梁柱式钢结构桥梁护栏结构设计研究

杜武军

（中铁长安重工有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

随着我国交通运输事业的快速发展，公路桥梁建设呈现出稳步发展的趋向，但由于我国幅员辽阔，因此在桥梁建造的过程中会遇到各类地形，而交通组成在这一阶段又发生了较为明显的变化，车辆不仅呈现出高速化和大型化趋向，桥梁跨径也更大一些，因此，桥梁安全防护问题暴露得更加明显。通过增设护栏等方式或提升护栏防护等级等方式，能够提高车辆在桥梁上的行驶安全性。

1 桥梁的护栏类型和结构分析

1.1 桥梁的护栏类型分析

现阶段桥梁护栏在构建过程中，通常会使用三种不同的方式进行施工：第一种是使用混凝土作为基础材质进行护栏构建；第二种是使用金属梁柱式护栏方式进行施工；第三种是使用组合式护栏方式进行施工。由于第一种和第三种施工设计方式，很容易让护栏量大增，因此在使用阶段很容易让桥梁出现较大的静态荷载。如果在未来大跨径桥梁的应用变得更加广泛，那么桥梁就需要在设计方面，呈现出轻量化改良的趋向。相较于金属梁柱式护栏而言，另外两种护栏结构通透性不佳，这就意味着在一些容易发生极端天气变化的区域，会出现清理方面的问题，与此同时，车辆在行驶过程中也很容易出现视觉方面的压抑感，这很难使桥梁交通效果和质量得到更全面的完善。为了解决这一问题，需要进行金属梁柱式护栏结构的推广和应用。相较于其他两种结构来说，这一种类型的护栏不仅美观通透，并且重量较轻，不容易积攒砂砾和雨雪，在清理过程中不需要耗费过多的时间和精力。因此，金属梁柱式护栏在应用方面是具有较为明显优势的，技术人员要对此引起重视[1]。

1.2 桥梁的护栏结构分析

第一，在公路交通安全实施设计细则中，进行了护栏总高度方面的规范性论述。在一般情况下，A 级的金属梁柱式护栏在高度上不得少于1.25m。但由于25t 的大型货车车厢底板高度为1.25m，为了避免车辆在行驶过程中翻越和骑跨护栏，护栏设计总高度应当保持在1.3m。

第二，在护栏立柱设计过程中，需要遵循强梁弱柱的原则，因此设计人员要考虑到碰撞载荷在基础方面的影响程度。而大多数护栏立柱都需要使用异形h 型结构，且在立柱的根部需要设置窄断面的圆弧，只有如此才能够让立柱承载的强度得到更进一步保障，碰撞荷载也不容易向桥梁基础方面进行传递。

第三，在护栏整体结构设计过程中，需要合理把控顶层的横梁壁厚以及下部三层横梁壁厚规格。通常情况下，下部三层的横梁壁厚都需要在4mm，顶层的横梁壁厚需要在6mm，与此同时，横梁需要选择Q345 材质进行设计，且相应的立柱间距不得小于1.5m，立柱的底板厚度需要维持在20mm。在此过程中，技术人员还需要合理把控壁厚、高度以及壁材质。材质选择大体是Q235，壁厚控制在8mm，高度在1200mm，而桥梁的基础高度则需要调整为100mm，在此过程中需要额外关注混凝土的强度等级，相应的强度等级要达到C40。在综合考虑了桥梁护栏的防护功能之后，需要进一步遵循强梁弱柱的理念，进行立柱和横梁的结构规格优化[2]。具体的护栏结构如图1所示。

图1 梁柱式钢结构桥梁护栏侧面

第四，在护栏横梁结构设计过程中，需要全面考虑横梁抗弯承载能力，为了让现场施工的便捷程度得到更进一步提升，技术人员可尝试进行异形圆弧状开口横梁的应用。为了让碰撞过程得到进一步缓冲，技术人员可在横梁背部添加设置专用的防阻块。当然，由于横梁纵向连接强度也需要得到更全面的完善，因此技术人员需要采用内管套设计，通过上下四层横梁设计方式，来提升相应的护栏横梁设计质量。

2 护栏结构优化安全性能分析

2.1 车辆方面的安全性能

以大型货车和大型客车的碰撞进行模拟分析验证，不难发现护栏在碰撞过程中是很容易对车辆的安全性能产生影响的。在车辆发生碰撞的过程中，护栏能够起到一定的导向和阻挡功能，甚至会改变碰撞过程中车辆的行驶轨迹和姿态。在进行大型客车碰撞模拟试验过程中，客车碰撞过程行驶姿态如图2所示。

图2 仿真模拟试验中大型客车的行驶姿态

通过对图2 中信息的总结和分析不难发现，在大型客车碰撞的过程中，整体的姿态仍旧趋于平稳，并未发生较为明显的姿态失衡现象，也没有出现诸如翻车、跳车或护栏发生断裂的现象。这一过程中护栏顶多发生了动态形变，相应的形变数值也没有超过390mm。车辆的最大外倾值约为620mm，因此车辆不容易冲出护栏。由于相应的变形情况和外倾值都在合理范围内，因此车辆即便发生了严重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

除了大型客车之外，进行大型货车的碰撞模拟试验也是很有意义的，具体的试验过程如图3 所示。

图3 仿真模拟试验中大型货车的行驶姿态

通过分析和总结图3 中信息不难发现，车辆在碰撞过程中整体姿态仍旧趋于平稳，并未出现跳车或翻车等现象，在具体的碰撞过程中，护栏也并未出现断裂方面的问题，护栏虽然出现了动态形变，但相应的形变值大约在200mm，车辆的最大外径值也保持在600mm，因此车辆不容易冲出护栏。由于相应的变形情况和外倾值都在合理范围内，因此即便车辆发生严重的碰撞，其安全性能仍然可以得到保障。

2.2 桥梁的基础安全性能

如果在大型车辆交通行驶过程中，出现大型碰撞方面的问题，那么护栏所承受的碰撞力很可能超出警戒范围，最终使得桥梁基础所承受的弯矩大于正常值，因此进行大型车辆的碰撞模拟试验是很有必要的，在具体的试验过程中，技术人员还要观测其对桥梁基础的影响程度。相应的观察重点需要放置在考察连接螺栓的失效情况以及相应基础的破坏情况方面[3]。

由于桥梁本身在基础部分设计过程中，对立柱根部进行了专项的局部弱化设计，因此即便发生大型车辆碰撞的突发性事故，司乘人员和车辆安全也能得到有效保障，并且桥梁基础会通过自屈服的方式来卸载掉部分的碰撞力，因此碰撞力不容易向桥梁基础传递。在对连接螺栓进行检查的过程中不难发现，连接螺栓并未发生破坏方面的问题，因此相应碰撞对桥梁主体的不利影响得到了有效控制。

2.3 司乘人员的安全性能

虽然大型车辆的碰撞能量要远远大于小型车辆，但小型车辆的碰撞速度却要明显比大型车辆高一些。由于小型车辆的总质量小，因此在碰撞过程中司乘人员所遭受的冲击也要明显大于大型车辆。因此，要想分析在车辆碰撞过程中，司乘人员是否受到安全影响，应当使用小型客车进行碰撞模拟试验，在此过程中，技术人员需要对车辆的冲击和姿态进行相应的数据分析。在具体的小型客车碰撞模拟试验过程中，相应的碰撞车辆整体姿态较为平稳，也没有发生跳车或翻车等问题，护栏在此过程中也并未断裂，整体的车辆行驶姿态良好。因此，在梁柱式钢结构护栏设计应用过程中，不论是桥梁的基础安全性能、司乘人员的安全性，还是车辆的安全性均能够得到保障。这就意味着这一类护栏设计是值得进行推广和应用的。

3 具体案例分析中的护栏优化

3.1 具体案例概况

武汉青山长江公路大桥在主体工程建设完成后，需要进行桥梁方面的施工建设以及护栏设计的优化应用。在原有的桥梁使用过程中，其护栏结构如图4所示。护栏的总体高度约为1.54m，其所使用的立柱形式为方形钢管，横梁也为方形钢管，且是采取四层分布的方式进行施工建设的，为了对这一护栏结构的安全性进行评估，技术人员通过进行仿真模型建构的方式完成车辆碰撞方面的数据试验。在具体试验过程中，技术人员使用碰撞速度为80km/h，车重为14t的SA 级大客车来完成相应的试验。在具体的碰撞模拟试验过程中，车辆出现侧翻现象，且具体的护栏效果并不理想，测试结果如图5 所示。

图4 原桥梁的护栏结构图

图5 仿真模拟试验中大型客车的行驶姿态

在原桥梁护栏设计过程中，存在着较为明显的不足。第一，相应的方管立柱与横梁连接并不顺畅。第二，护栏的总高度低于货车的车厢底板，因此在大型车辆防护方面所能够起到的效果十分有限。第三，底部焊板是与行车方向垂直的，这很容易对车辆造成阻挡。第四，立柱与方管横梁结构迎撞面之间的距离并未达到理想状态，因此在车辆行驶过程中很容易存在风险。故而进行护栏结构的全面优化与革新显得尤为必要。

3.2 护栏结构优化

3.2.1 进行护栏总高度的调整

在进行护栏结构优化设计过程中，首先需要考虑护栏总体高度。如果护栏总体高度过低，那么其在大型车辆防护方面所能够产生的效果就会十分有限，因此为了让桥梁护栏在车辆防护方面的作用得到更进一步提升，技术人员需要花费更多时间和精力来精准确定护栏高度。在对不同车辆的碰撞事故案例进行分析后不难发现，大型货车一旦出现碰撞问题，那么车厢很容易受损，因此护栏高度必须高于车厢的底板高度，否则难以起到有效的防护作用，通过调查研究不难发现，该项目地点所通过的货车车厢底板最大高度约在1.5m，因此护栏的高度要大于1.57m，技术人员可将护栏总高度调整为1.66m，借此来改善其在大型车辆行驶过程中的防护效果。

3.2.2 选择科学合理的横梁形式

在梁柱式钢结构桥梁护栏优化设计的过程中，可选择使用横梁截面的形式有很多种，除了常见的矩形和圆形之外，异形和方形也可发挥作用。但需要注意的是，圆形管横梁在与立柱连接方面存在着一定问题，因此这类型的横梁形式不应加以考虑。除此之外，异形管横梁也不方便进行加工，因此这类横梁形式也不加以考虑。矩形管横梁则有所不同，相较于方形管横梁来说，矩形管横梁所能够达到的抗温能力要明显更强一些，因此在具体的碰撞事故发生后，矩形管横梁能够加大横梁迎撞面与立柱之间的距离，从这个角度来看，这类型的横梁形式在降低车辆受到立柱位置阻碍方面，能够产生极大的作用，因此在护栏结构的优化设计过程中，技术人员应将原桥梁所使用的方形横梁改成矩形管横梁[4-5]。

3.2.3 优化底部焊接板的形式

在原有的桥梁护栏结构过程中，迎撞面与底部焊接板之间的方向是相互垂直的，这就意味着一旦车辆与护栏发生了碰撞，焊接板就会阻碍车辆的车轮，最终形成较为严重的灾害性事故。因此，在护栏结构优化施工的过程中，需要针对焊接板现阶段存在的不足进行优化设计，争取让焊接板尽可能地平行于行车方向，减少对车辆的阻碍。与此同时，技术人员还需要尽可能地加大焊缝长度，并及时提升立柱底部的焊接强度。如此，能够让护栏在车辆发生碰撞的过程中达到更佳的防护效果[6]。

4 结语

总而言之，进行梁柱式钢结构桥梁护栏的优化设计是很有必要的，这类桥梁护栏结构的全面应用，不仅能够起到绝佳的防护作用，还能够提升桥梁建筑的美观程度。在具体实施中，应该从总高度调整以及立柱选择等方面出发，进行结构优化设计，使护栏结构能够尽可能减少碰撞事故产生的危害性。随着信息技术的快速发展，在后续的结构优化设计过程中，可尝试进行信息技术的融合，促使梁柱式钢结构桥梁护栏设计达到更理想的效果。