城市桥梁防撞护栏设计与计算技术分析

1.前言

桥梁安全防护设施是桥梁工程建设的重要内容之一，其主要包括防撞护栏、缓冲设施、限界结构防撞设施、人行护栏以及防抛网、隔离栅等其他安全防护设施，必须与土建工程同步设计、同步施工、同步投入生产使用，在具体实施时应坚持“以人为本、预防为主、系统设计、重点突出”的基本原则。其中，防撞护栏是桥梁安全防护设施的重中之重，关乎桥梁运营安全和人民生命财产安全。

近年来，国务院安全生产委员会、住房和城乡建设部相继下发了《关于加强公交车行驶安全和桥梁防护工作的意见》 （安委〔2018〕6号）、《关于开展城市桥梁安全防护设施隐患排查整治工作的通知》 （建办城电〔2018〕46号），桥梁安全防护设施引发业内高度重视。现行国家标准《城市道路交通设施设计规范》和行业标准《城市桥梁设计规范》关于桥梁防撞护栏的相关章节亦进行了相应修订，并已于2019年9月1日发布实施。本文结合城市桥梁特点和规范最新修编的相关内容，对城市桥梁中防撞护栏设计与计算进行技术分析。

2.防撞护栏设计

2.1 防撞护栏安装条件

此次《城市桥梁设计规范》和《城市道路交通设施设计规范》修编后，对桥梁防撞护栏的安装要求和标准作出明确规定：

1.对于存在以下情况时必须设置防撞护栏：

①临空高度大于6.0m或水深大于5.0m；

②跨越急流、重要道路、铁路、主要航道、轨道交通、水源保护区、人员密集区和人员通道等；

③特大悬索桥、斜拉桥、拱桥等缆索承重桥梁或跨海大桥。

2.对于存在以下情况时宜设置防撞护栏：

①设计速度大于或等于50km/h的城市主干路或次干路；

②临空高度大于3.0m小于6.0m或水深大于2.0m小于5.0m；

③跨越道路、桥梁等人工构筑物时；

④桥面常有积冰、积雪时。

由此可见，必须设置和宜设置防撞护栏的桥梁，在具体工程案例中覆盖面将达到90%以上。换言之，在城市桥梁设计中，不同的断面布置型式和不同的道路交通等级，车行道外侧大概率存在设置防撞护栏的客观需要。

2.2 防撞护栏形式选择

防撞护栏按其类型可分为刚性护栏、柔性护栏、半刚性护栏，在具体设计时应考虑如下因素：

一是桥梁护栏的防撞性能，主要体现在能有效吸收设计碰撞能量并使其正确改变行驶方向。

二是受碰撞后的护栏变形程度，主要体现在最大动态位移外延值或最大动态外倾当量值。

三是环境和景观的要求，如梁体结构型式及承重要求、积雪地区的特殊要求以及景观通透性要求等方面。

四是桥梁主体结构及承重要求以及护栏的全寿命周期成本等。

对于城市桥梁来说，综合上述因素条件，比较广泛采用的还是临空侧以安装刚性护栏为主，中央分隔带及机非分隔带侧以安装刚性护栏或半刚性护栏为主。

2.3 防撞护栏安装方式选择

按照安装位置，可分为路侧护栏和中央分隔带护栏。

对于城市桥梁来说，中央分隔带护栏位于左路肩，不受慢行交通及桥梁美观性要求的制约，其设计与安装相对简易，直接沿中央分隔带进行现浇安装即可实现。

至于桥梁路侧护栏，应根据桥梁断面布置的差异，进行合理的选择和设计。

①对于机非分离的城市桥梁， 如机非分隔带宽度≥200cm时，临空侧可不再安装防撞护栏；如机非分隔带宽度＜200cm时，沿机非分隔带的临机动车道侧需设置防撞护栏。

②对于机非共面的城市桥梁，如按照前述要求需要设置防撞护栏时，可选择在机非分隔处设置，防撞护栏与桥梁主体应牢固连接。对于改建桥梁，如安装连接困难，也可选择预制的新泽西护栏，但机非防撞护栏的断头应按规范规定安装防撞断头等缓冲设施，并配以明确的标志标线。

对于该类桥梁，机非分隔处设置防撞护栏后，人行道临空侧仍可安装人行护栏，基本不影响桥梁的立面通透性和景观性等方面的要求。

③对于路侧无非机动车道和人行道的机动车专用桥梁，应在路侧直接设置防撞护栏。

2.4 防撞护栏的防护等级选择

按照现行《城市道路交通设施设计规范》，常规城市桥梁一般涉及五个防护等级，分别为B、A、SB、SA、SS级。对于因桥梁线形、桥梁高度、桥下水深、车辆构成、交通量或其他不利现场条件等因素易造成更严重碰撞后果的路段，应在下表的基础上提高1个及以上等级。其中，跨越大型饮用水水源一级保护区桥梁、特大悬索桥、斜拉桥等缆索承重桥梁，防护等级宜采用HB级别。因此，城市桥梁共涉及B、A、SB、SA、SS、HB六个防护等级，对于碰撞能量低于70KJ（C级及以下）或高于640KJ（HB级以上）时，防撞护栏应确定特殊的碰撞条件。

3.防撞护栏的计算分析

如前所述，城市桥梁以现浇钢筋混凝土刚性护栏的应用最为普遍，而此类护栏的设置条件往往是在边梁的翼缘板端部，是桥梁主体结构相对薄弱的位置。本文就以装配式预应力混凝土小箱梁临空侧设置的SS级钢筋混凝土刚性护栏为例，进行计算分析。

防撞护栏的设计计算与防护等级、碰撞条件等因素密切相关。防撞护栏按照承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用组合，并取各自最不利组合进行设计；在进行承载能力极限状态设计时，应考虑基本组合和偶然组合两种作用效应。护栏对横向荷载的抗力标准值RW采取屈服线分析方法确定，荷载分项系数、荷载组合值系数按现行《公路桥涵设计通用规范》的规定采用，其中横向和纵向荷载不与竖向荷载进行组合。

表1 桥梁防撞护栏防护等级使用条件明细

表2 防撞护栏的防护等级与防护能量对照

图1 装配式小箱梁路侧防撞护栏构造及配筋示意图

根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）可知：对于SS级桥梁防撞护栏，汽车横向碰撞荷载标准值Ft为520kN，荷载分布长度Lt为240cm。装配式预应力混凝土小箱梁悬臂长度按照常用值取86.6cm，SS护栏高度为110cm；考虑结构保护层及铺筑层，防撞护栏计算高度H取125cm。

3.1 防撞护栏横向荷载抗力标准值计算分析

根据《公路交通安全设施设计细则》，护栏的总的横向承载能力RW按照下式计算：

其中，LC为屈服线破坏模式的临界长度；MW为护栏关于其竖向轴的弯曲承载力矩；Mb为护栏顶部除MW之外的横梁附加弯曲承载力矩；MC为悬臂型护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩。其计算值分别为：

3.2 防撞护栏结构配筋设计分析

在桥梁钢筋混凝土防撞护栏设计工程案例中，经计算分析可知，防撞护栏自身的强度在配筋设计方面很容易满足受力要求，但防撞护栏与小箱梁悬臂板形成整体后，小箱梁悬臂板配筋率是结构强度设计主要控制节点。根据《公路交通安全设施设计细则》可知，桥面板每单位长度的拉力T计算如下：

据此，可根据预制小箱梁翼缘板截面尺寸、悬臂长度等构造尺寸，结合上述计算数据，即可完成SS级桥梁防撞护栏设计配筋工作。

4.结论

在城市桥梁工程设计工作中，桥梁防撞护栏作为桥梁主体的附属工程在设计时往往不易引起设计人员的足够重视。设计人员通常认为按照桥梁防护等级的规定，将其构造尺寸、结构自身强度符合规范要求且保证与桥梁主体结构可靠连接即可实现设计目标。但通过上述分析可知，与防撞护栏相连接的桥面翼缘板强度往往是受力计算的控制性节点，尤其是装配式空心板、装配式小箱梁其翼缘板截面尺寸较小表现更为显著。随着近年来对公路及市政行业对桥梁安全防护设施的高度重视，在进行桥梁防撞护栏设计时，应因地制宜综合考虑其安装条件、安装方式、防护等级等因素并强化精确计算分析，变得尤为重要。