鋼護(hù)欄立柱背土質(zhì)量的研究與計(jì)算

柳 佳

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

中國(guó)公路隨著經(jīng)濟(jì)的騰飛而迅速發(fā)展，截至2019年中國(guó)公路總里程已達(dá)484.65萬(wàn)km。2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》指出，“提升本質(zhì)安全水平。完善交通基礎(chǔ)設(shè)施安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，持續(xù)加大基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)投入，提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)能力。”道路交通安全日漸人心，政府與人民對(duì)于交通安全的呼聲愈發(fā)強(qiáng)烈。新版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》已于2018年實(shí)施，重點(diǎn)提升了護(hù)欄防護(hù)的安全設(shè)計(jì)理念，波形梁鋼護(hù)欄作為被動(dòng)防護(hù)的重要環(huán)節(jié)，在我國(guó)興建公路中已經(jīng)成為最常用半鋼性護(hù)欄的一種，對(duì)駕駛?cè)说纳柏?cái)產(chǎn)安全起到了至關(guān)重要的作用，這種護(hù)欄的防護(hù)主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的形變及立柱支撐條件的反作用力完成的，結(jié)構(gòu)的形變量取決于護(hù)欄的材質(zhì)、厚度、結(jié)構(gòu)尺寸等，這些均已在規(guī)范中做出詳細(xì)的規(guī)定，而立柱的支撐條件主要受實(shí)際施工中土路肩的寬度、路基邊坡的坡度、土基的構(gòu)造物、土基的填料、壓實(shí)度等客觀條件的影響，本文針對(duì)鋼護(hù)欄立柱支撐條件的不同，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行鋼立柱支撐條件的分析、計(jì)算及補(bǔ)充。

1 影響立柱支撐條件的因素

國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)車足尺碰撞實(shí)驗(yàn)表明，鋼護(hù)欄立柱埋設(shè)于土基中，埋設(shè)強(qiáng)度主要決定于立柱埋設(shè)深度和土基對(duì)鋼立柱的約束力。按照規(guī)范規(guī)定，立柱埋設(shè)有其標(biāo)準(zhǔn)的深度，當(dāng)受土基中構(gòu)造物影響時(shí)，鋼立柱無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)深度打入，需要采用其他措施來(lái)加強(qiáng)深度不足的立柱的支撐條件，如縮短立柱間距、設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)、采用連續(xù)梁基礎(chǔ)等。土基對(duì)于鋼立柱的約束力主要是，護(hù)欄受到車輛碰撞產(chǎn)生荷載時(shí)，土基對(duì)于鋼立柱產(chǎn)生反作用的阻擋力，這種阻礙立柱外傾的力由土路肩的寬度、路基邊坡的坡度、土基的填料、土基的壓實(shí)度決定，當(dāng)土基的支撐條件不足時(shí)，同樣需要采取加強(qiáng)的方式彌補(bǔ)鋼立柱所缺失的約束力。

2 立柱支撐條件的計(jì)算

土基對(duì)于鋼立柱的約束能力集中體現(xiàn)在土基本身的質(zhì)量，與土基填料的體積和密度緊密關(guān)聯(lián)，通過(guò)計(jì)算出一根標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)深度的鋼立柱的背土質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，以此來(lái)分析當(dāng)支撐條件減弱時(shí)，通過(guò)何種補(bǔ)強(qiáng)來(lái)滿足至標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

圖1 鋼立柱背土約束力的影響范圍側(cè)面圖和平面圖

如圖1所示，鋼立柱背土的范圍可以按照分界虛擬線簡(jiǎn)化為上、下2個(gè)部分，可以得出下列計(jì)算公式

S1=X2

(1)

(2)

(3)

(4)

H=h1+h2+0.1H

(5)

V=V1+V2

(6)

m=ρV

(7)

式中：X為鋼立柱中心與土路肩外邊緣的距離，m；H為鋼立柱的埋設(shè)深度，m；h1、h2分別為分界后的上、下部的深度，m；S1為鋼立柱中心外側(cè)的背土頂面面積，m2；S2為鋼立柱中心外側(cè)的分界線處背土面積，m2；V1、V2分別為分界后的上、下部的體積，m3；V為對(duì)鋼立柱產(chǎn)生約束力的背土體積，m3；ρ為土基密度(一般取值為1.8 t/m3)，m為背土質(zhì)量，kg。

依照上述公式，分別對(duì)A、SB、SA級(jí)鋼護(hù)欄的1根鋼立柱標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)深度的背土質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

Gr-A-4E型托架式鋼護(hù)欄，如圖2所示。

圖2 托架式A級(jí)鋼護(hù)欄側(cè)面圖/mm

鋼立柱規(guī)格為φ140×4.5 mm，X取值為556 mm，H取值為1 400 mm，通過(guò)計(jì)算可以得出Gr-A-4E型托架式鋼護(hù)欄的一根立柱的背土質(zhì)量約為2.34 t。

Gr-A-4E型防阻塊式鋼護(hù)欄，如圖3所示。

圖3 防阻塊式A級(jí)鋼護(hù)欄側(cè)面圖/mm

鋼立柱規(guī)格為φ140×4.5 mm，X取值為439 mm，H取值為1 400 mm，通過(guò)計(jì)算可以得出Gr-A-4E型防阻塊式鋼護(hù)欄的一根立柱的背土質(zhì)量約為1.42 t。

Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型鋼護(hù)欄，如圖4所示。

圖4 SB級(jí)鋼護(hù)欄側(cè)面圖/mm

SB級(jí)、SA級(jí)鋼護(hù)欄的橫斷面與鋼立柱標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)深度均一致，統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算，鋼立柱規(guī)格為F130×6 mm，X取值為435 mm，H取值為1650 mm，通過(guò)計(jì)算可以得出Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型鋼護(hù)欄的一根立柱的背土質(zhì)量約為2.15 t。

當(dāng)鋼立柱的支撐條件不足以滿足各等級(jí)護(hù)欄立柱的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度時(shí)，工程上一般采用加設(shè)混凝土基礎(chǔ)的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，原則上，相較標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不足的背土質(zhì)量可以用同質(zhì)量的混凝土進(jìn)行替換，下面針對(duì)各等級(jí)鋼護(hù)欄在補(bǔ)強(qiáng)時(shí)需要的混凝土工程量進(jìn)行計(jì)算分析。

假定土路肩內(nèi)600 mm深度設(shè)有管線，無(wú)法采用打入式進(jìn)行鋼立柱施工，擬采用600 mm寬、500 mm高混凝土基礎(chǔ)+100 mm墊層的方案進(jìn)行實(shí)施，工程中護(hù)欄混凝土基礎(chǔ)一般采用C25標(biāo)號(hào)，其密度約為2.38×103kg/m3。

通過(guò)式(1)～(7)公式，計(jì)算出鋼立柱埋設(shè)深度為500 mm時(shí)的背土質(zhì)量及需要補(bǔ)強(qiáng)的混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 埋深500 mm與標(biāo)準(zhǔn)埋深的背土質(zhì)量比較

根據(jù)所得差值，分別進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，結(jié)果如表2。

從表2可以得出，需要補(bǔ)強(qiáng)的混凝土基礎(chǔ)長(zhǎng)度多為2～3 m，當(dāng)鋼立柱間距為4 m時(shí)，每個(gè)鋼立柱均可設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，當(dāng)鋼立柱間距不足4 m時(shí)，需要設(shè)置連續(xù)梁基礎(chǔ)，以確保每一根需要補(bǔ)強(qiáng)的鋼立柱擁有足夠的支撐條件。本補(bǔ)強(qiáng)方案，同樣適用于暗涵頂面填土高度不足段，根據(jù)鋼立柱的實(shí)際埋設(shè)深度，確定所需要的的混凝土基礎(chǔ)方案。

表2 補(bǔ)強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)方案

上述方案已在遼寧省高速公路取消省界收費(fèi)站項(xiàng)目工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，該項(xiàng)目為在已建高速公路新建SB、SAm級(jí)鋼護(hù)欄，土基中多數(shù)存在著通訊光纜、排水管線等使得鋼立柱無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)深度打入的情況，根據(jù)施工階段測(cè)量的實(shí)際深度按照以上方法進(jìn)行連續(xù)梁混凝土工程量的計(jì)算，并加以實(shí)施，有效保證鋼護(hù)欄立柱達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的支撐條件。

3 結(jié)論與建議

本文研究計(jì)算了A級(jí)(托架及防阻塊)、SB級(jí)、SA級(jí)鋼護(hù)欄立柱標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)深度的背土質(zhì)量，并舉例計(jì)算了支撐條件不足埋設(shè)深度為500 mm的背土質(zhì)量，確定了Gr-A-4E托架式鋼護(hù)欄采用3 100×600×500(mm)的獨(dú)立基礎(chǔ)混凝土補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，Gr-A-4E防阻塊式鋼護(hù)欄采用1850×600×500(mm)的獨(dú)立基礎(chǔ)混凝土補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，Gr-SB-2E、Gr-SA-3E鋼護(hù)欄采用2850×600×500(mm)的連續(xù)梁基礎(chǔ)混凝土的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，該類方案同樣適用于管線段、暗涵段等無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)深度的情況，供設(shè)計(jì)人員參考，具體分析計(jì)算時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際路肩材料進(jìn)行。

交通是興國(guó)之要、強(qiáng)國(guó)之基，安全是建設(shè)發(fā)展的保障，黨的十九大宣告中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入了新時(shí)代，賦予了交通人建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的歷史新使命。作為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的一份子，將繼續(xù)為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)而不懈奮斗！