汽車碰撞荷載下橋面板懸臂設計研究

謝玉萌， 朱自萍

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

防撞護欄是公路安全防護設施的主要設施,主要功能是對失控車輛進行有效的防護,阻止車輛沖出路(橋)外,防止造成更嚴重的人員傷亡和更大的經濟損失。按照路段不同，護欄可劃分為路基護欄和橋梁護欄。橋梁護欄結構是橋梁工程與道路交通安全設施的重要組成部分。在橋梁工程設計與施工時,必須以安全為前提,綜合考慮施工技術、經濟成本、交通壓力等因素影響,采用符合國家安全標準的設計施工方案,其中橋梁護欄結構也應達到相應防撞等級的安全性能評價指標。橋梁護欄結構作為橋梁公路上的安全防護設施,在車輛失控碰撞護欄時,通過護欄變形或車輛爬高來吸收碰撞能量,改變車輛行駛方向,阻止車輛越出路外,以盡可能降低事故風險,減少人員傷亡和財產損失。

目前國內大多數高速公路上的箱梁橋、T梁橋的橋面板懸臂設計中,基本上都對設計荷載和驗算荷載非常重視,并根據相關荷載組合進行橋面板的強度設計,而忽視了在車輛對護欄碰撞荷載下的橋梁懸臂板的強度計算。實際上,真正控制橋梁橋面板懸臂設計的荷載往往是車輛側向碰撞荷載。2017年11月17日交通運輸部發布《公路交通安全設施設計規范》和《公路交通安全設施設計細則》并于2018年1月1日起施行。本文基于這兩個文件對裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋面板懸臂在汽車碰撞偶然荷載作用下進行計算,給出不同護欄防護等級下所需要的懸臂板最少配筋,為類似橋梁計算提供參考。

1 工程概況

以公路橋梁中常見的30 m裝配式預應力混凝土箱梁為分析對象,梁體采用C50混凝土,梁高1.6 m。采用混凝土護欄等級為SS、SA、SB級分別進行驗算,如圖1所示。

2 橋面板懸臂驗算

2017版《公路交通安全設施設計細則》附錄D.4.1規定,驗算狀態Ⅰ和狀態Ⅱ下橋面板懸臂的承載能力。狀態Ⅰ為橫向和縱向碰撞荷載作為偶然荷載的承載能力極限狀態。狀態Ⅱ為豎向碰撞荷載作為偶然荷載的承載能力極限狀態。

圖1 裝配式預應力混凝土箱型連續梁斷面圖(單位:mm)

2.1 橋面板懸臂驗算狀態Ⅰ

狀態Ⅰ計算簡圖如圖2所示。將上部橫向碰撞力下移到橋面板,對于懸臂板任意截面,其受力體系如圖3所示。懸臂板橫向軸方向合力為零。

圖2 橋面懸臂設計狀態Ⅰ計算簡圖

圖3 橋面懸臂設計狀態Ⅰ受力體系

式中:C為混凝土承受的壓力;T為碰撞荷載引起的橋面板內的軸向拉力。

根據《公路交通安全設施設計細則》附錄D.4.2軸向拉力T可表示為:

式中:RW為護欄抗力;Lc為屈服線破壞模式的臨界長度;H為混凝土護欄的高度。

對懸臂板任意截面受壓區混凝土壓應力合力作用點取距,截面應滿足:

(1) 碰撞發生在護欄標準段,驗算A-A截面,參數見表1。

表1 30 m箱梁參數表

SS級護欄截面面積:0.4725 m2;Rw=867.7 kN;

護欄自重產生的彎矩:

Mb=0.4725×1×26×(0.5-0.183)=3.89 kN·m;

懸臂橋面板自重產生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.222-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.630 5 kN·m。

碰撞荷載產生的彎矩:碰撞荷載產生的彎矩等效為護欄根部彎曲抗力Mc,Mc=110.2 kN·m;

偶然組合彎矩設計值:

Mu=γ0Md=1.0(Mb+Mc+Ms)=3.89+0.6305+110.2=114.7 kN·m;

軸向拉力標準段:

正截面強度驗算:截面高度為0.222 m,采用直徑16 mm的橫向鋼筋,筋中心至截面邊緣的距離為39.2 mm,混凝土強度等級為C50。計算參數見表2。

表2 A-A截面計算參數表

受壓區高度:x=(Asfyk-T)/(fcb)=65.8 mm;

(2)碰撞發生在護欄標準段,驗算B-B截面,參數見表3。

護欄自重產生的彎矩:Mb=0.4725×1×26×(0.817-0.183)=7.78 kN·m;

懸臂橋面板自重產生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.25-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.660 8 kN·m;

第2次手術時間（118.53±42.62）min，出血量（85.61±30.83）ml；后路選擇性減壓4例，神經根癥狀消失，術后傷口愈合好，沒有出現并發癥。

橋面鋪裝產生的彎矩:M1=(H4-0.5)×(H4-0.5)×0.5×(0.1×26+0.1×24)=0.2512 kN·m;

碰撞荷載產生的彎矩:

偶然組合彎矩設計值:

Mu=γ0Md=1.0(Mb+Mc2+Ms+M1)

=7.78+0.6608+0.2512+100.9=109.6 kN·m;

軸向拉力:

正截面強度驗算:截面高度為0.25 m,采用直徑16 mm的橫向鋼筋,鋼筋中心至截面邊緣的距離為39.2 mm,混凝土強度等級為C50。計算參數見表3所示:

表3 B-B截面計算參數表

2.2 橋面板懸臂驗算狀態Ⅱ

狀態Ⅱ計算簡圖如圖4所示。

圖4 橋面懸臂設計狀態Ⅱ計算簡圖

護欄自重產生的彎矩:

Mb=0.472 5×1×26×(0.817-0.183)=7.78 kN·m;

懸臂橋面板自重產生的彎矩:

Ms=0.18×0.5×0.5/2×26+(0.25-0.18)×0.5×0.5×26×0.5×1/3=0.660 8 kN·m;

橋面鋪裝產生的彎矩:M1=(H4-0.5)×(H4-0.5)×0.5×(0.1×26+0.1×24)=0.2512 kN·m;

豎向碰撞荷載,取33 t火車:

Fv=33 000 kg×9.8 N/kg=323.4 kN;

豎向碰撞荷載分布長度,取33 t貨車的車長:

Lv=11.9 m；

受壓區高度：x=(Asfyk)/(fcb)=71.8 mm；

As取最大值為2 043 mm2,直徑16 mm鋼筋面積為201 mm2,因此至少需要11根直徑16 mm鋼筋。

SA、SB級采用相同的方法進行計算,各等級最少需要的懸臂板橫向鋼筋見表4。

表4 各等級護欄需要的橋面板懸臂配筋表

由計算過程可以看出,橋面板懸臂強度計算與護欄的強度相關,護欄等級越高,護欄的抗力越大,懸臂板需要的配筋也相應加大。因此懸臂板設計要和護欄的設計相匹配,結合護欄的等級進行驗算。

3 結束語

通過對30 m裝配式預應力混凝土箱梁在汽車碰撞偶然荷載作用下的橋面板懸臂計算研究,可得出以下幾點結論:

(1) 橋面板懸臂的驗算要結合所選用的護欄形式、護欄防護等級進行。

(2) 護欄的等級越高,抗力越大,橋面板懸臂需要的配筋越強,因此在選取護欄等級時要綜合考慮。

(3) 護欄的設計要符合相應的等級,不能過度設計,否則會導致橋面板懸臂也進行過度設計。