组合式桥梁护栏提升改造方案研究

朱真 田冠楠 金梦媛

摘要 该研究以S10（温州绕城）高速公路北线一期组合式桥梁护栏为研究对象，首先对桥梁护栏事故进行了调研，其次对桥梁护栏防护能力做了现状调研和分析，包括桥侧组合式桥梁护栏的结构形式、材料特性、基础条件等特征，以及桥梁悬臂板类型，并对桥梁护栏进行安全性能评价分析等。结合标准规范要求和现场条件，确定了组合式桥梁护栏提升改造防护等级，在此基础上制定了升级改造方案，并进行了实车足尺碰撞试验。

关键词 桥梁护栏；安全；改造方案

中图分类号 U443.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0126-03

0 引言

近十年来，我国公路交通事业实现了高速发展，有力地促进了国民经济的蓬勃发展。在公路交通应用方面，人们不再只满足于舒适快捷的出行方式，更希望出行安全，因此公路护栏的作用十分关键，是必不可少的安全设施，可以有效地降低交通事故的死伤率，减少重特大二次事故。道路上的护栏是一个完整系统，包括路基段、桥梁段护栏以及过渡段护栏。将整条道路的安全护栏作为一个整体进行考虑，以统一标准设计、设置系统的各组成部分，使各组成部分保持防护性能的无缝连接，有效地避免群死群伤恶性事故的发生。

经研究分析，国内外在护栏再利用技术和桥梁护栏改造技术[1]方面已经积累了一定的经验，并在部分改扩建项目工程中实施应用，为护栏的再利用升级改造已经提供了一定的理论基础和研究经验，尤其是最近几年对屈服线理论的相关研究以及应用逐渐增多且日趋成熟，对该项目有极大的借鉴意义。

1 桥梁护栏事故调研

随着运输业的快速发展，大型货运客运车流量密集，此类车辆普遍重心高，我国有很多早期修建的高速公路的路侧防护性能已经落后，难以为我国目前多样化的车辆提供安全性保障，一旦事故发生在桥梁上，冲出的车辆会造成严重的二次伤害。早期修建的桥梁，现有桥梁护栏防护等级相对较低，部分护栏存在迎撞面不标准、高度不足等问题，一旦发生坠桥事故，伤亡惨重，见表1。

为了更好地保证公路使用者的安全，满足人民群众对交通安全的更高需求，适应社会经济的发展形势，有必要开展现有桥梁护栏及过渡段防护性能提升的工程方案研究。

2 桥梁护栏防护能力现状调研和分析

S10（温州绕城）高速公路北线一期为2005年建设的双向六车道高速公路，是连接省内高速及国省道的重要枢纽通道。其桥梁段采用组合式桥梁护栏，等级为《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ074—94）（以下简称《94规范》）中的PL2级。中央分隔带波形梁桥梁护栏设计依据《公路交通安全设施设计规范》（JTGD81—2006）（以下简称《06规范》）。全长26.602 km（不包括周岙底隧道及部分连接线），整体混凝土护栏长度约36 km。

该项目调研分为全景调研和点段调研。全景调研选用全景高清广角摄像仪采集数据，主要了解温州绕城代表性路段桥梁护栏全貌，同时记录影像资料，用于该项目后期分析研究。点段调研选取了代表性桥梁开展重要点段调研，包括护栏的结构形式、防护等级、防腐情况、桥侧环境等，采用回弹法测量护栏现有混凝土强度，现场测量现有护栏结构尺寸，并对桥梁护栏过渡段进行调研统计，同时考察桥侧环境以及桥梁安装的声屏障、防落物网等障碍物。该项目选定的点断调研代表性桥梁名称为坦头桥、永嘉枢纽主线桥、楠溪江大桥、安丰岙桥、瓯江大桥、仰义枢纽主线桥及匝道桥。

经现场调研与分析，现有组合式桥梁护栏底座高度为68.5 cm，采用《94规范》中的Cm—PL3—R型號，设计混凝土强度C30。根据已有研究成果，对PL2和PL3强度等级的护栏均进行过相关研究，其防护能力可达设计标准[2]。但在PL3碰撞条件下，车辆侧倾值较大，有翻车风险，且现有最低混凝土强度推定值为22.5 MPa，已低于设计时期标准，因此可根据《公路交通安全设施设计规范》（JTGD81—2017）（以下简称《17规范》）进行防护能力提升。

根据前期研究结果，温州北绕城设计速度100 km/h，如进行防护能力提升，则考虑跨越公路、铁路等路桥桥梁，需至少提升至SA级[3]。根据《17规范》要求，当桥梁高度大于30 m或总质量超过25 t的车辆自然数所占比例大于设计交通量的20%时，护栏防护等级应提升至少一级，即SS级。考虑现有绕城运行速度提升至120 km/h，确定该项目最终提升目标等级为SS级。

3 组合式桥梁护栏提升方案

温州绕城高速公路桥梁换安全提升的最终目的是使改造后的护栏防护能力能够满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTGB05-01—2013）（以下简称《评价标准》）中SS级的相关规定。

3.1 最不利位置

在研究桥梁护栏提升方案过程中，充分考虑车辆碰撞后对桥面板的影响，降低对桥梁护栏的损伤。按《17规范》附录D中的桥面板承载力验算，当大型车碰撞现有桥梁护栏尤其是刚性护栏时，桥梁护栏自身承受冲击力后将碰撞力矩传递至桥面板，对总体护栏安全防护能力有较大影响，同时会给桥梁带来难以修复的损伤。

经查看各种类型的桥梁翼缘板，筛选每种类型桥梁翼缘板的设计情况，再通过计算对比分析研究，不同类型的桥梁翼缘板中的最不利情况，按照《17规范》推荐的理论计算方法，计算得出桥面板承载力[4]。经过计算桥梁翼缘板在桥梁翼缘承受车辆水平撞击荷载的状态和桥梁翼缘承受车辆自重和护栏自重的状态下的截面为护栏坡脚垂直于桥梁翼缘的断面承载力，承载能力最低者为最不利桥梁翼缘板[5]。该项目最不利翼缘为以仰义枢纽为代表的空心板行车道板，悬挑长度2 m，最薄处桥面板20 cm。

3.2 护栏加高方式

研究成果表明，同种结构形式护栏的高度越低，则车辆碰撞过程中越容易发生翻车。温州绕城高速公路的组合式护栏均为下部混凝土基座＋上部牛角形钢管扶手的结构。其上部钢管扶手的安全防护能力较弱，车辆碰撞过程中钢管扶手起到的防护作用与下部混凝土基座相比可以忽略。

提升护栏高度可按照《评价标准》规定的SS级采用加高混凝土，使混凝土护栏的高度H达到1.1 m[6]；但经过前期研究发现，将68.5 cm混凝土底座加高到120 cm，且达到SS级难度极大，植筋钢筋的箍筋增强至HRB400的φ30钢筋间距100 mm，纵筋采用增加HRB400的φ30钢筋间距100 mm，标准段在第二种破坏模式下，仍然无法达到SS级防护能力，且加高混凝土后对桥梁翼缘损坏较大。在后期实施过程中，施工时间长，道路封闭车道时间长，对温州绕城高速快速通行产生的阻碍较大。结合浙江交通集团关于高速公路桥梁护栏安全防护能力提升的相关技术开发研究成果，对温州桥梁护栏提升改造，采用浙江省桥梁护栏提升的SS级高强型组合式护栏，是一种高效便捷且可以达到防护能力的有效方式。温州北绕城桥梁底座高度68.5 cm、配筋和混凝土强度均优于浙江省提升方案实车碰撞试验中护栏底座，因此可初步选用。

3.3 方案结构

依据《17规范》6.3.5条桥梁护栏设计相关条款，SS级混凝土护栏高度为1.1 m，组合式护栏高度可在混凝土护栏高度基础上显著增加，上部横梁中心高度距离路面最少为1.2 m，该研究采用浙江省桥梁护栏提升方案作为温州绕城组合式桥梁护栏提升方案后，上部横梁中心高度为137.5 cm，满足规范要求，提升方案结构示意图如图1所示。

在前期项目开发过程中，建立有限元模型，并按照护栏通用底座图纸与桥梁板最不利截面的图纸建立钢筋模型，上部设置圆管钢结构横梁和立柱。

经过多次优化设计，最终确定了提升方案的实车碰撞试验方案。桥梁护栏提升方案标准段实车碰撞试验时，试验段由3段组成，为桥梁护栏40 m。每节横梁长度6 m，由Q355B级圆管φ114×6 mm的套管连接。横梁和立柱均为B750HL圆管φ127×3.5 mm。

3.4 改造流程

①测量放线；②立柱定位放线；③钻孔植筋；④安装钢立柱；⑤安装钢横梁；⑥线形调整。

3.5 改造要点

（1）使用该提升方案改造现有混凝土或组合护栏时，可将原护栏还原至不低于该设计方案护栏混凝土基座部分51高度，钻孔植入化学锚栓，安装上部钢构件。

（2）当新建该设计改造方案桥梁护栏时，护栏内钢筋应与桥面板进行有效锚固。

（3）立柱的安装应严格按图实施，并与路线线形协调一致。

（4）植筋锚栓应牢固地埋入混凝土中，达到设计所规定的深度，并与地平面垂直。

（5）立柱安装正确是护栏线形平顺的关键，必须确保立柱安装高度和竖直，不得扭曲变形。

4 实车足尺碰撞试验

根据《评价标准》六级（SS级）的试验碰撞条件，进行实车足尺碰撞试验来验证改造后的组合式桥梁护栏提升方案的安全性能。试验分别对小型客车、大型客车和大型货车进行碰撞检测，实际试验条件如表2所示。

经实车足尺碰撞试验，SS级高强型组合式桥梁护栏提升方案的导向、阻挡、缓冲等功能以及变形值等各项指标应符合《评价标准》中的相应要求。针对不同车型的安全性能满足六级（SS级）防护等级要求。提升方案护栏的横向变形量和车辆的外倾值等其他指标见表3。

组合式桥梁护栏提升改造方案通过了SS级关于不同车型的实车足尺碰撞试验，满足《评價标准》中SS级各项指标的安全性能评价要求。

5 结论

该研究方案不需要拆除原有桥梁护栏混凝土基座，降低拆除施工费用的同时还极大地缩短了施工时间，大幅度地降低了护栏提升的施工难度，节省交通组织费用，同时降低施工过程中的安全风险，符合《交通强国建设纲要》提升本质安全水平的重点任务要求，具有较高的推广应用价值。该研究将最不利形势作为提升方案设计的基础，在最不利情况下，研究确定提升方案。桥梁护栏提升工程需要在边通车边施工的环境中进行，护栏提升施工难易不仅影响建设周期，对施工期间的交通组织也有影响。该研究方案避免了拆除原有混凝土基座，在缩短工期的同时也使其在施工期间起到防护作用，同时兼顾施工方便、安装快捷的原则，减少大型施工设备的使用，使护栏提升简单有效。提升后防护等级为SS级，解决了薄翼缘板桥梁护栏提升的难题。提升改造的桥梁护栏与拆除新建SS级混凝土护栏方案相比，节省了拆除、恢复基础、加强桥面板、新增护栏、交通组织等费用，大大节省了施工费用及工期。薄翼缘板桥梁SS级混凝土护栏改造，若采用拆除新建造价约为2 790元/m，提升改造的SS级桥梁护栏的造价约为1 320元/m，预期与拆除新建相比节省约1 470元/m，经济效益显著。

参考文献

[1]江海， 亢寒晶， 刘大昌， 等. 基于多目标的组合式桥梁护栏优化研究[J]. 特种结构， 2020（4）： 91-95.

[2]赵庆云， 吴军鹏， 刘康， 等. 桥梁混凝土护栏直立式接高改造设计与碰撞分析[J]. 公路与汽运， 2020（1）： 46-51.

[3]刘航， 马晴， 亢寒晶， 等. 旧式组合式桥梁护栏提升改造及应用[J]. 公路， 2021（2）： 114-118.

[4]龚帅， 郭洪， 刘航， 等. 高速公路跨铁路桥梁护栏安全性能提升研究[J]. 公路， 2021（4）： 321-326.

[5]万田宝. 梁柱式钢结构桥梁护栏结构设计研究[J]. 公路， 2022（1）： 268-271.

[6]焦宇， 亢寒晶， 龚帅， 等. GFRP筋混凝土护栏设计与安全性能分析[J]. 城市道桥与防洪， 2019（1）： 176-180.