某上跨鐵路立交橋防撞護(hù)欄維修加固設(shè)計(jì)

黃宗根

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

1 工程概況

天津市某公路立交橋跨越既有鐵路，現(xiàn)有防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式為預(yù)制拼裝防撞護(hù)欄，預(yù)制塊標(biāo)準(zhǔn)長度為62.5 cm，防撞護(hù)欄根部鋼筋與梁體預(yù)埋鋼筋焊接固定。由于公路立交橋修建年代較早，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，跨鐵路段防撞護(hù)欄鋼柱及混凝土均有破損；個(gè)別部位預(yù)制拼裝塊已向外側(cè)移動，最大位移量3 cm，急需進(jìn)行維修加固。且現(xiàn)狀跨越既有鐵路段防撞欄桿混凝土基礎(chǔ)外露高度僅為48 cm，鋼立柱高28.55 cm，不滿足現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2006）要求，為保證公路及鐵路的運(yùn)營安全，故對立交橋防撞護(hù)欄進(jìn)行維修加固設(shè)計(jì)。

2 防撞護(hù)欄維修加固設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

（1）設(shè)計(jì)必須滿足國家有關(guān)規(guī)范和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)定，同時(shí)要便于施工及養(yǎng)護(hù)管理。

（2）附加荷載須滿足既有橋梁的承載能力。

（3）防撞等級在滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上適當(dāng)提高等級，確保公路及橋下鐵路運(yùn)營安全。

（4）施工應(yīng)滿足鐵路運(yùn)營安全及相關(guān)要求。

2.2 工程設(shè)計(jì)

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)

按混凝土防撞墻設(shè)計(jì)，橫向變形Z=0、最高等級橫向碰撞力P=365 kN，作用點(diǎn)高度為橋面以上1.05 m。

（2）防撞等級

本橋設(shè)計(jì)等級為公路一級，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，按《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2006）第5.2.5條規(guī)定，防撞等級須滿足S B級。

（3）結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)構(gòu)尺寸滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2006）第5.4.4條組合式護(hù)欄的構(gòu)造要求：設(shè)計(jì)采用混凝土結(jié)構(gòu)部分高度為高出橋面以上66 cm，根部寬度為51 cm,防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 防撞護(hù)欄構(gòu)造圖（單位:cm）

（4）防拋網(wǎng)設(shè)置

本橋跨越既有鐵路段及兩端各向外延伸一孔范圍設(shè)置防拋網(wǎng)，防拋網(wǎng)高度為高出橋面以上2.2m。

（5）對既有鐵路影響

a.原橋護(hù)欄拆除

原橋護(hù)欄拆除采用縱向分塊整體切除，分塊長度2.5 m。先拆除非跨線部分護(hù)欄，后拆除跨線部分護(hù)欄，根據(jù)非跨線部分拆除情況不斷優(yōu)化跨線部分拆除方案，最大限度減小對橋下既有鐵路的影響?？缇€部分護(hù)欄拆除，采用橋面設(shè)伸臂+防護(hù)板方式邊防護(hù)邊拆除。

b.模板安裝和拆除

跨線部分護(hù)欄向內(nèi)縮，護(hù)欄外緣至箱梁懸臂端留出4 cm供模板支撐用，模板安裝和拆除均在橋面板以內(nèi)，從而減小對橋下既有鐵路的影響。

c.混凝土澆筑

跨線部分橋面護(hù)欄采用拆除一孔重建一孔，減小大面積澆筑混凝土對橋下既有鐵路的影響。

3 既有立交橋檢算

防撞護(hù)欄維修更換引起恒載、活載和撞擊力標(biāo)準(zhǔn)變化，影響懸臂板的受力安全性。本設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)法檢算懸臂板。

（1）恒載：護(hù)欄及防拋網(wǎng)合計(jì)每延米重8.34 kN；

（2）活載：公路一級荷載，沖擊系數(shù)取0.3；

（3）風(fēng)荷載：無人時(shí) 600 P a，有人時(shí) 119 P a（六級風(fēng)）；

（4）汽車撞擊力：根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81－2006）規(guī)范第 5.1.2條：防撞等級為S B級組合式護(hù)欄混凝土部分最小高度要求為65 cm，撞擊力荷載取值P=365 kN，P0=1/4P=91.25 kN。

經(jīng)檢算，控制工況為恒載+汽車撞擊力，受拉區(qū)最小配筋面積為4 324 mm2，實(shí)際采用配筋面積為5 360 mm2。正常使用狀態(tài)短期組合作用下，最大裂縫跨度為0.057 mm，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，為滿足S B級防撞要求，對懸臂板頂面鋼筋進(jìn)行維修加固，鑿除既有橋面1.1 m寬度范圍的瀝青混凝土鋪裝層、防水混凝土鋪裝層和箱梁頂面4 cm保護(hù)層，露出箱梁頂面鋼筋并除銹，施做加強(qiáng)鋼筋及橋面鋪裝。

4 施工防護(hù)設(shè)計(jì)

跨線段護(hù)欄拆除時(shí)，采用橋面設(shè)掛籃防護(hù)支撐體系邊防護(hù)邊拆除，掛籃防護(hù)支撐體系的穩(wěn)定系數(shù)不小于2.0。掛籃防護(hù)支撐體系底面和側(cè)面采用竹膠板+絕緣墊+鍍鋅白鐵皮全封閉，掛籃全寬6.15 m，占用橋面寬度約5 m。掛籃支撐防護(hù)體系立面見圖2。

圖2 掛籃支撐防護(hù)體系立面圖（單位:mm）

4.1 掛籃制作

（1）主要材料

熱軋方鋼（□150×150×8×8、□150×150×10×10）、H 型鋼 H N150×75×5/7、等邊角鋼（∠100×8）、 圓鋼Φ50、14#槽鋼及鋼絞線（1-7Φ5）。

鋼板和型鋼采用：Q235qD和Q345qD。

（2）掛籃構(gòu)造

掛籃的基本結(jié)構(gòu)按照用途不同可分為外掛籃、主桁移動小車、配重框、頂部連接裝置等四部分。掛籃支撐防護(hù)體系現(xiàn)場施工照片見圖3。

圖3 掛籃支撐防護(hù)體系現(xiàn)場施工照片

a.外掛藍(lán)

外掛籃為懸挑系統(tǒng)，整個(gè)掛籃框架主體由熱軋方鋼拼裝、焊接而成。懸挑部分為承重掛籃，外掛籃在施工過程中為一個(gè)整體封閉結(jié)構(gòu)，封閉掛籃底部框架由熱軋方鋼拼裝、焊接而成，框架中間設(shè)置三根H型鋼（H N150×75×5/7）橫向肋，框架上鋪設(shè)木墊板，木墊板上鋪竹膠板，竹膠板上設(shè)絕緣墊，絕緣墊上設(shè)鍍鋅白鐵皮防水層，與箱梁側(cè)面接觸處設(shè)置豎向擋板，形成與鐵路設(shè)備完全隔離的封閉施工環(huán)境。

b.主桁移動小車

主桁移動小車主體由熱軋方鋼拼裝、焊接而成,內(nèi)部采用等邊角鋼斜向肋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。桁架底部為行走系統(tǒng)，行走系統(tǒng)車輪為鐵路器材廠成品Φ20 cm實(shí)心車輪，車輪行走軌道采用14＃槽鋼固定引導(dǎo)，主桁架是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主體，能夠起到平衡整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)也是行走系統(tǒng)的主要部分。

考慮橋梁道路豎曲線和平面曲線，外掛籃按每節(jié)5 m制作，消除道路豎曲線產(chǎn)生的縱向撓度，減少平面移動的不便，同時(shí)便于運(yùn)輸、拼裝及根據(jù)不同長度的調(diào)節(jié)需要。

c.配重框

配重框的作用主要是用于平衡外掛籃內(nèi)的施工荷載，配重框外框架全部采用熱軋方鋼拼裝、焊接而成，內(nèi)部采用等邊角鋼橫向肋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，形成整體框架。配重框內(nèi)配重可根據(jù)現(xiàn)場施工條件采用砂袋或鋼軌等物體，滿足設(shè)計(jì)提出的荷載要求即可，本著有利于受力平衡的原則，盡量均勻擺放于掛籃結(jié)構(gòu)外側(cè)。

d.頂部連接裝置

頂部連接裝置的作用是將外掛籃、主桁移動小車、配重框連接成一個(gè)整體，其布置于整個(gè)結(jié)構(gòu)的頂部，采用熱軋方鋼及鋼絞線組合而成。

4.1 掛籃檢算

根據(jù)掛籃模型計(jì)算簡圖，采用M ID A S有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，各桿件均采用梁單元模擬。掛籃每節(jié)5 m，按5節(jié)拼裝，長25 m檢算。掛籃有限元計(jì)算模型見圖4。

圖4 掛籃有限元計(jì)算模型

（1）掛籃配重計(jì)算

配重計(jì)算工況：要求施工時(shí)傾覆安全系數(shù)不小于2.0。

工況1：自重+2倍施工荷載+最小配重1；

工況2：自重+2倍設(shè)計(jì)風(fēng)荷載+最小配重2；

工況3：自重+1倍施工荷載+2倍9級風(fēng)荷載+最小配重3。

以前軸為轉(zhuǎn)動軸，后軸支點(diǎn)豎向反力為零，掛籃處于傾覆的臨界狀態(tài)時(shí)，計(jì)算出各工況的最小配重計(jì)算結(jié)構(gòu)見表1。

為提高掛籃使用的安全性，在掛籃框架主桁移動小車配重采用不小于230 kg/m的沙袋，同時(shí)核定要求在掛籃內(nèi)施工操作人員重量不大于90 kg/m。

（2）掛籃強(qiáng)度檢算

掛籃強(qiáng)度檢算工況：

工況1：自重+配重+施工荷載；

工況2：自重+配重+施工荷載+9級風(fēng)荷載；

工況3：自重+配重+設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。

掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算結(jié)果見表2。

由表2可知，在以上三種工況作用下，掛籃各部分構(gòu)件應(yīng)力均小于允許值，外掛籃最大豎向撓度為19.1 mm。

表2 掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算結(jié)果（應(yīng)力：MPa，撓度：mm）

列舉工況2作用下，掛籃強(qiáng)度檢算結(jié)果及產(chǎn)生豎向撓度見圖5～圖7。

圖5 鋼絞線應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6 掛籃應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖7 掛籃豎向撓度圖（單位：mm）

（3）掛籃抗傾覆性檢算

因掛籃是放在橋面上的，沒有與橋梁連接，故需要對掛籃進(jìn)行抗傾覆檢算，檢算工況如下：

工況1：自重（拼裝時(shí)自穩(wěn)性檢算）；

工況2：自重+2倍配重；

工況3：自重+配重+設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。

a.工況1：為考察掛籃結(jié)構(gòu)在拼裝階段還未加載配重時(shí)的自穩(wěn)性，經(jīng)計(jì)算掛籃在自重作用下后軸排支反力最小值為0.3 kN，均為正值，說明掛籃在自重作用下不會發(fā)生傾覆。掛籃在拼裝完成后應(yīng)及時(shí)加載配重。

b.工況2：為考察掛籃在加載完配重（考慮1倍超載）還未上施工荷載階段的反向傾覆穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算掛籃在工況2下前軸排支反力最小值為9.9 kN，均為正值，說明掛籃在此階段不會發(fā)生傾覆。

c.工況3：大風(fēng)天氣暫停施工，考慮風(fēng)荷載作用下掛籃的傾覆穩(wěn)定性檢算。

設(shè)計(jì)風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)值:F=594 N/m2，25 m長度范圍內(nèi)防護(hù)板高度為2.2 m，最大力臂為1.1 m。

正向傾覆檢算：以前軸為軸計(jì)算出不平衡力矩為35 937 N·m小于施工荷載引起的不平衡力矩 49 912.5 N·m。

反向傾覆檢算：以后軸為軸計(jì)算出不平衡力矩為35 937 N·m小于工況2情況下的配重1倍超載引起的不平衡力矩42 500 N·m。

綜上所述，故不需再進(jìn)行抗風(fēng)傾覆檢算。

（4）掛籃穩(wěn)定性檢算

荷載工況組合：自重+配重+施工荷載，計(jì)算的屈曲模態(tài)數(shù)量為10。

計(jì)算結(jié)果由圖8可知：計(jì)算出掛籃屈曲穩(wěn)定系數(shù)為678.6，此時(shí)模態(tài)為整體順橋向倒塌。678.6＞4.0，故掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

圖8 掛籃屈曲失穩(wěn)圖

5 結(jié)語

通過對天津市某上跨鐵路立交橋防撞護(hù)欄進(jìn)行維修加固設(shè)計(jì)，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)供同類工程維修加固設(shè)計(jì)參考：

（1）在進(jìn)行維修加固設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)收集既有立交橋的相關(guān)圖紙資料，其次應(yīng)實(shí)地對既有鐵路相關(guān)設(shè)備與上跨立交橋的相互位置關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果和設(shè)計(jì)需要提出具體的測量要求。

（2）對路局提出的施工防護(hù)要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，保證施工安全及橋下既有鐵路運(yùn)營安全。

（3）根據(jù)道路等級及現(xiàn)行規(guī)范要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)防撞等級的防撞護(hù)欄，并對既有立交橋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和檢算。

（4）掛籃支撐防護(hù)體系一節(jié)長度不宜設(shè)計(jì)過大，應(yīng)根據(jù)公路橋縱坡大小，以及方便現(xiàn)場安裝和施工的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（5）充分考慮各種工況作用下，對掛籃支撐防護(hù)體系進(jìn)行配重計(jì)算、強(qiáng)度檢算、抗傾覆性檢算和穩(wěn)定性檢算。

（6）公路立交橋下為電氣化鐵路時(shí)須用導(dǎo)線將掛籃防護(hù)支撐體系接地，接地電阻應(yīng)小于4Ω。