某城市快速路桥梁钢护栏选型与设计

朱小林

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

桥梁护栏是保证桥梁安全畅通的重要交安设施，充分考虑周围环境而设计恰当的护栏会形成一道美丽的风景线，近年来它逐渐成为工程设计人员关注的重点。桥梁护栏的作用是防止失控车辆越出机动车道或越过分隔带，吸收碰撞车辆的能量并改变其行驶轨迹，最大限度地减少对乘员和路人的伤害。护栏并不是设置得越多越好、强度越高越好，因为护栏本身也是一种障碍物[1]。确定护栏的防撞级别要考虑该路段的设计速度、车型特点、路线线形及周围环境等因素。

1 工程概况

临汾市滨河东路贯通工程襄汾段采用八车道城市快速路标准建设，设计速度采用80 km/h，路基宽度60.0 m，设计汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。该项目在ZK11+194.4（YK11+193.6）处跨越汾河，命名为城北汾河大桥，桥梁全长426 m，前右角105°，上部结构采用先简支后连续预应力混凝土箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板台，钻孔灌注桩基础。全桥平面位于 R=600 m，Ls=230 m（右转） ；直线段；R=700 m，Ls=200 m（左转）的平曲线上，墩台径向布置。桥面宽度为：2×（4 m人行道+5 m非机动车道+3 m分车带+16.25 m机动车道+0.5 m防撞护栏）。城北汾河大桥位于襄汾县城郊，且跨越汾河，因此设计时不仅考虑安全需要，同时应兼顾景观需要。本桥桥梁横断面图见图1。

图1 桥梁横断面图（单位：m）

2 护栏型式选择

桥梁护栏主要分为刚性护栏（如钢筋混凝土护栏）、半刚性护栏（如钢护栏）和柔性护栏（如绳索护栏）三类，三者各有利弊，适用于不同情况。对设置非机动车和人行道的公路，车辆和行人处于同一平面上，对交通量大、车速高的桥梁段，为保护行人及非机动车，宜设置机非分隔带护栏，把机动车和非机动车在平面上分隔开，提高车辆和行人的安全性。

桥梁护栏型式选择考虑的因素主要有[2]：

a）护栏的防撞性能。所选取的护栏型式强度上要能有效地吸收车辆撞击能量，能阻止失控车辆翻出桥外或进入护栏外车道。主要从公路等级、护栏外危险物特征等方面加以考虑。

b）景观要求。对景观有要求的桥梁宜选用梁柱式桥梁护栏或组合式的桥梁护栏。钢护栏的景观效果要明显优于混凝土防撞墙。

c）护栏全寿命周期成本。除了考虑初期建设成本外，还应考虑投入使用后的养护成本及废旧材料的回收利用价值。

城北汾河大桥机动车道与非机动车道分隔带宽3.0 m，在机动车道一侧设置防撞护栏，防止失控车辆越过分隔带给非机动车和行人带来安全隐患。由于混凝土防撞墙通视性不佳且维修复杂，景观不好；同时为了避免失控车辆对非机动车道带来危害，分隔带宽度不大时不宜选用柔性护栏。综合考虑拟采用一种结构轻盈美观的钢护栏，不仅可以满足功能要求，还可以起到美化环境的作用。

桥梁钢护栏是近年来随着城市发展而广泛应用起来的，它的优点主要有：视觉美观、通视性好；结构轻盈、重量轻；维修方便；二次反弹较小、阻隔性也不差；色彩较丰富；可回收利用。目前国内钢护栏主要由立柱和横梁组成的，其中立柱主要有板状、框架型和箱型结构3种，板状结构立体性好、造型美观、刚性好，适用于有美观要求的城市桥梁，本桥选用板状立柱；横梁形状主要有圆管和方管两种，圆管自洁性好、受水时间短、吸能强、美观、通视性好，本桥选用圆管横梁。城北汾河大桥钢护栏见图2。

图2 城北汾河大桥钢护栏

3 钢护栏的设计

护栏设计应遵循“满足规范、注重创新”的原则，力求达到安全、经济和美观和谐统一。《公路桥涵设计通用规范》3.5.7条规定，需要设置栏杆的桥梁，其栏杆的设计，除应满足受力要求外，尚应注意美观，栏杆高度不应小于1.1 m[3]；《城市桥梁设计规范》9.5节规定，人行道或安全带外侧的栏杆高度不应小于1.1 m，防撞护栏的设计按《公路交通安全设施设计规范》的规定执行。在失控车辆撞击护栏时，应防止司乘人员的头部直接撞击到护栏上，护栏结构应采取必要措施以防止车辆成员头部直接撞击护栏。本桥钢护栏设计高度为1.2 m，并使护栏向上逐渐外倾一定距离，可满足规范的要求，并且在景观方面也得以改善。

3.1 护栏防撞等级确定

本桥钢护栏设置在机非分隔带处，为保护行人、非机动车及提高车辆运行的通畅性，把机动车和非机动车在平面上分隔开而设置。

根据《公路交通安全设施设计规范》表5.2.5可知，设计速度为80 km/h时，车辆驶出桥外有可能造成交通事故等级为重大事故或特大事故时，护栏等级选用SB级。

3.2 桥梁护栏碰撞荷载

车辆撞击护栏的过程比较复杂，通过适当简化，《公路交通安全设施设计规范》经过合理假设、推导给出了车辆作用在护栏上的最大横向力为：

式中：m表示车辆质量；v表示碰撞速度，本项目取v=80 km/h=22.22 m/s；θ表示碰撞角度，一般取20°；C表示车辆中心距离前保险杠的距离；b表示车辆宽度；Z表示护栏的横向变形，金属护栏取0.3～0.6 m。

对于本桥钢护栏，车辆质量小客车取1.5 t，大客车取14 t；设计速度v=22.22 m/s；护栏的横向变形Z值取0.6 m；防撞等级是SB级时，则碰撞力按表1取值250 kN。

表1 （规范中表5.1.0）桥梁护栏碰撞荷载

车辆撞向护栏时，碰撞力是沿着护栏碰撞面移动的，并随时间而变化。对于金属制桥梁护栏，考虑车辆碰撞护栏总的接触长度为12 m。

为了简化计算，根据《公路交通安全设施设计细则》[4]，桥梁护栏的碰撞设计荷载作用在横梁的跨中和立柱上时，横梁的弯矩等于PL/6，P为碰撞力，L为分布长度。由于发生碰撞后横梁变形吸能，故立柱承受的设计荷载不等于碰撞荷载，根据欧美等国的试验结果，规范建议立柱的设计荷载取碰撞力的1/4。

3.3 护栏结构设计验算

根据以往的研究经验和力学知识，护栏横梁圆管的跨中截面、立柱截面削弱处、立柱底焊接部位等处为护栏的薄弱部位，也是最有可能首先破坏的部位，设计时要特别注意。按《公路交通安全设施设计细则》中5.1.2条说明的规定，金属桥梁护栏可结合所用材料的规格、力学性能，参考现行《钢结构设计规范》的规定进行设计计算。

3.3.1 横梁设计

根据《公路交通安全设施设计细则》5.4.1条，为了防止因竖向净空设计不合适引起的车辆绊阻，横梁竖向净空要求小于等于30 cm，最底层横梁距路面的净空小于等于35 cm，故横梁间距取为30 cm，共设置4道横梁。

钢护栏横梁的跨中设计弯矩按式（2）计算：

式中：P为横梁承受的碰撞力，作用于跨中；L为横梁的跨径；n为横梁数量，不宜超过4根。根据《钢结构设计规范》[5]4.1.1条，抗弯强度应按式（3）验算：

设计弯矩M0=（P·L/6）/n=250×1.45/24=15.1 kN/m；Wnx=π（D3-d3）/32=33.8 mm3；圆形截面γx=1.2；横梁采用Q420钢，f=380 N/mm2。 则 Mx/(γx·Wnx)=15.1×103/(1.2×33.8)=372≤f=380 N/mm2，横梁抗弯满足要求。

3.3.2 立柱设计

考虑到金属材质的刚度特性，规范对立柱的间距也有规定，见表2。

表2 金属护栏立柱间距 m

本桥钢护栏立柱间距取1.5 m，净距1.45 m。板状立柱的厚度为3 cm，满足最小截面厚度要求。按《公路交通安全设施设计细则》5.1.2-2式，立柱的设计荷载P0=P/4。受力分布图见图3。

图3 护栏立柱受力分布图

车辆撞击护栏后，钢管将撞击力传给立柱，立柱板件在截面薄弱处可能发生断裂。立柱板件在撞击力下的抗剪强度应按式（4）验算：

抗弯强度应按式（5）验算：

验算结果见表3。

表3 护栏立柱截面验算结果 N/mm2

根据《钢结构设计规范》表3.4.1-1，Q345钢、厚度30 mm对应的f值为295 N/mm2，抗剪强度设计值fv为170 N/mm2，由表3可知护栏立柱截面强度满足要求。

3.3.3 立柱与底座焊缝强度验算

角焊缝按它与外力方向的不同可分为侧面焊缝、正面焊缝、斜焊缝以及由它们组合而成的围焊缝。根据国内外大量实验的结果证明，角焊缝的强度与外力的方向有关，其中，侧面焊缝的强度最低。按最不利状况，现按侧面焊缝来进行立柱底焊缝强度验算，并忽略正面焊缝提供的强度，过程如下：

根据《钢结构设计规范》7.1.3条，角焊缝焊脚尺寸取10 mm，每片立柱单侧焊缝计算长度取180 mm。焊缝质量等级一级，查《钢结构设计规范》表3.4.1-3，角焊缝的强度设计值为160 N/mm2，则：

经计算，立柱底焊缝强度满足要求。

3.3.4 护栏与桥面板连接设计

钢护栏立柱与桥面板的连接方式主要有直接埋入式和地脚螺栓两种。考虑到混凝土支承力和抗剪强度不好控制，本桥采用地脚螺栓连接，车辆碰撞荷载通过立柱由地脚螺栓传递给桥面板。每块护栏底板通过4根M30预埋螺栓与桥面板连接起来，螺栓长度800 mm，端部180°弯起，预埋螺栓与梁内钢筋焊为一体。

4 结语

近年来桥梁护栏的景观要求越来越受到人们的重视，本文以临汾市滨河东路贯通工程襄汾段城北汾河大桥为工程背景进行了机非分隔带护栏的型式选择，并对该桥机非分隔带钢护栏的薄弱部位进行了设计验算。以期为今后类似的桥梁护栏设计提供一点思路，为人们创造更加美观舒适和安全快捷的出行条件。目前我国钢护栏的研究还在不断地完善之中，待桥梁建成通车后，笔者将对实际的运营效果和事故数据进行跟踪调查，并对设计方案和参数进行必要调整，使得护栏的设计更加合理。