橋梁砼護(hù)欄直立式接高改造設(shè)計與碰撞分析*

趙慶云， 吳軍鵬， 劉康， 孟濤， 卜倩淼

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250031；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院， 北京 100088)

近年來中國交通事業(yè)突飛猛進(jìn)，車輛行駛速度及重車比例不斷提高，對橋梁護(hù)欄的防護(hù)能力要求越來越高。JTG D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》對高速公路橋梁特別是跨越公路、鐵路或城市飲用水源一級保護(hù)區(qū)等路段的橋梁護(hù)欄提出了更高的防護(hù)要求。早期(特別是2006年以前)建設(shè)的部分橋梁，由于建設(shè)時期執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對橋梁護(hù)欄的設(shè)防等級偏低，難以滿足新交通環(huán)境的需求；同時公路路面加鋪、罩面或提升改造，導(dǎo)致部分橋梁護(hù)欄高度不足，存在較大安全隱患。為保證行車安全，對這部分橋梁護(hù)欄的提升改造正逐步開展。

相關(guān)文獻(xiàn)及工程實(shí)例表明，利用原砼護(hù)欄接高鋼梁柱改造為組合式護(hù)欄的方案可行且施工方便，但存在造價高、養(yǎng)護(hù)困難的問題；拆除新建高等級護(hù)欄改造徹底，但施工安全性及工程經(jīng)濟(jì)性不好。該文通過工程調(diào)研和理論計算，設(shè)計一種利用原砼護(hù)欄直立式接高的護(hù)欄改造方案，依托實(shí)際工程對大翼緣橋面板的護(hù)欄錨固進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，并通過仿真分析及實(shí)車碰撞試驗(yàn)對改造方案進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。

1 改造方案設(shè)計

按照安全可靠、普適性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的原則，確定圖1所示護(hù)欄改造設(shè)計思路。

橋梁護(hù)欄一般采用砼護(hù)欄或組合式護(hù)欄。對早期修建的橋梁護(hù)欄形式進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大量護(hù)欄采用基本型(NJ型)迎撞面的組合式護(hù)欄(見圖2)，護(hù)欄迎撞面變坡點(diǎn)位置及迎撞面坡線角度均相同，僅變坡點(diǎn)至砼護(hù)欄頂面高度h不同，主要分為三類(見表1)。保留利用原砼護(hù)欄部分，充分考慮改造方案的通用性，控制護(hù)欄總高度110 cm，擬定圖3所示護(hù)欄直立式接高改造方案。

圖1 護(hù)欄接高改造設(shè)計思路

圖2 基本型迎撞面的組合式護(hù)欄構(gòu)造圖(單位：mm)

表1 典型護(hù)欄尺寸 mm

圖3 護(hù)欄直立式接高改造方案(單位：mm)

2 理論計算

橋梁護(hù)欄防護(hù)等級提升，相應(yīng)的碰撞荷載增大，新規(guī)范對碰撞荷載分布長度進(jìn)行了調(diào)整，選擇最不利護(hù)欄高度H=635 mm的情況進(jìn)行驗(yàn)算。按照J(rèn)TG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》中的計算方法，考慮自重、碰撞荷載、聲屏障風(fēng)荷載的組合效應(yīng)，對新舊砼連接面、砼護(hù)欄構(gòu)件及錨固橋面板進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.1 最大碰撞力與設(shè)計碰撞力

車輛橫向碰撞荷載與車輛速度、汽車質(zhì)量、碰撞角度有關(guān)，最大橫向碰撞荷載為:

式中：F碰為作用在護(hù)欄上的最大橫向碰撞力(kN)；m為車輛質(zhì)量(kg)；v為車輛碰撞速度(m/s)；θ為車輛碰撞角度(°)；C為車輛重心與前保險杠間的距離(m)；b為車輛寬度(m)；Z為護(hù)欄的橫向變形(m)，對于剛性砼護(hù)欄，Z=0。

分別對SS級對應(yīng)的小型客車、大型客車、大型貨車進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。偏安全地取最大值即規(guī)范中碰撞荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值520 kN進(jìn)行計算，作用點(diǎn)距護(hù)欄頂面以下5 cm。

表2 最大橫向碰撞力計算

2.2 風(fēng)荷載計算

聲屏障高度2 m，錨固于砼護(hù)欄頂面，迎風(fēng)面距離路面高度3.1 m，橫向風(fēng)荷載作用點(diǎn)位于護(hù)欄頂以上45 cm處(見圖4)。按照J(rèn)TG/T D60-01《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中的計算方法，護(hù)欄單位長度的橫橋向靜風(fēng)荷載為：

3.1=3.46 kN/m

其中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3;vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速，取31.75 m/s;CH為阻力系數(shù)，其值為1.77。

圖4 護(hù)欄受力簡圖(單位：mm)

2.3 新舊砼連接面強(qiáng)度驗(yàn)算

取原砼護(hù)欄高度最小635 mm的最不利情況進(jìn)行計算，護(hù)欄受力見圖4。橫向碰撞荷載自砼頂面沿45°向下傳遞，新舊砼連接面處的荷載有效分布寬度為：

La=Lt+2ha=2.4+2×0.415=3.23 m

式中：Lt為車輛碰撞荷載的分布長度，為2.4 m；ha為碰撞荷載作用點(diǎn)至新舊砼連接面的高度，為0.415 m。

作用偶然組合效應(yīng)值為：

Sad=F碰ha+φqF風(fēng)Lahc=520×0.415+

0.75×3.46×3.23×0.915=223.47 kN·m

式中：φq為風(fēng)荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)，為0.75；hc為風(fēng)荷載作用點(diǎn)至新舊砼連接面的高度，為0.915 m。

護(hù)欄接高改造時按縱橋向間距20 cm植入φ16鋼筋進(jìn)行錨固連接(見圖5)，連接截面抗彎承載力見式(1)，滿足要求。

Mu=264 kN·m>Sad=223.47 kN·m

(1)

圖5 新舊砼連接面植筋布置(單位：mm)

2.4 橋面板錨固強(qiáng)度驗(yàn)算及加強(qiáng)措施

對大量實(shí)際工程圖紙的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，T形梁或工字形組合梁翼緣板厚度小、橫向配筋弱，選擇最不利的橋面板對護(hù)欄根部控制截面(圖4所示控制截面)進(jìn)行驗(yàn)算，典型橋面板構(gòu)造及鋼筋布置見圖6。護(hù)欄根部荷載分布長度為：

La=Lt+2hb=2.4+2×1.15=4.7 m

式中：hb為碰撞荷載作用點(diǎn)至橋面板頂高度，為1.15 m(考慮10 cm瀝青鋪裝厚度)。

圖6 典型橋面板構(gòu)造及鋼筋布置(單位：mm)

控制截面處作用偶爾組合效應(yīng)值見式(2)，橋面板抗彎承載力不滿足護(hù)欄錨固要求。

Sad=618.1 kN·m>Mu=165 kN·m

(2)

結(jié)合工程實(shí)際情況，為盡量減少對交通的影響，采用局部鋪裝增強(qiáng)方案(見圖7)：通過重做護(hù)欄側(cè)2 m范圍內(nèi)橋面鋪裝層，增設(shè)現(xiàn)澆層橫向鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)鋼筋采用φ16鋼筋，縱向間距10 cm，有效植入護(hù)欄砼。對于瀝青鋪裝層大于7 cm的橋梁，也可減小2 m范圍內(nèi)瀝青鋪裝，以加大砼現(xiàn)澆層厚度，增強(qiáng)橋面板錨固承載力。對上述加強(qiáng)方案進(jìn)行承載力計算，結(jié)果見表3。

圖7 現(xiàn)澆層加強(qiáng)設(shè)計配筋布置

方案截面高度/cm鋼筋配置荷載組合/(kN·m)承載力/(kN·m)是否滿足現(xiàn)狀26?8@20 cm重做現(xiàn)澆層26?16@10 cm618.12618.12165否642是

2.5 砼構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算

接高改造后的護(hù)欄構(gòu)造及鋼筋由兩部分組成，一部分為圖8所示原護(hù)欄，另一部分為圖5所示接高部分。基于屈服線分析和強(qiáng)度設(shè)計理論對護(hù)欄承載力采用極限荷載分析方法進(jìn)行計算。在荷載作用下，首先護(hù)欄底部產(chǎn)生微裂縫，隨著荷載的增大，裂縫向自由邊延伸，最終護(hù)欄可能產(chǎn)生圖9所示兩種破壞模式。按照J(rèn)TG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，對標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄及護(hù)欄端部分別按照兩種破壞模式進(jìn)行橫向抗力計算。

圖8 現(xiàn)狀PL3型護(hù)欄鋼筋布置(單位：cm)

圖9 護(hù)欄的兩種破壞模式(單位：cm)

碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段時，護(hù)欄橫向抗力按下式計算：

式中：Rw為護(hù)欄橫向抗力(kN)；Lc為屈服線破壞模式的臨界長度(m)，按式(3)計算；Lt為車輛碰撞荷載的分布長度(m)，對于SS級護(hù)欄，Lt=2.4 m；Mb為護(hù)欄頂部除Mw外的橫梁附加彎曲承載力矩(kN·m)，該護(hù)欄無橫梁，Mb=0；Mw為護(hù)欄關(guān)于豎向軸的彎曲承載力矩(kN·m)；Mc為護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩(kN·m)；H為護(hù)欄有效高度(m)。

(3)

碰撞發(fā)生在護(hù)欄端部或伸縮縫處時，護(hù)欄橫向抗力按下式計算：

式中：Lc按式(4)計算。

(4)

護(hù)欄橫向抗力計算結(jié)果見表4。由表4可知：破壞模式一且碰撞發(fā)生在護(hù)欄端部時抗力最小，為528.3 kN。

作用于砼護(hù)欄頂部的橫向作用偶爾組合效應(yīng)見式(5)，滿足要求。

表4 護(hù)欄橫向抗力計算結(jié)果

Sad=F碰+φqF風(fēng)Lc=520+0.75×3.46×

2.72=527.0 kN

(5)

3 計算機(jī)仿真分析

3.1 計算模型

鑒于護(hù)欄真實(shí)受力的復(fù)雜性及不確定性，同時考慮盡量保證實(shí)車碰撞試驗(yàn)的一次通過率，通過計算機(jī)仿真分析對改造后護(hù)欄進(jìn)行計算驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化。按照依托工程設(shè)計圖紙，采用標(biāo)準(zhǔn)砼、鋼筋參數(shù)建立護(hù)欄三維有限元模型(見圖10)，分別采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)車輛小型客車、大型客車、大型貨車進(jìn)行仿真碰撞模擬計算。

圖10 直立式接高護(hù)欄仿真模型

3.2 仿真分析結(jié)果

如圖11所示，小型客車碰撞護(hù)欄后，未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄情況，盡管車輛尾部躍起高度較大，但最終正常導(dǎo)出且行駛姿態(tài)正常，未發(fā)生翻車現(xiàn)象。車輛碰撞過程中，護(hù)欄砼產(chǎn)生少量剝落，但護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件并未侵入車輛乘員艙。如圖12所示，小型客車重心加速度縱向和橫向分量的最大值分別為ax=-82 m/s2、ay=166.4 m/s2，均小于200 m/s2，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)重心加速度數(shù)據(jù)，計算得乘員碰撞速度縱向和橫向分量分別為vx=4.1 m/s、vy=-6.6 m/s，絕對值均小于12 m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 小型客車模擬碰撞過程

圖12 小型客車重心加速度曲線

如圖13、圖14所示，大型客車、大型貨車碰撞護(hù)欄后，車輛均未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄情況，車輛正常導(dǎo)出且行駛姿態(tài)正常。車輛碰撞過程中，護(hù)欄砼發(fā)生一定程度破壞，但脫離物并未侵入車輛內(nèi)部，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 大型客車模擬碰撞過程

圖14 大型貨車模擬碰撞過程

4 碰撞試驗(yàn)

按1∶1的比例澆筑護(hù)欄試驗(yàn)段，長度40 m(見圖15)。按照J(rèn)TG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中SS級護(hù)欄碰撞試驗(yàn)條件及方法的要求，分別采用小型客車、大型客車、大型貨車進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)，碰撞試驗(yàn)等級為SS級，試驗(yàn)條件見表5。

圖15 護(hù)欄試驗(yàn)段

車輛類型車輛重量/t車輛速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ小型客車1.43100.4020520大型客車18.0282.3220520大型貨車33.0860.5820520

如圖16～18所示，小型客車碰撞護(hù)欄時，護(hù)欄基本未發(fā)生損壞，車輛順利導(dǎo)出；大型客車碰撞護(hù)欄時，護(hù)欄出現(xiàn)輕微斜向裂縫；大型貨車碰撞護(hù)欄時，碰撞區(qū)域上部砼護(hù)欄出現(xiàn)可修復(fù)程度的損壞。試驗(yàn)過程中，3種車輛均未穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，最終正常導(dǎo)出，行駛姿態(tài)正常，沒有發(fā)生翻車現(xiàn)象。改造后護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能指標(biāo)均符合《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》的要求，安全性能滿足SS級防護(hù)等級要求。

圖16 小型客車碰撞試驗(yàn)后車輛及護(hù)欄情況

圖17 大型客車碰撞試驗(yàn)后車輛及護(hù)欄情況

圖18 大型貨車碰撞試驗(yàn)后車輛及護(hù)欄情況

5 結(jié)語

該文根據(jù)理論計算，結(jié)合以往護(hù)欄改造經(jīng)驗(yàn)提出直立式接高改造護(hù)欄方案。該方案保留利用原砼護(hù)欄部分，頂面植筋，以直墻式加高砼護(hù)欄，控制改造護(hù)欄總高度為110 cm。同時通過橋面板錨固分析，提出弱翼緣橋面板的加強(qiáng)方案以滿足護(hù)欄錨固要求。通過計算機(jī)仿真模擬及實(shí)車碰撞試驗(yàn)對護(hù)欄安全性能進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，結(jié)果表明改造后護(hù)欄防護(hù)性能達(dá)到SS級。

橋梁砼護(hù)欄直立式接高改造方案已在多座橋梁護(hù)欄提升工程中得到應(yīng)用，實(shí)施效果表明該方案可最大限度保留利用原護(hù)欄，且施工方便、造價低，具有較高推廣價值。