一种新型公路临边防护装置结构设计

周志红，朱奇，刘艳萍

（湖南工业职业技术学院，长沙 410208）

0 引言

随着中国经济持续快速增长，高速公路桥梁工程一直保持着持续快速发展的势头，并常年加大对公路基础建设的投入。在公路桥梁修建过程中，一旦发生施工安全问题就会造成巨大经济财产损失[1]。因此，为了能够更好地保证现场施工安全，施工期间对公路桥梁部分两侧会设置临时临边防护装置，以防范人和物体坠落的风险。随着施工安全意识的提高，国内高速公路桥梁施工期间设置临时临边防护装置的情况得到了极大程度的改观。但鉴于工程施工周期、作业环境，以及无相应管理法规条例等客观因素下，目前临时临边防护装置存在结构相对简单、结构刚度不够且材料使用不统一等问题。曾硕[2]主要针对目前高速公路桥梁外侧防撞护栏存在的问题，阐述外侧防撞护栏创新设计理念与设计方式；王为民[3]介绍了超高层建筑施工过程中的安全防护措施的设置方式，并通过对施工过程中不同阶段的安全防护措施的设置进行分析；汪昱洲等[4]针对农村公路的路侧险要路段的安全问题，提出了路侧险要路段的风险水平判别标准，并对不同风险水平等级的路侧险要路段采取了不同类型的安全生命防护工程对策，使其满足“安全、有效、经济、实用”的要求。以上研究分析均从高速公路桥梁营运管路阶段考虑，项目施工阶段相关研究相对较少。

1 临时临边防护装置现状分析

针对公路桥梁施工期间设置临时临边防护装置现状，有两种主流设计方案。

1）在公路两侧混凝土边缘基体上钻孔，设置膨胀螺钉，再通过螺栓紧固的方式与防护支架连接，如图1所示。其结构存在一定的设计缺陷：a. 需在混凝土基体上钻孔，有一定破坏性；b.安装作业需现场钻孔，造成施工成本上升的同时钻孔作业产生的灰尘污染了周边环境，并存在用电安全问题；c.临时临边防护装置回收时，需对混凝土基体重新处理，造成施工成本上升。

图1 膨胀螺钉紧固结构的临边防撞护栏

2）利用公路桥梁两侧混凝土边缘基体中预埋钢筋借位，采用支撑主体钢管、斜撑加强钢筋与混凝土基体中预埋钢筋进行焊接后，再将横向防护钢管与支撑主体钢管焊接，然后挂防护网，最后将网与横向防护钢管之间用铁丝捆扎绑紧，如图2所示。其结构的缺陷：a.需现场焊接，对混凝土基体中预埋钢筋有一定程度损伤；同时施焊作业会污染周边环境；b.临时临边防护装置回收时，需对钢筋焊接处进行切割处理，造成施工成本上升的同时又局部损伤了钢筋本体材料；c.结构刚度无法保障，焊点易脱开，存在安全隐患。

图2 焊接结构的临边防撞护栏

2 临边防护装置结构优化设计

针对上述临时临边防护栏应用现状，设计出一种新型临边防护栏结构，其特点是：采用了快装快拆结构，节省了安装和拆卸时间，降低了劳动强度与现场施工成本；新结构防护栏安装过程对公路桥梁项目建设本身无破坏性操作，确保了施工过程质量，很好地维护了现场施工环境；新型防护栏周转率高，通用性强，间接降低了施工成本，很好地解决了目前现有临时临边防护装置所存在的问题，有利于现场安全管理[5]。新型临边防护栏主要由支撑管焊件、防护网构件、螺栓组件与锁紧组件等零组件组成。其中支撑管焊件为主要支撑构件，其底部结构能兼顾适应不同间距尺寸的预埋钢筋，适应性强，同时上部安装耳座与防护网构件两侧安装耳座采用螺栓紧固。具体结构如图3所示，只要混凝土路面基体中预埋钢筋间距尺寸处于图中尺寸L1与L2之间，则均可满足使用要求。

图3 支撑管焊件结构示意图

结合《公路工程施工安全技术规范》（JTG F90-2015）与《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ 80-2016）规范文件要求：护栏高度宜为1.2 m，支撑管焊件间距宜为2 m以内，栏杆底部应设置高度不低于18 cm的挡脚板，其具体结构如图4所示。

图4 一种新型临边防护栏结构示意图

新型临边防护栏装配步骤如下：先将支撑管焊件下端部位通过锁紧组件使之与预埋钢筋安装牢固，待相邻支撑管焊件安装完毕后，把防护网构件通过螺栓组件与支撑管焊件上部耳座匹配安装牢固。

目前新型临边防护栏已在湖南某高速公路桥梁施工现场进行了试装，施工过程和试装后效果反响良好，装配效果如图5所示。

3 临边防护装置结构设计验算

依据《建筑防护栏杆技术标准》（JGJ/T 470-2019）文件，临边防护栏材料拟采用热轧Q235B钢，屈服强度为235 MPa。其计算固定约束边界条件：根据安装方式及承受载荷情况，固定左右支撑管焊件1下部安装底座下边缘。其计算载荷：目前国内标准对临边护栏计算时的载荷暂无要求，参考GB 11567《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》中的规定，用直径220 mm±10 mm 的圆形平压头施以1000 N的静压力垂直作用于该装置外表面的各部分时，其因受力而产生的变形应符合要求[6]。本文验算选择施加垂直载荷在框架上部中间部位上的危险工况，进行强度、变形的安全校核。经ANSYS分析软件分析计算，其等效应力云图如图6所示，总变形云图如图7所示。

图6 工况等效应力云图

图7 工况总变形云图

从等效应力云图可看出，除支撑管焊件1上的耳座局部应力集中外，临边防护栏主体结构在此危险工况下的应力小于235 MPa， 即应力值在材料的屈服强度以下；从总变形云图可看出：临边防护栏的整体总变形量为70.366 mm，最大变形发生在钢丝网框架上部加载区域，变形方向与实际相符。通过对临边防护栏在危险工况下强度和刚度的分析计算，结合现场施工情况，防护栏的强度和刚度均满足实际需求。

4 结语

新型公路桥梁临时临边防护栏结构充分考虑了施工现场实际情况，取消了现场施焊工艺，避免了安装防护栏对桥面两侧预埋钢筋的损伤；防护栏均采用螺栓连接形式，安装方便牢固。目前新型临边防护栏已在某高速公路桥梁施工现场进行了试装，效果反响良好，可供公路桥梁工程施工现场参考使用。