.3 立柱與底座焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

角焊縫按它與外力方向的不同可分為側(cè)面焊縫、正面焊縫、斜焊縫以及由它們組合而成的圍焊縫。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，角焊縫的強(qiáng)度與外力的方向有關(guān)，其中，側(cè)面焊縫的強(qiáng)度最低。按最不利狀況，現(xiàn)按側(cè)面焊縫來(lái)進(jìn)行立柱底焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算，并忽略正面焊縫提供的強(qiáng)度，過(guò)程如下：

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.3條，角焊縫焊腳尺寸取10 mm，每片立柱單側(cè)焊縫計(jì)算長(zhǎng)度取180 mm。焊縫質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.4.1-3，角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為160 N/mm2，則：

經(jīng)計(jì)算，立柱底焊縫強(qiáng)度滿足要求。

3.3.4 護(hù)欄與橋面板連接設(shè)計(jì)

鋼護(hù)欄立柱與橋面板的連接方式主要有直接埋入式和地腳螺栓兩種?？紤]到混凝土支承力和抗剪強(qiáng)度不好控制，本橋采用地腳螺栓連接，車輛碰撞荷載通過(guò)立柱由地腳螺栓傳遞給橋面板。每塊護(hù)欄底板通過(guò)4根M30預(yù)埋螺栓與橋面板連接起來(lái)，螺栓長(zhǎng)度800 mm，端部180°彎起，預(yù)埋螺栓與梁內(nèi)鋼筋焊為一體。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)橋梁護(hù)欄的景觀要求越來(lái)越受到人們的重視，本文以臨汾市濱河?xùn)|路貫通工程襄汾段城北汾河大橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行了機(jī)非分隔帶護(hù)欄的型式選擇，并對(duì)該橋機(jī)非分隔帶鋼護(hù)欄的薄弱部位進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算。以期為今后類似的橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)思路，為人們創(chuàng)造更加美觀舒適和安全快捷的出行條件。目前我國(guó)鋼護(hù)欄的研究還在不斷地完善之中，待橋梁建成通車后，筆者將對(duì)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)效果和事故數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤調(diào)查，并對(duì)設(shè)計(jì)方案和參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整，使得護(hù)欄的設(shè)計(jì)更加合理。