裝配式預制防撞護欄快速連接設計分析

2018-05-02 02:36:21廖滿軍劉成鋼黃恩福

安徽建筑 2018年2期

廖滿軍，劉成鋼，黃恩福，趙峻

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000；2.貴州省綠筑科建住宅產業化發展有限公司，貴州貴陽 550000）

0 前言

裝配式施工作為當前基礎設施建設的新型技術手段，其本身涵蓋了產業化、工業化、工廠化的內容，是促使傳統的建設方式向集約、節約、綠色、環保、科技等現代化建設方式轉變的有效途徑，是綠色建筑的新載體。特別是在傳統施工存在諸多不便的公路橋涵施工方面，裝配式施工尤其值得大力推廣。

混凝土防撞護欄是橋面的重要組成部分，其混凝土表面質量要求不亞于立柱要求[1]。由于防撞墻體表面為弧形且施工面臨高空工作面，使其施工難度和安全防護要求較之普通混凝土構件為更高[2]。采用裝配式預制防撞護欄具有以下優勢：①工廠化預制，有比較穩定的作業人員和配套的加工設備，受外界干擾因素小，加工精度和外觀質量明顯提高；②將大量高噪聲、高污染、高風險的“濕作業”搬到工廠中進行，減少建筑垃圾80%，更大大減少了現場澆搗施工對周邊噪音、粉塵等影響；③現澆需要3天的時間，預制1天即可完，更將大部分的工作轉移至工廠，大大減少作業人員現場高空作業風險；④預制防撞墻可將路燈管線、燈桿預埋件、欄桿預埋件，通信管線、電箱等埋設其中，提高質量和精度，縮短工期[3]。

裝配式預制防撞護欄施工的核心問題即預制構件的連接設計。連接設計的有效性及其工序的便利性，將直接影響施工結果和施工效率。本文基于當前普遍使用的兩種連接設計，提出了防撞護欄快速連接設計方案，并對其特點和效果進行分析和驗證。

2 工程概況

背景項目為貴陽市某環線公路為例，本次設計為市政一級道路橋梁混凝土防撞墻，根據《公路交通安全設施設計規范》第5.2.5條規定，防撞墻按最不利工況考慮為SA、SAm級（設計車速100、80；事故等級為二次重大事故或二次特大事故）。

根據《公路交通安全設施設計規范》第4.4.3條及5.1條規定，防撞墻碰撞荷載標準值為86kN/m，荷載分布長度5m，距離護欄頂面5cm。本次受力分析取單米計算，同時考慮活荷載分項系數為1.4，動力系數1.5。

圖1 混凝土防撞護欄斷面及配筋圖

分段原則：當防撞墻為直線段時，根據設計圖紙在伸縮縫處斷開，預制防撞墻長度為4m或者5m一節，每節預制防撞墻質量約3.5T左右，具體根據設計斷面確定；當防撞墻為曲線段時，預制防撞墻分段長度為2m左右，具體根據彎曲半徑大小確定，利用微積分原理，調整每一節之間的角度，既便于生產施工，又要保證連接平緩過度、視覺美觀預制防撞墻縱向連接采用企口形式，如圖1所示，中間預留20mm縫隙，填充耐候膠或瀝青。

3 連接設計方案及其對比

3.1 兩種常用連接設計方案

預制混凝土防撞護欄方案一：預制防撞墻連接采用灌漿套筒及漿錨連接技術，在橋面混凝土澆筑時預留伸出鋼筋。待混凝土澆筑完成強度達到后，吊裝預制防撞墻，預留伸出鋼筋錨入套筒及預應力波紋管后灌漿密實[4]。如圖2所示。

圖2 方案一連接設計示意圖

圖3 方案二連接設計示意圖

圖4 快速連接設計示意圖

預制混凝土防撞護欄方案二：預留錨固鋼筋，同時設置型鋼支撐腿，在橋面混凝土未澆筑前將預制防撞墻吊裝到位，型鋼支撐腿支撐在模板或者可靠支撐上，同時臨時支撐固定[6]。如圖3所示。

3.2 快速連接設計方案

預制混凝土防撞護欄快速連接設計方案：預制防撞墻連接，采用預埋鋼板角鐵焊接及漿錨連接技術，在橋面預留鋼筋及埋件，在預制防撞墻中預埋金屬波紋管及埋件，迎車面通過L型鋼板焊接連接（L型鋼板覆蓋在鋪裝層內，不影響美觀），預制防撞墻中采用漿錨連接技術，同時臨時支撐固定。如圖4所示。

3.3 連接設計方案對比

通過從生產成本、施工方成本及安裝效率等三方面對上述三種方案進行對比。

方案對比分析表表1

如表1所示：

方案一，由于安裝精度要求非常高，導致安裝效率低下；

方案二，施工方支模及安全費用增加，項目造價增加；

快速連接設計方案，生產成本雖高于方案二，但對施工方成本低于方案二，而且安裝效率與方案二無顯著差別。

故而，從施工工藝的高效及施工成本的降低的角度，快速連接設計方案具有明顯的優勢。

4 快速連接設計的力學分析

4.1 強度驗算

假設撞擊荷載全部由角鐵焊縫承擔（如圖5所示），φ25@500的鋼筋漿錨連接作為保險系數考慮，防撞墻取單米計算，荷載設計值q=1.4×1.5×86=180.6kN/m2，角鐵三面圍焊處剪力Fx=180.6kN；拉力Fy=180.6×1.1/0.2=939.3kN，根據《鋼結構設計規范》第7.1.3條設單個角鐵三面圍焊長度lw=300mm，he=10mm，單米預制防撞墻設三個角鐵，間距為500mm一個[5-9]。

可以得到：

承受動力荷載βf取1.0，角焊縫強度設計值取160N/mm2，在綜合力作用下，αf與 τf共同作用處：

由公式（1）、（2）、（3）可知，快速連接設計的防撞護欄強度完全符合要求。

圖5 方案三三維示意圖

4.2 有限元分析

使用SolidWorks軟件進行焊縫連接的有限元分析。分析采用整體式模型，本構關系采用混凝土—鋼筋復合本構關系。模型中預制混凝土防撞護欄長度為0.5m，高1.1m，采用一個L型角鐵焊接連接。在防撞護欄底部支腿處設置豎向約束，在下部預埋鐵板設置豎向和水平方向約束。荷載為451500N/mm2，作用在距防撞護欄頂部50mm處。分析結果如圖6所示。

由圖6-c可知，應力極值為132kN/mm2，滿足最大應力要求。而在上述有限元分析中，于每0.5m內設置1個角鐵。故有限元分析結果顯示在單米內僅需設置2個角鐵焊接連接，即可滿足應力要求。

該結果與根據《鋼結構設計規范》強度驗算的差異，是由于《規范》方法中受到了安全系數的影響。而有限元分析結果更進一步證明了，單米內設置3個角鐵連接是完全可靠的。

另外，本節有限元分析，是在未對波紋管的灌漿連接進行考慮的情況下展開的。因而在實際工程中，快速連接設計方案將能夠接受更嚴峻的實踐考驗。