組合式橋梁護欄提升改造方案研究

朱真 田冠楠 金夢媛

摘要 該研究以S10（溫州繞城）高速公路北線一期組合式橋梁護欄為研究對象，首先對橋梁護欄事故進行了調研，其次對橋梁護欄防護能力做了現狀調研和分析，包括橋側組合式橋梁護欄的結構形式、材料特性、基礎條件等特征，以及橋梁懸臂板類型，并對橋梁護欄進行安全性能評價分析等。結合標準規范要求和現場條件，確定了組合式橋梁護欄提升改造防護等級，在此基礎上制定了升級改造方案，并進行了實車足尺碰撞試驗。

關鍵詞 橋梁護欄；安全；改造方案

中圖分類號 U443.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0126-03

0 引言

近十年來，我國公路交通事業實現了高速發展，有力地促進了國民經濟的蓬勃發展。在公路交通應用方面，人們不再只滿足于舒適快捷的出行方式，更希望出行安全，因此公路護欄的作用十分關鍵，是必不可少的安全設施，可以有效地降低交通事故的死傷率，減少重特大二次事故。道路上的護欄是一個完整系統，包括路基段、橋梁段護欄以及過渡段護欄。將整條道路的安全護欄作為一個整體進行考慮，以統一標準設計、設置系統的各組成部分，使各組成部分保持防護性能的無縫連接，有效地避免群死群傷惡性事故的發生。

經研究分析，國內外在護欄再利用技術和橋梁護欄改造技術[1]方面已經積累了一定的經驗，并在部分改擴建項目工程中實施應用，為護欄的再利用升級改造已經提供了一定的理論基礎和研究經驗，尤其是最近幾年對屈服線理論的相關研究以及應用逐漸增多且日趨成熟，對該項目有極大的借鑒意義。

1 橋梁護欄事故調研

隨著運輸業的快速發展，大型貨運客運車流量密集，此類車輛普遍重心高，我國有很多早期修建的高速公路的路側防護性能已經落后，難以為我國目前多樣化的車輛提供安全性保障，一旦事故發生在橋梁上，沖出的車輛會造成嚴重的二次傷害。早期修建的橋梁，現有橋梁護欄防護等級相對較低，部分護欄存在迎撞面不標準、高度不足等問題，一旦發生墜橋事故，傷亡慘重，見表1。

為了更好地保證公路使用者的安全，滿足人民群眾對交通安全的更高需求，適應社會經濟的發展形勢，有必要開展現有橋梁護欄及過渡段防護性能提升的工程方案研究。

2 橋梁護欄防護能力現狀調研和分析

S10（溫州繞城）高速公路北線一期為2005年建設的雙向六車道高速公路，是連接省內高速及國省道的重要樞紐通道。其橋梁段采用組合式橋梁護欄，等級為《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》（JTJ074—94）（以下簡稱《94規范》）中的PL2級。中央分隔帶波形梁橋梁護欄設計依據《公路交通安全設施設計規范》（JTGD81—2006）（以下簡稱《06規范》）。全長26.602 km（不包括周岙底隧道及部分連接線），整體混凝土護欄長度約36 km。

該項目調研分為全景調研和點段調研。全景調研選用全景高清廣角攝像儀采集數據，主要了解溫州繞城代表性路段橋梁護欄全貌，同時記錄影像資料，用于該項目后期分析研究。點段調研選取了代表性橋梁開展重要點段調研，包括護欄的結構形式、防護等級、防腐情況、橋側環境等，采用回彈法測量護欄現有混凝土強度，現場測量現有護欄結構尺寸，并對橋梁護欄過渡段進行調研統計，同時考察橋側環境以及橋梁安裝的聲屏障、防落物網等障礙物。該項目選定的點斷調研代表性橋梁名稱為坦頭橋、永嘉樞紐主線橋、楠溪江大橋、安豐岙橋、甌江大橋、仰義樞紐主線橋及匝道橋。

經現場調研與分析，現有組合式橋梁護欄底座高度為68.5 cm，采用《94規范》中的Cm—PL3—R型號，設計混凝土強度C30。根據已有研究成果，對PL2和PL3強度等級的護欄均進行過相關研究，其防護能力可達設計標準[2]。但在PL3碰撞條件下，車輛側傾值較大，有翻車風險，且現有最低混凝土強度推定值為22.5 MPa，已低于設計時期標準，因此可根據《公路交通安全設施設計規范》（JTGD81—2017）（以下簡稱《17規范》）進行防護能力提升。

根據前期研究結果，溫州北繞城設計速度100 km/h，如進行防護能力提升，則考慮跨越公路、鐵路等路橋橋梁，需至少提升至SA級[3]。根據《17規范》要求，當橋梁高度大于30 m或總質量超過25 t的車輛自然數所占比例大于設計交通量的20%時，護欄防護等級應提升至少一級，即SS級。考慮現有繞城運行速度提升至120 km/h，確定該項目最終提升目標等級為SS級。

3 組合式橋梁護欄提升方案

溫州繞城高速公路橋梁換安全提升的最終目的是使改造后的護欄防護能力能夠滿足《公路護欄安全性能評價標準》（JTGB05-01—2013）（以下簡稱《評價標準》）中SS級的相關規定。

3.1 最不利位置

在研究橋梁護欄提升方案過程中，充分考慮車輛碰撞后對橋面板的影響，降低對橋梁護欄的損傷。按《17規范》附錄D中的橋面板承載力驗算，當大型車碰撞現有橋梁護欄尤其是剛性護欄時，橋梁護欄自身承受沖擊力后將碰撞力矩傳遞至橋面板，對總體護欄安全防護能力有較大影響，同時會給橋梁帶來難以修復的損傷。

經查看各種類型的橋梁翼緣板，篩選每種類型橋梁翼緣板的設計情況，再通過計算對比分析研究，不同類型的橋梁翼緣板中的最不利情況，按照《17規范》推薦的理論計算方法，計算得出橋面板承載力[4]。經過計算橋梁翼緣板在橋梁翼緣承受車輛水平撞擊荷載的狀態和橋梁翼緣承受車輛自重和護欄自重的狀態下的截面為護欄坡腳垂直于橋梁翼緣的斷面承載力，承載能力最低者為最不利橋梁翼緣板[5]。該項目最不利翼緣為以仰義樞紐為代表的空心板行車道板，懸挑長度2 m，最薄處橋面板20 cm。

3.2 護欄加高方式

研究成果表明，同種結構形式護欄的高度越低，則車輛碰撞過程中越容易發生翻車。溫州繞城高速公路的組合式護欄均為下部混凝土基座＋上部牛角形鋼管扶手的結構。其上部鋼管扶手的安全防護能力較弱，車輛碰撞過程中鋼管扶手起到的防護作用與下部混凝土基座相比可以忽略。

提升護欄高度可按照《評價標準》規定的SS級采用加高混凝土，使混凝土護欄的高度H達到1.1 m[6]；但經過前期研究發現，將68.5 cm混凝土底座加高到120 cm，且達到SS級難度極大，植筋鋼筋的箍筋增強至HRB400的φ30鋼筋間距100 mm，縱筋采用增加HRB400的φ30鋼筋間距100 mm，標準段在第二種破壞模式下，仍然無法達到SS級防護能力，且加高混凝土后對橋梁翼緣損壞較大。在后期實施過程中，施工時間長，道路封閉車道時間長，對溫州繞城高速快速通行產生的阻礙較大。結合浙江交通集團關于高速公路橋梁護欄安全防護能力提升的相關技術開發研究成果，對溫州橋梁護欄提升改造，采用浙江省橋梁護欄提升的SS級高強型組合式護欄，是一種高效便捷且可以達到防護能力的有效方式。溫州北繞城橋梁底座高度68.5 cm、配筋和混凝土強度均優于浙江省提升方案實車碰撞試驗中護欄底座，因此可初步選用。

3.3 方案結構

依據《17規范》6.3.5條橋梁護欄設計相關條款，SS級混凝土護欄高度為1.1 m，組合式護欄高度可在混凝土護欄高度基礎上顯著增加，上部橫梁中心高度距離路面最少為1.2 m，該研究采用浙江省橋梁護欄提升方案作為溫州繞城組合式橋梁護欄提升方案后，上部橫梁中心高度為137.5 cm，滿足規范要求，提升方案結構示意圖如圖1所示。

在前期項目開發過程中，建立有限元模型，并按照護欄通用底座圖紙與橋梁板最不利截面的圖紙建立鋼筋模型，上部設置圓管鋼結構橫梁和立柱。

經過多次優化設計，最終確定了提升方案的實車碰撞試驗方案。橋梁護欄提升方案標準段實車碰撞試驗時，試驗段由3段組成，為橋梁護欄40 m。每節橫梁長度6 m，由Q355B級圓管φ114×6 mm的套管連接。橫梁和立柱均為B750HL圓管φ127×3.5 mm。

3.4 改造流程

①測量放線；②立柱定位放線；③鉆孔植筋；④安裝鋼立柱；⑤安裝鋼橫梁；⑥線形調整。

3.5 改造要點

（1）使用該提升方案改造現有混凝土或組合護欄時，可將原護欄還原至不低于該設計方案護欄混凝土基座部分51高度，鉆孔植入化學錨栓，安裝上部鋼構件。

（2）當新建該設計改造方案橋梁護欄時，護欄內鋼筋應與橋面板進行有效錨固。

（3）立柱的安裝應嚴格按圖實施，并與路線線形協調一致。

（4）植筋錨栓應牢固地埋入混凝土中，達到設計所規定的深度，并與地平面垂直。

（5）立柱安裝正確是護欄線形平順的關鍵，必須確保立柱安裝高度和豎直，不得扭曲變形。

4 實車足尺碰撞試驗

根據《評價標準》六級（SS級）的試驗碰撞條件，進行實車足尺碰撞試驗來驗證改造后的組合式橋梁護欄提升方案的安全性能。試驗分別對小型客車、大型客車和大型貨車進行碰撞檢測，實際試驗條件如表2所示。

經實車足尺碰撞試驗，SS級高強型組合式橋梁護欄提升方案的導向、阻擋、緩沖等功能以及變形值等各項指標應符合《評價標準》中的相應要求。針對不同車型的安全性能滿足六級（SS級）防護等級要求。提升方案護欄的橫向變形量和車輛的外傾值等其他指標見表3。

組合式橋梁護欄提升改造方案通過了SS級關于不同車型的實車足尺碰撞試驗，滿足《評價標準》中SS級各項指標的安全性能評價要求。

5 結論

該研究方案不需要拆除原有橋梁護欄混凝土基座，降低拆除施工費用的同時還極大地縮短了施工時間，大幅度地降低了護欄提升的施工難度，節省交通組織費用，同時降低施工過程中的安全風險，符合《交通強國建設綱要》提升本質安全水平的重點任務要求，具有較高的推廣應用價值。該研究將最不利形勢作為提升方案設計的基礎，在最不利情況下，研究確定提升方案。橋梁護欄提升工程需要在邊通車邊施工的環境中進行，護欄提升施工難易不僅影響建設周期，對施工期間的交通組織也有影響。該研究方案避免了拆除原有混凝土基座，在縮短工期的同時也使其在施工期間起到防護作用，同時兼顧施工方便、安裝快捷的原則，減少大型施工設備的使用，使護欄提升簡單有效。提升后防護等級為SS級，解決了薄翼緣板橋梁護欄提升的難題。提升改造的橋梁護欄與拆除新建SS級混凝土護欄方案相比，節省了拆除、恢復基礎、加強橋面板、新增護欄、交通組織等費用，大大節省了施工費用及工期。薄翼緣板橋梁SS級混凝土護欄改造，若采用拆除新建造價約為2 790元/m，提升改造的SS級橋梁護欄的造價約為1 320元/m，預期與拆除新建相比節省約1 470元/m，經濟效益顯著。

參考文獻

[1]江海， 亢寒晶， 劉大昌， 等. 基于多目標的組合式橋梁護欄優化研究[J]. 特種結構， 2020（4）： 91-95.

[2]趙慶云， 吳軍鵬， 劉康， 等. 橋梁混凝土護欄直立式接高改造設計與碰撞分析[J]. 公路與汽運， 2020（1）： 46-51.

[3]劉航， 馬晴， 亢寒晶， 等. 舊式組合式橋梁護欄提升改造及應用[J]. 公路， 2021（2）： 114-118.

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