京港澳高速公路軍山大橋護(hù)欄改造設(shè)計(jì)方案

姚磊

（橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中鐵橋研科技有限公司，湖北武漢 430034）

1 概況

京港澳高速公路湖北段于2002年建成投入運(yùn)營。軍山長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?60m跨越長(zhǎng)江的斜拉橋，設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。隨著《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[2]（以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》）的頒布，將護(hù)攔設(shè)置的重要性及防撞性提到了新的高度[3]。

近年來國內(nèi)發(fā)生多起車輛沖撞護(hù)欄掉入江中的事故，重慶市萬州區(qū)在2018年10月28日發(fā)生一起橋梁上的交通事故，橋上一輛行駛的轎車和行駛的公交車相撞，發(fā)生在重慶長(zhǎng)江二橋上，事故導(dǎo)致公交車沖破了橋梁護(hù)欄后掉入了江中，造成10余人死亡；2019年3月28日惠州中信大橋，發(fā)生了一起一輛行駛的轎車撞破橋梁護(hù)欄掉入江中安全事故，這也是10余天內(nèi)橋梁護(hù)欄被撞的第二起安全事故；2021年10月27日嫩江大橋二道江橋一臺(tái)機(jī)動(dòng)車沖破護(hù)欄墜入江中。護(hù)欄是橋梁附屬結(jié)構(gòu)的重要安全維護(hù)保障設(shè)施，等級(jí)高結(jié)構(gòu)強(qiáng)的護(hù)欄能夠保證車輛的正常行駛，現(xiàn)行規(guī)范頒布后，一些橋梁的護(hù)欄等級(jí)需要提升改造，改造后的護(hù)欄能夠減少車輛沖撞護(hù)欄點(diǎn)入江中的安全事故發(fā)生。

通過對(duì)軍山大橋技術(shù)資料查閱、收集調(diào)查交通量、交通事故數(shù)據(jù)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄構(gòu)件測(cè)量，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，軍山大橋防撞護(hù)欄被評(píng)為Ⅲ類，需按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁護(hù)欄進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。本文從軍山大橋護(hù)欄的排查評(píng)估、提升等級(jí)選取、金屬梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、承載能力驗(yàn)算等方面闡述護(hù)欄的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望對(duì)同類橋梁的護(hù)欄改造設(shè)計(jì)提供參考。

2 護(hù)欄排查評(píng)估

橋梁近3年未發(fā)生3起及以上，或1起死亡3人以上的車輛墜橋事故；近3年未發(fā)生3起及以上，或1起死亡3人以上的車輛穿越中央分隔帶護(hù)欄或隔離設(shè)施的事故，即不屬于交通事故嚴(yán)重程度較高的情況。

京港澳高速公路2018年平均日交通量（AADT）為217294輛小客車，大于15000輛小客車，且總質(zhì)量大于或等于25t的車輛自然數(shù)所占比例為25.4%，大于20%，為大型車較高的高速公路。

軍山大橋金屬梁柱式護(hù)欄構(gòu)造要求不符合《規(guī)范》第6.3.5條第一款規(guī)定的部分要求，判定為不符合建設(shè)時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)，排查評(píng)估結(jié)果如表1所示。

表1 金屬梁柱式護(hù)欄原標(biāo)準(zhǔn)符合性排查

軍山大橋原金屬梁柱式護(hù)欄等級(jí)為PL3級(jí)，自2017年11月17日交通運(yùn)輸部發(fā)布《規(guī)范》后，對(duì)護(hù)欄等級(jí)進(jìn)行了劃分并升級(jí)，所以軍山大橋目前防撞護(hù)欄被判定為不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

通過上述排查評(píng)估結(jié)論，判定軍山大橋安全防護(hù)設(shè)施屬于Ⅲ類，分類結(jié)果見表2所示。

表2 《技術(shù)指南》已設(shè)置護(hù)欄的橋梁安全防護(hù)設(shè)施分類

3 防撞護(hù)欄等級(jí)選取

橋梁護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)為C、B、A、SB、SA、SS、HB、HA共8個(gè)級(jí)別[4]，新規(guī)范規(guī)定當(dāng)橋梁所處環(huán)境存在下列條件時(shí)需要將護(hù)欄的等級(jí)再提高1個(gè)或以上，主要條件如下。

（1）位于連續(xù)長(zhǎng)下坡路段。

（2）橋梁高度在30m以上。

（3）總質(zhì)量超過25t的車輛自然數(shù)所占比例大于20%。

（4）跨越大型飲用水水源一級(jí)保護(hù)區(qū)和高速鐵路的橋梁以及特大懸索橋、斜拉橋等纜索承重橋梁，防護(hù)等級(jí)宜采用八（HA）級(jí)。

京港澳高速公路軍山大橋段目前限速120km/h（2020年1月1日起限速已調(diào)整為120km/h），其設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h。軍山長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?60m跨越長(zhǎng)江的斜拉橋，經(jīng)過交通量調(diào)查發(fā)現(xiàn)軍山大橋目前交通量中重量超過25t的車輛數(shù)所占比例超過了20%，且橋面高度到最低通航水位的距離也超過了30m。故綜合上述情況，根據(jù)《規(guī)范》的規(guī)定，其防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)選取八（HA）級(jí)。

4 金屬梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減輕改造后的護(hù)欄總體重量，本次改造后的防撞護(hù)欄仍然選擇金屬梁柱式護(hù)欄。根據(jù)《技術(shù)指南》，已設(shè)置金屬梁柱式護(hù)欄的橋梁，按下列步驟進(jìn)行提升設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 橋梁防護(hù)能力提升設(shè)計(jì)流程

根據(jù)《規(guī)范》和《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6]（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合相關(guān)施工的便利性、經(jīng)濟(jì)性，護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

（1）改造護(hù)欄立柱選用鋼板焊接成型，選取的材質(zhì)為Q355鋼。立柱截面采用工字截面，上窄下寬均勻過渡，引橋立柱高度1660mm，主橋立柱高度1660mm。

（2）沿立柱高度方向，設(shè)置四道橫梁，橫梁采用冷彎矩形空心型鋼，選取的改造后的護(hù)欄材質(zhì)為Q355鋼。截面為矩形160mm×120mm，上部?jī)傻罊M梁為上橫梁，壁厚8mm，下部?jī)傻罊M梁為下橫梁，壁厚4mm，冷彎半徑（外徑）R=12mm。

（3）立柱與橫梁直接采用栓接，且上橫梁與立柱間設(shè)置8mm厚防阻塊，下橫梁與立柱間設(shè)置4mm厚防阻塊。

（4）立柱底座板厚度為35mm，引橋立柱底板通過8根M30高強(qiáng)錨栓與混凝土底座連接，主橋立柱底板通過8根M30高強(qiáng)錨栓與預(yù)埋鋼底座連接。其中含有4個(gè)螺孔側(cè)為靠近行車道布置。

（5）金屬梁柱式護(hù)欄橫梁為6m一節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)段立柱間距為1.5m，每節(jié)之間插入橫梁內(nèi)套管并采用拼接螺栓連接。每套螺栓包含1個(gè)螺桿、1個(gè)螺母、1個(gè)墊片，如圖2所示。

圖2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)（單位：mm）

軍山大橋護(hù)欄結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案，不僅滿足現(xiàn)場(chǎng)施工和養(yǎng)護(hù)的便利性，其護(hù)欄結(jié)構(gòu)和對(duì)環(huán)境景觀的要求也滿足標(biāo)準(zhǔn)。在護(hù)欄立柱和橫梁之間設(shè)置了防阻塊，能夠增大車輛撞擊后產(chǎn)生動(dòng)能的吸收，能夠有效防止車輛在發(fā)生碰撞后產(chǎn)生沖破護(hù)欄掉落江中的風(fēng)險(xiǎn)。

5 承載能力驗(yàn)算

5.1 改造護(hù)欄對(duì)全橋受力影響計(jì)算

考慮到因防撞護(hù)欄等級(jí)提升，其增加的恒載可能對(duì)主橋主跨造成一定影響，故對(duì)改造后護(hù)欄增加的恒載進(jìn)行計(jì)算。軍山大橋主橋跨徑組合為48+204+460+204+48=964m，其主橋鋼箱梁總重為17236t。

對(duì)軍山大橋主橋建立有限元模型，模擬護(hù)欄增加的恒載重量施加到離散模型中，軍山大橋離散模型共劃分為348個(gè)單元，351個(gè)節(jié)點(diǎn)。其有限元模型和鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面分別如圖3和圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

將改造后護(hù)欄增加的恒載施加于有限元模型上，計(jì)算本次護(hù)欄改造增加的恒載對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的影響。

分別計(jì)算軍山大橋原防撞護(hù)欄、改造后防撞護(hù)欄的重量施加到模型中，查看護(hù)欄改造升級(jí)后增加的重量對(duì)模型的受力影響大小。增加的護(hù)欄恒載大小計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 護(hù)欄改造方案對(duì)主橋恒載的影響

通過上述表格可以看出，軍山大橋改造后采用的八（HA）級(jí)金屬梁柱式護(hù)欄，主橋恒載723.0t，比原有防撞護(hù)欄增重461.8t，其單位長(zhǎng)度增加恒載為479.0kg/m，占主橋鋼箱梁重量增加比例為2.53%。

改造后護(hù)欄索力最大增量為72.8kN。索力最大增量1.72%，該增量對(duì)斜拉索影響較小。增加的恒載對(duì)鋼箱梁產(chǎn)生的最大撓度位于主跨跨中，最大撓度為26.9mm，引起的撓跨比為1/17100，撓度增量對(duì)橋梁影響較小，如圖5所示。

圖5 軍山大橋鋼箱梁撓度計(jì)算結(jié)果

增加的恒載對(duì)鋼箱梁的受力影響主要是在鋼箱梁主跨底板產(chǎn)生最大拉應(yīng)力3.9MPa的增量；鋼箱梁的最大壓應(yīng)力受力影響是在主塔的箱梁底板處，恒載增量產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力增量為3.2MPa。結(jié)算結(jié)果表明護(hù)欄改造后增加的恒載重量對(duì)全橋受力影響較小，護(hù)欄改造升級(jí)對(duì)全橋受力不會(huì)產(chǎn)生較大不利影響。

5.2 改造護(hù)欄抗傾覆驗(yàn)算

規(guī)范要求車輛抗傾覆荷載的有效高度經(jīng)過驗(yàn)算后必須滿足小于改造升級(jí)后橋梁護(hù)欄高度的要求，抗傾覆荷載的有效高度如式（1）所示。

式（1）中的參數(shù)取值需要查規(guī)范確定數(shù)值，因改造升級(jí)的護(hù)欄等級(jí)為八（HA）級(jí)，所以選取的車輛碰撞荷載為Ft=620000N，分別驗(yàn)算的車型如表4所示。

表4 需驗(yàn)算的車型參數(shù)

對(duì)上表中各型車輛參數(shù)取值后帶入公式計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各車型車輛抗傾覆荷載驗(yàn)算結(jié)果

護(hù)欄所需要的最小有效高度為1122.8mm小于護(hù)欄加權(quán)平均高度1152.6mm，護(hù)欄抗傾覆驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

護(hù)欄改造是基于橋梁資料調(diào)查、交通事故調(diào)查、大型車比例排查、標(biāo)準(zhǔn)符合性排查和確定護(hù)欄類型的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，京港澳高速軍山大橋護(hù)欄改造設(shè)計(jì)從既有護(hù)欄出發(fā)，從護(hù)欄排查評(píng)估、防撞等級(jí)選取、金屬梁柱護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及承載能力驗(yàn)算等方面闡述了護(hù)欄改造設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合調(diào)研和規(guī)范要求最終確定了改造設(shè)計(jì)方案，軍山大橋護(hù)欄改造設(shè)計(jì)方案可為同類橋梁護(hù)欄改造提供參考借鑒。