獨(dú)立式防撞墻在橋梁升級改造中的應(yīng)用

張文進(jìn)

中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510062

隨著新時代下經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和公路管理政策的改革，政府逐漸取消二級公路收費(fèi)政策，部分重載車輛為降低運(yùn)輸成本改走二級公路；另外在載重車輛發(fā)展大型化的總趨勢下，依據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37—2012），最大鉸接列車總長由14m增至18.1m，最大寬度由2.5m增至2.55m，大型車折算系數(shù)由2.0增至2.5，這些變化都將引起公路荷載的增加。為此，《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）將二級公路荷載由公路-Ⅱ級提升為公路-Ⅰ級；《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）（以下簡稱新規(guī)范）將公路-Ⅰ級車道荷載集中荷載由180～360kN調(diào)整為270～360kN。根據(jù)新規(guī)范的規(guī)定，部分早期公路尤其是二級公路，已難以滿足新時代下公路荷載標(biāo)準(zhǔn)要求，各地政府部門對早期公路的升級改造計劃逐漸提升日程。新規(guī)范下如何合理評價并利用現(xiàn)狀橋梁成為早期公路升級改造中亟待解決的問題。

針對按原JTJ 021—89規(guī)范或JTG D60—2004規(guī)范（以下簡稱舊規(guī)范）設(shè)計的公路橋梁能不能滿足JTG D60-2015規(guī)范要求的課題，李傳習(xí)等[1]以廣東省佛山市三水大橋為對象，研究了獨(dú)塔斜拉橋在新舊規(guī)范下的作用效應(yīng)，得出該獨(dú)塔斜拉橋已不滿足新規(guī)范的要求，且主梁壓應(yīng)力超出新規(guī)范規(guī)定值5.4MPa，主塔壓應(yīng)力超出規(guī)范規(guī)定值2.72MPa的結(jié)論；王汝志等[2]以交通運(yùn)輸部10～20m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板橋為研究對象，得出新規(guī)范下基本組合彎矩效應(yīng)顯著增大，其中16m空心板基本組合彎矩效應(yīng)增大10%，預(yù)應(yīng)力鋼筋估算面積需增加26%的結(jié)論。

這些研究均指出新規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)的要求更高，橋梁繼續(xù)使用時必須按新規(guī)范要求重新驗算。當(dāng)面對橋梁資料不全，無法通過計算驗算時，只能通過荷載試驗確定其承載力，當(dāng)不滿足現(xiàn)行規(guī)范時，一般解決方案是在橋梁附近區(qū)段限制重載車輛通行，或者進(jìn)行加固處理。前一種方案嚴(yán)重影響公路的使用功能，且難以保證重載車輛不通行，橋梁結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患；后一種方案往往造價高，且橋梁外觀改變較大，影響橋梁美觀。

為此，根據(jù)臨湘市X108公路升級改造工程中的橋梁設(shè)計成果，針對外觀檢測無重大損傷、基本可維持原有功能的舊橋，提出采用外貼獨(dú)立式防撞墻的方案，以減小舊橋恒載，提升舊橋承載能力。

1 橋梁升級改造工程概況

臨湘市X108公路升級改造工程起自臨湘市坦渡鎮(zhèn)，終至臨湘市羊樓司，全長21.125m，現(xiàn)狀公路為等級外公路，改造后為二級公路。其中，聯(lián)合村處有一座2m×16m后張法預(yù)應(yīng)力空心板橋梁，建于2009年。根據(jù)外觀檢測結(jié)果，現(xiàn)狀橋梁為二類狀態(tài)橋梁，有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。該橋設(shè)計資料已遺失，無法根據(jù)原有設(shè)計資料判斷現(xiàn)狀橋梁是否滿足公路改造后的受力要求。

現(xiàn)狀橋梁橋面凈寬8.15m，設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級，人群荷載為3.0kN/m2，如圖1所示。升級改造后公路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為10m，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)狀橋梁橫斷面布置（單位：cm）

圖2 改造后路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

2 橋梁升級改造方案對比

2.1 初步方案

針對公路升級改造后現(xiàn)狀橋梁寬度不足，荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低的問題，在方案設(shè)計階段提出3個解決方案。

方案一：維持現(xiàn)狀寬度；進(jìn)行荷載試驗判斷是否滿足新規(guī)范荷載要求，再決定是否加固。

方案二：維持現(xiàn)狀寬度；維持現(xiàn)狀公路-Ⅱ級荷載不變，于橋梁前后設(shè)置限高架，并限載20t。

方案三：按路橋同寬原則進(jìn)行改造，鑿除原有橋梁防撞墻，于橋梁外側(cè)設(shè)置獨(dú)立式防撞墻，將減少的恒載轉(zhuǎn)化為承載能力，使現(xiàn)狀橋梁滿足公路-Ⅰ級荷載要求。

通過分析可知，方案一荷載試驗代價較大，且缺少舊橋設(shè)計資料，難以提出經(jīng)濟(jì)合理的加固方案，同時寬度與升級后的公路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度不符；方案二在該橋處將形成交通瓶頸，不能滿足公路升級改造的功能要求；方案三無需對舊橋進(jìn)行荷載試驗及加固處理，僅需重新設(shè)置防撞墻，經(jīng)濟(jì)可行。因此，初步選定方案三作為該橋升級改造方案。

2.2 計算驗證

該空心板橋為簡支結(jié)構(gòu)，整體升降溫、梯度升降溫、收縮徐變等均不引起內(nèi)力，改造前后也不發(fā)生變化，故不計算其效應(yīng)。

簡支空心板的主要荷載為恒載及汽車荷載，因此可只考慮結(jié)構(gòu)自重、鋪裝、防撞墻、汽車荷載在改造前后的內(nèi)力組合變化情況。

為了驗證方案三的可行性，對比分析2種工況，如表1所示。

表1 2種工況對比分析

2.3 計算模型

對于空心板橋的計算方法，張經(jīng)緯等[3]采用魚刺骨模型建立梁格單元，對電算和理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，認(rèn)為梁格法電算可以較好地計算鉸接空心板的橫向分布系數(shù)，其計算結(jié)果更為詳細(xì)，因此采用該方法建立魚刺骨模型進(jìn)行梁格法計算，如圖3所示。縱梁采用08版交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)圖，中梁如圖4所示，未示邊梁。虛擬橫梁斷面取工字型，翼緣厚同空心板頂?shù)装搴瘢拱搴?mm，如圖5所示。

圖3 計算模型

圖4 中梁橫斷面（單位：mm）

圖5 虛擬橫梁截面（單位：mm）

邊梁主要計算結(jié)果如表2所示，中梁主要計算結(jié)果如表3所示，表中的汽車荷載均包含沖擊系數(shù)。

表2 邊梁計算結(jié)果

表3 中梁計算結(jié)果

由表2、表3可知，橋梁改造后（工況2），邊梁在各組合下控制截面處最大彎矩和剪力均有所下降，短期組合下最大彎矩下降7.2%；中梁彎矩除基本組合增大5.3%，短期組合和長期組合下均有所下降；中梁剪力增大較明顯，基本組合下最大值約增加28%。

考慮空心板主要由短期組合下應(yīng)力水平控制設(shè)計，抗彎和抗剪承載能力不控制設(shè)計，而邊梁和中梁在短期荷載組合下，最大彎矩均有不同程度下降，可以認(rèn)為改造后原有橋梁結(jié)構(gòu)不僅能承受新規(guī)范汽車荷載，還可以提高安全系數(shù)。

3 獨(dú)立式防撞墻設(shè)計

3.1 橫斷面設(shè)計

改造后橋梁橫斷面布置如圖6所示。

圖6 橋面改造橫斷面布置（單位：cm）

3.2 連接設(shè)計

防撞墻在橋臺和橋墩處通過植筋與現(xiàn)狀蓋（帽）梁連接，連接大樣如圖7所示。在其余位置與原邊板頂板鋼筋焊接，連接大樣如圖8所示。

圖7 橋墩（臺斷面）連接構(gòu)造（單位：cm）

圖8 跨中橫斷面構(gòu)造鋼筋圖（單位：cm）

3.3 構(gòu)造鋼筋設(shè)計

防撞墻為A級，設(shè)計使用年限15年，重要性系數(shù)為0.9，按鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫限值0.2mm設(shè)計，橫斷面及縱向配筋如圖9所示。隨著跨徑的增加，材料指標(biāo)呈增加趨勢。對于該項目2m×16m橋梁，防撞墻共消耗C40混凝土39.8m3，鋼筋8749.1kg，換算為每米材料指標(biāo)如下：C40混凝土為0.62m3/m；鋼筋為136.7kg/m。

圖9 骨架鋼筋立面圖（單位：cm）

3.4 防撞能力驗算

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（JTG D81—2017），A級防撞墻計算寬度為1.2m，撞擊力為170kN。

計算范圍內(nèi)主筋為12B12（按原空心板頂板鋼筋HRB335級驗算），單根應(yīng)力為125MPa，滿足A級防撞能力要求。

4 結(jié)束語

通過對雙車道16m交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)空心板橋梁在改造前后2種工況下的計算分析可知，采用外貼獨(dú)立式防撞墻對舊橋進(jìn)行改造，可將橋梁荷載等級由公路-Ⅱ級提升至公路-Ⅰ級，使橋梁在無需加固的情況下滿足公路改造后的荷載要求。同時，該方案可用于橋梁拓寬不超過1m時的升級改造項目，使行車寬度可增加約1m。