虎门二桥钢混组合式护栏设计

徐德志

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507)

1 项目概况

虎门二桥是广东省高速公路网规划中连接广州和东莞的重要东西向通道，路线方案起于广州市番禺区东涌镇，顺接南二环高速公路，经广州市番禺区、南沙区，先后跨越大沙水道、海鸥岛、坭洲水道后，穿越虎门港进入东莞市沙田镇，终点与广深沿江高速公路相接。虎门二桥上游距珠江黄埔大桥约20 km，下游距虎门大桥约10 km。主线全线均采用桥梁方式建设，路线总长12.886 km。

本项目穿越的海鸥岛是广州新城的重要组成部分，根据《海鸥岛旅游策划和城市设计规划说明书》，其景观定位为成为具有国际知名度的度假、观光及会议旅游目的地，国家AAAA级旅游区，成为兼具“生态休闲岛”和“度假目的地”形象的旅游胜地。海鸥岛是目前广州城市范围内唯一保持着原生态的大型岛屿，是城市发展的生态节点。

虎门二桥项目采用桥梁方案横穿海鸥岛南端，并通过海鸥岛立交将岛与广州、东莞相连，为岛屿的旅游开发提供更加便利的交通条件。同时，虎门二桥也作为景点之一，丰富海鸥岛景观，对桥梁景观设计亦提出更高的要求。在本项目的设计过程中，除了对桥梁主体结构的主塔、箱梁、桥墩进行景观设计的比选，亦对桥梁防撞护栏进行景观设计优选。

2 护栏方案比选

2.1 桥梁护栏防撞等级

桥梁防撞护栏纵向吸能，通过自体变形或者车辆爬高来吸收碰撞能量，从而改变车辆行驶方向、阻止车辆越出路外或者进入对向车道，最大限度地减少对乘员的伤害。根据车辆驶出桥外或者进入对向车道可能造成的交通事故等级，依据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)选取桥梁护栏的防撞等级，如表1所示。

表1 桥梁护栏防撞等级适用条件

因桥梁线形、运行速度、桥梁高度、交通量和车辆构成等因素易造成更严重碰撞后果的路段，可在表1的基础上提高护栏的防撞等级。虎门二桥主线为标准八车道高速公路，设计速度为100 km/h，结合广东省标准化设计成果，本项目桥梁外侧护栏采用SS级，内侧护栏采用SA级。

2.2 护栏形式选择

大型桥梁护栏类型主要有金属梁柱式、钢筋混凝土墙式和钢混组合式。金属梁柱式护栏景观效果好，但若要达到较高防护能量，则护栏造价较高，且在超长的跨海(江)路段，由于其良好的通透性，部分驾驶员行车时可能产生不安全感。钢筋混凝土墙式护栏防护能力较强，经济性较好，不足之处就是自重大、景观效果略差，部分驾驶员行车时可能产生压抑感。钢混组合式护栏结合了前二者的优点，是大型桥梁防撞护栏的较好选择。

对于虎门二桥主线桥梁，上述三类护栏的设计方案如下。

2.2.1 金属梁柱式护栏

金属梁柱式护栏的立柱及横梁布置满足《公路交通安全设施设计规范》的要求。桥梁外侧采用SS级，混凝土底座宽500 mm，高出桥面铺装150 mm，带100 mm挂壁，整个护栏高出桥面铺装1500 mm，共设4道横梁，立柱间距为1.5 m；桥梁内侧采用SA级，混凝土底座宽500 mm，高出桥面铺装150 mm，整个护栏高出桥面铺装1250 mm，设3道横梁，立柱间距为1.5 m。金属梁柱式护栏标准横断面如图1所示。

图1 金属梁柱式护栏标准横断面示意图(单位：mm)

2.2.2 钢筋混凝土墙式护栏

钢筋混凝土墙式护栏采用广东省交通运输厅颁布的标准图，护栏迎撞面形状满足《公路交通安全设施设计规范》的要求。桥梁外侧采用SS级，底宽500 mm，带100 mm挂壁，高出桥面铺装1100 mm；桥梁内侧采用SA级，底宽450 mm，距桥面边缘50 mm，高出桥面铺装1000 mm。钢筋混凝土墙式护栏标准横断面如图2所示。

图2 钢筋混凝土墙式护栏标准横断面示意图(单位：mm)

2.2.3 钢混组合式护栏

钢混组合式护栏在金属梁柱式护栏的基础上进行优化设计，桥梁外侧采用SS级，混凝土底座宽500 mm，高出桥面铺装400 mm，外侧带100 mm挂壁，整个护栏高出桥面铺装1500 mm，共设3道横梁，立柱间距为2.0 m；桥梁内侧采用SA级，混凝土底座宽500 mm，高出桥面铺装400 mm，整个护栏高出桥面铺装1250 mm，设3道横梁，立柱间距为2.0 m。钢混组合式护栏标准横断面如图3所示。

图3 钢混组合式护栏标准横断面示意图(单位：mm)

钢混组合式护栏兼具上述金属梁柱式护栏和钢筋混凝土墙式护栏的优点，底部采用高度400 mm的混凝土底座，上部设置金属立柱和横梁形成钢混组合式结构，底座高度400 mm对景观影响较小，采用经济性好的混凝土结构，经济性较常规金属梁柱式护栏有所改善。

2.2.4 方案综合比选

根据上述三类方案设计，结合施工、养护、景观等因素，对各方案进行综合比较，结果如表2所示。

表2 护栏方案综合比较表 单位：mm

根据上述比选，钢混组合式护栏兼具混凝土护栏的经济性优势和钢护栏的景观性优势，较能适用于本项目的景观定位要求，作为最终的实施方案。

3 护栏构造设计

钢混组合式护栏结构主要由钢筋混凝土底座和上部梁柱式钢护栏两部分组合而成。钢筋混凝土底座有预埋钢板及预埋螺栓组，通过立柱连接板及锚固螺栓与立柱连接，梁柱式护栏横梁通过连接螺栓与立柱连接。以外侧SS级护栏为例，其构造设计如下。

外侧SS级护栏，铺装以上总高度1500 mm。底座宽513 mm，带100 mm挂壁，高出桥面铺装400 mm，底座迎撞面下部75 mm竖直布置，往上325 mm设置7°的斜面，构造尽量与钢筋混凝土墙式护栏底部协调，允许碰撞车辆有一定的爬升以达到一定的耗能效果。底座外侧通过两段折线连接，折线之间设置半径30mm的圆弧凹槽，弱化底座体量的同时增加外侧的饰线效果，所有直线之间均设置半径25 mm的圆弧过渡，可提升施工质量，避免施工过程折角破损。底座内预埋7根M30螺栓用于立柱与底座的连接，采用双螺母作为防松措施。底座以上钢护栏高1100 mm，立柱采用焊接工字形截面，顺桥向宽度170 mm，横桥向宽度从顶部的120 mm直线渐变至底部的220 mm，工字形翼板及腹板厚度均为12 mm，立柱标准间距按2000 mm设置。横梁采用3根矩形钢管，单根钢管外轮廓尺寸120 mm(高度)×160 mm(宽度)，壁厚6 mm，横梁竖向净距250 mm。外侧SS级及内侧SA级钢混组合式护栏构造设计断面如图4、图5所示。

图4 外侧SS级钢混组合式护栏构造设计(单位：mm)

图5 内侧SA级钢混组合式护栏构造设计(单位：mm)

4 护栏安全性检验

本项目钢混组合式护栏为新型护栏，《公路交通安全设施设计规范》《公路交通安全设施设计细则》对本护栏形式没有具体规定，根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG/B05-01—2013)的要求，需进行安全性评价。通过安全性评价，可以对本方案进行安全性验证及优化设计，在确保安全的基础上，优化结构构造，美化护栏景观。

4.1 仿真分析

为提高实车碰撞试验成功率，需对钢混组合式护栏进行计算机仿真计算，分析护栏的防撞性能是否能达到《公路护栏安全性能评价标准》规定标准，为护栏结构优化及实车碰撞试验提供参考。

4.1.1 碰撞条件

计算机仿真过程中采用的碰撞条件如表3所示。

表3 仿真分析采用的碰撞条件

4.1.2 碰撞点位置

小型客车、中型客车和大型货车的碰撞点均位于护栏段起点1/3长度处，仿真分析采用的碰撞点位置如图6所示。

图6 仿真分析采用的碰撞点位置

4.1.3 车辆模型

分别建立小型客车、中型客车和大型货车的车辆模型，其中大型货车模型三维消隐图如图7所示。

图7 大型货车有限元模型三维消隐图

4.1.4 护栏模型

根据桥梁护栏设计图纸，建立护栏的有限元模型，如图8、图9所示。

图8 SS级护栏有限元模型

图9 SA级护栏有限元模型

4.1.5 仿真结果

针对SS级和SA级护栏，分别采用小型客车、中型客车和大型货车进行仿真分析，以大型货车碰撞SS级护栏为例，其主要分析结果如下。

(1)车辆运行轨迹和行驶姿态如图10、图11所示。驶出框A=8.18 m，B=20 m，车辆碰撞护栏后沿直线行驶，不会驶出驶出框，如图12所示。

图10 货车行驶轨迹

图11 货车行驶姿态

图12 车辆驶出轨迹

(2)护栏最大横向动态变形值、动态位移外延值和车辆最大动态外倾值如表4及图13所示。

表4 护栏变形及车辆外倾值

图13 护栏最大动态横向变形、横向动态位移外延及外倾值

4.1.6 评价结论

通过计算机仿真分析，SS、SA级桥梁护栏的阻挡、缓冲和导向功能评价指标符合《公路护栏安全性能评价标准》中相关要求。由于仿真结果受模型简化、材料参数、边界条件、网格划分、计算理论多方面因素影响及技术水平限制，可以为护栏结构的开发优化做参考，但不可作为护栏等级是否满足规范标准的最终检验手段。根据规范要求，护栏的安全性能评价应进行实车碰撞试验验证。

4.2 碰撞试验

实车碰撞试验委托北京深华达交通工程检测有限公司进行，按《公路护栏安全性能评价标准》相关要求进行试验设计，针对SS级和SA级护栏，分别采用小型客车、中型客车和大型货车进行多组试验，检验护栏安全性能。经试验验证，上述两类护栏可满足规范各项要求。以SS级护栏大型货车碰撞试验为例，主要试验情况如图14、图15所示。

大货车实测碰撞条件如表5所示。大货车实测碰撞主要评价指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》中相关要求，如表6所示。

图14 车辆行驶轨迹俯视图

图15 驶出框示意图

表5 SS级护栏大货车实测碰撞条件

表6 SS级护栏大货车实测碰撞主要评价指标

其他指标检测值如下。护栏最大横向动态变形值为0.15 m；护栏最大横向动态位移外延值为0.65 m；车辆最大动态外倾值为0.45 m；车辆最大动态外倾当量值为0.70 m。

5 结论

虎门二桥穿越的海鸥岛是广州城市发展的生态节点，景观要求较高。本文结合虎门二桥，针对桥梁护栏景观要求高、防撞要求高、驾驶员行车时需要安全感但不能压抑的需求，结合传统金属梁柱式护栏和钢筋混凝土墙式护栏的优点，研发新型钢混组合式护栏，并通过仿真分析和实车碰撞试验验证该护栏防护等级可达到SS和SA级。新型组合式护栏的研发使用，提升了项目景观性、经济性，可作为同类项目护栏设计的参考。