新型鋁合金人行道護欄在中衛(wèi)南站黃河大橋的應(yīng)用研究

余暉

寧夏交通建設(shè)股份有限公司，中國·寧夏 銀川 750000

1 引言

橋梁的人行道護欄設(shè)置在橋面兩側(cè)，是規(guī)范車輛和行人交通安全的重要防護設(shè)施，同時也是美化裝飾橋梁表面突出的構(gòu)造物[1]。在長期的使用過程中，傳統(tǒng)的橋梁護欄容易遭受外部復(fù)雜環(huán)境的影響，堅固度和耐久性降低，致使出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，影響橋梁整體的安全性能。因此，新型材質(zhì)的人行道護欄的運用與結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計，對于提高護欄防護質(zhì)量和防護等級具有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前，常見的橋梁人行道護欄主要有鋼筋混凝土護欄、鐵藝護欄、不銹鋼護欄、鋁合金護欄等。其中鋼筋混凝土護欄防撞能力強、造價低，但其整體質(zhì)量較大、易損壞；鐵藝護欄容易加工、成本較低，但耐腐蝕性差，后期維護成本高；不銹鋼護欄雖然耐腐蝕性較強、無需維護，但是制造成本高昂，表面不容易著色，顏色單一；而鋁合金護欄強度高、密度低、抗腐蝕性強、全壽命周期造價較低，在工業(yè)工程中的應(yīng)用日益廣泛[2]。

在此基礎(chǔ)上，許多學(xué)者也開展了大量針對新型護欄應(yīng)用研究的工作。曾捷等[3]提出了一種以玻璃纖維筋代替常規(guī)鋼筋的新型玻璃纖維筋混凝土護欄，從而增加了混凝土護欄的輕質(zhì)化、耐腐蝕性；焦馳宇等[4]提出了應(yīng)用于城市橋梁的新型鋁合金防撞護欄結(jié)構(gòu)，并利用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，證明該方案符合規(guī)范要求；徐丹等[5]通過研究鋼管式橋梁欄桿的立柱間距、立柱與扶手構(gòu)件厚度、欄桿高度等各項設(shè)計參數(shù)，得出了設(shè)計參數(shù)變化對橋梁護欄結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律；崔學(xué)常[6]介紹了新型纖維增強復(fù)合材料（FRP）在橋梁人行道欄桿上的應(yīng)用，并通過橋梁欄桿結(jié)構(gòu)的形式設(shè)計、受力計算、模型試驗驗證了這種材料在技術(shù)與經(jīng)濟上的優(yōu)越性。

總體來說，上述研究主要聚焦在橋梁護欄的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、防撞能力分析和復(fù)合的材料應(yīng)用介紹等方面，但對于鋁合金材質(zhì)的人行道護欄結(jié)構(gòu)受力性能分析與美觀性設(shè)計的研究相對較少。因此，論文以中國寧夏中衛(wèi)南站黃河大橋為研究對象，對其人行道護欄采用新型鋁合金梁柱式護欄設(shè)計。首先依托中衛(wèi)黃河大橋工程概況，對橋梁護欄結(jié)構(gòu)尺寸及所受載荷進行分析，其次結(jié)合護欄燈光與浮雕文化進行橋梁美觀性設(shè)計，最后采用數(shù)值分析與有限元計算對人行道護欄關(guān)鍵構(gòu)件進行安全性能分析。

2 工程概況簡介

中衛(wèi)南站黃河大橋位于中國寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)，連接著中衛(wèi)黃河兩岸地區(qū)，是中衛(wèi)市深化全域旅游工作，促進城鄉(xiāng)融合發(fā)展的重要配套設(shè)施。大橋橋梁總長1.409km，主線采用雙向四車道和人行道公路標(biāo)準(zhǔn)布置，具有一級公路兼顧城市主干路功能，設(shè)計時速60km/h。圖1、圖2分別為大橋橋梁遠景效果圖與夜景效果圖。

圖1 大橋遠景效果圖

圖2 大橋夜景效果圖

該橋結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果較好，在兼具良好的結(jié)構(gòu)受力性能的同時，也對于橋梁上提供照明的燈柱提出了更高的美學(xué)要求。因此，應(yīng)用新型材料設(shè)計出安全性能高的人行道護欄，并配合燈光進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)修改，從而增強護欄的舒適性、景觀性，顯得尤為重要。

3 新型鋁合金人行道護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 護欄結(jié)構(gòu)形式

新型鋁合金梁柱式人行道護欄采用6063 鋁合金材料，主體結(jié)構(gòu)由立柱、上扶手（橫梁）和護欄柱組成，護欄的立柱間距2000mm，欄桿高度1100mm，橫梁與立柱通過連接件進行連接，立柱與基座通過法蘭底座進行連接，地腳預(yù)埋螺栓4 顆，規(guī)格為M16×190。

立柱間連接著橫管與豎管，豎管之間安裝浮雕，同時每個立柱側(cè)面設(shè)置立柱成型燈，使得護欄燈光集成一體化。采用Solidwork2016 建模軟件建立人行道護欄有限元模型，如圖3所示。

圖3 新型鋁合金人行道護欄有限元模型

3.2 護欄載荷設(shè)計參考依據(jù)

根據(jù)文獻[7-9]規(guī)定：作用在人行道欄桿扶手上的豎向荷載應(yīng)為1.2kN/m；水平荷載2.5kN/m。兩者應(yīng)分別計算，立柱的柱頂推力應(yīng)為扶手水平荷載集度與柱間距的乘積。論文依據(jù)此規(guī)范準(zhǔn)則對鋁合金人行道護欄安全防護能力進行分析。

3.3 新型鋁合金護欄材料性能

6063 鋁合金分屬于AL-Mg-Si 合金系列，是一種具有中等強度的可熱處理鋁合金，該材料具有耐腐蝕、免維護、加工性能良好、易氧化著色的特點，其材料屬性適用于人行道護欄。6063 鋁合金材料屬性見表1。新型鋁合金人行道護欄在大橋橋梁的應(yīng)用中，使用壽命長、造型更加豐富、綠色環(huán)保安裝簡單、回收殘值高。

表1 新型鋁合金人行道護欄的材料性能參數(shù)

4 新型鋁合金人行道護欄景觀設(shè)計

中衛(wèi)南站黃河大橋?qū)儆诳绾訕蛄?，深深影響著城市景觀形象以及居民出行活動。對橋梁進行景觀性設(shè)計，展現(xiàn)沿線路段的風(fēng)土人文與橋梁夜景，對于橋梁與城市一體化建設(shè)非常重要。通過對護欄與燈光的集成與護欄浮雕設(shè)計，提升橋梁整體景觀效果。

4.1 護欄燈光集成一體化

橋梁上的照明方式通常分為三種：欄桿式照明、常規(guī)式照明、高桿式照明。在沿著橋梁軸線方向上，按照一定的間距，在人行道兩側(cè)欄桿上距人行道頂面0.8～1.0m 高的位置設(shè)置特制照明器的方法稱為欄桿照明方式。常規(guī)式與高桿式照明一般是把照明器安裝在較高的燈桿頂端，進行大范圍照明。針對欄桿式照明特點，通過對護欄燈光集成一體化設(shè)計與立柱燈優(yōu)化布置，達到輔助照明和美化夜景的目的。

在護欄立柱近橋面預(yù)制燈體空間，立柱燈安裝在護欄燈體空間中，燈體外側(cè)安裝有燈罩、蓋板，進行固定以及防塵設(shè)計。同時護欄扶手設(shè)置有燈槽，其長度為1.2m/標(biāo)準(zhǔn)段，從而實現(xiàn)護欄與照明燈光一體化設(shè)計。圖4、圖5分別為護欄立柱燈光與扶手燈光設(shè)計構(gòu)造圖。

圖4 護欄立柱燈光構(gòu)造圖

圖5 護欄扶手燈光構(gòu)造圖

4.2 護欄浮雕設(shè)計

新型鋁合金橋梁人行道護欄浮雕設(shè)計應(yīng)展現(xiàn)中衛(wèi)黃河沿線地區(qū)的風(fēng)土人情，使其造型優(yōu)美，與周圍的自然環(huán)境協(xié)調(diào)搭配，給行人帶來美的享受。而中衛(wèi)市位于中國寧夏的中西部，毗鄰黃河流域，人文景觀與自然景觀豐富多樣。其中比較有代表的是黃河水車、中衛(wèi)古長城、羊皮筏子、中衛(wèi)丹霞、中衛(wèi)鐘樓、剪紙藝術(shù)等，這些元素可以作為借鑒融入浮雕藝術(shù)中。部分浮雕圖案如圖6所示。

圖6 中衛(wèi)景觀浮雕圖案

依托于新型鋁合金質(zhì)輕柔軟、加工性能好、造型豐富等特點，浮雕材質(zhì)為鋁合金，其加工工藝是鑄鋁或者鋁合金雕刻，浮雕樣式采用中衛(wèi)經(jīng)典的“致富花”圖案，其造型寓意吉祥、平安與富足，同時圖案造型簡單、通透，適合大規(guī)模加工生產(chǎn)。圖7展示了“致富花”圖案實物浮雕。

圖7 “致富花”圖案浮雕

5 護欄安全性能設(shè)計

為進一步探究新型鋁合金人行道護欄的安全性能，運用ANSYS 有限元軟件分別對扶手、立柱、地腳螺栓等主體構(gòu)件進行荷載工況的數(shù)值計算。通過文獻所給出的護欄載荷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與仿真結(jié)果相對比，驗證護欄的安全性能。

5.1 護欄扶手應(yīng)力計算

本次新型鋁合金人行道護欄的扶手截面為橢圓形空心結(jié)構(gòu)，其截面長度為162mm，高度為64mm，上頂蓋厚度為2.5mm，扶手斷面如圖8所示。護欄扶手6063 鋁合金材料彈性模量E 取63.1GPa，泊松比λ 值為0.330。

圖8 扶手斷面圖及尺寸（單位mm）

力學(xué)模型：由于單根扶手長度為6m，立柱間距2m，故可簡化為三跨連續(xù)梁。對扶手建立6m 有限元模型進行計算，在其上施加1.2kN/m 豎向荷載，立柱處設(shè)置約束，如圖9。

圖9 扶手有限元模型

有限元分析結(jié)果：通過有限元計算得扶手最大撓度為2.8mm（如圖10）＜L/250（8mm），最大應(yīng)力為73.8MPa（如圖11）＜200MPa。結(jié)果表明扶手滿足文獻[7-9]要求。

圖10 扶手位移云圖

圖11 扶手應(yīng)力云圖

5.2 護欄立柱應(yīng)力計算

新型鋁合金護欄立柱斷面圖如圖12 所示，其力學(xué)模型可簡化為懸臂梁，由文獻[7-9]規(guī)范要求，立柱頂端應(yīng)施加5kN集中荷載。

圖12 立柱斷面圖及尺寸（單位mm）

對立柱建立有限元模型，長度為960mm，柱腳處設(shè)置固定約束，柱頂施加 5kN 集中力，如圖13 所示。

圖13 立柱有限元模型

有限元分析結(jié)果：通過有限元計算得立柱最大撓度為2.1mm（如圖14）＜L/250（3.8mm），最大應(yīng)力為36.7MPa（如圖15）＜200MPa。結(jié)果表明立柱滿足文件要求。

圖14 立柱位移云圖

圖15 立柱應(yīng)力云圖

5.3 護欄地腳螺栓應(yīng)力計算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.7.2，將地腳螺栓近似為直錨筋受力預(yù)埋件結(jié)構(gòu)，驗算其總截面面積As。根據(jù)公式1、公式2 分別計算，取其最大值。

當(dāng)有剪力、法向壓力和彎矩共同作用時，應(yīng)按照下列兩個公式計算，并取其中的較大值：

式中：fy為地腳螺栓的抗拉強度設(shè)計值；V為剪力設(shè)計值；N為法向拉力或法向壓力設(shè)計值；M為彎矩設(shè)計值；ar為地腳螺栓層數(shù)的影響系數(shù)；av為地腳螺栓的受剪承載系數(shù)；ab為地腳螺栓彎曲變形折減系數(shù)；z為沿剪力作用方向最外層地腳螺栓中心線之間的距離，公式中的系數(shù)av、ab，應(yīng)按下列公式計算：

式中：fc為地腳螺栓的抗壓強度設(shè)計值；d為地腳螺栓直徑；t為錨板厚度。

論文選用的地腳螺栓為8.8 級普通螺栓，其抗拉強度設(shè)計值fy為400MPa；抗壓強度設(shè)計值fc為30MPa；剪力設(shè)計值為V為5kN；護欄所受來自扶手的法向壓力，法向壓力設(shè)計值N取值2.4kN；護欄受到人群推力，彎矩設(shè)計M值取值5.5kN·m；本地腳螺栓不設(shè)錨板，即t=0；螺栓直徑d為16mm；地腳螺栓層數(shù)的影響系數(shù)ar取值1.0；彎曲變形折減系數(shù)ab，根據(jù)公式公式4 計算得ab=0.6；地腳螺栓的受剪承載系數(shù)av根據(jù)公式公式3 計算得：

取值為0.7；沿剪力作用方向最外層地腳螺栓中心線之間的距離z，其取值為54mm。

將以上述參數(shù)代入公式1、公式2 分別計算總截面面積As 得：

取其較大者750.9m2。

新型鋁合金人行道護欄地腳螺栓為4 顆M16 螺栓，計算得：

結(jié)果表明所設(shè)計的地腳螺栓截面面積大于規(guī)范要求的截面面積，地腳螺栓滿足安全性能要求。

通過對新型鋁合金人行道護欄的扶手、立柱和地腳螺栓三個主要構(gòu)件進行應(yīng)力計算，驗證其防護結(jié)構(gòu)符合護欄載荷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而確保了新型鋁合金護欄安全可靠性。

6 結(jié)語

論文主要研究了新型鋁合金材料在橋梁人行道護欄中的應(yīng)用，結(jié)合橋梁的實際工況，探討了新型鋁合金護欄結(jié)構(gòu)性能、景觀性能和安全防護性能，論文主要結(jié)論如下：

第一，在結(jié)構(gòu)方面，新型鋁合金護欄無焊點、結(jié)構(gòu)簡單輕巧、安裝便捷，滿足橋梁構(gòu)件“耐腐蝕性強”“結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕”及“施工簡單”設(shè)計要求。

第二，在造型方面，新型鋁合金護欄結(jié)合中衛(wèi)黃河大橋區(qū)域特色，采用護欄燈光集成一體化設(shè)計和浮雕設(shè)計，提高了出行人員安全舒適性，造型豐富彰顯了橋梁現(xiàn)代美感。

第三，在安全防護方面，經(jīng)過對護欄扶手、立柱和地腳螺栓進行數(shù)值計算，這三個橋梁主要構(gòu)件均具有可靠的安全性能，滿足中衛(wèi)南站黃河大橋人行道護欄的安全防護標(biāo)準(zhǔn)。