特高等级混凝土桥梁护栏设计研究

李勤策，亢寒晶,卢旭伟,杨福宇

（1.广东省南粤交通云湛高速公路管理中心化湛管理处,广东 广州 524000;2.北京华路安交通科技有限公司,北京市 100071）

0 引言

混凝土桥梁护栏是一种较为常见的桥梁护栏形式，它是一种刚性护栏结构，较易达到高防护等级。通过合理的坡面设计，可使车辆碰撞时爬升从而迫使失控车辆改变行驶方向，有效降低乘员的伤害程度[1]；通过合理的强度设计和高度设计，可对车辆进行有效拦截，特别是可以防止大型车冲出路外。混凝土护栏碰撞后几乎没有横向变形，因此适合桥梁桥路段的防护。

国内的高防护等级混凝土桥梁护栏最高高度为1.1 m，可满足大部分桥梁路段的安全防护需求。但随着交通运输行业的发展和交通压力的增大，在一些特殊危险路段，例如因桥梁线形、桥梁高度、交通量、车辆构成、运行速度等不利现场条件，或桥梁跨越国家高速公路网、高速铁路、饮用水源地等易造成更严重碰撞后果的路段[2]，现有的高防护等级混凝土桥梁护栏已经不能完全满足安全防护需求，需要更高等级的混凝土桥梁护栏。

基于桥梁护栏的防护需求和混凝土护栏的结构优势，采用理论计算和实车碰撞试验与计算机仿真分析相结合的方法[3]，进行特高等级混凝土桥梁护栏的设计研究。

1 设计荷载

公路护栏的防护能力可按照《公路护栏安全性能评价标准》JTG B05-01—2013的规定进行安全评估。标准规定的防护等级见表1，其中最高防护等级为HA级，防护能量760 kJ[4]，是世界上护栏标准中防护能量最高的等级，选择按照HA级碰撞条件要求进行特高等级混凝土桥梁护栏的设计研究。

表1 护栏防护等级

HA级护栏碰撞条件见表2，因鞍式货车为分节结构，较整体式大货车在碰撞中产生的碰撞力小，整体式大货车碰撞产生的碰撞力最大。

表2 HA级护栏碰撞条件

利用公式可计算在HA级条件下车辆碰撞混凝土护栏的最大横向碰撞力。最大横向碰撞力计算公式为[2]：

式中：Fmax为最大横向碰撞力，kN；m为车辆质量，kg；V1为车辆的碰撞速度，m/s；θ为车辆的碰撞角度，°；C为车辆重心至前保险杠之间的距离，m；b为车辆的宽度，m；Z为护栏的横向变形，m。

根据HA级护栏整体式货车的碰撞试验条件，各参数取值为：m=40 000 kg，V1=65 km/h，θ=20°，C=5.2m，b=2.6m，Z=0m，则 Fmax=738.8 kN。特高等级混凝土桥梁护栏的强度需能够承受738.8 kN的横向碰撞力。

2 护栏设计及配筋验算

2.1 护栏结构设计

常见的的适用混凝土护栏坡面结构的坡面形式有单坡面和F型坡面，见图1。

图1 混凝土护栏坡面形式

在实践应用中发现，车辆碰撞单坡面混凝土护栏时车身向内倾斜，较易发生车辆内翻；F型坡面相比单坡面具有更好的导向性，并与单坡面具有相同的缓冲性能，因此选择F型坡面为特高等级混凝土桥梁护栏坡面结构形式。合理设置阻爬坎可有效改善护栏的导向功能和防车辆侧翻功能，同时可以对护栏顶部进行有效加强，因此护栏顶部设置阻爬坎。

护栏高度是混凝土护栏结构的重要参数，对混凝土护栏的安全防护功能至关重要，合理的高度设计可以显著增加混凝土护栏的安全储备。设计中HA级混凝土护栏路面以上高度可设计为1.3 m，《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）条文说明给出的跨高速铁路桥梁混凝土护栏路面以上高度为1.4 m[5]。护栏的设计应遵循“以人为本”的原则，在条件允许的情况下适当增加护栏的安全储备，可以更好的防护大型车辆，能够适应多种特殊危险路段，同时更可以对一些超载、超速车辆形成一定防护，因此取特高等级混凝土桥梁护栏路面以上高度1.4 m。

综合特高等级混凝土桥梁护栏的坡面设计和高度设计方案，得到护栏设计结构见图2。

图2 特高等级混凝土桥梁护栏结构（单位：mm）

2.2 护栏配筋验算

设计护栏墙体竖向配筋为直径16 mm的III级钢筋，间距150 mm；纵向配筋为直径12 mm的III级25根钢筋，见图3。

图3 配筋设计（单位：mm）

车辆碰撞护栏时受力位置、危险截面见图4。碰撞力受力点在距护栏顶面向下5 cm处，配筋强度是否满足HA级碰撞力要求需进行验算。

图4 危险截面（单位：mm）

2.2.1 抗弯承载力计算方法

要验算配筋强度，首先需要计算危险截面的抗弯承载力。设截面N-N（N取I或II或III）的抗弯承载力为MN-N，在计算截面上取1 m的长度作为计算区域，即b=1 000 mm。设区域内受压钢筋面积A's，受拉钢筋面积As，截面宽度h。护栏迎撞面保护层厚度为4.5 cm，背部保护层厚度为3 cm，所以受压钢筋中心到截面背部距离a′=38 mm，受拉钢筋中心到截面迎撞面距离a=53 mm，设钢筋设计抗拉强度fy，抗压强度f'y，混凝土抗压强度fc，抗压区域宽度x。

按照两种方法进行计算。

（1）方法一：按双筋矩形截面验算

忽略混凝土的抗压效果，由受力平衡得到：fcbx+f'yA's=fyAs，则 x＜2a'，说明受压区钢筋不会达到其抗压设计强度，则抗弯承载力为：

Mu1=fyAs（h-a-a'）

（2）方法二：按单筋矩形截面验算

按照单筋截面不考虑受压钢筋时：

比较Mu2与Mu1大小，从安全角度考虑，抗弯承载力MN-N取Mu1-Mu2与中的较小值。

2.2.2 抗弯承载力计算

按照设计方案，各截面参数中h皆不相同，A's、As、b、a′、a 取值相同，为：A's=1 339 mm2，As=1 339 mm2，b=1 000 mm，a′=38 mm，a=53 mm；III级钢筋设计抗拉强度与抗压强度为fy=f'y=fsd=330 MPa，混凝土设计抗压强度fc=13.80 MPa。

（1）截面I-I抗弯承载力

测量得到h=238 mm。

按双筋矩形截面计算截面I-I抗弯承载力Mu1=65.0 kN·m；

按照单筋截面计算有x=32.02 mm，Mu2=74.7kN·m。

由于Mu2＞Mu1，故计算截面的抗弯承载力：M1-1=Mu1=65.0 kN·m

（2）截面II-II抗弯承载力

测量得到h=414 mm。

按双筋矩形截面计算截面II-II抗弯承载力为Mu1=142.7 kN·m；

按照单筋截面计算有x=32.02 mm，Mu2=152.4 kN·m。

由于 Mu2＞Mu1，截面 II-II抗弯承载力：MII-II=Mu1=14.27 kN·m。

（3）截面III-III抗弯承载力

测量得到h=565 mm。

按双筋矩形截面计算截面III-III抗弯承载力为 Mu1=209.4 kN·m；

按照单筋截面计算有 x=32.02 mm，Mu2=219.2 kN·m。

由于 Mu2＞Mu1，截面 III-III抗弯承载力：MII-II=Mu1=209.4 kN·m。

2.2.3 屈服线理论

采用屈服线分析方法确定护栏对横向荷载的抗力标准值Rw，当碰撞发生在护栏标准段时：

屈服线发生的临界长度Lc应为：

式中：Ft为横向碰撞荷载，kN；H为护栏的有效高度，m；Lc为屈服线破坏模式的临界长度，m；Lt为碰撞荷载分布的纵向长度，m；Rw为护栏的总的横向承载能力，kN；Mw为关于竖向轴的承载弯矩，kN·m；Mb为除Mw外的横梁附加承载弯矩，kN·m；Mc为悬臂型护栏关于桥梁纵轴的承载弯矩，kN·m。

现浇层厚度一般为0.1 m，根据护栏设计高度和现浇层厚度有H=（1.5-0.05）m=1.45 m。

单根纵筋横截面积为A=113.04 mm2，根据配筋方案，在同一水平面的纵向筋共11组，设每组内部距离最远的两根纵筋之间的距离为li，测量得到 l1至 l11依次为 115 mm、96 mm、119 mm、149 mm、179 mm、220 mm、240 mm、270 mm、301 mm、416 mm、441 mm，则

取Lt=2.4 m，Mb=0，得到屈服线发生的临界长度Lc=4.25 m，最后得到Rw=815.9 kN。

Rw=815.9 kN＞Ft=738.8 kN，满足强度要求。

3 护栏安全性能评估

通过以往试验与仿真的对比，验证仿真模型的准确性，采用经过验证的高精度计算机仿真模型对特高等级混凝土桥梁护栏进行安全性能评估[6-8]。

3.1 仿真模型及验证

通过某混凝土护栏台车试验仿真与实际的对比和某特高等级混凝土护栏仿真和实车碰撞的对比验证仿真模型的准确性。

采用2 t台车以30 km/h速度正面碰撞钢筋混凝土护栏，采用仿真模型模拟相同情况下的台车试验。图5为碰撞结果的对比，可以看出仿真和试验混凝土护栏裂纹效果一致，说明仿真模型具有较高的准确性。

图5 混凝土破坏情况对比

采用38 t重的鞍式货车，碰撞速度65 km/h，碰撞角度20°，碰撞能量723 kJ，碰撞特高等级混凝土护栏，并按照该护栏碰撞条件建立计算机仿真模型。图6为仿真模型模拟结果与实车碰撞试验的对比，可以看到车辆行驶姿态基本一致，验证了仿真模型模拟的准确性，为采用该仿真模型进行特高等级混凝土桥梁护栏的安全性能评估奠定了基础。

图6 车辆碰撞护栏过程对比

3.2 计算机仿真安全性能评估

按照特高等级桥梁混凝土护栏结构、配筋和碰撞条件建立高精度计算机仿真模型，对特高等级混凝土桥梁护栏是否满足《公路护栏安全性能评价标准》JTG B05-01—2013指标要求进行评估。

3.2.1 小客车碰撞

图7为小客车碰撞过程，可见车辆驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨和下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态[4]。

图7 小客车碰撞过程

表3为小客车碰撞缓冲指标，纵向和横向乘员碰撞速度均小于12 m/s，纵向和横向乘员碰撞后加速度均小于200 m/s2，护栏缓冲功能良好。

表3 小客车碰撞缓冲指标

图8为小客车行驶轨迹图，可以看出小客车驶离护栏后10 m未越出4.7 m宽的驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图8 小客车碰撞行驶轨迹图

3.2.2 大客车碰撞

图9大客车碰撞过程，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好。

图9 大客车碰撞过程

图10为大客车行驶轨迹图，可以看出大客车驶离护栏后20 m未越出9.1 m宽的驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图10 大客车碰撞行驶轨迹图

3.2.3 整体式货车碰撞

图11为整体式货车碰撞过程，可见车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨、下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好[4]。

图11 整体式货车碰撞过程

图12为整体式货车行驶轨迹图，可以看出整体式货车驶离护栏后20 m未越出8.8 m宽的驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图12 整体式货车碰撞行驶轨迹图

图13为整体式货车碰撞后护栏损坏情况，可见混凝土护栏表面有损坏，但未对结构主体造成影响。

图13 整体式货车碰撞护栏损坏情况

3.2.4 鞍式货车碰撞

图14为鞍式货车碰撞过程，车辆平稳驶出，没有发生穿越、翻越、骑跨、下穿护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态，护栏阻挡功能良好[4]。

图14 鞍式货车碰撞过程

图15为鞍式货车行驶轨迹图，可以看出鞍式货车驶离护栏后20 m未越出9.6 m宽的驶出框，且车辆驶离后未翻车，护栏导向功能良好。

图16为鞍式货车碰撞后护栏损坏情况，可见，混凝土护栏表面有损坏，但未对结构主体造成影响。

4 结论

按照HA防护等级碰撞力和碰撞条件的要求，进行特高等级混凝土桥梁护栏的结构设计和强度设计。通过理论计算，特高等级混凝土桥梁护栏强度满足HA级护栏碰撞力要求；采用经过试验验证的高精度计算机仿真模型，模拟HA级碰撞条件下四种车型碰撞特高等级混凝土护栏过程，安全性能评估结果显示护栏的拦截功能、导向功能、缓冲功能均满足评价标准要求。

图15 鞍式货车碰撞行驶轨迹图

图16 鞍式货车碰撞护栏损坏情况

研究成果可为公路桥梁路段提供有效的安全防护，可在公路桥梁路段应用，并为其他特高等级护栏和特殊危险桥梁路段护栏的设计提供参考。

[1]JTG/T D81-2006,公路交通安全设施设计细则[S].

[2]JTG D81-2006,公路交通安全设施设计规范[S].

[3]闫书明.防撞活动护栏碰撞分析[J].武汉理工大学学报 (交通科学与工程版),2013,37(5):1046-1050.

[4]JTG B05-01—2013,公路护栏安全性能评价标准[S].

[5]TB 10621—2014,高速铁路设计规范[S].

[6]闫书明.有限元仿真方法评价护栏安全性能的可行性[J].振动与冲击,2011,30(1):152-156.

[7]闫书明,包琦玮,惠斌,等.整体货车和拖头货车碰撞护栏分析[J].特种结构,2011,28(1):82-85.

[8]周炜,张天侠,崔海涛,等.轿车与公路护栏碰撞的有限元仿真[J].北京工业大学学报,2008,34(3):298-303.