預制混凝土護欄及連接設計研究

劉婉玥, 楊 凱

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，快速化、裝配式的綠色橋梁建造理念得到長足的發(fā)展，裝配式橋梁的附屬設施也得到了關注。橋梁的防撞護欄是橋梁的重要組成部分，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土護欄通常采用現(xiàn)場綁扎鋼筋、現(xiàn)澆混凝土施工的方法制作。大量的鋼筋運輸和加工作業(yè)既費時又費力，極大地增加了項目的施工工期和成本，且無法保證現(xiàn)澆施工的質(zhì)量。

預制裝配式護欄可實施性強，適應性強。保證了防撞護欄的施工質(zhì)量安全的前提下，加快了施工進度。工廠產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)、固定連接、安裝等工序標準化作業(yè)，實現(xiàn)了高效裝配式的橋梁施工。相比常規(guī)的防撞護欄施工，不需要復雜的施工措施，節(jié)約了工期以及施工成本，經(jīng)濟效益顯著。因此，本文提出了幾種預制混凝土護欄結(jié)構(gòu)體系，并提出了相應的連接設計方案，能夠有效實現(xiàn)設計標準化、制造工廠化和施工裝配化。

1 預制混凝土護欄形式

目前國內(nèi)預制混凝土護欄形式參考《公路交通安全設施設計細則》，主要有3種形式，如圖1所示，由左至右分別為：單坡型、F型和加強型[1]。

圖1 混凝土護欄形式

2 護欄與橋面板連接設計方案

預制混凝土護欄的核心問題即預制構(gòu)件的連接設計。連接設計的有效性及其工序的便利性將直接影響施工質(zhì)量和施工效率。

目前已有多種方法對預制混凝土護欄進行錨固。預制混凝土護欄與橋面板連接的常見方法包括穿板型螺栓以及膠結(jié)型螺栓。穿板型螺栓連接方法需要在橋面板穿孔，螺栓穿過整塊橋面板以及護欄進行連接。螺栓兩端均需使用高規(guī)格的墊圈和螺母固定。這種方法常用于道路中央分隔帶護欄的固定，也可用于混凝土橋面板。由于兩側(cè)均有交通，這種護欄兩側(cè)均設置坡面并用螺栓固定連接。這種連接方法的難點在于需要到達橋面板下側(cè)來固定螺栓。除此之外，由于連接部位裸露，可能會存在腐蝕和風化問題。穿板型螺栓的連接細節(jié)構(gòu)造[2]如圖2所示。

另一種預制混凝土護欄與橋面板連接方式是采用膠結(jié)型螺栓。該方法需要在橋面板鉆孔，然后將螺栓穿過護欄并插入橋面板中，最后使用膠結(jié)劑來固定螺栓，連接構(gòu)造示意如圖3所示。這種方法的問題在于所用膠結(jié)劑的錨固強度難以保證。

圖2 穿板型螺栓連接細節(jié)構(gòu)造

圖3 膠結(jié)型螺栓連接細節(jié)構(gòu)造

穿板式連接預制混凝土護欄的另一種方法是通過預應力螺桿，螺桿穿過整個護欄墻體和橋面板，然后通過端部墊板、墊圈和螺母將預應力螺桿錨固到橋面板上。該連接構(gòu)造如圖4所示。和穿板式螺栓連接一樣，該方法同樣存在橋面板下側(cè)錨固安裝以及裸露連接部件腐蝕問題[3]。

圖4 預應力螺桿連接細節(jié)構(gòu)造

除了螺栓和螺桿連接方式之外，也可采用鋼筋連接的形式。一種方法是采用傾斜的鋼筋插入護欄墻體，在橋面板內(nèi)預埋波紋管，將鋼筋插入后進行灌漿。這種連接方法沒有鋼制構(gòu)件暴露在環(huán)境中。由于主連接件已經(jīng)預埋在橋面板中，因此連接構(gòu)造相對簡單，如圖5所示。采用該連接設計方案，發(fā)生車輛碰撞時，傾斜鋼筋與橋面板連接界面處的鋼筋會首先失效，從而使維修更換更加容易。相對于更換整體護欄和橋面板，僅需要拆除和更換損壞的護欄節(jié)段。由于連接鋼筋的失效使得橋面板的損壞最小化。但是由于波紋管及不銹鋼筋的使用，這種連接方案經(jīng)濟性可能不是很好。

圖5 斜鋼筋連接細節(jié)構(gòu)造

第二種連接方案采用U形鋼筋，垂直插入橋的懸臂下緣，穿過橋面板進入護欄墻體，并進行灌漿，具體的連接構(gòu)造如圖6所示。

圖6 U型鋼筋連接細節(jié)構(gòu)造

這種連接方案主要考慮節(jié)省成本以及確保耐久性。這種方案同樣也沒有鋼制構(gòu)件裸露，也不需要波紋管等連接件，因此造價相對更便宜。但如果遭到碰撞破壞，更換由U形鋼筋連接的護欄難度更大，且可能需要更換一部分橋面板。

3 護欄與橋面板連接設計計算

本文僅給出護欄與橋面板連接設計的理論計算依據(jù)，實際情況需根據(jù)試驗進行對比驗證。

根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》先計算出標準段預制混凝土護欄墻體關于橋梁縱軸的彎曲承載力矩Mc、護欄墻體關于其豎向軸的彎曲承載力矩Mw。

然后，計算屈服線發(fā)生的臨界長度Lc：

(1)

式中：H為護欄的有效高度,m；Lt為碰撞荷載分布的縱向長度,m；Mw為護欄關于其豎向軸的彎曲承載力矩,kN·m；Mb為護欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎曲承載力矩,kN·m；Mc為懸臂型護欄關于橋梁縱軸的彎曲承載力矩,kN·m/m。

計算護欄對抗橫向荷載的抗力標準值Rw：

(2)

取各種破壞模式下計算的Rw最小值作為護欄抗力標準值，并與對應等級的碰撞荷載進行比較。

護欄與橋面板之間的連接截面抵抗彎矩可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中關于單筋矩形截面正截面承載力計算的原理和方法進行計算[4]。

(3)

式中：S1為鋼筋或螺栓截面面積；fyk為材料屈服強度標準值；b為截面寬度；h0為截面的有效高度；x為受壓區(qū)高度。

連接構(gòu)造設計需滿足Md>Mc，即連接截面處正截面承載力大于護欄墻體關于橋梁縱軸的彎曲承載力矩。還需利用護欄對抗橫向荷載的抗力標準值Rw來驗算連接截面的抗剪承載能力。若均滿足則說明連接構(gòu)造設計滿足規(guī)范碰撞荷載作用下的受力需求。與此同時，還應驗算鋼筋或螺栓的錨固長度是否滿足要求。

4 結(jié)束語

本文主要對預制混凝土護欄的連接設計形式進行了較為全面的介紹，采用螺栓連接設計造價較高，一般會存在鋼制構(gòu)件裸露在環(huán)境中腐蝕風化的問題。采用鋼筋連接的經(jīng)濟性和耐久性較好，但是遇到碰撞損壞時更換拆卸工序與螺栓連接方案相比難度略大。預制混凝土護欄強度計算參考屈服線分析理論，連接構(gòu)造彎曲強度、剪切強度及錨固強度等需大于護欄墻體承載能力且需通過試驗進行對比驗證。