桥梁护栏精细化提升改造应用研究

刘 伟

（山西交科公路勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

近年来我国公路桥梁数量呈直线上升趋势，由于修建年代、施工水平和标准不同，桥梁防护设施的设置型式和种类多样，防护能力各异。1994年之前我国护栏设计规范存在空白，《公路工程技术标准》88 版规范要求“高速公路及一级公路的桥梁应设置护栏”。1994年至2006年，高速公路桥梁护栏以PL2防护等级的组合式桥梁护栏为代表，防护能量达到130 kJ[1]。 2006年之后，高速公路桥梁防护设施最低防撞等级为SB级，防护能量280 kJ[2]。

2006年以前修建的桥梁，距今已超过17年，随着经济社会发展，车辆组成、交通流特征发生了变化，交通量急剧增加、载重量增大，社会公众出行对公路桥梁防护能力提出了更高的要求，2006年以前修建桥梁，护栏防护能力已不满足通行安全要求。2020年9月交通运输部办公厅下发了《交通运输部办公厅关于进一步做好公路独柱墩桥梁运行安全提升等四个专项行动实施工作的通知》，其中包含提升公路桥梁安全防护能力专项行动，这对完善在役公路桥梁防护设施，提升公路桥梁通行防护能力，降低车辆冲破桥梁护栏坠落的安全风险起重要作用。

1 桥梁护栏现状调查

调查分析发现，高速公路桥梁护栏形式丰富多样，典型形式有F 型混凝土护栏、单坡型混凝土护栏、组合式护栏、梁柱式护栏及波形梁护栏，同种护栏型式又存在不同的病害程度。故要想获得满足规范要求、经济可行的护栏改造效果，必须对桥梁护栏及桥面板现状进行详细调查。

1.1 护栏结构调查

以山西某高速为例，桥梁防护设施均采用《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）设计：大中桥梁路侧防撞护栏均为PL2级组合式护栏[1]，混凝土底座+上部钢扶手，混凝土底座高度分为63 cm 与68.5 cm 两种（见图1、图2）；中央分隔带均为两波型波形梁护栏，立柱直径为114 mm（见图3）。调查过程中发现部分桥梁组合式护栏底座混凝土保护层松散、脱落，严重影响其耐久性，桥梁护栏提升时应充分考虑其产生的不利影响。

图1 组合式护栏1（底座68.5 cm）

图2 组合式护栏2（底座63 cm）

图3 中分带波形梁护栏

1.2 桥面板结构调查

JTG D81—2017 规定“桥梁护栏与桥面板应进行可靠连接”[2]，如桥面板强度不足，则可能导致桥梁护栏倾覆或桥面板撕裂。山西某高速公路桥面板采用了预制空心板及箱梁两种形式，通过调查桥面板结构分为三类，结果见表1。

表1 桥面板结构汇总

2 护栏提升方案

在桥梁护栏防护能力提升工作中，如全部拆除重建势必会导致浪费大、投资多、工期长等问题，严重影响公路运营；如对原有护栏进行利用，则面临桥梁护栏和桥面板结构形式多样，护栏配筋型式、高度也可能包含很多种组合的问题，一桥一策提升方案是不现实的，桥梁护栏防护能力提升是一项系统工程，可以参考“全面排查、关键参数分析、最不利要素组合、防护能力科学提升”的思路对高速公路的桥梁护栏防护能力提升提出精准解决方案。

根据对山西某高速公路调查分类情况，结合原桥梁护栏结构和桥面板结构现状研究提出了4 种精细化提升方案：对位于无翼缘或小翼缘桥面板且技术状况良好的混凝土护栏，拆除原有组合式护栏的上部钢横梁和支柱，植筋加高混凝土护栏使其总高度至110 cm[3]；对无翼缘或小翼缘桥面板，迎撞面马蹄部位长年受融雪剂及自然环境的侵蚀导致混凝土剥落的混凝土护栏[4]，凿除迎撞面混凝土保护层，顶面植筋加高，迎撞面改为F 型混凝土护栏；因植筋加高后翼缘板承载能力不足大翼缘桥面板的混凝土护栏，采用增设梁柱式结构加高设计；前3 种方案均能将原混凝土护栏提升至SS 级。对中央分隔带波形梁护栏，拆除原两波板，通过安装增高套筒与三波形护栏板，将原波形梁护栏提升至SB 级。具体提升方案如下。

a）提升方案一 对于无翼缘或小翼缘桥面板的混凝土护栏，可不必进行桥面板承载力验算，直接采用加高方案即可。拆除上部钢构件，为增强新旧结构衔接，凿除顶部20 cm 混凝土，所有竖向钢筋均与原护栏钢筋焊接，最后选用C35 混凝土以直墙型加高混凝土护栏[5]，在顶面设置防爬坎，使总高度到110 cm，防护等级达到SS 级（见图4）；为提升混凝土护栏耐久性在迎撞面及顶面整体进行防腐涂装。

图4 组合式护栏1改造图

b）提升方案二 同样对于无翼缘或小翼缘桥面板的混凝土护栏，但其迎撞面混凝土侵蚀、破损严重，为实现对既有护栏的加固，同时提升护栏防撞等级，首先凿除原护栏迎撞面混凝土保护层，使其裸露出钢筋，采用连接筋使既有护栏钢筋与加厚部位钢筋连接在一起，在原护栏内侧浇筑C40 混凝土，同时在顶部植筋并浇筑C35 混凝土，增加根部厚度级护栏高度，实现护栏提升至SS 级（见图5）。

图5 组合式护栏2改造图

c）提升方案三 对于大翼缘桥面板的混凝土护栏，桥面板承载能力的验算参照《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》附录B 验算示例的方法进行：经验算，由于桥梁建设期较早，其悬臂钢筋直径较小、布设间距均大，故其悬臂承载能力无法满足SS 级护栏碰撞荷载。设计碰撞荷载下车辆撞击护栏后，悬臂板可能被撕裂。

数值仿真分析见图6，具体方案为通过在原混凝土底座上增设梁柱式结构提升桥梁护栏防护能力（见图7），通过梁、柱之间的防阻块分散对桥面板集中撞击力，从而防止悬臂板因承载力不足而撕裂。同时，对梁柱式结构进行了实车碰撞试验，试验结果表明，该提升方案满足SS防撞等级，且桥梁悬臂板不会发生撕裂破坏。

图6 有限元仿真验证提升方案

图7 组合式护栏2提升方案

d）提升方案四拆除中央分隔带原波形护栏的两波板和托架，保留原立柱，并在原有立柱上安装增高套管、改进型PB 防阻块和三波形钢护栏板，中分带两侧增高套管使用2 根φ12 热浸镀锌钢丝绳斜穿稳定，将护栏提升为SB 级（见图8）。

图8 中分带波形梁护栏改造图

3 工程应用评价

根据提升方案对山西某高速公路桥梁护栏防护能力进行了升级改造。项目实施过程中暴露出一些具体问题，如混凝土护栏顶部凿除20 cm 后，原护栏外露的钢筋长度仍然无法满足钢筋双面焊接长度要求（规范要求不小于5 倍钢筋直径）；由于高速建造时间较早，少数波形梁护栏立柱根部锈蚀严重，强度不足。面对施工中出现的种种问题，经过多方研讨，针对混凝土护栏焊接长度不足问题，提出加大凿除高度的方案，直至满足钢筋焊接长度要求；对波形梁护栏立柱强度不足问题，采用局部更换立柱方案，通过植筋将法兰盘立柱固定于桥梁台帽上。

山西某高速桥梁护栏提升改造后，提升了桥梁防护安全与路域景观（见图9），未发生车辆冲出桥梁的交通事故，安全性能良好。

图9 桥梁护栏提升后效果

相较凿除重建方案，本文提出的精细化提升方案大大缩短了施工工期，通过对混凝土护栏底座的合理利用节约了资源，降低了工程造价，减少了施工对高速运营产生的影响，具有显著的社会经济效益。

4 结语

桥梁护栏防护能力精细化提升改造方案的实施，有力破解了情况较为复杂、处治难度较大的在役桥梁安全防护能力的提升难题，对于以后桥梁护栏升级改造具有较强的指导意义。桥梁护栏提升时，通过再利用既有桥梁护栏底座和钢立柱，可有效降低施工期间通行车辆发生坠桥的风险，同时能节约施工工期，减少材料使用量，降低桥梁护栏的全生命周期成本。