某上跨鐵路立交橋防撞護欄維修加固設計

黃宗根

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300142）

1 工程概況

天津市某公路立交橋跨越既有鐵路，現有防撞護欄結構形式為預制拼裝防撞護欄，預制塊標準長度為62.5 cm，防撞護欄根部鋼筋與梁體預埋鋼筋焊接固定。由于公路立交橋修建年代較早，經現場調查，跨鐵路段防撞護欄鋼柱及混凝土均有破損；個別部位預制拼裝塊已向外側移動，最大位移量3 cm，急需進行維修加固。且現狀跨越既有鐵路段防撞欄桿混凝土基礎外露高度僅為48 cm，鋼立柱高28.55 cm，不滿足現行《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81-2006）要求，為保證公路及鐵路的運營安全，故對立交橋防撞護欄進行維修加固設計。

2 防撞護欄維修加固設計

2.1 總體設計原則

（1）設計必須滿足國家有關規范和當地相關規定，同時要便于施工及養護管理。

（2）附加荷載須滿足既有橋梁的承載能力。

（3）防撞等級在滿足現有設計基礎上適當提高等級，確保公路及橋下鐵路運營安全。

（4）施工應滿足鐵路運營安全及相關要求。

2.2 工程設計

（1）荷載標準

按混凝土防撞墻設計，橫向變形Z=0、最高等級橫向碰撞力P=365 kN，作用點高度為橋面以上1.05 m。

（2）防撞等級

本橋設計等級為公路一級，設計時速60 km/h，按《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81-2006）第5.2.5條規定，防撞等級須滿足S B級。

（3）結構尺寸

結構尺寸滿足《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81-2006）第5.4.4條組合式護欄的構造要求：設計采用混凝土結構部分高度為高出橋面以上66 cm，根部寬度為51 cm,防撞護欄結構尺寸見圖1。

圖1 防撞護欄構造圖（單位:cm）

（4）防拋網設置

本橋跨越既有鐵路段及兩端各向外延伸一孔范圍設置防拋網，防拋網高度為高出橋面以上2.2m。

（5）對既有鐵路影響

a.原橋護欄拆除

原橋護欄拆除采用縱向分塊整體切除，分塊長度2.5 m。先拆除非跨線部分護欄，后拆除跨線部分護欄，根據非跨線部分拆除情況不斷優化跨線部分拆除方案，最大限度減小對橋下既有鐵路的影響。跨線部分護欄拆除，采用橋面設伸臂+防護板方式邊防護邊拆除。

b.模板安裝和拆除

跨線部分護欄向內縮，護欄外緣至箱梁懸臂端留出4 cm供模板支撐用，模板安裝和拆除均在橋面板以內，從而減小對橋下既有鐵路的影響。

c.混凝土澆筑

跨線部分橋面護欄采用拆除一孔重建一孔，減小大面積澆筑混凝土對橋下既有鐵路的影響。

3 既有立交橋檢算

防撞護欄維修更換引起恒載、活載和撞擊力標準變化，影響懸臂板的受力安全性。本設計采用極限狀態法檢算懸臂板。

（1）恒載：護欄及防拋網合計每延米重8.34 kN；

（2）活載：公路一級荷載，沖擊系數取0.3；

（3）風荷載：無人時 600 P a，有人時 119 P a（六級風）；

（4）汽車撞擊力：根據《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81－2006）規范第 5.1.2條：防撞等級為S B級組合式護欄混凝土部分最小高度要求為65 cm，撞擊力荷載取值P=365 kN，P0=1/4P=91.25 kN。

經檢算，控制工況為恒載+汽車撞擊力，受拉區最小配筋面積為4 324 mm2，實際采用配筋面積為5 360 mm2。正常使用狀態短期組合作用下，最大裂縫跨度為0.057 mm，滿足規范要求。

綜上所述，為滿足S B級防撞要求，對懸臂板頂面鋼筋進行維修加固，鑿除既有橋面1.1 m寬度范圍的瀝青混凝土鋪裝層、防水混凝土鋪裝層和箱梁頂面4 cm保護層，露出箱梁頂面鋼筋并除銹，施做加強鋼筋及橋面鋪裝。

4 施工防護設計

跨線段護欄拆除時，采用橋面設掛籃防護支撐體系邊防護邊拆除，掛籃防護支撐體系的穩定系數不小于2.0。掛籃防護支撐體系底面和側面采用竹膠板+絕緣墊+鍍鋅白鐵皮全封閉，掛籃全寬6.15 m，占用橋面寬度約5 m。掛籃支撐防護體系立面見圖2。

圖2 掛籃支撐防護體系立面圖（單位:mm）

4.1 掛籃制作

（1）主要材料

熱軋方鋼（□150×150×8×8、□150×150×10×10）、H 型鋼 H N150×75×5/7、等邊角鋼（∠100×8）、 圓鋼Φ50、14#槽鋼及鋼絞線（1-7Φ5）。

鋼板和型鋼采用：Q235qD和Q345qD。

（2）掛籃構造

掛籃的基本結構按照用途不同可分為外掛籃、主桁移動小車、配重框、頂部連接裝置等四部分。掛籃支撐防護體系現場施工照片見圖3。

圖3 掛籃支撐防護體系現場施工照片

a.外掛藍

外掛籃為懸挑系統，整個掛籃框架主體由熱軋方鋼拼裝、焊接而成。懸挑部分為承重掛籃，外掛籃在施工過程中為一個整體封閉結構，封閉掛籃底部框架由熱軋方鋼拼裝、焊接而成，框架中間設置三根H型鋼（H N150×75×5/7）橫向肋，框架上鋪設木墊板，木墊板上鋪竹膠板，竹膠板上設絕緣墊，絕緣墊上設鍍鋅白鐵皮防水層，與箱梁側面接觸處設置豎向擋板，形成與鐵路設備完全隔離的封閉施工環境。

b.主桁移動小車

主桁移動小車主體由熱軋方鋼拼裝、焊接而成,內部采用等邊角鋼斜向肋加強結構穩定性。桁架底部為行走系統，行走系統車輪為鐵路器材廠成品Φ20 cm實心車輪，車輪行走軌道采用14＃槽鋼固定引導，主桁架是整個結構的主體，能夠起到平衡整個結構的作用，同時也是行走系統的主要部分。

考慮橋梁道路豎曲線和平面曲線，外掛籃按每節5 m制作，消除道路豎曲線產生的縱向撓度，減少平面移動的不便，同時便于運輸、拼裝及根據不同長度的調節需要。

c.配重框

配重框的作用主要是用于平衡外掛籃內的施工荷載，配重框外框架全部采用熱軋方鋼拼裝、焊接而成，內部采用等邊角鋼橫向肋加強結構穩定性，形成整體框架。配重框內配重可根據現場施工條件采用砂袋或鋼軌等物體，滿足設計提出的荷載要求即可，本著有利于受力平衡的原則，盡量均勻擺放于掛籃結構外側。

d.頂部連接裝置

頂部連接裝置的作用是將外掛籃、主桁移動小車、配重框連接成一個整體，其布置于整個結構的頂部，采用熱軋方鋼及鋼絞線組合而成。

4.1 掛籃檢算

根據掛籃模型計算簡圖，采用M ID A S有限元軟件進行建模計算，各桿件均采用梁單元模擬。掛籃每節5 m，按5節拼裝，長25 m檢算。掛籃有限元計算模型見圖4。

圖4 掛籃有限元計算模型

（1）掛籃配重計算

配重計算工況：要求施工時傾覆安全系數不小于2.0。

工況1：自重+2倍施工荷載+最小配重1；

工況2：自重+2倍設計風荷載+最小配重2；

工況3：自重+1倍施工荷載+2倍9級風荷載+最小配重3。

以前軸為轉動軸，后軸支點豎向反力為零，掛籃處于傾覆的臨界狀態時，計算出各工況的最小配重計算結構見表1。

為提高掛籃使用的安全性，在掛籃框架主桁移動小車配重采用不小于230 kg/m的沙袋，同時核定要求在掛籃內施工操作人員重量不大于90 kg/m。

（2）掛籃強度檢算

掛籃強度檢算工況：

工況1：自重+配重+施工荷載；

工況2：自重+配重+施工荷載+9級風荷載；

工況3：自重+配重+設計風荷載。

掛籃結構強度檢算結果見表2。

由表2可知，在以上三種工況作用下，掛籃各部分構件應力均小于允許值，外掛籃最大豎向撓度為19.1 mm。

表2 掛籃結構強度檢算結果（應力：MPa，撓度：mm）

列舉工況2作用下，掛籃強度檢算結果及產生豎向撓度見圖5～圖7。

圖5 鋼絞線應力圖（單位：MPa）

圖6 掛籃應力圖（單位：MPa）

圖7 掛籃豎向撓度圖（單位：mm）

（3）掛籃抗傾覆性檢算

因掛籃是放在橋面上的，沒有與橋梁連接，故需要對掛籃進行抗傾覆檢算，檢算工況如下：

工況1：自重（拼裝時自穩性檢算）；

工況2：自重+2倍配重；

工況3：自重+配重+設計風荷載。

a.工況1：為考察掛籃結構在拼裝階段還未加載配重時的自穩性，經計算掛籃在自重作用下后軸排支反力最小值為0.3 kN，均為正值，說明掛籃在自重作用下不會發生傾覆。掛籃在拼裝完成后應及時加載配重。

b.工況2：為考察掛籃在加載完配重（考慮1倍超載）還未上施工荷載階段的反向傾覆穩定性，經計算掛籃在工況2下前軸排支反力最小值為9.9 kN，均為正值，說明掛籃在此階段不會發生傾覆。

c.工況3：大風天氣暫停施工，考慮風荷載作用下掛籃的傾覆穩定性檢算。

設計風力標準值:F=594 N/m2，25 m長度范圍內防護板高度為2.2 m，最大力臂為1.1 m。

正向傾覆檢算：以前軸為軸計算出不平衡力矩為35 937 N·m小于施工荷載引起的不平衡力矩 49 912.5 N·m。

反向傾覆檢算：以后軸為軸計算出不平衡力矩為35 937 N·m小于工況2情況下的配重1倍超載引起的不平衡力矩42 500 N·m。

綜上所述，故不需再進行抗風傾覆檢算。

（4）掛籃穩定性檢算

荷載工況組合：自重+配重+施工荷載，計算的屈曲模態數量為10。

計算結果由圖8可知：計算出掛籃屈曲穩定系數為678.6，此時模態為整體順橋向倒塌。678.6＞4.0，故掛籃結構穩定性滿足要求。

圖8 掛籃屈曲失穩圖

5 結語

通過對天津市某上跨鐵路立交橋防撞護欄進行維修加固設計，總結出以下幾點經驗供同類工程維修加固設計參考：

（1）在進行維修加固設計前，首先應收集既有立交橋的相關圖紙資料，其次應實地對既有鐵路相關設備與上跨立交橋的相互位置關系進行詳細調查，根據調查結果和設計需要提出具體的測量要求。

（2）對路局提出的施工防護要求進行詳細設計，保證施工安全及橋下既有鐵路運營安全。

（3）根據道路等級及現行規范要求，設計相應防撞等級的防撞護欄，并對既有立交橋進行補強和檢算。

（4）掛籃支撐防護體系一節長度不宜設計過大，應根據公路橋縱坡大小，以及方便現場安裝和施工的原則進行設計。

（5）充分考慮各種工況作用下，對掛籃支撐防護體系進行配重計算、強度檢算、抗傾覆性檢算和穩定性檢算。

（6）公路立交橋下為電氣化鐵路時須用導線將掛籃防護支撐體系接地，接地電阻應小于4Ω。