基于理論計(jì)算的插入式立柱組合型橋梁護(hù)欄優(yōu)化

賈軍紅， 鄧 寶， 劉大昌， 楊福宇， 張文豪， 閆書明

(1.湖北聯(lián)投鄂咸投資有限公司, 湖北 鄂州 436044；2.北京華路安交通科技有限公司, 北京 100071)

0 引言

橋梁護(hù)欄是防止事故車輛翻出橋外的最后一道防線，對(duì)于橋梁路段的安全運(yùn)營起到至關(guān)重要的作用。橋梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)型式主要包括混凝土墻體式、金屬梁柱式和組合式3種，混凝土墻體式護(hù)欄為最常用的結(jié)構(gòu)形式，但是其結(jié)構(gòu)自重大且景觀呆板，不適宜在景觀要求較高或永久荷載不宜過大的橋梁上應(yīng)用；金屬梁柱式護(hù)欄景觀通透且結(jié)構(gòu)較輕，但其造價(jià)較高，主要在一些特大型橋梁上應(yīng)用；組合型橋梁護(hù)欄下部為混凝土基礎(chǔ)，上部為梁柱式鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)合了混凝土護(hù)欄防護(hù)等級(jí)高和梁柱式護(hù)欄通透美觀的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用得越來越廣泛[1]。橋梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)安全性關(guān)乎道路使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，組合式護(hù)欄相對(duì)于混凝土墻體式護(hù)欄和金屬梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

某高速公路橋梁路段采用插入式立柱組合型橋梁護(hù)欄，由于新老規(guī)范的交替，原護(hù)欄結(jié)構(gòu)高度不滿足新規(guī)范的要求[2-3]，同時(shí)由于施工現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)行了底部混凝土基礎(chǔ)施工，需要在保留已施工結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上升級(jí)優(yōu)化護(hù)欄。本文基于理論計(jì)算方法，提出插入式立柱梁柱式護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可對(duì)相關(guān)組合型橋梁護(hù)欄合理設(shè)計(jì)起到直接指導(dǎo)作用。

1 原護(hù)欄結(jié)構(gòu)

原護(hù)欄結(jié)構(gòu)為雙橫梁組合式結(jié)構(gòu)，有效高度975 mm，如圖1所示。護(hù)欄下部為混凝土基礎(chǔ)，路面以上墻體高度400 mm，現(xiàn)澆墻體高度(400+100)mm=500 mm；墻體迎撞面為60°的坡面，頂面寬306 mm，底面寬500 mm；內(nèi)部安裝2 000 mm間距的預(yù)埋套筒以安裝立柱。混凝土基礎(chǔ)已在前期完成施工。護(hù)欄上部為梁柱式鋼結(jié)構(gòu)，其中立柱為邊長150 mm、厚10 mm的方鋼，露出混凝土基礎(chǔ)的部分高595 mm，插入混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋套筒的部分深350 mm，立柱插入預(yù)埋套筒后灌注水泥砂漿。橫梁為130 mm×90 mm×6 mm的C型鋼管，橫梁和立柱通過角鋼和螺栓連接。

圖1 護(hù)欄原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位： mm)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定[2]，設(shè)計(jì)速度為80～100 km/h的高速公路橋梁，若車輛駛出橋外或進(jìn)入對(duì)向車道的事故嚴(yán)重程度等級(jí)高，應(yīng)采用五(SA)級(jí)橋梁護(hù)欄。根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定[3]，五(SA)級(jí)組合型橋梁護(hù)欄高度不應(yīng)低于1 100 mm，上述雙橫梁組合型橋梁護(hù)欄高度為975 mm，不滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定。結(jié)合實(shí)際工程條件，需要在利用已建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化提升。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

護(hù)欄高度是重要的護(hù)欄設(shè)計(jì)參數(shù)，適當(dāng)提高護(hù)欄高度可有效減小車輛碰撞時(shí)的側(cè)傾幅度，更有利于車輛導(dǎo)正[4]。進(jìn)一步查找資料了解到[5]，3、4軸整體式貨車車廂底板高度平均約為1 250 mm。考慮對(duì)貨車車廂的防護(hù)，優(yōu)化護(hù)欄高度設(shè)計(jì)為1300 mm，即上橫梁頂面到路面的距離為1 300 mm。其他組合式護(hù)欄和梁柱式鋼護(hù)欄在進(jìn)行高度設(shè)計(jì)時(shí)均可參考該數(shù)據(jù)。

根據(jù)確定的護(hù)欄總高度和混凝土基礎(chǔ)高度，上部鋼結(jié)構(gòu)高度為900 mm。優(yōu)化采用3層橫梁，并增大橫梁迎撞面到立柱的距離，以降低車輛碰撞時(shí)在立柱處絆阻的風(fēng)險(xiǎn)[6]。中橫梁和下橫梁采用100 mm×4 mm方管，橫梁背部焊接前后寬120 mm、厚6 mm的防阻塊；上橫梁主要防護(hù)大型車，采用抗彎性能更好的120 mm×100 mm×6 mm矩形管，背部焊接前后寬100 mm、厚6 mm的防阻塊。因混凝土基礎(chǔ)高度較低且迎撞面設(shè)置了有角度的坡面，在防護(hù)小型車時(shí)需要下橫梁與混凝土基礎(chǔ)同時(shí)作用，結(jié)合小型車車輪高度，將下橫梁中心布置在高度550 mm的位置，中橫梁均布在上下橫梁之間。立柱優(yōu)化為130 mm×150 mm×8 mm的H型鋼，立柱前翼板與防阻塊采用高強(qiáng)螺栓連接。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位： mm)

3 構(gòu)造和承載力計(jì)算分析

3.1 構(gòu)造計(jì)算分析

3.1.1總高度

優(yōu)化結(jié)構(gòu)總高度1300mm，滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)五(SA)級(jí)組合式護(hù)欄總高度不低于1100mm的規(guī)定。

3.1.2加權(quán)平均高度

優(yōu)化結(jié)構(gòu)3排橫梁中心到混凝土基礎(chǔ)頂面高度分別為150、500、850 mm，混凝土基礎(chǔ)路面以上高度為400 mm，按照每根橫梁權(quán)重相等計(jì)算橫向承載力距橋面的加權(quán)平均高度為：

滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)五(SA)級(jí)護(hù)欄加權(quán)高度不小于800 mm的規(guī)定。

3.1.3橫梁接觸寬度

3.1.4橫梁凈距和立柱退后距離

圖3為橫梁凈距和立柱退后距離校核依據(jù)。護(hù)欄橫梁之間的最大凈距C=25 cm，立柱退后距離S=22cm，位于圖3a所示的陰影區(qū)以下位置，說明車輛直接撞擊立柱的可能較低；橫梁與車輛接觸寬度之和與立柱高度之比B=0.333，位于圖3b所示的陰影區(qū)內(nèi)，屬于優(yōu)選方案。橫梁凈距和立柱退后距離均滿足規(guī)范要求。

a)依據(jù) 1

b) 依據(jù) 2圖3 橫梁凈距和立柱退后距離校核依據(jù)

通過計(jì)算分析，可知護(hù)欄總高度、橫梁加權(quán)平均高度、橫梁接觸寬度、橫梁凈距和立柱退后距離均滿足規(guī)范規(guī)定。

3.2 混凝土墻體承載力計(jì)算分析

墻體迎撞面采用直徑d1=20 mm的HRB400鋼筋，間距為150 mm；縱筋為直徑d2=10 mm的HPB235鋼筋；規(guī)范規(guī)定五(SA)級(jí)橋梁護(hù)欄的碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值最大為410 kN，分布長度為2.4 m[2]，則橫向荷載Ft=410 kN，分布長度Lt=2.4 m；按照相關(guān)規(guī)范[7]對(duì)混凝土和鋼筋設(shè)計(jì)值的規(guī)定，C30混凝土的抗壓強(qiáng)度取fck=13.8 MPa，HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度取fyk1=330 MPa，HPB235鋼筋抗拉強(qiáng)度取fyk2=195 MPa；現(xiàn)澆混凝土墻體路面以上高度為400 mm，整個(gè)墻體現(xiàn)澆高度為500 mm，取墻體高度Hw=500 mm；混凝土墻體與上部鋼結(jié)構(gòu)分開計(jì)算，因此取橫梁附件彎曲承載力矩Mb=0。

3.2.1護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩Mc

圖4為護(hù)欄斷面劃分計(jì)算簡圖，取1-1、2-2、3-3斷面作為計(jì)算截面。護(hù)欄迎撞面保護(hù)層厚度t0=45 mm；豎筋直徑d1=20 mm，單筋面積S1=314 mm2，間距b=150 mm；縱筋直徑d2=10 mm，單筋面積S2=78.5 mm2。

圖4 護(hù)欄斷面劃分計(jì)算簡圖

截面1-1：L1=500 mm，h=306 mm，as=55 mm，x=50.06 mm，截面的有效高度h0=251 mm，則Mc1=156 100.08N·mm/mm。

截面2-2：L2=400 mm，h=348 mm，as=55 mm，x=50.06 mm，截面的有效高度h0=293 mm，則Mc2=185 113.68N·mm/mm。

截面3-3：L3=0 mm，h=500 mm，as=55 mm，x=50.06 mm，截面的有效高度h0=445 mm，Mc3=290 115.28 N·mm/mm。

圖5為護(hù)欄墻體發(fā)生破壞的2種可能形式。第1種破壞形式：

224 212.96 N·mm/mm

第2種破壞形式：

圖5 混凝土墻體發(fā)生碰撞破壞的可能形式

3.2.2護(hù)欄關(guān)于豎向軸的彎曲承載力矩Mw

圖6 護(hù)欄區(qū)域劃分

區(qū)域1：按照區(qū)域內(nèi)左右各有1根縱筋承受正負(fù)彎矩計(jì)，As=S2，as=70 mm，x=11.09 mm，h0=257 mm，則Mw1=3 849 147.41N·mm。

區(qū)域2：區(qū)域內(nèi)左右各有3根縱筋承受正負(fù)彎矩，As=3S2，as=70 mm，x=8.32 mm，h0=354 mm，Mw2=16 065 527.4N·mm。

第1種破壞形式：

Mw=Mw1+Mw2=19 914 674.81 N·mm

第2種破壞形式：

M′w=Mw1=3 849 147.41 N·mm

3.2.3混凝土墻體總的橫向承載能力Rw計(jì)算

第1種破壞形式，碰撞發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)屈服線發(fā)生的臨界長度為：

2 539.88 mm

混凝土墻體對(duì)橫向荷載的抗力為：

第2種破壞形式，碰撞發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)屈服線發(fā)生的臨界長度為:

2 437.03 mm

混凝土墻體對(duì)橫向荷載的抗力為:

綜合兩種破壞形式的計(jì)算，取較小值，則:

Rw=min(Rw1，Rw2)=Rw2=1 663.1 kN

3.3 上部鋼結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算分析

護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345牌號(hào)鋼制成，取鋼材屈服強(qiáng)度為fy=345 MPa，立柱間距L=2 000 mm。

計(jì)算上層橫梁和下兩層橫梁的塑性截面模量為Z1=103 392 mm3，Z23=55 328 mm3，上層橫梁彎曲承載力矩Mbeam1=fyZ1=35 670 240 N·mm，下兩層橫梁每層彎曲承載力矩Mbeam 23=fyZ23=19088 160 N·mm。3排橫梁彎曲承載力矩和為Mbeam=Mbeam1+2Mbeam23=90 428 640 N·mm。

破壞形式未包含端部立柱、破壞形式包含奇數(shù)跨N時(shí):

N=3時(shí)，R3=326 412.52 N；N=5時(shí)，R5=369 713.86 N；N=7時(shí)，R7=451 838.66 N；N=9時(shí)，R9=545 055.88 N。

破壞形式包含偶數(shù)跨N時(shí)有:

N=2時(shí)，R2=408 965.93 N；N=4時(shí)，R4=354 431.04 N；N=6時(shí)，R6=418 380.41 N；N=8時(shí)，R8=504 745.73 N。

護(hù)欄系統(tǒng)的承載能力由上述計(jì)算中的最小值確定，最小值出現(xiàn)在N=3的時(shí)候，RR=R3=326 412.52 N=326.41 kN。

跨數(shù)N=3，則破壞形式下的立柱數(shù)為N-1=2，失效立柱的荷載為Pp×2=210 837.74 N，破壞形式下每端立柱的荷載為:

57 787.39 N

端部立柱核查結(jié)果滿足要求。

破壞形式中包含端部立柱、對(duì)任意數(shù)量的橫梁跨數(shù)N來說有:

3.4 承載力合成與校核

破壞形式未包含端部立柱即車輛碰撞發(fā)生在金屬橫梁跨中時(shí):

破壞形式中包含端部立柱即車輛碰撞發(fā)生在立柱處時(shí):

4 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步客觀評(píng)價(jià)護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)并驗(yàn)證其安全性能，按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求組織了1.5t小客車以100 km/h速度20°角、14t大客車以80 km/h速度20°角、25 t大貨車以60 km/h速度20°角進(jìn)行3次實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)[5]，如圖7、圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)要求，安全性能達(dá)到五(SA)級(jí)，可進(jìn)行實(shí)際工程的推廣應(yīng)用。

a) 護(hù)欄門側(cè)

b) 護(hù)欄后側(cè)圖7 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)護(hù)欄照片

a) 小客車

b) 大客車

c) 大貨車圖8 車輛碰撞護(hù)欄照片

5 結(jié)論

原設(shè)計(jì)組合式護(hù)欄不滿足最新規(guī)范要求，但已完成下部混凝土基礎(chǔ)的施工，需要在利用原設(shè)計(jì)混凝土的基礎(chǔ)上提升護(hù)欄。

1)依據(jù)規(guī)范規(guī)定提出插入式立柱組合式護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，采用理論計(jì)算的方法對(duì)混凝土基礎(chǔ)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，滿足規(guī)范對(duì)五(SA)級(jí)護(hù)欄的規(guī)定。

2)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案安全性能可靠，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可進(jìn)行實(shí)際工程的推廣應(yīng)用，其設(shè)計(jì)思路和理論計(jì)算可對(duì)相關(guān)組合型橋梁護(hù)欄合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。