运营桥梁防撞护栏承载能力验算评估存在的问题及新的计算方法初探

赵 戈， 邹 衡， 安 峰， 贾黎丽

(重庆高速公路集团有限公司， 重庆 401121)

自2018年重庆万州公交坠江事件后，国务院安全生产委员会、交通运输部及各省市主管部门下文要求就对运营桥梁的安全防护能力进行评估及提升。根据现行规范JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》[1]及交通运输部就桥梁防护设施评估提升的各类指南的相关要求，重庆高速公路集团有限公司就辖区范围内部分桥梁防撞护栏的能力进行评估，在评估验算过程中，发现对于运营中的桥梁，特别是建设年代较早的中小跨径预应力简支T梁，其悬臂板的承载能力难以通过验算，甚至其仅为计算承载需求的1/9左右。从工程经验看，如果桥梁构件的承载能力需求比达到1∶9，那该构件将是一个并不安全，甚至可看作是危险的结构体系。但从我国公路桥梁建设的情况看，中小跨径预应力简支T梁是运用最为广泛的桥梁结构之一，且根据我国多年的高速公路运营经验及相关文献、报道来看，虽车辆撞击桥梁防撞护栏的交通事故时有发生，但因冲击导致桥梁防撞系统发生严重的破坏失效，进而引起更为严重的交通事故的案例鲜有见闻。这说明现有公路桥梁安全防护体系基本可达到预期的防护效果，但这又与前述的承载能力计算结果不相符合，这也表明规范中对于护栏防护能力的计算方法可能存在一定的使用局限性。

为此，针对运营桥梁的防撞护栏改造，如简单的按照现行规范标准要求，对不能通过防护体系承载能力验算的桥梁进行结构加强，将造成极大的社会资源浪费。如何正确评估既有桥梁防护体系的承载能力，在安全、经济、合理的前提下更有针对性地制定既有桥梁的护栏提升方案，是当今存在于我国公路建设、管理行业从业人员中的一个重要课题。本文将从我国历版规范中，对于公路桥梁防撞护栏的计算分析方法演变过程入手，分析其防撞护栏承载能力验算理论，并在现行规范中验算方法的基础上，提出针对既有桥梁防撞护栏承载能力验算的新的计算方法。

1 验算标准的演变

我国针对公路桥梁防撞护栏的技术标准，可按照规范发布的年限分为4个阶段：1) 1994年以前，无相关设计参考规范限定；2) 1994年—2006年，针对高速公路桥梁所颁布的JTJ 074—94《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》[2](简称《94规范》)对桥梁护栏的建设提出相关要求；3) 2006年—2017年，防撞护栏设计参考规范为JTG D81—2006《公路交通安全设施设计规范》[3](简称《06规范》)；4) 2017年以后，防撞护栏设计参考规范为JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》[1](简称《17规范》)。以下是对上述规范中关于桥梁防撞护栏的防撞能力验算的演变过程，并结合国外相关规范进行分析。

1.1 碰撞荷载标准值的演变

车辆在碰撞护栏时，碰撞荷载的作用点是沿着护栏迎撞面移动的，随着时间而变化，并在某一时间点出现峰值。车辆碰撞护栏是十分复杂的过程，目前国内外学者对冲击荷载作用下的钢筋混凝土结构的动力响应做了大量研究，也提出了多个基于冲击能量的碰撞数值模型及钢筋混凝土结构在冲击荷载下的损伤和破坏形态等理论，到目前为止尚没有精确且适用的方法来进行车辆碰撞护栏时的冲击力计算公式。因此在国内外的规范中，不管是针对不同防护等级的防撞护栏，还是依靠由车辆碰撞试验结果所提出的标称碰撞力标准值，这些理论均难以直接运用在护栏的碰撞力计算中。在国内外关于防撞护栏的碰撞力，均为按照护栏的防护等级需求给定其相应的碰撞荷载标准值及相应分布长度，然后按照均布荷载进行计算，如表1所示。

表1 各规范PL3级护栏碰撞荷载标准值对比

由表1可知，从我国历年规范更替的情况看，以PL3级护栏为例，规范中对于碰撞荷载的标准值均有较为明显的提高。同时，对比美国公路运输协会规范《AASHTO LRFD Bridge》(8th，2017)中相应的TL-5级护栏，其碰撞荷载标准值为551.25 kN，分布长度为2.438 m[4]，其相应的计算荷载集度为226.1 kN/m，与我国的《17规范》相近。

由表1还可知，我国3版规范中对于碰撞力的荷载集度在逐渐提高，在对比等级的护栏中，《06规范》规定的荷载集度在《94规范》的基础上提高了15.6%，而《17规范》规定的荷载集度在《06规范》的基础上提高了108.4%。虽然从荷载集度上《17规范》较《06规范》中提高了1倍以上，但因2部规范的计算方法并不相同，故就防护设计的强度不一定大幅提升。

1.2 计算方法的演变

从规范的发展看，《94规范》对护栏及护栏与桥面板连接强度的验算方法是基于强度的计算理论，即按照规范给定碰撞力，并根据悬臂梁的受力计算方法，按照钢筋混凝土截面对护栏进行受力计算；《06规范》计算方法本质上与《94规范》相同。

而现行的《17规范》中对于桥梁防撞护栏承载能力的计算理论，已摒弃原有基于强度的设计计算方法，改为与AASHTO相同的基于延性的屈服线计算理论作为护栏强度的主要计算方法，并引入了能力保护构件的设计思路。以混凝土护栏为例，其设计计算主要分为如下2个步骤：

1) 护栏本体的承载能力验算

对于钢筋混凝土护栏的横向承载力验算，根据现行规范标准要求，采用屈服线分析(Yield LineAnalysis)，通过护栏的截面及配筋情况，按照碰撞发生在护栏标准段与碰撞发生在端部，分别验算护栏的公称承载能力，并与相应等级护栏需承受的公称荷载相比较，判定其防撞能力能否满足要求，如图1所示。

(a) 结构形式

(b) 标准段碰撞计算模型

(c) 端部碰撞计算模型

2) 护栏与梁体连接强度验算

桥梁防撞护栏受到车辆撞击后，在桥梁护栏上受到横桥向的水平冲击荷载作用时，主梁结构最薄弱区域为翼缘板悬臂部分，另因翼缘板在横桥向一般为变截面，在冲击荷载下，翼缘板最不利截面为护栏内表面与翼缘板相交部分，也是桥梁结构承载力的验算截面，如图2所示。

图2 结构验算截面位置示意

具体的验算荷载组合及计算公式见JTG/T D81—2017《公路交通安全设施设计细则》[5](简称《17细则》)，本文仅对其计算理论的运用进行分析。为进一步分析规范中的计算理论，现行规范中引入了能力保护构件(Capacity Protected Member)的设计概念，即在计算时将防撞护栏作为能力保护构架，而将主梁悬臂作为被保护构件，设计要求悬臂板的验算截面强度高于护栏的公称承载能力，使其在极端荷载作用下，破坏发生在护栏中，而不会发生在悬臂板上。

2 承载能力计算理论分析

通过对比我国历版规范的演变过程可知，相较早期的规范版本，现行《17规范》设计理念、计算理论均发生了较大的变化，采用了针对极端荷载作用更为科学合理的塑性计算理论，并引入了能力保护构件的设计理念。

2.1 屈服线计算理论

《17规范》中最为明显的变化，是各个等级防撞护栏碰撞荷载标准值的荷载集度均出现了较为明显的提高。但在实际设计计算中发现，桥梁护栏的断面尺寸和配筋并未出现较大的变化，这与桥梁防撞护栏的设计相对较为保守有一定的关系，但根本上，是因防撞护栏的计算理论不同所致。

《17规范》的计算理论摒弃了传统的基于结构强度的静力计算方法，而采用基于结构发生延性破坏的屈服线理论(或称为塑性线理论)对防撞护栏的承载能力进行验算。在早期规范中，基于强度计算理论仅能计算结构破坏前的强度及线弹性阶段的结构强度，而不能充分考虑结构在发生塑性形变后的承载能力。而冲击碰撞破坏是一种偶然且极端的结构破坏形态，在此类荷载下是允许结构本身发生可控的开裂、变形，考虑结构进入塑性阶段的承载能力，从而能够充分地利用材料本身的强度。

2.2 能力保护构件理论

能力保护构件理念基于结构构件的重要性及其损坏发生后的可修复性，并以此作为主要评价标准，即人为使结构构件重要性较低，并当发生损坏后，修复代价更小的结构构件，且设计强度低于其邻近的主要构件。一旦地震、爆炸、撞击等极端情况发生，通过次要构件的破坏耗能或阻断外荷载的急需输入，从而避免了主要构件发生严重破坏的设计理念，如同在电路中设置“保险丝”的作用。桥梁结构设计中最常见的能力保护构件为门架墩的横系梁，在地震发生时，横系梁的破坏既耗散了地震荷载，又释放了部分对桥墩的约束，减轻了桥墩在地震中的破坏程度，使得桥梁结构在地震中不至于发生坍塌。在震后，横系梁的修复难度也远小于桥墩出现严重破坏后的修复难度。由此可见，能力保护构件设计理论的基础在于区分主要构件与次要构件，并在极端情况发生时，将破坏点引至对桥梁结构重要性更低、影响更小、修复代价较小的次要构件，进而达到保护主要构件目的的设计理论。

《17细则》附录“D.4桥面板悬臂设计”中，对支撑混凝土护栏的桥面板考虑极限状态I，规定“桥面板悬臂可提供弯曲抗载能力Ms(kN·m/m)，与式D.4.2规定的拉力T(kN/m)同时作用，应超过护栏根部的Mc。轴向拉力T可表示为：T=RW/(Lc+2H)”[5]。在式中，Rw为采用屈服线理论计算的护栏对横向荷载的抗力标准值，而非由碰撞本身所产生的荷载。《17规范》要求主梁悬臂板与护栏连接处的设计强度要高于护栏本体的强度，即在出现极端情况时，破坏将发生在护栏本体内，而非发生在主梁悬臂板中。

2.3 计算理论适用性分析

车辆冲击碰撞桥梁结构防撞护栏属于偶然荷载，而采用考虑材料塑性阶段性能的屈服线理论，比基于强度的设计理论更为科学合理。但笔者认为，能力保护构件的设计理念运用在桥梁防护体系中，也存在一定的局限性。

2.3.1 桥梁防撞体系所保护的主体应该为行驶在桥梁上的驾乘者，而非桥梁

桥梁防撞体系的主要作用是防止行驶车辆在发生碰撞后，因防护体系失效而导致车辆冲出桥面造成二次损失。无论是护栏墙体发生破坏，还是主梁翼缘板边缘发生破坏，一旦防护系统失效后将导致较为严重的后果，并评价为防护体系失效。较行驶车辆冲出桥面所发生的后果及造成车毁人亡的损伤而言，桥梁结构的破坏是发生在主梁上还是护栏墙体上并不重要。

2.3.2 对采用混凝土护栏的桥梁，主梁悬臂和防撞护栏的结构形式相似，其修复难度相当

城市桥梁在桥侧设置慢行系统，公路桥梁则在桥梁两侧翼缘板上设置了防撞护栏。常见的预应力T梁或预应力小箱梁的预应力均布置在腹板内，其翼缘板外缘并未布置预应力钢束。因此，翼缘板外侧本质上与混凝土护栏的结构形式相同，均为钢筋混凝土结构，在极端情况下发生破坏，修复难度相近。

2.3.3 能力保护构件的设计理念需在桥梁结构设计时执行，而对既有桥梁的评估并不适用

桥梁安全防护体系不仅包含桥梁的防撞护栏，还应包含防撞护栏与桥面悬臂板的结点。根据笔者对现今桥梁设计情况的调查，大多中小跨径高速公路桥梁设计时，基本都是套用相应跨径和结构体系桥梁的标准图，而防撞护栏的标准图与主梁的标准图往往是独立的，而并未进行配套设计。另外，笔者对收集到重庆市及周边省份的高速公路桥梁标准图进行计算分析，发现标准图中各等级护栏的设置均较为保守。以某省SS级混凝土护栏为例，其竖向钢筋采用Φ16 mm的HRB400按间距10 cm进行排布，该规格护栏按照《17规范》进行计算，其公称承载能力甚至超过了其等级承载需求的1倍以上。按照能力保护构件的设计理念，其护栏本体的防撞能力，变成了与之相连接的悬臂板需求，这一理念相较保守的护栏本体设计将导致悬臂板的强度需求急剧增大。对于既有桥梁，如在设计时未进行护栏本体和主梁悬臂的强度匹配设计，则很难通过承载能力验算。

2.3.4 在《17细则》中，对桥面板悬臂验算不通过的情况表述不清晰，且未给出明确的结论与后续验算评估方法

针对桥面板悬臂设计验算不通过的情况，《17细则》附录D.4章节的条文说明原文为“如果桥面板悬臂的承载能力小于所规定的值，那么护栏的屈服线破坏机理就不能如图D.3.1-1一样，式D.3.1-1和式D.3.1-2就不正确。碰撞试验的目的是保存下来，不必识别出是否达到了护栏系统的极限强度。这可能会使护栏系统过度设计，导致桥面板也进行过度设计的可能性增加。”[5]《17细则》条文说明表述方式令人费解，且其语序与用词并非中文的理解习惯。为了理解其条文说明要义，笔者查阅了《AASHTO LRFD BDS》中相关内容的阐述，美规的原意为“如撞击后发生破坏的破坏面不在防撞墙本体，则规范中给定的屈服线计算理论则不适用于该情况，相应的计算公式也不成立。如果桥梁护栏出现了明显的过度设计，为满足验算要求，则可能导致桥面板悬臂也出现过度设计。对于此类情况，可通过碰撞试验进行识别验证。”[4]

分析上述条文可知，规范中已认识到当因防撞护栏的设计强度过于保守后，再使用该计算公式已无法对防护体系的安全状况进行正确的评估，且规范中也明确表明这类情况并非是不安全情况，此时验证其安全性的方式只能采用碰撞试验，但没有给出一个可行的计算验证方法。

3 既有桥梁防撞护栏计算评估方法改进

通过对规范中桥梁护栏的承载能力进行理论分析，基本可回答本文开篇所提出的问题，即对部分预应力简支T梁，其桥面板悬臂端的计算承载能力仅有防护需求的1/9的情况下，还可基本达到其应有的防护效果，其根本原因在于引入能力保护构件设计理论。

如前所述，以往大多数桥梁设计时，并未考虑护栏强度与桥面板强度之间的匹配问题，而随着规范中对于碰撞力的逐版提升，其护栏本体的截面尺寸均在增大，配筋均在增强。

经计算发现，即使在《94规范》颁布实施时期，建设的部分高速公路桥梁，其护栏本体横向荷载的抗力标准值已超过该规范要求的2倍以上，此时在计算桥面板悬臂与护栏本体的连接强度时，过高的护栏本体强度则变为了计算连接强度的承载力需求。2000年左右通车的某高速公路桥梁护栏体系如图3所示。图3中，护栏根部断面a-a的宽度为33.4 cm，而主梁与护栏连接处断面b-b的宽度仅有13 cm，仅从截面宽度比较，防撞护栏本体的强度远高于桥面板悬臂的强度，是出现上述问题的主要原因。

图3 验算截面示意

综上分析，目前国内外关于桥梁防撞护栏防护能力的验算，均不能对既有桥梁防撞护栏体系的承载能力进行正确判断，如何认识和评估现有桥梁防撞体系的防撞能力是各等级公路桥梁管理者需解决的难题。对既有现状的桥梁护栏，通常采用建立实体有限元模型验算，或通过实车碰撞来进行有效性验证。但由于三维建模计算工作量较大，且对碰撞力时程曲线的选取和边界条件的设置等不同，对计算结果影响较大，因此需进行大量深入研究工作；采用碰撞试验的方式虽直观，但相应的实施周期较长，且成本高。为此，本文在现有规范的基础上，提出一种简便有效的评估验算方法，对既有桥梁的防撞体系进行能力验算。

3.1 削弱截面法计算护栏承载能力

通过对计算理论的分析可知，《17规范》中对于桥梁防撞体系承载能力的验算思路为：1) 使用塑性理论计算护栏本体的承载能力，证明防撞护栏本身具备足够的强度；2) 通过验算后，再使用能力保护构件的计算理念比对护栏本体强度和与之连接的主梁翼缘板的强度，若翼缘板强度高于护栏本体强度，则认为整个系统是安全的。

根据上述分析，通过该验算思路对防撞系统进行评估会带来一个悖论，若护栏本体强度与梁体悬臂端强度均能够满足防护需求，但悬臂板强度低于护栏本体强度，则按照《17规范》的计算方法，均不可能通过验算，这一点在T型梁、小箱梁这类在桥侧带有厚度较小的翼缘板的桥梁中表现较为突出，笔者在对类似桥梁的多次比较验算中也得到了相应的证实。

对于此类“强护栏弱梁”防撞体系的桥梁，如果人为的削弱护栏强度，比如缩小其截面尺寸或切断部分竖向钢筋，使其强度刚好满足相应等级护栏的要求，再以削弱强度后的护栏本体强度代入规范中支撑混凝土护栏的桥面板强度计算中，如果此时可通过计算，即可判定为该结构体系是安全的，那么也可以判定，在进行护栏本体削弱前的结构体系也是安全的。

综上分析，削弱截面法计算护栏承载能力的本质是评估既有桥梁的防撞设施时，在护栏本体的验算抗力Rw超过桥梁护栏的汽车横向碰撞荷载标准值后，需计算支撑混凝土护栏的桥面板强度，此时计算其桥面板每单位长度的拉力T，不再代入护栏本体的验算抗力Rw，而应代入削弱截面后护栏本体的验算抗力，或者直接代入相应等级护栏碰撞荷载标准值。

3.2 桥梁护栏能力保护构件的重新定义

桥梁防撞体系的设置主旨为保障驾乘人员的人身安全，如按照结构设计的理念以桥梁护栏作为主梁的能力保护构件并不完全适用于护栏防护体系的设计，而应以桥梁防撞护栏体系作为桥梁车行道的能力保护构件，即避免当防撞体系受到极端荷载的作用下，发生因车行道损坏威胁到其他行驶车辆安全的情况。

因此，对于桥梁防撞体系能力保护构件的划分，因加入了驾乘者的因素，则不应简单地以桥梁构件本身作为划分标准，更为合理的划分方式是按照桥梁的使用功能，将桥梁行车道内部作为被保护构件，而将行车道外的翼缘板与防撞护栏作为能力保护构件。这一点体现在主梁翼缘板验算截面的选取中，规范推荐采用主梁与护栏交界的截面进行强度验算，参考美国科罗拉多州交通部的桥梁设计手册，建议采用车行道(或应急车道)外缘作为悬臂板的验算截面[4]。同时，在验算时也可充分考虑桥面调平层混凝土对截面承载能力的贡献。悬臂板的验算截面如图4所示。

图4 《CDOT Bridge Design Manual》中臂验算截面的选取

但验算截面的内移与混凝土调平层的贡献考虑也是有运用条件的，只有对桥梁护栏内侧钢筋外伸至桥面调平层一定长度的桥梁方可考虑，而对于护栏钢筋并未深入调平层混凝土的情况，则不应考虑调平层混凝土对于翼缘板强度的影响。桥梁护栏及翼缘板钢筋布置情况如图5所示。

图5 某高速公路桥梁护栏及翼缘板钢筋布置情况

4 结论

1) 《17规范》及其配套的《17细则》中，针对桥梁防撞体系的设计引入了基于塑性的计算理论与能力保护构件的设计思路，较之前版本的规范是技术的一大进步。但因桥梁防撞体系的首要功能是保证驾乘人员安全，而非保护桥梁结构本身，故若按照桥梁构件来划分保护构件与被保护构件的方法并不恰当。能力保护的设计理念运用在桥梁护栏体系中，不应将护栏结构作为主梁的能力保护构件，而应理解为护栏体系是桥梁车行道的能力保护构件。

2) 《17规范》中对于桥梁防撞体系的验算评价方法，可有效指导新建桥梁设计，但对旧桥防护能力的评价使用中，存在较大的局限性。本文提出的削弱界面计算桥梁防护体系承载能力的计算方法，其计算原理和验算原则是对《17规范》所提出验算方法的扩展，其本质是对未采用能力保护构件理论设计的桥梁，表明在验算阶段也不宜采用能力保护构件的理论进行验算。但作为一种新的验算方法的探索，其适用性需要进一步验证。

3) 新建桥梁防撞护栏的设计应该结合与其相连接的主梁翼缘板强度相匹配。在我国目前的公路桥梁防护体系设计过程中，较多的设计单位采用的是固定结构形式的防撞护栏，放置在不同结构体系的桥梁中，如将此护栏安置在厚度较薄的预制T型梁、预制小箱梁的翼缘板边缘，虽不致造成结构不安全，但却会因为其连接强度不足，导致护栏本体的强度不能完全发挥，形成较大的强度富余，进而造成了不必要的浪费。因此，建议设计单位在进行桥梁防撞护栏设计时，应将防撞护栏与翼缘板形成一个系统进行设计，以充分利用各材料的性能。

4) 护栏钢筋外伸至桥面调平层中，可明显提高护栏系统的整体性，虽已有不少的桥梁已按此方法进行实施，但规范中并无明确要求，建议后续规范中将其作为构造要求进行明确。