京港澳高速公路軍山大橋護欄改造設計方案

姚磊

（橋梁結構健康與安全國家重點實驗室；中鐵橋研科技有限公司，湖北武漢 430034）

1 概況

京港澳高速公路湖北段于2002年建成投入運營。軍山長江大橋為主跨460m跨越長江的斜拉橋，設計時速為120km/h，荷載等級為公路Ⅰ級。隨著《公路交通安全設施設計規范》[1]（以下簡稱《規范》）和《公路交通安全設施設計細則》[2]（以下簡稱《細則》）的頒布，將護攔設置的重要性及防撞性提到了新的高度[3]。

近年來國內發生多起車輛沖撞護欄掉入江中的事故，重慶市萬州區在2018年10月28日發生一起橋梁上的交通事故，橋上一輛行駛的轎車和行駛的公交車相撞，發生在重慶長江二橋上，事故導致公交車沖破了橋梁護欄后掉入了江中，造成10余人死亡；2019年3月28日惠州中信大橋，發生了一起一輛行駛的轎車撞破橋梁護欄掉入江中安全事故，這也是10余天內橋梁護欄被撞的第二起安全事故；2021年10月27日嫩江大橋二道江橋一臺機動車沖破護欄墜入江中。護欄是橋梁附屬結構的重要安全維護保障設施，等級高結構強的護欄能夠保證車輛的正常行駛，現行規范頒布后，一些橋梁的護欄等級需要提升改造，改造后的護欄能夠減少車輛沖撞護欄點入江中的安全事故發生。

通過對軍山大橋技術資料查閱、收集調查交通量、交通事故數據和對現場護欄構件測量，結合現行規范標準，軍山大橋防撞護欄被評為Ⅲ類，需按現行標準對橋梁護欄進行改造設計。本文從軍山大橋護欄的排查評估、提升等級選取、金屬梁柱式護欄結構設計、承載能力驗算等方面闡述護欄的設計要點，希望對同類橋梁的護欄改造設計提供參考。

2 護欄排查評估

橋梁近3年未發生3起及以上，或1起死亡3人以上的車輛墜橋事故；近3年未發生3起及以上，或1起死亡3人以上的車輛穿越中央分隔帶護欄或隔離設施的事故，即不屬于交通事故嚴重程度較高的情況。

京港澳高速公路2018年平均日交通量（AADT）為217294輛小客車，大于15000輛小客車，且總質量大于或等于25t的車輛自然數所占比例為25.4%，大于20%，為大型車較高的高速公路。

軍山大橋金屬梁柱式護欄構造要求不符合《規范》第6.3.5條第一款規定的部分要求，判定為不符合建設時期標準，排查評估結果如表1所示。

表1 金屬梁柱式護欄原標準符合性排查

軍山大橋原金屬梁柱式護欄等級為PL3級，自2017年11月17日交通運輸部發布《規范》后，對護欄等級進行了劃分并升級，所以軍山大橋目前防撞護欄被判定為不滿足現行標準。

通過上述排查評估結論，判定軍山大橋安全防護設施屬于Ⅲ類，分類結果見表2所示。

表2 《技術指南》已設置護欄的橋梁安全防護設施分類

3 防撞護欄等級選取

橋梁護欄的防護等級為C、B、A、SB、SA、SS、HB、HA共8個級別[4]，新規范規定當橋梁所處環境存在下列條件時需要將護欄的等級再提高1個或以上，主要條件如下。

（1）位于連續長下坡路段。

（2）橋梁高度在30m以上。

（3）總質量超過25t的車輛自然數所占比例大于20%。

（4）跨越大型飲用水水源一級保護區和高速鐵路的橋梁以及特大懸索橋、斜拉橋等纜索承重橋梁，防護等級宜采用八（HA）級。

京港澳高速公路軍山大橋段目前限速120km/h（2020年1月1日起限速已調整為120km/h），其設計時速為120km/h。軍山長江大橋為主跨460m跨越長江的斜拉橋，經過交通量調查發現軍山大橋目前交通量中重量超過25t的車輛數所占比例超過了20%，且橋面高度到最低通航水位的距離也超過了30m。故綜合上述情況，根據《規范》的規定，其防撞護欄設計防護等級選取八（HA）級。

4 金屬梁柱式護欄結構設計

為了減輕改造后的護欄總體重量，本次改造后的防撞護欄仍然選擇金屬梁柱式護欄。根據《技術指南》，已設置金屬梁柱式護欄的橋梁，按下列步驟進行提升設計，如圖1所示。

圖1 橋梁防護能力提升設計流程

根據《規范》和《公路護欄安全性能評價標準》[6]（以下簡稱《標準》）的相關規定，結合相關施工的便利性、經濟性，護欄結構設計如下。

（1）改造護欄立柱選用鋼板焊接成型，選取的材質為Q355鋼。立柱截面采用工字截面，上窄下寬均勻過渡，引橋立柱高度1660mm，主橋立柱高度1660mm。

（2）沿立柱高度方向，設置四道橫梁，橫梁采用冷彎矩形空心型鋼，選取的改造后的護欄材質為Q355鋼。截面為矩形160mm×120mm，上部兩道橫梁為上橫梁，壁厚8mm，下部兩道橫梁為下橫梁，壁厚4mm，冷彎半徑（外徑）R=12mm。

（3）立柱與橫梁直接采用栓接，且上橫梁與立柱間設置8mm厚防阻塊，下橫梁與立柱間設置4mm厚防阻塊。

（4）立柱底座板厚度為35mm，引橋立柱底板通過8根M30高強錨栓與混凝土底座連接，主橋立柱底板通過8根M30高強錨栓與預埋鋼底座連接。其中含有4個螺孔側為靠近行車道布置。

（5）金屬梁柱式護欄橫梁為6m一節，標準段立柱間距為1.5m，每節之間插入橫梁內套管并采用拼接螺栓連接。每套螺栓包含1個螺桿、1個螺母、1個墊片，如圖2所示。

圖2 護欄結構改造設計（單位：mm）

軍山大橋護欄結構改造設計方案，不僅滿足現場施工和養護的便利性，其護欄結構和對環境景觀的要求也滿足標準。在護欄立柱和橫梁之間設置了防阻塊，能夠增大車輛撞擊后產生動能的吸收，能夠有效防止車輛在發生碰撞后產生沖破護欄掉落江中的風險。

5 承載能力驗算

5.1 改造護欄對全橋受力影響計算

考慮到因防撞護欄等級提升，其增加的恒載可能對主橋主跨造成一定影響，故對改造后護欄增加的恒載進行計算。軍山大橋主橋跨徑組合為48+204+460+204+48=964m，其主橋鋼箱梁總重為17236t。

對軍山大橋主橋建立有限元模型，模擬護欄增加的恒載重量施加到離散模型中，軍山大橋離散模型共劃分為348個單元，351個節點。其有限元模型和鋼箱梁標準橫斷面分別如圖3和圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 鋼箱梁標準橫斷面

將改造后護欄增加的恒載施加于有限元模型上，計算本次護欄改造增加的恒載對全橋結構的影響。

分別計算軍山大橋原防撞護欄、改造后防撞護欄的重量施加到模型中，查看護欄改造升級后增加的重量對模型的受力影響大小。增加的護欄恒載大小計算結果見表3所示。

表3 護欄改造方案對主橋恒載的影響

通過上述表格可以看出，軍山大橋改造后采用的八（HA）級金屬梁柱式護欄，主橋恒載723.0t，比原有防撞護欄增重461.8t，其單位長度增加恒載為479.0kg/m，占主橋鋼箱梁重量增加比例為2.53%。

改造后護欄索力最大增量為72.8kN。索力最大增量1.72%，該增量對斜拉索影響較小。增加的恒載對鋼箱梁產生的最大撓度位于主跨跨中，最大撓度為26.9mm，引起的撓跨比為1/17100，撓度增量對橋梁影響較小，如圖5所示。

圖5 軍山大橋鋼箱梁撓度計算結果

增加的恒載對鋼箱梁的受力影響主要是在鋼箱梁主跨底板產生最大拉應力3.9MPa的增量；鋼箱梁的最大壓應力受力影響是在主塔的箱梁底板處，恒載增量產生的最大壓應力增量為3.2MPa。結算結果表明護欄改造后增加的恒載重量對全橋受力影響較小，護欄改造升級對全橋受力不會產生較大不利影響。

5.2 改造護欄抗傾覆驗算

規范要求車輛抗傾覆荷載的有效高度經過驗算后必須滿足小于改造升級后橋梁護欄高度的要求，抗傾覆荷載的有效高度如式（1）所示。

式（1）中的參數取值需要查規范確定數值，因改造升級的護欄等級為八（HA）級，所以選取的車輛碰撞荷載為Ft=620000N，分別驗算的車型如表4所示。

表4 需驗算的車型參數

對上表中各型車輛參數取值后帶入公式計算，得出計算結果如表5所示。

表5 各車型車輛抗傾覆荷載驗算結果

護欄所需要的最小有效高度為1122.8mm小于護欄加權平均高度1152.6mm，護欄抗傾覆驗算滿足設計要求。

6 結語

護欄改造是基于橋梁資料調查、交通事故調查、大型車比例排查、標準符合性排查和確定護欄類型的一項系統工程，京港澳高速軍山大橋護欄改造設計從既有護欄出發，從護欄排查評估、防撞等級選取、金屬梁柱護欄結構設計及承載能力驗算等方面闡述了護欄改造設計方案，并結合調研和規范要求最終確定了改造設計方案，軍山大橋護欄改造設計方案可為同類橋梁護欄改造提供參考借鑒。