羅愛道，龔　帥，滕玉祿，亢寒晶

（1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510288；2.北京華路安交通科技有限公司，北京市　100071）

黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄優(yōu)化

羅愛道1，龔帥2，滕玉祿2，亢寒晶2

（1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510288；2.北京華路安交通科技有限公司，北京市100071）

為對黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合了前期研發(fā)的特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄成果，并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：相比原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化結(jié)構(gòu)的安全性能更高，工程適應(yīng)性強(qiáng)，施工工藝更加簡便，且材料用量更少，大大節(jié)省了工程造價(jià)，同時(shí)還具有更好的景觀效果?？梢娫搩?yōu)化結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

橋梁護(hù)欄；碰撞試驗(yàn)；防護(hù)等級；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；性能分析

0　引言

大廣高速公路黃龍帶特大橋地處重要水源保護(hù)區(qū)黃龍帶水庫，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，橋梁總長930 m，主橋段橋側(cè)設(shè)有斜拉索。根據(jù)黃龍帶特大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處位置，其橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)應(yīng)滿足三個(gè)基本要求：保護(hù)乘員不受到嚴(yán)重傷害、保護(hù)橋梁斜拉索結(jié)構(gòu)不受到嚴(yán)重沖擊、保護(hù)水資源不受到嚴(yán)重污染，而黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄原設(shè)計(jì)方案防護(hù)能力及效果已不能滿足當(dāng)前需求，因此根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及工程現(xiàn)場實(shí)際防護(hù)需求，對黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化［1，2］。

1　原橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)方案

黃龍帶特大橋原設(shè)計(jì)主橋段和引橋段橋側(cè)均設(shè)置雙層護(hù)欄，其中內(nèi)側(cè)為SS（520kJ）防護(hù)等級的金屬梁柱式護(hù)欄，護(hù)欄由4根矩形管橫梁（120 mm× 160 mm×6 mm）、間距為1.5 m的斜H型立柱、混凝土基座組成；外側(cè)為SA（400kJ）防護(hù)等級的混凝土護(hù)欄，護(hù)欄采用改進(jìn)型坡面，高度為1.0 m，且外側(cè)護(hù)欄上部設(shè)有鋼性防拋網(wǎng)。如圖1所示。

圖1　原設(shè)計(jì)黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄設(shè)置圖

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1原方案設(shè)計(jì)依據(jù)分析

原方案設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2006）（后簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》），并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩道防護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)防護(hù)等級為SS級（《設(shè)計(jì)規(guī)范》中最高防護(hù)等級）。但隨著高速公路的快速發(fā)展，跨越危險(xiǎn)區(qū)域的路段越來越多，對護(hù)欄防護(hù)能力的要求也日漸嚴(yán)苛，因此黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄設(shè)計(jì)應(yīng)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上提高其安全系數(shù)［3，4］；同時(shí)綜合護(hù)欄的設(shè)置條件，兩道防護(hù)效果是否可行需進(jìn)一步論證。

2.2相關(guān)規(guī)范的最新規(guī)定

2013年12月1日《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）頒布，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用在公路上的護(hù)欄必須要經(jīng)過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性能滿足指標(biāo)要求，并對護(hù)欄的安全防護(hù)性能指標(biāo)、防撞等級均提出了高標(biāo)準(zhǔn)要求；2013年10月份《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（修訂（JTG D81-2006）征求意見稿）（目前處于送審階段）完成，根據(jù)其對橋梁護(hù)欄防護(hù)等級適用條件規(guī)定，結(jié)合黃龍帶特大橋所處位置、設(shè)計(jì)速度，應(yīng)選擇HB級橋梁護(hù)欄（見表1）。同時(shí)依據(jù)規(guī)定“因橋梁線形、運(yùn)行速度、橋梁高度、交通量、車輛構(gòu)成和其他不利現(xiàn)場條件等因素易造成更嚴(yán)重碰撞后果的路段，應(yīng)在表6.3.2的基礎(chǔ)上提高護(hù)欄的防護(hù)等級”，考慮黃龍帶特大橋斜拉索設(shè)置在護(hù)欄外側(cè)，一旦車輛穿越護(hù)欄碰撞斜拉索，將威脅橋梁主體結(jié)構(gòu)安全，因此應(yīng)在HB級的基礎(chǔ)上提高一個(gè)等級，采用HA級（760kJ）防護(hù)等級護(hù)欄。

表1　橋梁護(hù)欄防撞等級適用條件（《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.3.2）

2.3先進(jìn)技術(shù)成果的成功開發(fā)

經(jīng)過前期科研攻關(guān)，按照規(guī)范最新要求研究開發(fā)了一系列新型交通安全設(shè)施，其中特高等級景觀鋼護(hù)欄主要應(yīng)用于特殊防護(hù)需求路段，其安全性能經(jīng)系統(tǒng)評價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足最新評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)等級達(dá)到了目前最高等級HA級；且該護(hù)欄可以有效降低車輛側(cè)傾量，對護(hù)欄背部斜拉索等構(gòu)筑物形成良好保護(hù)；同時(shí)護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、造型美觀，景觀效果通透。

綜上以上優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)和新規(guī)范規(guī)定及工程現(xiàn)場實(shí)際防護(hù)需求，對原設(shè)計(jì)主橋段和引橋段橋側(cè)雙層護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化。

3　特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄

3.1結(jié)構(gòu)組成

圖2為特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)，護(hù)欄總高為1.5 m，混凝土基座高550 mm，底寬500 mm，迎撞面采用改進(jìn)型坡面形式；上部鋼護(hù)欄由矩形橫梁、立柱組成，橫梁呈上、中、下三排分布；立柱為人字形，由Q345B材質(zhì)鋼板焊接而成，立柱中心線間距為2 m；預(yù)埋螺栓型號為M30，錨固深度為430 mm。

3.2實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)

根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求采用多種車型對特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄進(jìn)行系統(tǒng)安全評價(jià)［5，6］，碰撞試驗(yàn)條件見表2。

圖3為試驗(yàn)車輛最大外傾時(shí)刻狀態(tài)，經(jīng)測量車輛側(cè)傾越過護(hù)欄最大值僅為498 mm，可見護(hù)欄對后面構(gòu)筑物起到了良好保護(hù)作用。

圖2　特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖

表2　特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄碰撞條件

圖3　實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)結(jié)果

通過多車型系統(tǒng)碰撞，高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)等級達(dá)到了最高等級HA級（760 kJ）。

因此，采用特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄對黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化，可有效降低車輛沖出路外墜落水庫的事故概率，可對乘員和水資源安全保駕護(hù)航。

4　優(yōu)化結(jié)構(gòu)

綜合安全性、規(guī)范符合性、美觀性、適用性等多角度，對黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化：將主橋段和引橋段的橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄均優(yōu)化為特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄；將主橋段橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄優(yōu)化為矩形防拋網(wǎng)基座，且保留外側(cè)護(hù)欄上部的鋼性防拋網(wǎng)。圖4為優(yōu)化后黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄設(shè)置圖。

圖4　優(yōu)化后黃龍帶特大橋橋側(cè)護(hù)欄設(shè)置圖（單位：cm）

5　優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能分析

5.1安全性分析

原設(shè)計(jì)橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄為金屬梁柱式護(hù)欄，該護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級為SS級520 kJ，對于特殊危險(xiǎn)路段防護(hù)能力明顯不足，車輛穿越事故不可避免。一旦發(fā)生失控車輛翻越橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄的情況，車輛的行駛姿態(tài)就無法確定［5～7］，因此采用第二道護(hù)欄防護(hù)復(fù)雜狀態(tài)的失控車輛難度極大。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)采用橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄進(jìn)行安全防護(hù)，采用外側(cè)護(hù)欄及上部的剛性防護(hù)網(wǎng)對失控車輛拋灑物進(jìn)行收集。其中內(nèi)側(cè)特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄依據(jù)“現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行了實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，防護(hù)等級達(dá)到了新規(guī)范規(guī)定的最高等級HA級（760 kJ），安全性能可靠；同時(shí)根據(jù)實(shí)車碰撞試驗(yàn)，特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄可有效抑制失控車輛在碰撞護(hù)欄過程中的側(cè)傾，避免因車輛側(cè)傾過大而碰撞橋梁斜拉索，可對橋梁結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用；而第二道護(hù)欄對于車輛碰撞時(shí)產(chǎn)生的拋灑物起到一定防拋收集作用，降低橋下水源地受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

可見優(yōu)化結(jié)構(gòu)安全防護(hù)性能可靠、系統(tǒng)受力合理、滿足依托工程的實(shí)際防護(hù)需求，能有效提高該路段的交通安全水平。

5.2適用性分析

由于車輛碰撞橋梁護(hù)欄時(shí)，碰撞力最終將傳遞給橋梁翼緣板，因此需要對橋梁翼緣板在車輛碰撞荷載作用下的安全性進(jìn)行復(fù)核［8］?，F(xiàn)基于特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄實(shí)車試驗(yàn)翼緣板強(qiáng)度對黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板和引橋段T梁翼緣板的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

5.2.1實(shí)車試驗(yàn)翼緣板強(qiáng)度計(jì)算

圖5為特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄在實(shí)車試驗(yàn)翼緣板上的位置及其危險(xiǎn)截面A-A的計(jì)算示意圖。

圖5　特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄及其危險(xiǎn)截面A-A

按雙筋矩形截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，fsd=280 MPa，fsd'=280MPa，fcd=22.4MPa，As'=2011mm2，As=3142mm2，b=1 000 mm，h=280 mm，a'=38 mm，a=30 mm。則x=14.14＜2a'，說明受壓區(qū)鋼筋不會達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時(shí)計(jì)算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，故每延米A-A計(jì)算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=202.7 kN·m。

5.2.2黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板強(qiáng)度復(fù)核

圖6為特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄在黃龍帶特大橋主橋段箱梁翼緣板上的位置及其危險(xiǎn)截面B-B的計(jì)算示意圖，針對B-B截面進(jìn)行計(jì)算并基于實(shí)車試驗(yàn)翼緣板強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

按雙筋矩形截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，fsd=280 MPa，fsd'=280MPa，fcd=26.5MPa，As=1662mm2，As'=1662mm2，b=1 000 mm，h=530 mm，a=28 mm，a'=38 mm。

fcdbx+fcd'As'=fcdAs，則 x=0＜2a'，說明受壓區(qū)鋼筋不會達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為：

圖6　主橋段特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄及其危險(xiǎn)截面B-B

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時(shí)計(jì)算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，每延米B-B計(jì)算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=229.5 kN·m。大于實(shí)車試驗(yàn)翼緣板每延米抗彎承載力202.7 kN·m，故黃龍帶特大橋的主橋段箱梁翼緣板強(qiáng)度滿足設(shè)置特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄要求。

5.2.3 黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板強(qiáng)度復(fù)核

特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄位于黃龍帶特大橋引橋段邊梁翼緣板與中梁翼緣板的現(xiàn)澆段上（見圖7），根據(jù)護(hù)欄所處位置，其受碰撞時(shí)傳遞至T梁翼緣板的彎矩由C-C截面和D-D截面共同承受，因此可驗(yàn)算C-C截面與D-D截面每延米受彎承載力之和，驗(yàn)證T梁翼緣板的安全性。

圖7　引橋段特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄位置示意圖

首先計(jì)算C-C截面抗彎承載力，圖8為每延米C-C計(jì)算截面，按雙筋矩形截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，fsd=312.8 MPa，fsd'=280 MPa，fsd=22.4 MPa，As=1 916 mm2，As'=1 131 mm2，b=1 000 mm，h=310 mm，a=122 mm，a'=36 mm。

fcdbx+fsd'As'=fsd'As，則 x=12.62＜2a'，說明受壓區(qū)鋼筋不會達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時(shí)計(jì)算抗彎承載力：

圖8　翼緣板C-C截面示意圖（單位：cm）

由于Mu2＞Mu1，故每延米C-C計(jì)算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=104.7 kN·m。

接下來計(jì)算D-D截面抗彎承載力，圖9為每延米D-D計(jì)算截面，按雙筋矩形截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，fsd=280 MPa，fsd'=360 MPa，fcd=18.4 MPa，As=2 262 mm2，As'=785 mm2，b=1 000 mm，h=310 mm，a=80 mm，a'=30 mm。

圖9　翼緣板D-D計(jì)算截面示意圖（單位：cm）

fcdbx+fsd'As'=fsdAs，則x=19.06＜2a'，說明受壓區(qū)鋼筋不會達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為：

不考慮受壓鋼筋（單筋截面）時(shí)計(jì)算抗彎承載力：

由于Mu2＞Mu1，故每延米D-D計(jì)算截面的抗彎承載力為：Mu=Mu2=134.8 kN·m。

因此，黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板每延米抗彎承載力為（104.7+134.8）=239.5 kN·m，大于實(shí)車試驗(yàn)翼緣板每延米202.7 kN·m的抗彎承載力，因此黃龍帶特大橋引橋段T梁翼緣板強(qiáng)度滿足設(shè)置特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄的要求。

5.3施工方便性分析

通過加工工藝的研究，在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，將人字形立柱從整體式優(yōu)化為分離式，更加便于安裝（圖10）。

圖10　基于加工工藝研究的立柱優(yōu)化

預(yù)埋螺栓的定位是型鋼式護(hù)欄安裝的關(guān)鍵技術(shù)，通過多次施工工藝研究，為保證預(yù)埋螺栓定位精確設(shè)置預(yù)埋鋼板［9］，為保證立柱安裝方便在底板上開大孔（見圖11），此外優(yōu)化結(jié)構(gòu)的橫梁采用標(biāo)準(zhǔn)件，長度為6 m一節(jié)，通過在橫梁連接件上設(shè)置長扁孔使其安裝方便。

圖11　基于施工工藝研究的立柱安裝

綜上分析，可見特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄具有一套切實(shí)方便的施工工藝和施工流程。

5.4經(jīng)濟(jì)性分析

5.4.1橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄工程量對比

特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄與原設(shè)計(jì)金屬梁柱式護(hù)欄每公里護(hù)欄材料量對比見表3。

表3　橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄優(yōu)化前后材料用量對比表（每1 km）

經(jīng)對比，特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄鋼材用量較原設(shè)計(jì)金屬梁柱式護(hù)欄少，鋼筋和混凝土用量較原設(shè)計(jì)金屬梁柱式護(hù)欄多；但原設(shè)計(jì)金屬梁柱式護(hù)欄未設(shè)置定位鋼板，不方便施工，且橫梁為9 m一節(jié)不方便采購，需進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后其鋼材用量較特高等級景觀鋼護(hù)欄多出20 t左右，統(tǒng)籌考慮，這兩種護(hù)欄造價(jià)基本持平。

5.4.2橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄工程量對比

優(yōu)化后橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄及其上部鋼性防拋網(wǎng)僅用于防止失控車輛上的拋灑物墜落橋下，因此主橋段和引橋段橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄均可將斷面優(yōu)化為矩形來作為防拋網(wǎng)基礎(chǔ)，相應(yīng)配筋也可大幅度降低。主橋段、引橋段外側(cè)護(hù)欄優(yōu)化前后每公里護(hù)欄材料用量對比見表3和4。

表3　主橋段外側(cè)護(hù)欄優(yōu)化前后材料用量對比表（每1 km）

表4　引橋段外側(cè)護(hù)欄優(yōu)化前后材料用量對比表（每1 km）

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后主橋段每延公里較原設(shè)計(jì)可節(jié)省鋼筋用量50.56 t、混凝土用量97 m3；優(yōu)化后引橋段每延公里較原設(shè)計(jì)可節(jié)省鋼筋用量45.49 t、混凝土用量53 m3，且優(yōu)化后外側(cè)護(hù)欄斷面簡化為矩形，模板及施工費(fèi)用均可大幅度降低。經(jīng)測算，優(yōu)化后主橋段橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄每公里可節(jié)省工程造價(jià)59.7萬、優(yōu)化后引橋段橋側(cè)外側(cè)護(hù)欄每延公里可節(jié)省工程造價(jià)52.4萬，黃龍帶特大橋主橋段424 m、引橋段506 m，故黃龍帶特大橋優(yōu)化后橋側(cè)護(hù)欄雙側(cè)共可節(jié)省約103萬元，大大節(jié)省了工程造價(jià)。

5.5景觀效果分析

黃龍帶特大橋橋側(cè)內(nèi)側(cè)采用的特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄不僅防護(hù)等級高、安全性好，且景觀效果通透、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、造型美觀，其造型具有“以人為本”、“天人合一”的雙重寓意。

橋側(cè)外側(cè)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)路面以上有效高度為1 m，對護(hù)欄的景觀通透性形成遮擋，優(yōu)化后外側(cè)結(jié)構(gòu)為50 cm寬×70 cm高的矩形構(gòu)造，通過三維效果圖模擬可以看到景觀效果通透，提高了運(yùn)營舒適度［10］，如圖12所示。

圖12　橋梁外側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后效果圖

6　結(jié)語

優(yōu)化后橋側(cè)內(nèi)側(cè)護(hù)欄采用特高防護(hù)等級景觀鋼護(hù)欄，并針對外側(cè)護(hù)欄進(jìn)行斷面及配筋優(yōu)化，一方面使結(jié)構(gòu)受力更為合理，提高了護(hù)欄的防護(hù)等級，滿足相關(guān)規(guī)范要求，另一方面節(jié)省了工程造價(jià)且提升了景觀效果，因此優(yōu)化后的護(hù)欄結(jié)構(gòu)具有更顯著的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性及施工便利性。

［1］JTG D81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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U443.7

B

1009-7716（2016）07-0104-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.031

2016-05-13

羅愛道（1981-），男，江西南昌人，碩士，工程師，從事高速公路路橋工程技術(shù)與建設(shè)管理工作。