預(yù)制混凝土護(hù)欄及連接設(shè)計研究

劉婉玥, 楊 凱

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，快速化、裝配式的綠色橋梁建造理念得到長足的發(fā)展，裝配式橋梁的附屬設(shè)施也得到了關(guān)注。橋梁的防撞護(hù)欄是橋梁的重要組成部分，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土護(hù)欄通常采用現(xiàn)場綁扎鋼筋、現(xiàn)澆混凝土施工的方法制作。大量的鋼筋運輸和加工作業(yè)既費時又費力，極大地增加了項目的施工工期和成本，且無法保證現(xiàn)澆施工的質(zhì)量。

預(yù)制裝配式護(hù)欄可實施性強，適應(yīng)性強。保證了防撞護(hù)欄的施工質(zhì)量安全的前提下，加快了施工進(jìn)度。工廠產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)、固定連接、安裝等工序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，實現(xiàn)了高效裝配式的橋梁施工。相比常規(guī)的防撞護(hù)欄施工，不需要復(fù)雜的施工措施，節(jié)約了工期以及施工成本，經(jīng)濟效益顯著。因此，本文提出了幾種預(yù)制混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)體系，并提出了相應(yīng)的連接設(shè)計方案，能夠有效實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、制造工廠化和施工裝配化。

1 預(yù)制混凝土護(hù)欄形式

目前國內(nèi)預(yù)制混凝土護(hù)欄形式參考《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》，主要有3種形式，如圖1所示，由左至右分別為：單坡型、F型和加強型[1]。

圖1 混凝土護(hù)欄形式

2 護(hù)欄與橋面板連接設(shè)計方案

預(yù)制混凝土護(hù)欄的核心問題即預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計。連接設(shè)計的有效性及其工序的便利性將直接影響施工質(zhì)量和施工效率。

目前已有多種方法對預(yù)制混凝土護(hù)欄進(jìn)行錨固。預(yù)制混凝土護(hù)欄與橋面板連接的常見方法包括穿板型螺栓以及膠結(jié)型螺栓。穿板型螺栓連接方法需要在橋面板穿孔，螺栓穿過整塊橋面板以及護(hù)欄進(jìn)行連接。螺栓兩端均需使用高規(guī)格的墊圈和螺母固定。這種方法常用于道路中央分隔帶護(hù)欄的固定，也可用于混凝土橋面板。由于兩側(cè)均有交通，這種護(hù)欄兩側(cè)均設(shè)置坡面并用螺栓固定連接。這種連接方法的難點在于需要到達(dá)橋面板下側(cè)來固定螺栓。除此之外，由于連接部位裸露，可能會存在腐蝕和風(fēng)化問題。穿板型螺栓的連接細(xì)節(jié)構(gòu)造[2]如圖2所示。

另一種預(yù)制混凝土護(hù)欄與橋面板連接方式是采用膠結(jié)型螺栓。該方法需要在橋面板鉆孔，然后將螺栓穿過護(hù)欄并插入橋面板中，最后使用膠結(jié)劑來固定螺栓，連接構(gòu)造示意如圖3所示。這種方法的問題在于所用膠結(jié)劑的錨固強度難以保證。

圖2 穿板型螺栓連接細(xì)節(jié)構(gòu)造

圖3 膠結(jié)型螺栓連接細(xì)節(jié)構(gòu)造

穿板式連接預(yù)制混凝土護(hù)欄的另一種方法是通過預(yù)應(yīng)力螺桿，螺桿穿過整個護(hù)欄墻體和橋面板，然后通過端部墊板、墊圈和螺母將預(yù)應(yīng)力螺桿錨固到橋面板上。該連接構(gòu)造如圖4所示。和穿板式螺栓連接一樣，該方法同樣存在橋面板下側(cè)錨固安裝以及裸露連接部件腐蝕問題[3]。

圖4 預(yù)應(yīng)力螺桿連接細(xì)節(jié)構(gòu)造

除了螺栓和螺桿連接方式之外，也可采用鋼筋連接的形式。一種方法是采用傾斜的鋼筋插入護(hù)欄墻體，在橋面板內(nèi)預(yù)埋波紋管，將鋼筋插入后進(jìn)行灌漿。這種連接方法沒有鋼制構(gòu)件暴露在環(huán)境中。由于主連接件已經(jīng)預(yù)埋在橋面板中，因此連接構(gòu)造相對簡單，如圖5所示。采用該連接設(shè)計方案，發(fā)生車輛碰撞時，傾斜鋼筋與橋面板連接界面處的鋼筋會首先失效，從而使維修更換更加容易。相對于更換整體護(hù)欄和橋面板，僅需要拆除和更換損壞的護(hù)欄節(jié)段。由于連接鋼筋的失效使得橋面板的損壞最小化。但是由于波紋管及不銹鋼筋的使用，這種連接方案經(jīng)濟性可能不是很好。

圖5 斜鋼筋連接細(xì)節(jié)構(gòu)造

第二種連接方案采用U形鋼筋，垂直插入橋的懸臂下緣，穿過橋面板進(jìn)入護(hù)欄墻體，并進(jìn)行灌漿，具體的連接構(gòu)造如圖6所示。

圖6 U型鋼筋連接細(xì)節(jié)構(gòu)造

這種連接方案主要考慮節(jié)省成本以及確保耐久性。這種方案同樣也沒有鋼制構(gòu)件裸露，也不需要波紋管等連接件，因此造價相對更便宜。但如果遭到碰撞破壞，更換由U形鋼筋連接的護(hù)欄難度更大，且可能需要更換一部分橋面板。

3 護(hù)欄與橋面板連接設(shè)計計算

本文僅給出護(hù)欄與橋面板連接設(shè)計的理論計算依據(jù)，實際情況需根據(jù)試驗進(jìn)行對比驗證。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》先計算出標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制混凝土護(hù)欄墻體關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩Mc、護(hù)欄墻體關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩Mw。

然后，計算屈服線發(fā)生的臨界長度Lc：

(1)

式中：H為護(hù)欄的有效高度,m；Lt為碰撞荷載分布的縱向長度,m；Mw為護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩,kN·m；Mb為護(hù)欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎曲承載力矩,kN·m；Mc為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩,kN·m/m。

計算護(hù)欄對抗橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rw：

(2)

取各種破壞模式下計算的Rw最小值作為護(hù)欄抗力標(biāo)準(zhǔn)值，并與對應(yīng)等級的碰撞荷載進(jìn)行比較。

護(hù)欄與橋面板之間的連接截面抵抗彎矩可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于單筋矩形截面正截面承載力計算的原理和方法進(jìn)行計算[4]。

(3)

式中：S1為鋼筋或螺栓截面面積；fyk為材料屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值；b為截面寬度；h0為截面的有效高度；x為受壓區(qū)高度。

連接構(gòu)造設(shè)計需滿足Md>Mc，即連接截面處正截面承載力大于護(hù)欄墻體關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩。還需利用護(hù)欄對抗橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rw來驗算連接截面的抗剪承載能力。若均滿足則說明連接構(gòu)造設(shè)計滿足規(guī)范碰撞荷載作用下的受力需求。與此同時，還應(yīng)驗算鋼筋或螺栓的錨固長度是否滿足要求。

4 結(jié)束語

本文主要對預(yù)制混凝土護(hù)欄的連接設(shè)計形式進(jìn)行了較為全面的介紹，采用螺栓連接設(shè)計造價較高，一般會存在鋼制構(gòu)件裸露在環(huán)境中腐蝕風(fēng)化的問題。采用鋼筋連接的經(jīng)濟性和耐久性較好，但是遇到碰撞損壞時更換拆卸工序與螺栓連接方案相比難度略大。預(yù)制混凝土護(hù)欄強度計算參考屈服線分析理論，連接構(gòu)造彎曲強度、剪切強度及錨固強度等需大于護(hù)欄墻體承載能力且需通過試驗進(jìn)行對比驗證。