城市桥梁防撞护栏设计

封 伟,吴 峰，刘耀荣，付诚俊

(西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

随着经济建设的发展，城市中各种现代化的交通设施，如城市立交、高架道路等大量兴建，在交通运输中所起的作用日益增强，而交通运输的发展也导致了交通事故的急剧上升。交通安全已经成为一个世界性的大难题，其中由于汽车撞断防撞护栏的事故频频发生，给人们的生命财产造成了严重威胁。

城市桥梁多采用波形梁护栏或梁柱式钢护栏，既美观又可以减轻恒荷载，又可以直接避免车辆对人行道的撞击，并且减少车辆碰撞荷载对主梁冲击力的影响。以早期建造的波形梁护栏为基础，采用计算机仿真和实体碰撞试验相结合的方法，对波形梁护栏进行碰撞分析，该计算方法具有建模复杂、成本高等特点。本文首先对桥梁防撞护栏的设计方法和一般设计流程进行了系统性的论述，然后结合工程实例，根据规范要求，采用有限元软件对防撞护栏进行了验算，该计算方法简单、方便，可作为防撞护栏设计的通用方法。

1 设计方法

1.1 设置原则及等级的选择

防撞护栏的选定原则为：路外危险等级越高，事故后果越严重。速度越高，事故的后果越严重。公路等级越高，承担的交通量更大，路段的风险也越大。对交通量大、车速高的桥梁段，车辆碰撞行人和自行车(非机动车)的事故严重度增大，应设置相应等级的护栏。

桥梁护栏防护等级的选取，从以下两个方面加以考虑:

(1)公路等级和设计速度

设置桥梁护栏时，原则上需要根据公路等级和设计速度并结合交通量、运行速度和投资费用等因素选择相应防护等级的桥梁护栏。

(2)路侧危险物特征

桥梁邻近(平行)或跨越公路、铁路，车辆越出有可能发生二次事故时，或穿越饮用水源地级保护区等特殊路段的桥梁，需要在这些路段设置更高防护等级的桥梁护栏。不利的现场条件还包括较小的曲线半径、位于曲线路段的陡坡、横向坡度发生变化或沿线气象条件恶劣等情况。

护栏最小防护等级由公路等级和事故严重程度等级确定。根据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)表6-4选定。

1.2 护栏形式的选择

桥梁护栏形式按结构形式可分为刚性护栏(钢筋混凝上F型，单坡型梁柱式等)、半刚性护栏(金属梁柱式、双波形梁护栏、三波形梁护栏等)和组合式护栏等。

桥梁护栏的防护等级确定后，可以主要从容许变形程度、美观、结构要求、经济性和养护维修等方面确定适当的护栏形式，其形式要满足构造要求，具体构造要求见《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)附录D.1。

1.3 抗倾覆验算

根据《公路交通安全设施设计细则》JTG/TD81-2017规定：桥梁护栏高度应大于等于车辆抗倾覆荷载的有效高度。桥梁护栏与车辆的关系如图1所示。

图1 桥梁护栏与车辆的关系示意

车辆抗倾覆荷载的有效高度为

其中，G-配载后试验用标准车辆重心距桥面板的高度(m)，可根据现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)的相关规定得到；W-相应于所需要的防护等级的配载后试验用标准车辆的质量(kg)，可根据现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)的相关规定得到；B-轮胎最外侧立面之间的距离(m)，可根据现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)的相关规定得到；g-重力常数，g=9.8 N/kg；Ft-相当于所需要的防护等级的横向荷载(N)，见《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)表3.5.4。

护栏构件的设置应满足下列条件：

Ri-横梁的承载能力(N)；Yi第i根横梁距桥面板的距离(m)。

1.4 汽车撞击验算

根据《公路交通安全设施设计细则》JTG/T D81-2017规定：

(1)所有荷载应施加于纵向横梁构件。纵向荷载向立柱的分布应符合横梁构件的连续性。横向荷载的分布应与护栏系统假定的破坏机理相一致。

(2)新型桥梁护栏结构试件应按承载能力极限状态法进行设计。试验构件所承受的荷载如下图所示，数值如下：

横向碰撞荷载Ft和分布长度Lt：为偶然荷载，作用方向与护栏面垂直。数值和Lt取《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)表3.5.4。

纵向碰撞荷载FL和分布长度LL：FL为偶然荷载，作用方向与护栏平行。数值为长度同Lt。

竖向碰撞荷载FV和分布长度LV：为偶然荷载，作用方向为垂直向下。数值为车辆重力，LV为车辆长度。

图2 金属护栏的设计荷载、竖向位置及水平分布长度

(3)各类和在分布系数、荷载组合值系数等应按现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60)的规定采用，其中横向和纵向荷载不应和竖向荷载进行组合。

2 工程概况

本项目位于西安市浐灞生态区灞河桥，道路等级：城市主干路；设计速度：主路：50 km/h；桥梁汽车荷载等级：城-A级；桥梁设计安全等级：一级；防撞护栏的防撞等级：SA级。

钢材均采用Q345D钢材。

2.1 抗倾覆验算

根据SA级护栏标准，由于是钢护栏，有一定的允许变形量，因此横向荷载按平均值取Ft=320 KN；根据SA级护栏标准，取各种标准车型进行验算。

对于小型客车、中型客车，满足抗倾覆荷载验算。

2.2 汽车撞击验算

该防撞栏杆等级为SA级，根据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)表3.5.4，取撞击力标准值为320 KN，分布长度为2.4 m进行加载。

由于横向和纵向荷载不应和竖向荷载进行组合，而且对于竖向荷载的计算在抗倾覆计算中已经单独计算，因此只需考虑横向和纵向荷载的组合。

根据防撞护栏图建立MIDAS Civil模型，整体模型及局部模型图，如图3、图4所示。模型共计981个节点，930个单元，其中梁单元906个，板单元24个。栏杆全部采用Q345钢材，护栏立柱底部采用刚接。

图3 模型整体图

图4 模型局部图

为了更好模拟汽车撞击栏杆过程中，附近栏杆对撞击力的应力重分布作用，建立11个节段栏杆，共计16.5 m，作用位置为中间栏杆。

(1)横梁最不利承载力验算

由结构力学可知，当横向和纵向撞击荷载以横梁中点为对称轴作用时，横梁受力最不利。荷载工况分以下三种组合：

①1.0恒载+1.0横向撞击荷载；

②1.0恒载+1.0纵向撞击荷载；

③1.0恒载+0.7横向撞击荷载+0.7纵向撞击荷载(取汽车荷载的频遇值系数进行组合)。

以工况①为例，计算结果如下：

最大拉应力值为240 MPa，最大压应力值为282 MPa，均存在于立柱底部。最大位移为7.9 mm。满足规范要求。

(2)立柱最不利承载力验算

由结构力学可知，当横向和纵向撞击荷载以立柱为对称轴作用时，立柱受力最不利。荷载工况同上。以工况①为例，计算结果如下：

最大拉应力值为224 MPa，最大压应力值为266 MPa，均存在于底部横梁与立柱接触处。最大位移为6.2 mm。满足规范要求。

综上所述，防撞栏杆满足抗倾覆验算和汽车撞击验算。

3 结 语

(1)对防撞护栏的设计要求和一般流程进行了系统阐述；

(2)以实际设计项目为背景，采用有限元软件对防撞护栏进行了详细的计算分析。

(3)为非标准城市桥梁防撞护栏的设计提供一定借鉴。