汽車碰撞荷載下橋面板懸臂設(shè)計(jì)研究

謝玉萌， 朱自萍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

防撞護(hù)欄是公路安全防護(hù)設(shè)施的主要設(shè)施,主要功能是對失控車輛進(jìn)行有效的防護(hù),阻止車輛沖出路(橋)外,防止造成更嚴(yán)重的人員傷亡和更大的經(jīng)濟(jì)損失。按照路段不同，護(hù)欄可劃分為路基護(hù)欄和橋梁護(hù)欄。橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)是橋梁工程與道路交通安全設(shè)施的重要組成部分。在橋梁工程設(shè)計(jì)與施工時(shí),必須以安全為前提,綜合考慮施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本、交通壓力等因素影響,采用符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)施工方案,其中橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)也應(yīng)達(dá)到相應(yīng)防撞等級的安全性能評價(jià)指標(biāo)。橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)作為橋梁公路上的安全防護(hù)設(shè)施,在車輛失控碰撞護(hù)欄時(shí),通過護(hù)欄變形或車輛爬高來吸收碰撞能量,改變車輛行駛方向,阻止車輛越出路外,以盡可能降低事故風(fēng)險(xiǎn),減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

目前國內(nèi)大多數(shù)高速公路上的箱梁橋、T梁橋的橋面板懸臂設(shè)計(jì)中,基本上都對設(shè)計(jì)荷載和驗(yàn)算荷載非常重視,并根據(jù)相關(guān)荷載組合進(jìn)行橋面板的強(qiáng)度設(shè)計(jì),而忽視了在車輛對護(hù)欄碰撞荷載下的橋梁懸臂板的強(qiáng)度計(jì)算。實(shí)際上,真正控制橋梁橋面板懸臂設(shè)計(jì)的荷載往往是車輛側(cè)向碰撞荷載。2017年11月17日交通運(yùn)輸部發(fā)布《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》并于2018年1月1日起施行。本文基于這兩個(gè)文件對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋面板懸臂在汽車碰撞偶然荷載作用下進(jìn)行計(jì)算,給出不同護(hù)欄防護(hù)等級下所需要的懸臂板最少配筋,為類似橋梁計(jì)算提供參考。

1 工程概況

以公路橋梁中常見的30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為分析對象,梁體采用C50混凝土,梁高1.6 m。采用混凝土護(hù)欄等級為SS、SA、SB級分別進(jìn)行驗(yàn)算,如圖1所示。

2 橋面板懸臂驗(yàn)算

2017版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄D.4.1規(guī)定,驗(yàn)算狀態(tài)Ⅰ和狀態(tài)Ⅱ下橋面板懸臂的承載能力。狀態(tài)Ⅰ為橫向和縱向碰撞荷載作為偶然荷載的承載能力極限狀態(tài)。狀態(tài)Ⅱ?yàn)樨Q向碰撞荷載作為偶然荷載的承載能力極限狀態(tài)。

圖1 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁斷面圖(單位:mm)

2.1 橋面板懸臂驗(yàn)算狀態(tài)Ⅰ

狀態(tài)Ⅰ計(jì)算簡圖如圖2所示。將上部橫向碰撞力下移到橋面板,對于懸臂板任意截面,其受力體系如圖3所示。懸臂板橫向軸方向合力為零。

圖2 橋面懸臂設(shè)計(jì)狀態(tài)Ⅰ計(jì)算簡圖

圖3 橋面懸臂設(shè)計(jì)狀態(tài)Ⅰ受力體系

式中:C為混凝土承受的壓力;T為碰撞荷載引起的橋面板內(nèi)的軸向拉力。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄D.4.2軸向拉力T可表示為:

式中:RW為護(hù)欄抗力;Lc為屈服線破壞模式的臨界長度;H為混凝土護(hù)欄的高度。

對懸臂板任意截面受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力合力作用點(diǎn)取距,截面應(yīng)滿足:

(1) 碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段,驗(yàn)算A-A截面,參數(shù)見表1。

表1 30 m箱梁參數(shù)表

SS級護(hù)欄截面面積:0.4725 m2;Rw=867.7 kN;

護(hù)欄自重產(chǎn)生的彎矩:

Mb=0.4725×1×26×(0.5-0.183)=3.89 kN·m;

懸臂橋面板自重產(chǎn)生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.222-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.630 5 kN·m。

碰撞荷載產(chǎn)生的彎矩:碰撞荷載產(chǎn)生的彎矩等效為護(hù)欄根部彎曲抗力Mc,Mc=110.2 kN·m;

偶然組合彎矩設(shè)計(jì)值:

Mu=γ0Md=1.0(Mb+Mc+Ms)=3.89+0.6305+110.2=114.7 kN·m;

軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)段:

正截面強(qiáng)度驗(yàn)算:截面高度為0.222 m,采用直徑16 mm的橫向鋼筋,筋中心至截面邊緣的距離為39.2 mm,混凝土強(qiáng)度等級為C50。計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 A-A截面計(jì)算參數(shù)表

受壓區(qū)高度:x=(Asfyk-T)/(fcb)=65.8 mm;

(2)碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段,驗(yàn)算B-B截面,參數(shù)見表3。

護(hù)欄自重產(chǎn)生的彎矩:Mb=0.4725×1×26×(0.817-0.183)=7.78 kN·m;

懸臂橋面板自重產(chǎn)生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.25-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.660 8 kN·m;

第2次手術(shù)時(shí)間（118.53±42.62）min，出血量（85.61±30.83）ml；后路選擇性減壓4例，神經(jīng)根癥狀消失，術(shù)后傷口愈合好，沒有出現(xiàn)并發(fā)癥。

橋面鋪裝產(chǎn)生的彎矩:M1=(H4-0.5)×(H4-0.5)×0.5×(0.1×26+0.1×24)=0.2512 kN·m;

碰撞荷載產(chǎn)生的彎矩:

偶然組合彎矩設(shè)計(jì)值:

Mu=γ0Md=1.0(Mb+Mc2+Ms+M1)

=7.78+0.6608+0.2512+100.9=109.6 kN·m;

軸向拉力:

正截面強(qiáng)度驗(yàn)算:截面高度為0.25 m,采用直徑16 mm的橫向鋼筋,鋼筋中心至截面邊緣的距離為39.2 mm,混凝土強(qiáng)度等級為C50。計(jì)算參數(shù)見表3所示:

表3 B-B截面計(jì)算參數(shù)表

2.2 橋面板懸臂驗(yàn)算狀態(tài)Ⅱ

狀態(tài)Ⅱ計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4 橋面懸臂設(shè)計(jì)狀態(tài)Ⅱ計(jì)算簡圖

護(hù)欄自重產(chǎn)生的彎矩:

Mb=0.472 5×1×26×(0.817-0.183)=7.78 kN·m;

懸臂橋面板自重產(chǎn)生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.25-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.660 8 kN·m;

橋面鋪裝產(chǎn)生的彎矩:M1=(H4-0.5)×(H4-0.5)×0.5×(0.1×26+0.1×24)=0.2512 kN·m;

豎向碰撞荷載,取33 t火車:

Fv=33 000 kg×9.8 N/kg=323.4 kN;

豎向碰撞荷載分布長度,取33 t貨車的車長:

Lv=11.9 m；

受壓區(qū)高度：x=(Asfyk)/(fcb)=71.8 mm；

As取最大值為2 043 mm2,直徑16 mm鋼筋面積為201 mm2,因此至少需要11根直徑16 mm鋼筋。

SA、SB級采用相同的方法進(jìn)行計(jì)算,各等級最少需要的懸臂板橫向鋼筋見表4。

表4 各等級護(hù)欄需要的橋面板懸臂配筋表

由計(jì)算過程可以看出,橋面板懸臂強(qiáng)度計(jì)算與護(hù)欄的強(qiáng)度相關(guān),護(hù)欄等級越高,護(hù)欄的抗力越大,懸臂板需要的配筋也相應(yīng)加大。因此懸臂板設(shè)計(jì)要和護(hù)欄的設(shè)計(jì)相匹配,結(jié)合護(hù)欄的等級進(jìn)行驗(yàn)算。

3 結(jié)束語

通過對30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在汽車碰撞偶然荷載作用下的橋面板懸臂計(jì)算研究,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 橋面板懸臂的驗(yàn)算要結(jié)合所選用的護(hù)欄形式、護(hù)欄防護(hù)等級進(jìn)行。

(2) 護(hù)欄的等級越高,抗力越大,橋面板懸臂需要的配筋越強(qiáng),因此在選取護(hù)欄等級時(shí)要綜合考慮。

(3) 護(hù)欄的設(shè)計(jì)要符合相應(yīng)的等級,不能過度設(shè)計(jì),否則會(huì)導(dǎo)致橋面板懸臂也進(jìn)行過度設(shè)計(jì)。