桥梁护栏安全性分析与研究

文｜ 上海同丰工程咨询有限公司 杨虎

0 引言

随着我国经济的不断发展，国民出行条件也得到了大大改善，但近年来不断有超速车辆冲出人行道或冲入对向车道，发生侧翻后坠出桥外，造成群死群伤的恶性交通事件，给人民群众生命财产和社会安定造成严重威胁，桥梁防护问题已成为重大的社会公共安全问题。

我国的道路桥梁按照管养部门不同进行划分，主要归于交通运输部及住房和城乡建设部两大部门管理。交通运输部所管桥梁多分布于高速公路、国省干线、县道和乡道等公路，即通常所说的公路桥梁，此类桥梁主要作用为连通不同的行政区域，大部分道路桥梁不设置人行道；而住房和城乡建设部所管桥梁主要分布在城市区域内的快速路、主干路、次干路、支路和街坊路上，即通常所说的城市桥梁，这类桥梁因处于城市空间内，大部分设置人行道。

桥梁护栏是指设置在桥梁两侧建筑限界以外的防护装置，主要分为刚性护栏、半刚性护栏及柔性护栏，目前使用较为广泛的是刚性护栏和半刚性护栏。由于我国公路和城市道路里程的不断增加，在役桥梁亦不断增加，因桥梁的修建年代不同，建设水平参差不齐，所参照的标准依据也各有不同，进而导致桥梁安全防护设施的设置种类和形式多种多样。

本文以某城区桥梁护栏设施为例，根据安全防护能力排查结果，对桥梁防撞护栏的安全性进行分析，并依据现行规范要求提出合理性建议。

1 项目概况

某市按照《关于开展城市桥梁护栏升级改造专项工作的通知》文件精神对城区内桥梁护栏进行安全隐患排查，本次排查样本总数为147 座桥梁，其中特大桥13 座，大桥36 座，中桥38 座，小桥60 座。通过排查，城区内桥梁护栏主要分为四种类型：机动车行桥两侧的混凝土护栏（刚性护栏）和组合型护栏（半刚性护栏），非机动车道桥金属梁柱式栏杆（半刚性护栏）和大理石装饰护栏。桥梁护栏安全性排查主要依据《城市道路交通设施设计规范》（GB 50688-2011）和《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）中相关条文的规定。

2 护栏安全性分析

2.1 静态基础数据安全性分析

根据《城市道路交通设施设计规范》（GB 50688-2011）第7.5.2 条人行护栏的设计应符合下列规定：“人行护栏的净高不宜低于1.10m，并不得低于0.90m，有跌落危险处的栏杆的垂直杆件间净距不应大于0.11m”。本次排查某市城区有44 座桥梁栏杆基础数据不满足上述规范规定，占全部桥梁总数的29.9%。

对于人行护栏净高的基础数据不足可采用提升高度的方式进行改善。在基础数据不满足的44 座桥梁中包含了各种类型的护栏结构，但多数为在役时间较久的刚性混凝土护栏和半刚性组合型护栏。刚性护栏中混凝土护栏净高不足，可以将原有混凝土护栏顶面凿毛并植筋，以直墙型加高混凝土护栏，目的使加高后的护栏高度满足安全性的防护需求。单坡型混凝土护栏加高方案见图1。

图1 单坡型混凝土护栏加高方案示意图

对于其他类型的护栏基础数据不足（栏杆垂直杆件间距不足），只能采取拆除重建的方式进行改造，改造过程中拆除原有护栏后应注意采取相应的防护措施，防止车辆及人员冲出道路建筑限界以外，造成交通事故，尤其当桥下为通行道路和人行通道时，更应严防二次事故的发生。

2.2 防撞性能安全性分析

桥梁护栏安全性能评价指标主要有三个：①阻挡碰撞车辆穿越、翻越和骑跨的能力，即阻挡功能；②降低对车辆及车内乘员冲击程度的能力，即缓冲功能；③使碰撞车辆向行车方向顺利导出并恢复运行状态的能力，即导向功能。其中阻挡功能是护栏最基本的功能，但也是最重要的功能。护栏的阻挡功能可以将汽车碰撞时产生的冲击力按承载能力极限状态的偶然荷载效应组合进行检算，可大致估算出护栏能否有效的阻挡该车辆碰撞时产生的冲击荷载。

采用真实车辆进行碰撞试验是综合评价护栏防撞性能最直接、最有效的方法。可以从保护驾乘人员的角度出发，以交通事故再现的方式来分析车辆碰撞前后驾乘人员和车辆相对护栏的运动状态及损伤状况，并以此来改进护栏的结构状态，改善护栏的安全特性。

车辆碰撞护栏的过程是十分复杂的，碰撞荷载的作用点是沿着护栏的迎撞面变化的，随着碰撞时间的推移，整个碰撞过程的不同时间碰撞荷载的大小亦不相同，另外车辆不同的速度、角度所产生的荷载也千差万别，因此这种动态分析无法采用精确的计算方法来进行描述。一般情况下，可以采用静力方式计算，即给护栏加载静态力来近似模拟动态碰撞问题，而静态力计算的关键在于确定撞击力的大小和加载角度，关于用静态力来计算分析动态碰撞问题，新规范《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）有比较详细的计算原理和方法，本文计算依据新规范进行。

桥梁护栏防撞性能安全专项评估首先应根据桥梁所在的道路等级、设计车速、周边环境及护栏整体状态，按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）确定桥梁护栏的防撞等级，再通过现场桥梁护栏静态基础数据的采集，采用现场护栏实测数据建立计算模型进行检算。本文重点以刚性护栏中的混凝土护栏（本次排查范围内某桥，以下统一简称“该桥”）为例进行介绍。

2.2.1 护栏细部构造尺寸的确定

护栏静态基础数据的采集参照旧规范《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）相关规定进行，由于各类护栏计算的关键在于模型建立，而模型建立的关键在于护栏细部构造尺寸的确定，混凝土护栏主要采用以下参数进行数据采集：

（1）总高度H；

（2）混凝土底宽B；

（4）斜坡混凝土高度H1；

数据采集参数图如下图2 所示，现场实测数据见表1。

2.2.2 护栏撞击横向力的确定

桥梁护栏防撞性能安全性分析模型计算除须护栏细部构造尺寸外，还应确定道路的等级、通行车辆参数、设计车速等参数。

（1）道路等级的确定

图2 混凝土护栏数据采集参数图

桥梁护栏所在道路等级的确定主要查阅桥梁或所在道路的设计图纸，图纸中对道路的等级通常会有明确的界定，该桥竣工图纸中明确该桥所属道路等级为城市主干路。当图纸中对道路等级没有说明或设计图纸缺失时，可以根据道路在城市路网中的地位、交通流量或道路的规模来确定。

（2）通行车辆参数

《公路护栏安全评价标准》JTGB05-01-2013 中对各类车辆相关的技术参数调查结果进行了统计，对规范中车辆参数的选用应先进行现场交通情况调查，根据调查结果该桥通行客车的主要技术参数见表2。

（3）设计车速参数

道路的设计时速可以查阅竣工图纸等资料，当资料缺失时可以根据桥梁护栏所在道路上机动车的限速来间接确定。

（4）护栏横向撞击力确定

根据该桥竣工图纸，桥梁所属道路等级为城市主干路，设计时速为60km/h，该桥下有地面道路和人行道，当桥面有车辆掉下时可能引起二次重大事故，根据城市桥梁设计规范要求该桥护栏等级取SA 级。

新规范《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）条文说明3.5.5 条中给出了基于一定假定的车辆与护栏碰撞数学模型。利用上述确定的参数可求得近似的单位长度横向撞击力值，具体计算结果见表3。

2.2.3 护栏极限承载能力的确定

将护栏视作悬臂构件，在护栏上施加单位横向力，横向力作用点为：对于混凝土及组合式防撞护栏，假定小型客车的撞击高度距离地面距离为0.4m，中型客车的撞击高度距离地面距离为0.5m，大型客车的撞击高度距离地面距离为0.6m，特大型客车的撞击高度距离地面距离为0.7m。

车辆撞击力作为偶然荷载，根据规范规定，需对承载能力极限状态下防撞护栏的承载能力进行检算，承载能力极限状态应按下式要求进行检算：

式中：γ0—结构重要性系数；

Sd—作用组合的效应（如轴力、弯矩或表示几个轴力、弯矩的向量）设计值；

Rd—结构或结构构件的抗力设计值。

2.2.4 护栏防撞安全性能判定

本例桥梁护栏在各车型推算横向撞击力作用下，单位长度护栏底部截面承载能力检算结果见表4。

由表4 可知，单位长度护栏底部截面承载能力在各车型推算的横向撞击力下产生的作用效应均小于护栏底部截面的抗力，满足安全性要求。

3 小结

“10·28 重庆公交车坠江事件”后，交通运输部发布了《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》用于完善在役桥梁安全防护设施，提升公路桥梁防护能力。住房和城乡建设部也发布了《关于开展城市桥梁防护升级改造专项工作的通知》，同时还对现行《城市桥梁设计规范》中桥梁防撞护栏和人行道栏杆的条文进行了修订。主管部门的目的都在于提升桥梁护栏防护能力，满足公共安全的需求。

本文根据某市在役城市桥梁排查结果重点对刚性护栏的安全性进行了分析，分析主要从静态基础数据的安全性和防撞性能的安全性两个方面着手，分析的方式方法通过了专家评审，对于其他地区桥梁护栏安全隐患排查起到借鉴作用，但各地区还应充分考虑地域因素，做到因地制宜、因桥制宜。

表1 护栏主要细部尺寸测量及复核

表2 客车的主要技术参数

表3 不同车型单位长度横向撞击力汇总表

表4 单位长度护栏底部截面承载能力检算结果