橋梁護(hù)欄安全性分析與研究

文｜ 上海同豐工程咨詢有限公司 楊虎

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)民出行條件也得到了大大改善，但近年來(lái)不斷有超速車(chē)輛沖出人行道或沖入對(duì)向車(chē)道，發(fā)生側(cè)翻后墜出橋外，造成群死群傷的惡性交通事件，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)安定造成嚴(yán)重威脅，橋梁防護(hù)問(wèn)題已成為重大的社會(huì)公共安全問(wèn)題。

我國(guó)的道路橋梁按照管養(yǎng)部門(mén)不同進(jìn)行劃分，主要?dú)w于交通運(yùn)輸部及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部?jī)纱蟛块T(mén)管理。交通運(yùn)輸部所管橋梁多分布于高速公路、國(guó)省干線、縣道和鄉(xiāng)道等公路，即通常所說(shuō)的公路橋梁，此類(lèi)橋梁主要作用為連通不同的行政區(qū)域，大部分道路橋梁不設(shè)置人行道；而住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部所管橋梁主要分布在城市區(qū)域內(nèi)的快速路、主干路、次干路、支路和街坊路上，即通常所說(shuō)的城市橋梁，這類(lèi)橋梁因處于城市空間內(nèi)，大部分設(shè)置人行道。

橋梁護(hù)欄是指設(shè)置在橋梁兩側(cè)建筑限界以外的防護(hù)裝置，主要分為剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄及柔性護(hù)欄，目前使用較為廣泛的是剛性護(hù)欄和半剛性護(hù)欄。由于我國(guó)公路和城市道路里程的不斷增加，在役橋梁亦不斷增加，因橋梁的修建年代不同，建設(shè)水平參差不齊，所參照的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)也各有不同，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁安全防護(hù)設(shè)施的設(shè)置種類(lèi)和形式多種多樣。

本文以某城區(qū)橋梁護(hù)欄設(shè)施為例，根據(jù)安全防護(hù)能力排查結(jié)果，對(duì)橋梁防撞護(hù)欄的安全性進(jìn)行分析，并依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求提出合理性建議。

1 項(xiàng)目概況

某市按照《關(guān)于開(kāi)展城市橋梁護(hù)欄升級(jí)改造專(zhuān)項(xiàng)工作的通知》文件精神對(duì)城區(qū)內(nèi)橋梁護(hù)欄進(jìn)行安全隱患排查，本次排查樣本總數(shù)為147 座橋梁，其中特大橋13 座，大橋36 座，中橋38 座，小橋60 座。通過(guò)排查，城區(qū)內(nèi)橋梁護(hù)欄主要分為四種類(lèi)型：機(jī)動(dòng)車(chē)行橋兩側(cè)的混凝土護(hù)欄（剛性護(hù)欄）和組合型護(hù)欄（半剛性護(hù)欄），非機(jī)動(dòng)車(chē)道橋金屬梁柱式欄桿（半剛性護(hù)欄）和大理石裝飾護(hù)欄。橋梁護(hù)欄安全性排查主要依據(jù)《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50688-2011）和《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）中相關(guān)條文的規(guī)定。

2 護(hù)欄安全性分析

2.1 靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)安全性分析

根據(jù)《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50688-2011）第7.5.2 條人行護(hù)欄的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：“人行護(hù)欄的凈高不宜低于1.10m，并不得低于0.90m，有跌落危險(xiǎn)處的欄桿的垂直桿件間凈距不應(yīng)大于0.11m”。本次排查某市城區(qū)有44 座橋梁欄桿基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不滿足上述規(guī)范規(guī)定，占全部橋梁總數(shù)的29.9%。

對(duì)于人行護(hù)欄凈高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足可采用提升高度的方式進(jìn)行改善。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不滿足的44 座橋梁中包含了各種類(lèi)型的護(hù)欄結(jié)構(gòu)，但多數(shù)為在役時(shí)間較久的剛性混凝土護(hù)欄和半剛性組合型護(hù)欄。剛性護(hù)欄中混凝土護(hù)欄凈高不足，可以將原有混凝土護(hù)欄頂面鑿毛并植筋，以直墻型加高混凝土護(hù)欄，目的使加高后的護(hù)欄高度滿足安全性的防護(hù)需求。單坡型混凝土護(hù)欄加高方案見(jiàn)圖1。

圖1 單坡型混凝土護(hù)欄加高方案示意圖

對(duì)于其他類(lèi)型的護(hù)欄基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足（欄桿垂直桿件間距不足），只能采取拆除重建的方式進(jìn)行改造，改造過(guò)程中拆除原有護(hù)欄后應(yīng)注意采取相應(yīng)的防護(hù)措施，防止車(chē)輛及人員沖出道路建筑限界以外，造成交通事故，尤其當(dāng)橋下為通行道路和人行通道時(shí)，更應(yīng)嚴(yán)防二次事故的發(fā)生。

2.2 防撞性能安全性分析

橋梁護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有三個(gè)：①阻擋碰撞車(chē)輛穿越、翻越和騎跨的能力，即阻擋功能；②降低對(duì)車(chē)輛及車(chē)內(nèi)乘員沖擊程度的能力，即緩沖功能；③使碰撞車(chē)輛向行車(chē)方向順利導(dǎo)出并恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)的能力，即導(dǎo)向功能。其中阻擋功能是護(hù)欄最基本的功能，但也是最重要的功能。護(hù)欄的阻擋功能可以將汽車(chē)碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力按承載能力極限狀態(tài)的偶然荷載效應(yīng)組合進(jìn)行檢算，可大致估算出護(hù)欄能否有效的阻擋該車(chē)輛碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊荷載。

采用真實(shí)車(chē)輛進(jìn)行碰撞試驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)護(hù)欄防撞性能最直接、最有效的方法。可以從保護(hù)駕乘人員的角度出發(fā)，以交通事故再現(xiàn)的方式來(lái)分析車(chē)輛碰撞前后駕乘人員和車(chē)輛相對(duì)護(hù)欄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷狀況，并以此來(lái)改進(jìn)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，改善護(hù)欄的安全特性。

車(chē)輛碰撞護(hù)欄的過(guò)程是十分復(fù)雜的，碰撞荷載的作用點(diǎn)是沿著護(hù)欄的迎撞面變化的，隨著碰撞時(shí)間的推移，整個(gè)碰撞過(guò)程的不同時(shí)間碰撞荷載的大小亦不相同，另外車(chē)輛不同的速度、角度所產(chǎn)生的荷載也千差萬(wàn)別，因此這種動(dòng)態(tài)分析無(wú)法采用精確的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行描述。一般情況下，可以采用靜力方式計(jì)算，即給護(hù)欄加載靜態(tài)力來(lái)近似模擬動(dòng)態(tài)碰撞問(wèn)題，而靜態(tài)力計(jì)算的關(guān)鍵在于確定撞擊力的大小和加載角度，關(guān)于用靜態(tài)力來(lái)計(jì)算分析動(dòng)態(tài)碰撞問(wèn)題，新規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2017）有比較詳細(xì)的計(jì)算原理和方法，本文計(jì)算依據(jù)新規(guī)范進(jìn)行。

橋梁護(hù)欄防撞性能安全專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估首先應(yīng)根據(jù)橋梁所在的道路等級(jí)、設(shè)計(jì)車(chē)速、周邊環(huán)境及護(hù)欄整體狀態(tài)，按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）確定橋梁護(hù)欄的防撞等級(jí)，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)橋梁護(hù)欄靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，采用現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立計(jì)算模型進(jìn)行檢算。本文重點(diǎn)以剛性護(hù)欄中的混凝土護(hù)欄（本次排查范圍內(nèi)某橋，以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)“該橋”）為例進(jìn)行介紹。

2.2.1 護(hù)欄細(xì)部構(gòu)造尺寸的確定

護(hù)欄靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集參照舊規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2006）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，由于各類(lèi)護(hù)欄計(jì)算的關(guān)鍵在于模型建立，而模型建立的關(guān)鍵在于護(hù)欄細(xì)部構(gòu)造尺寸的確定，混凝土護(hù)欄主要采用以下參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：

（1）總高度H；

（2）混凝土底寬B；

（4）斜坡混凝土高度H1；

數(shù)據(jù)采集參數(shù)圖如下圖2 所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.2.2 護(hù)欄撞擊橫向力的確定

橋梁護(hù)欄防撞性能安全性分析模型計(jì)算除須護(hù)欄細(xì)部構(gòu)造尺寸外，還應(yīng)確定道路的等級(jí)、通行車(chē)輛參數(shù)、設(shè)計(jì)車(chē)速等參數(shù)。

（1）道路等級(jí)的確定

圖2 混凝土護(hù)欄數(shù)據(jù)采集參數(shù)圖

橋梁護(hù)欄所在道路等級(jí)的確定主要查閱橋梁或所在道路的設(shè)計(jì)圖紙，圖紙中對(duì)道路的等級(jí)通常會(huì)有明確的界定，該橋竣工圖紙中明確該橋所屬道路等級(jí)為城市主干路。當(dāng)圖紙中對(duì)道路等級(jí)沒(méi)有說(shuō)明或設(shè)計(jì)圖紙缺失時(shí)，可以根據(jù)道路在城市路網(wǎng)中的地位、交通流量或道路的規(guī)模來(lái)確定。

（2）通行車(chē)輛參數(shù)

《公路護(hù)欄安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JTGB05-01-2013 中對(duì)各類(lèi)車(chē)輛相關(guān)的技術(shù)參數(shù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)規(guī)范中車(chē)輛參數(shù)的選用應(yīng)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交通情況調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果該橋通行客車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

（3）設(shè)計(jì)車(chē)速參數(shù)

道路的設(shè)計(jì)時(shí)速可以查閱竣工圖紙等資料，當(dāng)資料缺失時(shí)可以根據(jù)橋梁護(hù)欄所在道路上機(jī)動(dòng)車(chē)的限速來(lái)間接確定。

（4）護(hù)欄橫向撞擊力確定

根據(jù)該橋竣工圖紙，橋梁所屬道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h，該橋下有地面道路和人行道，當(dāng)橋面有車(chē)輛掉下時(shí)可能引起二次重大事故，根據(jù)城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求該橋護(hù)欄等級(jí)取SA 級(jí)。

新規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2017）條文說(shuō)明3.5.5 條中給出了基于一定假定的車(chē)輛與護(hù)欄碰撞數(shù)學(xué)模型。利用上述確定的參數(shù)可求得近似的單位長(zhǎng)度橫向撞擊力值，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2.3 護(hù)欄極限承載能力的確定

將護(hù)欄視作懸臂構(gòu)件，在護(hù)欄上施加單位橫向力，橫向力作用點(diǎn)為：對(duì)于混凝土及組合式防撞護(hù)欄，假定小型客車(chē)的撞擊高度距離地面距離為0.4m，中型客車(chē)的撞擊高度距離地面距離為0.5m，大型客車(chē)的撞擊高度距離地面距離為0.6m，特大型客車(chē)的撞擊高度距離地面距離為0.7m。

車(chē)輛撞擊力作為偶然荷載，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，需對(duì)承載能力極限狀態(tài)下防撞護(hù)欄的承載能力進(jìn)行檢算，承載能力極限狀態(tài)應(yīng)按下式要求進(jìn)行檢算：

式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd—作用組合的效應(yīng)（如軸力、彎矩或表示幾個(gè)軸力、彎矩的向量）設(shè)計(jì)值；

Rd—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

2.2.4 護(hù)欄防撞安全性能判定

本例橋梁護(hù)欄在各車(chē)型推算橫向撞擊力作用下，單位長(zhǎng)度護(hù)欄底部截面承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 可知，單位長(zhǎng)度護(hù)欄底部截面承載能力在各車(chē)型推算的橫向撞擊力下產(chǎn)生的作用效應(yīng)均小于護(hù)欄底部截面的抗力，滿足安全性要求。

3 小結(jié)

“10·28 重慶公交車(chē)墜江事件”后，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《提升公路橋梁安全防護(hù)能力專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)技術(shù)指南》用于完善在役橋梁安全防護(hù)設(shè)施，提升公路橋梁防護(hù)能力。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部也發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展城市橋梁防護(hù)升級(jí)改造專(zhuān)項(xiàng)工作的通知》，同時(shí)還對(duì)現(xiàn)行《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋梁防撞護(hù)欄和人行道欄桿的條文進(jìn)行了修訂。主管部門(mén)的目的都在于提升橋梁護(hù)欄防護(hù)能力，滿足公共安全的需求。

本文根據(jù)某市在役城市橋梁排查結(jié)果重點(diǎn)對(duì)剛性護(hù)欄的安全性進(jìn)行了分析，分析主要從靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性和防撞性能的安全性兩個(gè)方面著手，分析的方式方法通過(guò)了專(zhuān)家評(píng)審，對(duì)于其他地區(qū)橋梁護(hù)欄安全隱患排查起到借鑒作用，但各地區(qū)還應(yīng)充分考慮地域因素，做到因地制宜、因橋制宜。

表1 護(hù)欄主要細(xì)部尺寸測(cè)量及復(fù)核

表2 客車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)

表3 不同車(chē)型單位長(zhǎng)度橫向撞擊力匯總表

表4 單位長(zhǎng)度護(hù)欄底部截面承載能力檢算結(jié)果