高速公路旧桥防撞护栏提升设计方案

张 茜

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

从20世纪80年代我国第一条沈大高速公路修建以来，截至2019年底，我国高速公路总里程已达14.96万km，位居世界第一[1]。随着高速公路的蓬勃发展，交通安全设施役龄增加，交通事故频发，近年发生多起车辆坠桥的严重交通安全事故。因此，防撞护栏，特别是桥梁护栏的设施维护和安全提升已是道路交通安全的重中之重。

1 设计分析

依据2019年4月交通运输部办公厅发布《提升公路桥梁安全防护专项行动技术指南》(简称《指南》)和JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》(简称《交安规范》)、JTG/T D81—2017《公路交通安全设施设计细则》(简称《交安细则》)对现役的几座高速公路大中桥梁桥侧护栏进行了调查[2]，护栏型式如图1所示。调查发现早期建成的高速公路桥梁护栏多数已无法满足交通安全要求，主要问题为[3-4]：

1) 桥侧护栏高度、迎撞面尺寸及配筋等大多不满足现行规范防撞构造要求。

2) 护栏防撞等级及碰撞荷载取值较低。现役高速桥侧护栏设计标准一般参照94版或2006版高速公路交安设计规范设计实施，其采用的防撞等级和车辆碰撞荷载标准等参数均与现行规范值相差较大，若发生交通事故，车辆冲断或严重破坏护栏的几率较高。

3) 道路运营条件变化。现行高速公路车流量加大，运营车型向小型和重型化2个方向发展，特别是重型车碰撞时发生冲断或骑跨护栏的风险较高；另一个是现役高速经过多番改造维修，道路路面高度有一定变化，存在原护栏高度不足现象，这也加大了事故风险。

因此，为保证桥侧护栏的安全性，避免二次事故的发生，按现行标准对护栏的安全性进行逐一核查、提升改造必不可少。提升方案也应依照上述主要问题，针对护栏构造尺寸的合规性、护栏的承载力验算、对原桥梁的影响分析等进行核查。现选用一现役高速公路桥侧护栏提升实例进行详细分析。

2 设计实例

某一段长约138 km的现役高速公路于2003年底建成通车，桥梁的护栏需进行提升。公路管养部门在2019年根据《指南》要求对所辖桥梁进行排查和调研：路段共有223座桥梁的桥侧护栏尺寸不满足现行《交安规范》和《指南》的相关要求，需进一步排查分析并提出桥侧护栏提升方案，以排除安全隐患。

2.1 护栏分类及评估

查阅路段竣工图，全线桥梁桥侧护栏分为3类：混凝土墙式护栏、组合式护栏和波形护栏，如图2所示。防撞护栏设计尺寸满足94版《交安规范》要求，但不满足现行2017版《交安规范》要求。依据《指南》相关条款，本路段223座桥梁40%评估为Ⅰ类，60%评估为Ⅱ类，无Ⅲ类，其中Ⅱ类需进行逐步改造提升。

2.2 护栏方案

本路段高速设计车速80 km/h～100 km/h，参照2017版《交安细则》 表6.3.2条规定，桥侧护栏防护等级基本为5(SA)级设计和4(SB)级。原防撞护栏可采用多种方案提升至规范要求，经综合比选，主要有以下几种可行方案[5-6]。

1) 方案1：提升为混凝土墙式护栏

该方案需植筋加高混凝土墙15 cm～40 cm，高度不等。提升方案设计如图3所示。

优点：(1) 可保持混凝土墙外观一致；(2) 混凝土耐久性好，构造整体性强，与原构造匹配度高；(3) 构造尺寸满足规范要求；(4) 后期养护费用低。

(a) 加高为SB级护栏 (b) 加高为SA级护栏

缺点：(1) 主梁二期恒载增加较大，对原主梁结构有一定影响；(2) 施工工艺需采用植筋，支模浇筑，工序较复杂；(3) 混凝土需养护，工期较长，施工期对交通通行影响较大。

本方案施工前要求对原建护栏的病害进行加固维修，再对护栏提升表面凿毛、植筋；亦可凿出一段原建护栏，保留原主筋，再进行加高。植筋需注意尽量避开原护栏主筋，植筋深度及孔距均应满足设计要求。

2) 方案2：提升为普通组合式护栏

该方案需植锚栓增加钢组合梁柱构造30 cm～55 cm，高度不等。提升方案设计如图4所示。

(a) 加高为SB级护栏 (b) 加高为SA级护栏

优点：(1) 钢梁柱自重较轻，主梁二期恒载增加较小，对主桥结构影响也较小；(2) 钢结构工厂加工，施工质量有保证；(3) 因现场施工仅为植螺栓和拼装，施工便捷，施工进度快，对交通通行影响较小。

缺点：(1) 钢构件立柱基座需特殊定制，工程造价较高；(2) 钢构件后期维护费较高；(3) 加高护栏景观效果欠佳。

本方案施工前要求对原建护栏的病害进行加固维修，并加工钢立柱、横梁及定制骑跨式钢基座。施工时需植入锚栓，横向锚栓B宜穿过混凝土墙锚固，锚栓应尽量避开原护栏主筋，尽可能减少对护栏构造的损坏。

3) 方案3：提升为特殊组合式护栏[7-9]

综合方案1和方案2的优缺点，为了进一步提升护栏的整体景观协调性，减轻增加护栏重量对桥梁的影响，达到模块预制、快速安装等需求，提出了第3种特殊组合式护栏方案：在已建的混凝土墙式护栏或者组合式护栏(拆除原钢扶手，保留混凝土墙部分)上方，增设复合材料防撞套箱。构造包括：复合材料防撞套箱、固定钢板和锚栓。其中复合材料防撞套箱之间依次通过嵌套连接，套箱内填填充料；套箱和已建混凝土护栏通过固定钢板和锚栓连接。提升方案设计如图5所示。

优点：(1) 构造自重轻，对原桥主梁受力影响小；(2) 复合材料基本同时具备传统混凝土和钢材的强度高、轻质、耐久性等特性；(3) 构造模块化施工，加工便利、施工快速，对运营交通影响小；(4) 构造碰撞后破坏，维修加固便捷。

(a) 平面(b) 立面(c) 横断面

缺点：(1) 复合材料造价高，提升构造每延米造价较钢扶手高约15%～25%；(2) 有安装精度要求，平曲线半径较小段桥梁需特殊设计。

4) 综合比选

方案1具有造价低、景观效果好、后期维护费用小的优势，但其施工期占道时间长，施工风险大；方案2是工厂定制钢结构成品，现场安装，工期短、施工快，但造价较高、钢结构后期维护费较高；方案3综合了前2种方案优点，施工模块化、维护费用低，但复合材料的选择和成品造价相对较高。

综上所述，因护栏提升属于维修加固范畴，各方案选择还应以经济适用为原则。方案1在制定详细的交通组织方案前提下为优选方案；对于工期要求短、后期维护较便利的特殊路段可选用方案2；因我国在防撞护栏上应用复合材料材还属于起步阶段，在国家未出台相关政策法规的前提下，方案3的实施需谨慎。

2.3 护栏计算[10-15]

以上3种方案中，以方案1混凝土墙式护栏的自重最大(每延米重量约8.35 kN/m)，较原混凝土护栏重量增加约15%～20%，故以方案1混凝土墙式护栏计算为例，按现行规范分析改造护栏自身承载力及其对原桥的受力影响。

1) 提升护栏后原桥承载力分析

(1) 计算方法

按平面杆系理论，运用Midas2019版本进行计算，求得结构在施工阶段和运营阶段时的应力和内力，按规范中所规定的各项容许指标，验算结构是否满足要求。

承载力极限状态验算应根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》第7.3.1条规定采用下列表达式：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

(1)

式中：桥梁承载能力系数Z1、承载能力恶化系数ξe、混凝土截面折减系数ξc和钢筋截面折减系数ξs等检算系数应取自最新桥梁定期检查报告。

(2) 计算结果

经对本项目223座桥梁中典型桥梁类型：6 m、16 m和20 m跨空心板梁、20 m跨小箱梁、30 m跨T梁以及40 m跨现浇箱梁进行提升后承载力影响分析，计算结果如表1所示。

由表1可知，提升护栏增加的重量对桥梁整体计算影响较小，一般均能满足桥梁建成期相关规范要求。

表1 提升护栏后原桥承载力分析计算结果

2) 提升护栏的承载力分析

(1) 计算方法

公路桥梁护栏和桥面板承载力验算参照2017版《交安细则》附录D和《指南》附录B、D的计算方法进行验算。当护栏构件和桥面板的承载力大于或等于汽车碰撞荷载标准值产生的效应时，可认为护栏和桥面板的承载力满足要求。

(2) 计算结果

本项目提升后护栏等级主要为SB级，部分特殊路段采用SA级。选取提升为混凝土护栏的承载力计算结果如表2所示。

由表2可知，汽车碰撞发生在护栏端部或者伸缩缝处为最不利，此时提升护栏的横向承载力亦能满足现行2017版《交安规范》要求。

表2 提升护栏承载力及桥面板承载力分析计算结果

3) 提升护栏处桥面板悬臂端承载力验算

选取典型桥梁中预制梁最大悬臂主梁做护栏承载力计算分析。桥面板悬臂设计如图6所示，悬挑长度985 mm，悬臂板厚100 mm，调平铺装层厚100 mm。

按2017版《交安细则》附录D.4考虑主梁悬臂在横向和纵向碰撞荷载作用下(状态Ⅰ)引起的弯矩，以及受竖向碰撞荷载作用下(状态Ⅱ)引起的弯矩是否小于悬臂板自身的承载力值，计算简图如图7所示。对悬臂板任意截面受压区混凝土压应力合力作用点取矩，截面应满足：

Mu=Mc+Ms+Mb≤Mn=Asfsk(h0-x/2)-T(h0/2-x/2)

(2)

按图7计算图示验算的2种状态下的计算结果如表3所示。

由表3可见，车辆碰撞模式为状态Ⅰ下桥梁悬臂端受力为最不利，但最大悬臂状态下亦可基本满足规范要求。

4) 计算小结

采用混凝土护栏方案提升桥侧护栏，其增加重量对原桥承载力的影响较小；但汽车碰撞荷载发生下，护栏端部受力最不利，设计应加强此处的构造及配筋；车辆水平碰撞作用下，主梁悬臂影响最大，应重点核查悬臂端受力情况，必要时进行桥梁加固。

(a) 20 m小箱梁标准横断面 (b) 20 m小箱梁断面配筋

表3 提升护栏处桥面悬臂端承载力计算结果

3 结束语

1) 高速公路桥梁护栏提升是一个综合系统工程，前期需评估护栏及桥梁状态，完善护栏提升前的加固维修等准备工作；后期应根据桥梁状态、工期及造价选择合理的提升方案。

2) 为不致中断交通，桥梁外侧护栏改造工程可采用占道施工方案，施工前应制定详细的施工组织方案。

3) 护栏提升施工前须对原桥梁主体结构进行检测加固，满足设计要求后方可施工。对病害严重的桥梁建议进行承载力检测评估，并重新进行护栏提升桥梁承载力验算；施工过程中应尽量避免对原结构造成扰动，施工时须做好预警观测、检测工作，以免发生施工安全方面的事故。

4) 对于评估为Ⅱ类的桥梁护栏,应进一步从桥梁评定技术状态、交通组织条件、护栏提升方案、工程造价等方面制定详细分期实施方案。

5) 新材料和新构造在提升护栏应用实施应按规范要求进行计算分析，必要时需进行试验支撑，方可逐步推广。