波形梁護(hù)欄立柱承載能力研究

周翔海， 陳衛(wèi)霞， 鄧寶， 閆書明， 王新， 劉思源， 楊周妮

(1.湖北省交通投資集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430050；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司； 3. 北京華路安交通科技有限公司)

波形梁護(hù)欄屬于連續(xù)的梁柱式結(jié)構(gòu)，立柱作為重要組成構(gòu)件，沿公路縱向呈點(diǎn)狀設(shè)置(圖1)。在事故車輛碰撞護(hù)欄的過程中，最先接觸的波形梁板通過波紋的展開變形吸收部分碰撞能量，并將剩余的碰撞能量分散作用到多根立柱上，最后通過立柱彎曲變形和土基壓縮變形吸收剩余碰撞能量，從而迫使事故車輛改變方向，回到正常行駛狀態(tài)。由此可見，立柱對波形梁護(hù)欄具有重要的支撐、吸能作用。

圖1 波形梁護(hù)欄立柱

立柱承載能力大小直接影響波形梁護(hù)欄的安全防護(hù)性能，其主要與立柱自身的強(qiáng)度、剛度和基礎(chǔ)埋置方式有關(guān)。該文將綜合采用單元靜載試驗、單元仿真模擬及實(shí)車足尺碰撞試驗技術(shù)，對立柱承載能力進(jìn)行系統(tǒng)分析與可靠驗證。

1 立柱結(jié)構(gòu)形式與埋置方式

根據(jù)JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》規(guī)定及實(shí)際工程應(yīng)用情況，中國公路波形梁護(hù)欄立柱主要采用φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm3種結(jié)構(gòu)類型，鋼管立柱主要應(yīng)用在一(C)級～三(A)級波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，方管立柱則主要應(yīng)用在四(SB)級及以上波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)中。同時，波形梁護(hù)欄立柱埋置方式主要有打樁埋入式、混凝土加強(qiáng)式、鋼套筒嵌入式和預(yù)埋法蘭盤栓接共4種，如圖2所示，其中，由于波形梁護(hù)欄主要應(yīng)用在土路基上，打樁埋入式基礎(chǔ)在中國波形梁護(hù)欄設(shè)置應(yīng)用中最為廣泛，屬于土基礎(chǔ)；針對在石方、擋土墻路段沒有打樁條件時，可采用混凝土塊加強(qiáng)式基礎(chǔ)，鋼套筒嵌入式和預(yù)埋法蘭盤栓接式基礎(chǔ)則主要應(yīng)用在小橋、通道、明涵路段，亦屬于混凝土基礎(chǔ)。

圖2 波形梁護(hù)欄立柱埋置方式

2 立柱承載能力單元試驗初步分析

針對規(guī)范推薦的4種立柱埋置方式，開展單元靜載試驗，對立柱承載時的基礎(chǔ)狀態(tài)和變形狀態(tài)進(jìn)行分析，初步了解立柱充分發(fā)揮其承載力的特征。

(1) 打樁埋入式立柱單元試驗

采用頂推法進(jìn)行打樁埋入式立柱靜力荷載單元試驗，所用儀器設(shè)備為液壓千斤頂推力系統(tǒng)和反力支撐結(jié)構(gòu)。試驗樣品為φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱，按照規(guī)范規(guī)定的設(shè)置條件，土基壓實(shí)度達(dá)到90%，邊坡采用1∶1.5，立柱外側(cè)土路肩保護(hù)層厚度為370 mm，打入土基深度為1 400 mm。在試驗荷載下，立柱發(fā)生了傾斜變形，土基礎(chǔ)為抵抗立柱變形發(fā)生了局部破壞，為更好地觀測土基礎(chǔ)里的立柱變形情況，將立柱挖出后發(fā)現(xiàn)立柱發(fā)生了折彎變形，如圖3所示。

圖3 打樁埋入式立柱單元試驗樣品與結(jié)果

(2) 混凝土加強(qiáng)式立柱單元試驗

采用頂推法進(jìn)行混凝土加強(qiáng)式立柱靜力荷載單元試驗，試驗樣品為φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱，土基壓實(shí)度達(dá)到90%，埋入土基中的混凝土基礎(chǔ)大小為60 cm(長)×60 cm(寬)×50 cm(高)，立柱處于混凝土基礎(chǔ)中心位置，埋置深度為40 cm。在試驗荷載下，立柱與基礎(chǔ)作為一個整體傾斜變形，土基礎(chǔ)為抵抗這種變形發(fā)生了局部破壞，立柱發(fā)生了折彎變形，如圖4所示。

圖4 混凝土加強(qiáng)式立柱單元試驗樣品與結(jié)果

(3) 鋼套筒嵌入式立柱單元試驗

采用鋼絲繩牽引法進(jìn)行鋼套筒嵌入式立柱靜力荷載單元試驗，試驗樣品為φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱，置于模擬的條形混凝土基礎(chǔ)中，混凝土基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋套筒。在試驗荷載下，混凝土基礎(chǔ)沒有損傷，立柱在路面位置發(fā)生了折彎，如圖5(a)所示。同時，為了更直觀考察立柱加強(qiáng)后混凝土基礎(chǔ)的破壞情況，在φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱外套設(shè)φ127 mm×4.5 mm的鋼管，大幅度提高鋼管的剛度，且將混凝土基礎(chǔ)設(shè)置于路面以上。在試驗荷載下，加強(qiáng)后立柱沒有發(fā)生明顯變形，而混凝土基礎(chǔ)發(fā)生了結(jié)構(gòu)性破壞，如圖5(b)所示。

圖5 鋼套筒嵌入式立柱單元試驗樣品與結(jié)果

(4) 預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱單元試驗

預(yù)埋法蘭盤栓接立柱是橋梁護(hù)欄最為常用的基礎(chǔ)處理方式，由于橋梁結(jié)構(gòu)剛度相對于護(hù)欄結(jié)構(gòu)大得多，在單元試驗中不再考察基礎(chǔ)破壞形態(tài)，重點(diǎn)了解預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱變形狀態(tài)。在專用試驗場地中，將護(hù)欄立柱采用栓接方式進(jìn)行固定后橫置，采用吊車將重錘吊起一定高度后，脫鉤墜落沖擊護(hù)欄立柱，在重錘沖擊荷載的作用下，立柱在螺栓連接上部發(fā)生了折彎，如圖6所示。

圖6 預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱單元試驗樣品與結(jié)果

根據(jù)以上試驗結(jié)果可以看出：無論采用何種基礎(chǔ)形式，護(hù)欄立柱的承載力若想得到充分發(fā)揮，在荷載作用下，立柱結(jié)構(gòu)彎曲是一個主要體現(xiàn)形式。

3 立柱承載能力單元仿真模擬分析

采用基于有限元方法的計算機(jī)仿真模擬技術(shù)，對不同埋置方式的不同型號立柱承載能力做進(jìn)一步分析。

(1) 打樁埋入式立柱單元仿真

建立打樁埋入式立柱靜力荷載單元仿真模型，土基壓實(shí)度設(shè)定為90%，立柱外側(cè)土路肩保護(hù)層厚度均為370 mm，邊坡為1∶1.5，土基中分別設(shè)置規(guī)格為φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm的3種立柱結(jié)構(gòu)，埋置深度均為1 650 mm。圖7為水平推力荷載作用后的仿真結(jié)果，由圖7(a)可見：在相同推力荷載作用下，φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱折彎程度最大，折彎點(diǎn)距離路面最近，□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱折彎程度最小，折彎點(diǎn)距離路面最遠(yuǎn)，說明立柱抗彎剛度越大，折彎點(diǎn)距路面越靠下。由圖7(b)可見：在極限荷載作用下，設(shè)置φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱的土壤損壞較小，設(shè)置□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱的土壤損壞最為嚴(yán)重，說明立柱抗彎剛度越大，對基礎(chǔ)土壤的力學(xué)性能要求越高。

圖7 打樁埋入式立柱靜力荷載單元仿真結(jié)果(單位：mm)

圖8為極限荷載作用下立柱的應(yīng)力分布，深色為應(yīng)力大的不可忽略區(qū)域，淺色為應(yīng)力小的可忽略區(qū)域，由圖8可以看出：3種型號立柱底部均存在小應(yīng)力區(qū)域，說明該位置與土壤之間的作用力不大，其中φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱小應(yīng)力區(qū)域長度約為600 mm(立柱埋入部分應(yīng)力不可忽略部分長度約為1 050 mm)、φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱小應(yīng)力區(qū)域長度約為500 mm(立柱埋入部分應(yīng)力不可忽略部分長度約為1 150 mm)、□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱小應(yīng)力區(qū)域長度約為250 mm(立柱埋入部分應(yīng)力不可忽略部分長度約為1 400 mm)。通過應(yīng)力分析，若在仿真立柱埋置深度的基礎(chǔ)上，將這些立柱埋置深度縮短至小應(yīng)力區(qū)域長度，理論上不會出現(xiàn)由于縮短立柱埋置長度而影響護(hù)欄防護(hù)能力。

圖8 極限荷載下立柱應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

(2) 混凝土加強(qiáng)式立柱單元仿真

建立混凝土加強(qiáng)式立柱靜力荷載單元仿真模型，土基壓實(shí)度設(shè)定為90%，邊坡為1∶1.5，在距邊坡頂部邊緣線370 mm的位置分別設(shè)置規(guī)格為φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm的3種立柱結(jié)構(gòu)，立柱埋置深度均為400 mm，立柱周邊設(shè)置60 cm(長)×60 cm(寬)×50 cm(高)的混凝土結(jié)構(gòu)以對基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)，混凝土標(biāo)號設(shè)定為C30。圖9為水平推力極限荷載作用下的仿真結(jié)果。

圖9 混凝土加強(qiáng)式立柱靜力荷載單元仿真結(jié)果(單位：mm)

由圖9可見：φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱發(fā)生了折彎，且混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)沒有發(fā)生傾覆破壞，說明混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)對于φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱安全可靠；φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱發(fā)生了折彎，但混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)開始具有傾覆破壞趨勢，說明混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)對于φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱的有效錨固作用處于臨界狀態(tài)；□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱沒有發(fā)生折彎，但混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)發(fā)生了傾覆破壞，說明混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)對于□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱加強(qiáng)程度不足，使得該立柱應(yīng)有的抗彎能力沒有得以充分發(fā)揮。

(3) 鋼套筒嵌入式立柱單元仿真

鋼套筒嵌入式立柱基礎(chǔ)多用于橋梁混凝土翼緣板上。建立橋梁翼緣板結(jié)構(gòu)及規(guī)范規(guī)定的鋼套筒嵌入式立柱仿真模型，即在翼緣板內(nèi)設(shè)置φ245 mm×7 mm×305 mm的鋼套筒，鋼套筒中間分別設(shè)置規(guī)格為φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm 3種立柱結(jié)構(gòu)，立柱埋置深度均為310 mm，鋼套筒和立柱之間設(shè)置水泥砂漿填料。圖10為水平推力極限荷載作用下的仿真結(jié)果，由圖10可見：3種立柱均在基礎(chǔ)表面位置發(fā)生了折彎，相對于土基礎(chǔ)立柱折彎點(diǎn)發(fā)生了上移，混凝土基礎(chǔ)未發(fā)生大面積損壞，說明鋼套筒嵌入式立柱基礎(chǔ)力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。

(4) 預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱單元仿真

預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱亦多用于橋梁翼緣板上。建立橋梁翼緣板結(jié)構(gòu)及規(guī)范規(guī)定的預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱仿真模型，即在設(shè)置φ114 mm×4.5 mm鋼管立柱的橋梁翼緣板中埋置4根M20地腳螺栓，立柱底部四周焊接4個均布的20 mm(頂寬)×50 mm(底寬)×150 mm(高)×10 mm(厚)規(guī)格的直角梯形加強(qiáng)肋板，立柱底部鋼板規(guī)格為250 mm×250 mm×15 mm；在設(shè)置φ140 mm×4.5 mm鋼管立柱的橋梁翼緣板中埋置4根M22地腳螺栓，在立柱底部四周焊接4個均布的30 mm(頂寬)×70 mm(底寬)×150 mm(高)×10 mm(厚)規(guī)格的直角梯形加強(qiáng)肋板，立柱底部鋼板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm；在設(shè)置□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱的橋梁翼緣板中埋置4根M24地腳螺栓，在立柱底部四周焊接4個均布的30 mm(頂寬)×70 mm(底寬)×150 mm(高)×10 mm(厚)規(guī)格的直角梯形加強(qiáng)肋板，立柱底部鋼板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。

圖11為水平推力極限荷載作用下的仿真結(jié)果，由圖11可見：3種立柱均在加強(qiáng)肋板的上部位置發(fā)生了折彎，相對于鋼套筒嵌入式立柱基礎(chǔ)，立柱折彎點(diǎn)又發(fā)生了上移，立柱底板發(fā)生不同程度的翹曲變形，混凝土基礎(chǔ)未發(fā)生損壞，螺栓強(qiáng)度均滿足要求，說明預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱基礎(chǔ)力學(xué)性能亦較為穩(wěn)定可靠。

圖11 預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱靜力荷載單元仿真結(jié)果(單位：mm)

根據(jù)以上單元仿真分析結(jié)果，可以看出設(shè)于土基礎(chǔ)中的立柱抗彎剛度越大，折彎點(diǎn)越靠下；方管立柱(□130 mm×130 mm×6 mm)采用混凝土加強(qiáng)式基礎(chǔ)時，將各個立柱混凝土加強(qiáng)基礎(chǔ)連成一體是個有效的方式，可充分發(fā)揮立柱抗彎能力；不同埋置方式的立柱折彎點(diǎn)有所區(qū)別，即打樁埋入式立柱折彎點(diǎn)在土基中，混凝土加強(qiáng)式和鋼套筒嵌入式折彎點(diǎn)在混凝土表面，預(yù)埋法蘭盤栓接式折彎點(diǎn)在加強(qiáng)肋板上部，折彎點(diǎn)位置由低至高排序為打樁埋入式<混凝土加強(qiáng)式和鋼套筒嵌入式<預(yù)埋法蘭盤栓接式。

4 研究分析結(jié)論驗證

為了驗證前面針對立柱承載能力的研究結(jié)論，通過實(shí)車足尺碰撞試驗和實(shí)際工程應(yīng)用中的事故案例做進(jìn)一步驗證。

圖12為相同碰撞條件下鋼管立柱和方管立柱的變形及基礎(chǔ)損壞情況。

圖12 同等碰撞條件下的不同規(guī)格立柱變形及基礎(chǔ)損壞情況

由圖12可以看出：碰撞荷載作用后立柱均發(fā)生了折彎現(xiàn)象，且鋼管立柱的土壤損壞較輕，方管立柱的土壤損壞較嚴(yán)重，驗證了立柱抗彎剛度越大，對基礎(chǔ)土壤的力學(xué)性能要求越高的結(jié)論。同時，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中不同基礎(chǔ)埋置方式的護(hù)欄立柱折彎位置(圖13)，亦驗證了打樁埋入式立柱折彎點(diǎn)在土基中，混凝土加強(qiáng)式和鋼套筒嵌入式立柱折彎點(diǎn)在混凝土表面，預(yù)埋法蘭盤栓接式立柱折彎點(diǎn)在加強(qiáng)肋板上部。

圖13 同等碰撞條件下的不同埋置方式立柱變形及基礎(chǔ)損壞情況

5 結(jié)論

(1) 立柱結(jié)構(gòu)彎曲是其承載力得到充分發(fā)揮的主要體現(xiàn)形式。

(2) 當(dāng)立柱埋置于土基礎(chǔ)中時，立柱抗彎剛度越大，折彎點(diǎn)越靠下。

(3) 對于相同立柱結(jié)構(gòu)，折彎點(diǎn)位置由低至高排序為打樁埋入式<混凝土加強(qiáng)式和鋼套筒嵌入式<預(yù)埋法蘭盤栓接式。