橋梁混凝土護欄路燈基礎(chǔ)承載能力分析

黃 玲 高 聰

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510500）

隨著城市夜景照明的發(fā)展，橋梁兩側(cè)的護欄路燈已成為重要的市政設(shè)施，既要求滿足橋梁的防撞功能，還要求兼具照明和裝飾功能。目前，常見的路燈基礎(chǔ)采用兩種方式：嵌入護欄結(jié)構(gòu)中或?qū)⒆o欄斷開，做在護欄中間。對于橋梁護欄路燈，除了考慮景觀和照明效果，還應(yīng)遵循橋梁及護欄結(jié)構(gòu)本身特性[1-2]，特別是嵌入式的護欄路燈。本文考慮混凝土護欄路燈結(jié)構(gòu)，對路燈基礎(chǔ)在不同荷載組合下的承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進行驗算，確保改造路燈滿足護欄結(jié)構(gòu)承載能力要求。

1 計算模型

計算模型可取路燈與橋梁護欄結(jié)構(gòu)作為隔離體，考慮護欄底座與橋梁梁體剛性或半剛性連接。對順橋向和橫橋向的護欄結(jié)構(gòu)進行受力分析，如圖1所示，橋梁護欄結(jié)構(gòu)所受荷載及作用荷載分類見表1。其中，順橋向和橫橋向風(fēng)荷載可參照JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》，考慮各地區(qū)50年或100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速值來計算[3]；人群荷載可根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進行取值，作用在護欄立柱頂上的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值取0.75，作用在護欄扶手上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值取1.0[4]；汽車撞擊作用可根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進行取值，汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值在車輛行駛方向取1 000 kN，在車輛行駛垂直方向取500 kN，但不同時考慮兩個方向的撞擊力，撞擊力直接分布于撞擊構(gòu)件上。

表1 結(jié)構(gòu)作用荷載分類

圖1 結(jié)構(gòu)受力分析

2 計算方法

對于混凝土結(jié)構(gòu)護欄，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]和JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，承載能力分析主要分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩大類，荷載組合工況見表2。其中，承載能力極限狀態(tài)應(yīng)考慮基本荷載組合和偶然荷載組合，并對不同荷載組合工況下的正截面受壓承載力和斜截面受剪承載力進行計算，應(yīng)滿足正截面受彎承載力不應(yīng)大于設(shè)計值；正常使用極限狀態(tài)應(yīng)考慮準(zhǔn)永久荷載組合，并對不同荷載組合下的受拉邊緣或正截面裂縫寬度進行驗算，對于橋梁護欄，可采用二級裂縫控制等級構(gòu)件，在荷載準(zhǔn)永久組合下，應(yīng)滿足受拉邊緣應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 荷載組合工況

3 工程算例

某橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制T梁，橋梁兩側(cè)設(shè)置了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)護欄，護欄混凝土材料為C30混凝土，軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 N/mm2，軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.01 N/mm2；鋼筋材料為HPB300鋼筋和HRB400鋼筋；混凝土保護層厚度為20 mm。橋梁改造路燈嵌入護欄結(jié)構(gòu)中，路燈高8 m，重約310 kg。

采用有限元分析軟件進行建模，建模方法為分離式建模法，即考慮鋼筋和混凝土的滑移作用。其中混凝土單元使用三維實體8節(jié)點縮減積分單元進行模擬，鋼筋使用三維線形桁架單元進行模擬。在建立模型時，將路燈及護欄裝飾鏤花部分轉(zhuǎn)化為等效荷載作用于護欄扶手及路燈基礎(chǔ)部分。基礎(chǔ)底部按固結(jié)端進行約束，護欄扶手長度取1 m。建立的實體模型如圖2所示。

圖2 護欄與路燈三維有限元模型

3.1 承載能力極限狀態(tài)

橋梁護欄承載能力極限狀態(tài)主要進行正截面受壓承載力計算、斜截面受剪承載力計算。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算可得，該護欄的彎矩設(shè)計值[M]為612.56 kN·m，軸向壓力設(shè)計值[N]為338.57 kN，剪力設(shè)計值[V]為78.99 kN。

表2中的荷載組合工況1～工況4數(shù)值模擬計算的承載能力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖3所示，相應(yīng)的混凝土最大應(yīng)力值見表3。結(jié)果表明工況4的計算結(jié)果均大于混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值和軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，但均小于鋼筋的抗拉強度設(shè)計值和抗壓強度設(shè)計值，表明承載能力極限狀態(tài)下，混凝土護欄結(jié)構(gòu)表面可能產(chǎn)生環(huán)向裂縫。不同計算工況下的護欄結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值與設(shè)計值的比對結(jié)果見表4。結(jié)果表明，在荷載基本組合工況下，均滿足正截面受壓和斜截面受剪承載力驗算，且荷載組合的內(nèi)力計算結(jié)果遠小于結(jié)構(gòu)可承受的極限內(nèi)力，表明在“結(jié)構(gòu)重力+人群荷載+風(fēng)荷載”的荷載組合情況下，護欄結(jié)構(gòu)受力是安全的。而荷載偶然組合工況下，均不滿足正截面受壓和斜截面受剪承載力驗算，且荷載組合的剪力值遠超于結(jié)構(gòu)可承受的極限內(nèi)力，表明在“結(jié)構(gòu)重力+汽車撞擊作用”的荷載組合情況下，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)破壞，且破壞形式可能表現(xiàn)為斜截面剪切破壞。

圖3 不同工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表3 不同工況下混凝土最大應(yīng)力值 /（kN/mm2）

表4 不同工況下結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值及驗算結(jié)果

3.2 正常使用極限狀態(tài)

橋梁護欄正常使用極限狀態(tài)主要進行受拉邊緣或正截面裂縫寬度驗算。表2中的荷載組合工況5、工況6數(shù)值模擬計算的正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示，相應(yīng)的混凝土最大應(yīng)力值見表5。結(jié)果表明，按二級裂縫控制等級構(gòu)件驗算，工況五的結(jié)構(gòu)受拉邊緣處的混凝土最大拉應(yīng)變較大，且小于混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，正常使用極限狀態(tài)下的計算工況均滿足裂縫控制驗算。

圖4 不同工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表5 不同工況下混凝土最大應(yīng)力值及驗算結(jié)果 /（kN/mm2）

4 結(jié)語

本文采用隔離法建立了嵌入式的橋梁護欄路燈基礎(chǔ)計算模型，結(jié)合規(guī)范分析了承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的荷載組合工況。并以實際工程為例，對不同荷載組合下的混凝土護欄路燈基礎(chǔ)的正截面受壓承載力、斜截面受剪承載力及裂縫控制進行驗算。結(jié)果表明，在不考慮汽車撞擊荷載作用下，該護欄路燈基礎(chǔ)滿足規(guī)范的相關(guān)要求。總的來說，本文的計算模型、方法和應(yīng)用案例可為類似的路燈基礎(chǔ)承載能力計算提供參考。