橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝護(hù)欄試驗研究及分析

陳 軻,糜徑超,金石川

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院,浙江 杭州 311122)

護(hù)欄作為橋梁的附屬結(jié)構(gòu)物,是一種重要的安全防護(hù)物。目前國內(nèi)公路橋梁護(hù)欄普遍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)欄的形式,其具有剛度大、造價經(jīng)濟(jì)、防撞性能強(qiáng)的優(yōu)點,但在實際施工中存在以下不足之處。

(1)模板安裝復(fù)雜,需要輔助安裝設(shè)備,且易發(fā)生跑?，F(xiàn)象。

(2)大量的鋼筋運(yùn)輸和加工作業(yè),現(xiàn)場鋼筋綁扎焊接,工期長、效率低。

(3)正立澆筑導(dǎo)致護(hù)欄厚度變化處振搗不充分,易出現(xiàn)空洞、蜂窩麻面和開裂等病害。

(4)現(xiàn)場工人在主梁懸臂外高空作業(yè),具有一定危險性。

(5)澆筑過程中對橋下空間產(chǎn)生一定的干擾。

近年來,隨著快速化、裝配化的建橋理念不斷推廣,節(jié)段預(yù)制拼裝護(hù)欄[1]因其施工快捷、集中生產(chǎn)、質(zhì)量可控等優(yōu)點得到了大量的關(guān)注。在臺金高速工程中,為合理選取預(yù)制護(hù)欄形式,對多種護(hù)欄形式進(jìn)行進(jìn)一步研究和比選分析。

1 構(gòu)造及受力分析

臺金高速主線高架上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制T梁,原設(shè)計采用SA級現(xiàn)澆混凝土護(hù)欄,在施工過程中,建設(shè)單位希望充分利用現(xiàn)有預(yù)制場地標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),加快施工進(jìn)度并提升護(hù)欄澆筑質(zhì)量,擬選取試驗段橋梁變更為節(jié)段預(yù)制拼裝護(hù)欄。預(yù)制護(hù)欄的關(guān)鍵技術(shù)點為護(hù)欄與橋面板的連接構(gòu)造及預(yù)制工法,連接的可靠性和施工的便利性影響護(hù)欄的防撞性能和施工質(zhì)量。經(jīng)借鑒國內(nèi)相關(guān)案例[2,3]與進(jìn)一步創(chuàng)新,擬對以下三種護(hù)欄方案進(jìn)行比選。

1.1 螺栓連接式

(1)構(gòu)造特點

該方案護(hù)欄預(yù)制節(jié)段長度為4 m,外觀與普通現(xiàn)澆護(hù)欄無異。預(yù)制時,在護(hù)欄內(nèi)部每隔1 m預(yù)埋一組2根共計8根M30六角螺栓,相對應(yīng)梁板位置則預(yù)埋直徑48 mm的鋼套筒,套筒與Φ21×1.5 mm注漿管相連,注漿管開口位于橋面板頂部,同時在套筒頂部設(shè)置水平出漿口。其施工步驟如下:提前在預(yù)制場完成護(hù)欄節(jié)段施工,待上部結(jié)構(gòu)施工完畢后,現(xiàn)場吊裝預(yù)制護(hù)欄節(jié)段,將螺栓插入鋼套管內(nèi),擰緊橋面板底部螺母,通過預(yù)埋注漿管注入砂漿至鋼套筒內(nèi)直至出漿口有漿液流出,保證填充密實,使螺栓與套筒緊密結(jié)合。

(2)結(jié)構(gòu)計算

預(yù)制護(hù)欄通過預(yù)埋螺栓與主梁懸臂連接,在車輛碰撞荷載作用下,螺栓承受水平向剪切力和向上的拉拔力。根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》[4],SA級橋梁護(hù)欄碰撞力為86 kN/m,將該碰撞力加載至護(hù)欄頂部,驗算工況下螺栓的受力情況。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5](GB 50017—2017),對于同時承受剪力和軸向拉力的普通螺栓,經(jīng)驗算符合規(guī)范中公式(1)要求

=0.81≤1

(1)

采用有限元軟件進(jìn)行護(hù)欄的局部分析,建模時詳細(xì)模擬了護(hù)欄、螺栓、鋼管和部分懸臂,考慮到結(jié)構(gòu)和受力的對稱性,建立了一半預(yù)制節(jié)段即2 m長的護(hù)欄模型。模型中有幾點近似的假設(shè):(1)不考慮護(hù)欄普通鋼筋對結(jié)構(gòu)剛度影響;(2)不考慮預(yù)制護(hù)欄與橋面板之間以及螺栓、鋼管與混凝土之間存在的接觸非線性;(3)螺栓、鋼管與混凝土之間采用共節(jié)點的方式忽略鋼材表面與混凝土表面之間的滑移。

結(jié)果顯示螺栓的應(yīng)力最大值產(chǎn)生在護(hù)欄與懸臂接觸的位置,達(dá)到191 MPa;鋼套筒的應(yīng)力最大值也位于護(hù)欄與懸臂接觸的位置,達(dá)到293 MPa,對應(yīng)位置橋面板混凝土應(yīng)力也較大。從整體上看,結(jié)構(gòu)受力在規(guī)范材料設(shè)計允許范圍之內(nèi),但結(jié)構(gòu)薄弱點位于護(hù)欄與懸臂接觸面應(yīng)力集中位置附近,應(yīng)引起高度重視。

1.2 鋼板連接式

(1)構(gòu)造特點

該方案護(hù)欄節(jié)段長度為4 m,預(yù)制時,每隔1 m在護(hù)欄內(nèi)部預(yù)埋一塊厚度20 mm的Q345上鋼板,在護(hù)欄鋼筋綁扎時即預(yù)埋入護(hù)欄內(nèi)部,鋼板雙側(cè)通過6根錨固鋼筋增強(qiáng)錨固性能。預(yù)制護(hù)欄時,在其內(nèi)側(cè)根部預(yù)留后澆槽口[6],使上鋼板部分外露。同時在T梁橋面板頂部也預(yù)埋一塊200 mm×180 mm×20 mm的下鋼板,頂部露出橋面1 cm,底部由8根錨固鋼筋與橋面板內(nèi)鋼筋連接。上、下鋼板之間預(yù)留約2 cm空隙。其施工步驟如下:提前在預(yù)制場完成護(hù)欄節(jié)段施工,待上部T梁架設(shè)完畢,吊裝預(yù)制護(hù)欄節(jié)段,現(xiàn)場臨時定位支護(hù),根據(jù)實測上下鋼板之間空隙,加工并插入調(diào)平鋼板,分別與上、下鋼板進(jìn)行焊接,然后對后澆槽內(nèi)進(jìn)行注漿填充,直至密實完成連接。

(2)結(jié)構(gòu)計算

采用有限元軟件取1 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段局部分析,建模模擬了橋面板、護(hù)欄、上下鋼板、調(diào)平鋼板以及錨固筋,對T梁懸臂根部采用固結(jié)邊界條件,施加撞擊力按SA級護(hù)欄取值,均布加載至護(hù)欄頂部。鋼筋與實體單元之間按耦合節(jié)點處理,并考慮鋼板與混凝土之間的接觸效應(yīng)。驗算結(jié)果表明,下鋼板內(nèi)側(cè)與錨固筋根部連接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大Mises應(yīng)力可達(dá)到237 MPa,對應(yīng)位置的橋面板混凝土局部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,表明下鋼板的錨固是最不利的控制點,其余部位應(yīng)力分布較為均勻。

1.3 鋼筋連接式

(1)構(gòu)造特點

該方案護(hù)欄外觀和鋼筋布置形式與常規(guī)現(xiàn)澆護(hù)欄基本一致,不同點在于預(yù)制時,在底部設(shè)置22.5 cm×20 cm的后澆槽,此槽口作為焊接空間。護(hù)欄抗拔主要依靠護(hù)欄內(nèi)側(cè)兩道預(yù)埋的d16鋼筋與預(yù)埋在橋面板內(nèi)的d16鋼筋之間的單面焊縫,鋼筋焊接長度保證10 d。其施工步驟如下:提前在預(yù)制場完成護(hù)欄節(jié)段施工,待上部T梁架設(shè)完畢,將護(hù)欄置于座漿層上進(jìn)行定位,然后焊接預(yù)埋鋼筋,再澆筑橋面調(diào)平層混凝土,后澆槽內(nèi)部分混凝土隨橋面調(diào)平層一同澆筑,后設(shè)立側(cè)鋼模板,模板上預(yù)留注漿孔與出漿孔將剩余的槽口部分注漿密實。

(2)結(jié)構(gòu)計算

該方案的受力特性與現(xiàn)澆護(hù)欄基本無異,由表1可知,鋼筋應(yīng)力計算結(jié)果都可滿足規(guī)范要求。

表1 鋼筋拉應(yīng)力計算結(jié)果

2 方案比選分析

(1)力學(xué)性能

螺栓連接式利用螺栓直接插入橋面板內(nèi)并通過螺母錨固在懸臂板底部,其錨固性能較好。但在4 m節(jié)段范圍內(nèi),受力點集中在8根螺栓位置,易導(dǎo)致集中受力下的隨機(jī)破壞[7]。鋼板焊接式主要依靠調(diào)平鋼板焊縫和錨固鋼筋將護(hù)欄荷載傳遞至橋面板,焊接質(zhì)量對護(hù)欄防撞性能起到?jīng)Q定性的影響,且同樣存在依靠局部傳力,受力集中的問題。鋼筋焊接式的傳力構(gòu)件為預(yù)埋錨固筋,其受力類似現(xiàn)澆護(hù)欄,延護(hù)欄通長等間距布置的鋼筋有利于荷載均勻傳遞至橋面板,而現(xiàn)澆護(hù)欄多年的應(yīng)用也證明其受力的可靠性。

鋼筋連接式護(hù)欄目前國內(nèi)外已有實車碰撞試驗,為探究螺栓連接式和鋼板連接式護(hù)欄的受力特性和破壞模式,為三者比選提供依據(jù),針對這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力加載試驗。試驗取4 m長標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段,加載采用自平衡的方式,在T梁頂部預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)反力架,采用2臺小型千斤頂串聯(lián)同步水平頂推的方式,根據(jù)規(guī)范,加載點中心距離護(hù)欄頂緣5 cm,并在護(hù)欄和千斤頂之間設(shè)置鋼墊板,為便于觀察,后澆槽內(nèi)的混凝土不予澆筑。加載流程先按0.1倍設(shè)計荷載預(yù)加載以消除非彈性變形,后分0.3、0.5、0.7、0.9、1.0五級逐級加載至規(guī)范設(shè)計荷載,最后加載至破壞為止。

通過對加載過程的跟蹤觀察,螺栓連接式護(hù)欄的極限承載力約為1.3倍設(shè)計荷載,其破壞狀態(tài)下,護(hù)欄未見明顯裂縫,但懸臂板底部螺栓錨固板位置有拔出趨勢,延橫橋向出現(xiàn)沖切裂縫,節(jié)段端部位置懸臂板側(cè)面有較深的斜向裂縫,說明該方案受力集中較為明顯,且橋面板破壞先于護(hù)欄自身破壞。鋼板連接式護(hù)欄加載至設(shè)計荷載時結(jié)構(gòu)無明顯裂縫出現(xiàn),1.2倍設(shè)計荷載時,翼板頂面混凝土開始出現(xiàn)開裂剝離現(xiàn)象,橫向位移快速增加,加載至約1.5倍設(shè)計荷載時,翼板頂部完全破裂。其破壞模式為橋面板下鋼板的錨固筋出現(xiàn)斷裂,極限破壞狀態(tài)下,下鋼板出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)動變形,導(dǎo)致護(hù)欄整體轉(zhuǎn)動后外側(cè)掛檐與懸臂板外側(cè)頂緊,直至出現(xiàn)斜裂縫。上述兩種護(hù)欄都存在受力集中,局部開裂的問題。

(2)施工便利性

為保證在只有18 mm定位容差的條件下,將M30螺栓插入直徑48 mm鋼套筒,螺栓連接式護(hù)欄在預(yù)制時要求對螺栓和套筒進(jìn)行精確定位,尤其當(dāng)護(hù)欄位于曲線段橋梁時,這種結(jié)構(gòu)在實際施工中操作難度極大[8]。鋼板連接式護(hù)欄因其下鋼板平面尺寸較大,上鋼板誤差容差較大,平面定位難度相對較小,但由于梁板預(yù)制時的誤差和縱坡影響,上下鋼板之間的間隙會在2 cm上下浮動,要求調(diào)平鋼板需要根據(jù)實測間隙進(jìn)行切削等特殊定制,不利于大批量的快速施工。另外后澆槽空間狹小,工人焊接鋼板操作不便。相較而言,鋼筋連接式護(hù)欄因預(yù)埋鋼筋的間距可通過胎架進(jìn)行提前定位,且實際操作中可以適當(dāng)掰動鋼筋,其定位難度相對較小,但現(xiàn)場鋼筋焊接工作量最大,且后澆槽空間狹小工人焊接操作不便。

(3)經(jīng)濟(jì)性

以4×30 m一聯(lián)T梁合計240 m長預(yù)制護(hù)欄為例,對上述三種方案進(jìn)行測算。如表2所示,相比普通現(xiàn)澆護(hù)欄,三種預(yù)制護(hù)欄材料費和機(jī)械費用都有增加,但可以大大節(jié)約人工,縮短工期。螺栓連接式和鋼板連接式合計造價基本相當(dāng),較現(xiàn)澆護(hù)欄增加約8 000元,工期分別縮短5 d和4 d;鋼筋連接式較現(xiàn)澆護(hù)欄節(jié)省194元,但總工期較另外兩者長。

表2 4×30 m一聯(lián)預(yù)制護(hù)欄較現(xiàn)澆護(hù)欄工料機(jī)增減對比表

對上述三種類型護(hù)欄綜合比選如表3所示。

表3 三種類型預(yù)制護(hù)欄比選表

3 結(jié) 語

以臺金高速預(yù)制護(hù)欄設(shè)計變更為背景,結(jié)合有限元分析計算和試驗研究結(jié)果,對三種類型的節(jié)段預(yù)制護(hù)欄從結(jié)構(gòu)受力、施工方法、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行比選分析,得出以下結(jié)論。

(1)鋼筋連接式預(yù)制護(hù)欄雖然存在焊接工作量大、后澆槽色差等缺點,但具有節(jié)約工期、傳力均勻、實際可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢。

(2)鋼板連接式和螺栓連接式護(hù)欄在與主梁結(jié)合部位受力較為集中,且如何適應(yīng)曲線超高段橋梁等復(fù)雜情況帶來的施工精度問題有待進(jìn)一步研究深化。

(3)依托項目僅對試驗段2 km長度采用預(yù)制護(hù)欄,因此經(jīng)濟(jì)性上相較現(xiàn)澆護(hù)欄無明顯提升,若進(jìn)行大規(guī)模預(yù)制生產(chǎn),其固定成本會進(jìn)一步攤銷,考慮到不斷上漲的人力成本以及預(yù)制護(hù)欄可充分利用預(yù)制場進(jìn)行提前標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),加快施工進(jìn)度、提升澆筑質(zhì)量,預(yù)制護(hù)欄的綜合效益優(yōu)于現(xiàn)澆護(hù)欄。