京港澳高速公路军山大桥护栏改造设计方案

姚磊

（桥梁结构健康与安全国家重点实验室；中铁桥研科技有限公司，湖北武汉 430034）

1 概况

京港澳高速公路湖北段于2002年建成投入运营。军山长江大桥为主跨460m跨越长江的斜拉桥，设计时速为120km/h，荷载等级为公路Ⅰ级。随着《公路交通安全设施设计规范》[1]（以下简称《规范》）和《公路交通安全设施设计细则》[2]（以下简称《细则》）的颁布，将护拦设置的重要性及防撞性提到了新的高度[3]。

近年来国内发生多起车辆冲撞护栏掉入江中的事故，重庆市万州区在2018年10月28日发生一起桥梁上的交通事故，桥上一辆行驶的轿车和行驶的公交车相撞，发生在重庆长江二桥上，事故导致公交车冲破了桥梁护栏后掉入了江中，造成10余人死亡；2019年3月28日惠州中信大桥，发生了一起一辆行驶的轿车撞破桥梁护栏掉入江中安全事故，这也是10余天内桥梁护栏被撞的第二起安全事故；2021年10月27日嫩江大桥二道江桥一台机动车冲破护栏坠入江中。护栏是桥梁附属结构的重要安全维护保障设施，等级高结构强的护栏能够保证车辆的正常行驶，现行规范颁布后，一些桥梁的护栏等级需要提升改造，改造后的护栏能够减少车辆冲撞护栏点入江中的安全事故发生。

通过对军山大桥技术资料查阅、收集调查交通量、交通事故数据和对现场护栏构件测量，结合现行规范标准，军山大桥防撞护栏被评为Ⅲ类，需按现行标准对桥梁护栏进行改造设计。本文从军山大桥护栏的排查评估、提升等级选取、金属梁柱式护栏结构设计、承载能力验算等方面阐述护栏的设计要点，希望对同类桥梁的护栏改造设计提供参考。

2 护栏排查评估

桥梁近3年未发生3起及以上，或1起死亡3人以上的车辆坠桥事故；近3年未发生3起及以上，或1起死亡3人以上的车辆穿越中央分隔带护栏或隔离设施的事故，即不属于交通事故严重程度较高的情况。

京港澳高速公路2018年平均日交通量（AADT）为217294辆小客车，大于15000辆小客车，且总质量大于或等于25t的车辆自然数所占比例为25.4%，大于20%，为大型车较高的高速公路。

军山大桥金属梁柱式护栏构造要求不符合《规范》第6.3.5条第一款规定的部分要求，判定为不符合建设时期标准，排查评估结果如表1所示。

表1 金属梁柱式护栏原标准符合性排查

军山大桥原金属梁柱式护栏等级为PL3级，自2017年11月17日交通运输部发布《规范》后，对护栏等级进行了划分并升级，所以军山大桥目前防撞护栏被判定为不满足现行标准。

通过上述排查评估结论，判定军山大桥安全防护设施属于Ⅲ类，分类结果见表2所示。

表2 《技术指南》已设置护栏的桥梁安全防护设施分类

3 防撞护栏等级选取

桥梁护栏的防护等级为C、B、A、SB、SA、SS、HB、HA共8个级别[4]，新规范规定当桥梁所处环境存在下列条件时需要将护栏的等级再提高1个或以上，主要条件如下。

（1）位于连续长下坡路段。

（2）桥梁高度在30m以上。

（3）总质量超过25t的车辆自然数所占比例大于20%。

（4）跨越大型饮用水水源一级保护区和高速铁路的桥梁以及特大悬索桥、斜拉桥等缆索承重桥梁，防护等级宜采用八（HA）级。

京港澳高速公路军山大桥段目前限速120km/h（2020年1月1日起限速已调整为120km/h），其设计时速为120km/h。军山长江大桥为主跨460m跨越长江的斜拉桥，经过交通量调查发现军山大桥目前交通量中重量超过25t的车辆数所占比例超过了20%，且桥面高度到最低通航水位的距离也超过了30m。故综合上述情况，根据《规范》的规定，其防撞护栏设计防护等级选取八（HA）级。

4 金属梁柱式护栏结构设计

为了减轻改造后的护栏总体重量，本次改造后的防撞护栏仍然选择金属梁柱式护栏。根据《技术指南》，已设置金属梁柱式护栏的桥梁，按下列步骤进行提升设计，如图1所示。

图1 桥梁防护能力提升设计流程

根据《规范》和《公路护栏安全性能评价标准》[6]（以下简称《标准》）的相关规定，结合相关施工的便利性、经济性，护栏结构设计如下。

（1）改造护栏立柱选用钢板焊接成型，选取的材质为Q355钢。立柱截面采用工字截面，上窄下宽均匀过渡，引桥立柱高度1660mm，主桥立柱高度1660mm。

（2）沿立柱高度方向，设置四道横梁，横梁采用冷弯矩形空心型钢，选取的改造后的护栏材质为Q355钢。截面为矩形160mm×120mm，上部两道横梁为上横梁，壁厚8mm，下部两道横梁为下横梁，壁厚4mm，冷弯半径（外径）R=12mm。

（3）立柱与横梁直接采用栓接，且上横梁与立柱间设置8mm厚防阻块，下横梁与立柱间设置4mm厚防阻块。

（4）立柱底座板厚度为35mm，引桥立柱底板通过8根M30高强锚栓与混凝土底座连接，主桥立柱底板通过8根M30高强锚栓与预埋钢底座连接。其中含有4个螺孔侧为靠近行车道布置。

（5）金属梁柱式护栏横梁为6m一节，标准段立柱间距为1.5m，每节之间插入横梁内套管并采用拼接螺栓连接。每套螺栓包含1个螺杆、1个螺母、1个垫片，如图2所示。

图2 护栏结构改造设计（单位：mm）

军山大桥护栏结构改造设计方案，不仅满足现场施工和养护的便利性，其护栏结构和对环境景观的要求也满足标准。在护栏立柱和横梁之间设置了防阻块，能够增大车辆撞击后产生动能的吸收，能够有效防止车辆在发生碰撞后产生冲破护栏掉落江中的风险。

5 承载能力验算

5.1 改造护栏对全桥受力影响计算

考虑到因防撞护栏等级提升，其增加的恒载可能对主桥主跨造成一定影响，故对改造后护栏增加的恒载进行计算。军山大桥主桥跨径组合为48+204+460+204+48=964m，其主桥钢箱梁总重为17236t。

对军山大桥主桥建立有限元模型，模拟护栏增加的恒载重量施加到离散模型中，军山大桥离散模型共划分为348个单元，351个节点。其有限元模型和钢箱梁标准横断面分别如图3和图4所示。

图3 全桥有限元模型

图4 钢箱梁标准横断面

将改造后护栏增加的恒载施加于有限元模型上，计算本次护栏改造增加的恒载对全桥结构的影响。

分别计算军山大桥原防撞护栏、改造后防撞护栏的重量施加到模型中，查看护栏改造升级后增加的重量对模型的受力影响大小。增加的护栏恒载大小计算结果见表3所示。

表3 护栏改造方案对主桥恒载的影响

通过上述表格可以看出，军山大桥改造后采用的八（HA）级金属梁柱式护栏，主桥恒载723.0t，比原有防撞护栏增重461.8t，其单位长度增加恒载为479.0kg/m，占主桥钢箱梁重量增加比例为2.53%。

改造后护栏索力最大增量为72.8kN。索力最大增量1.72%，该增量对斜拉索影响较小。增加的恒载对钢箱梁产生的最大挠度位于主跨跨中，最大挠度为26.9mm，引起的挠跨比为1/17100，挠度增量对桥梁影响较小，如图5所示。

图5 军山大桥钢箱梁挠度计算结果

增加的恒载对钢箱梁的受力影响主要是在钢箱梁主跨底板产生最大拉应力3.9MPa的增量；钢箱梁的最大压应力受力影响是在主塔的箱梁底板处，恒载增量产生的最大压应力增量为3.2MPa。结算结果表明护栏改造后增加的恒载重量对全桥受力影响较小，护栏改造升级对全桥受力不会产生较大不利影响。

5.2 改造护栏抗倾覆验算

规范要求车辆抗倾覆荷载的有效高度经过验算后必须满足小于改造升级后桥梁护栏高度的要求，抗倾覆荷载的有效高度如式（1）所示。

式（1）中的参数取值需要查规范确定数值，因改造升级的护栏等级为八（HA）级，所以选取的车辆碰撞荷载为Ft=620000N，分别验算的车型如表4所示。

表4 需验算的车型参数

对上表中各型车辆参数取值后带入公式计算，得出计算结果如表5所示。

表5 各车型车辆抗倾覆荷载验算结果

护栏所需要的最小有效高度为1122.8mm小于护栏加权平均高度1152.6mm，护栏抗倾覆验算满足设计要求。

6 结语

护栏改造是基于桥梁资料调查、交通事故调查、大型车比例排查、标准符合性排查和确定护栏类型的一项系统工程，京港澳高速军山大桥护栏改造设计从既有护栏出发，从护栏排查评估、防撞等级选取、金属梁柱护栏结构设计及承载能力验算等方面阐述了护栏改造设计方案，并结合调研和规范要求最终确定了改造设计方案，军山大桥护栏改造设计方案可为同类桥梁护栏改造提供参考借鉴。