某主跨120 m連續剛構橋交安改造計算分析

摘要 為研究橋梁交安設施改造對橋梁結構的受力影響分析，以某120 m跨徑連續剛構橋為研究對象，首先介紹了交安改造常用的方法，然后借助有限元軟件，建立了考慮防撞護欄的數值分析有限元模型，對西南地區75.4 m+3×120 m+75.4 m主橋和25 m空心板進行了計算分析，最后對交安改造的難點及關鍵性技術問題進行了探討。結果表明：新設護欄后，橋梁正應力和主應力各項指標均滿足規范要求，主橋和空心板結構均安全可靠，計算結果可為類似結構提供參考借鑒。

關鍵詞 連續剛構橋；改造；有限元模型；計算分析

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0045-04

0 引言

橋梁是公路、市政交通互通互聯的重要基礎設施，是構建交通網絡和實現國民經濟快速發展的重要保障。近年來，隨著我國經濟的迅猛發展，人民群眾的生活水平得到了顯著提升，對于生命財產安全的保障需求也日益增長，政府和社會各界對于橋梁安全設施的重視程度也在不斷提高[1-3]，不僅加大了對橋梁安全設施的投入力度，還加強了對橋梁安全設施的監管和評估工作，確保各項措施得到有效落實。

根據《重慶市城市道路交通規劃及路線設計規范》（DBJ50/T—064—2007）第8.2.1條“當路緣石高度小于40 cm時應增加設置防撞護欄”，西南地區某已建連續剛構橋梁的路緣石高度不滿足規范要求，對行車安全帶來一定影響。該文結合實際工程，以該連續剛構橋為研究對象，建立了有限元模型，分析了結構的整體和局部受力情況，計算結果可為類似橋梁改造項目提供重要參考[4-6]。

1 交安改造常用方法介紹

橋梁護欄改造是提升橋梁安全性和耐久性的重要措施。隨著交通流量的增加和車輛類型的多樣化，對橋梁護欄的要求也日益提高。該文通過介紹橋梁護欄改造的常用方法，以期提高橋梁加固設計人員對于護欄改造的全面認識。

1.1 加固改造法

加固改造法是一種常用的橋梁護欄改造方法，主要適用于護欄結構存在缺陷或損傷的情況。該方法通過增加護欄的強度和剛度，提高其承載能力和穩定性。主要包括：

（1）鋼材加固法。鋼材加固法是在原有護欄的基礎上，通過增加鋼材構件增強護欄的強度和剛度。具體步驟包括：首先，對原有護欄進行全面檢查，確定需要加固的部位；然后，根據加固需求設計鋼材構件的形狀、尺寸和連接方式；最后，將鋼材構件焊接或通過螺栓連接在原有護欄上，形成整體的受力結構。鋼材加固法的優點在于施工簡便、成本低廉，且加固效果顯著。然而，該方法需要確保鋼材構件與原有護欄的連接牢固可靠，否則會影響加固效果。此外，鋼材加固法可能會增加護欄的重量，對橋梁結構造成一定負擔。

（2）碳纖維復合材料加固法。碳纖維復合材料加固法是一種新型的橋梁護欄加固方法。碳纖維復合材料具有輕質高強、耐腐蝕等優點，能夠有效提高護欄的承載能力和耐久性。具體步驟包括：首先，將碳纖維復合材料按照設計要求剪裁成適當的形狀和尺寸；然后，將碳纖維復合材料粘貼在需要加固的護欄部位；最后，通過施加壓力或加熱等方式使碳纖維復合材料與護欄緊密結合。碳纖維復合材料加固法的優點在于施工簡便、重量輕、耐久性好。然而，該方法需要專業的技術和設備支持，成本較高。同時，碳纖維復合材料與護欄的粘貼質量對加固效果有重要影響，需要嚴格控制施工質量。

1.2 更換改造法

更換改造法是將原有的橋梁護欄全部拆除，并安裝新的護欄。該方法適用于護欄結構嚴重損壞或無法滿足使用要求的情況。主要步驟包括：

（1）新型護欄選型。在更換改造法中，首先需要選擇合適的新型護欄。新型護欄應具有良好的安全性、耐久性和美觀性。常見的新型護欄包括波形梁護欄、鋼筋混凝土護欄等。在選擇新型護欄時，需要考慮橋梁的結構特點、交通流量和車輛類型等因素。

（2）拆除原有護欄。拆除原有護欄是更換改造法的關鍵步驟。在拆除過程中，需要確保施工安全和環境保護。具體步驟包括：首先，對原有護欄進行全面檢查，確定拆除范圍和順序；然后，采用合適的拆除工具和設備進行拆除；最后，清理拆除現場，確保施工環境整潔。

（3）安裝新型護欄。安裝新型護欄是更換改造法的最后一步。在安裝過程中，需要確保新型護欄與橋梁結構的連接牢固可靠。具體步驟包括：首先，根據設計要求確定新型護欄的安裝位置和高度；然后，采用合適的連接方式和固定裝置將新型護欄安裝在橋梁上；最后，對安裝質量進行全面檢查，確保符合設計要求。更換改造法的優點在于能夠徹底解決護欄存在的問題，提高橋梁的安全性和耐久性。然而，該方法需要較高的施工成本和較長的施工周期。同時，在拆除和安裝過程中可能會對橋梁結構造成一定的損傷或影響。

1.3 智能化改造法

智能化改造法是在傳統護欄改造的基礎上，引入智能化技術和設備以提高護欄的安全性和實用性。關鍵步驟包括：

（1）傳感器安裝。在護欄上安裝傳感器可以實時監測護欄的狀態和周圍環境的變化情況。傳感器可以檢測護欄的受力情況、變形情況以及交通流量等信息，并將數據傳輸到監控中心進行分析和處理。

（2）監控系統建立。建立監控系統可以實現對護欄的遠程監控和管理。監控系統可以實時顯示護欄的狀態和周圍環境的變化情況，并發出預警信號以提醒管理人員及時采取措施。

（3）智能控制系統開發。開發智能控制系統可以根據監測數據自動調整護欄的工作狀態或發出控制指令。例如，在交通流量較大時，智能控制系統可以自動調整護欄的高度或角度以提高通行效率；在惡劣天氣條件下，智能控制系統可以自動啟動防護措施以保護行人和車輛的安全。智能化改造法的優點在于能夠提高護欄的智能化水平和安全性。然而，該方法需要較高的技術水平和設備支持，成本較高。同時，在開發和維護過程中需要投入大量的人力和物力資源。

2 結構介紹

西南地區某連續剛構橋于1998年開建，2001年竣工。孔跨布置為4×25 m（橋面連續簡支空心板）+75.4 m+3×120 m+75.4 m（連續剛構）+3×25 m（橋面連續簡支空心板），全橋長709.8 m。

大橋主梁采用鋼管混凝土桁架與鋼筋混凝土板的組合梁，橋墩與主梁固結。鋼管混凝土桁架高6 m，橋墩根部為桁架三角形托架，高12 m。鋼管桁架上弦鋼管用縱橫鋼板焊成網格，在混凝土橋面板與上弦鋼管間起到剪力鍵作用，使橋面板與上弦鋼管形成組合整體。橋面板厚22 cm，為單向連續板。主橋墩為雙肋柔性薄壁墩，寬11.5 m；交界墩及引橋墩均為雙柱式空心薄壁墩。改造前橋面照片如圖1所示：

橋梁技術指標如下：

（1）荷載標準：汽車-超20級、掛車?120；人群3.5 kN/m2。

（2）橋面布置：15 m行車道+2×2.5 m人行道+2×0.25 m欄桿，全橋寬20.5 m。

（3）設計洪水頻率：1/100，但該橋按三峽庫區最高蓄水位173.3 m（黃海）控制設計。

（4）通航標準：三級，通航凈高10 m。

（5）地震烈度：6°。

3 橋梁改造情況

3.1 改造設計

在保證安全、可靠的前提下，該次設計主要在人行道與機動車道之間增設防撞護欄，并在兩端橋頭增設限重限速的標志標牌。

該次人行道改造是在既有結構上實施，依據現有規范要求、橋上限速情況（30 km/h），以及考慮橋上行車行人的安全舒適度需求，故將該次設計新增的護欄防護等級確定為SB級。

該次改造需要切除部分人行道板及人工拆除原有人行道鋪裝、路緣石及部分橋面鋪裝（60 cm寬）。拆除完成后，采用組合式護欄以減輕新增的結構恒載。護欄施工完成后，恢復橋面鋪裝及人行道板鋪裝，最后恢復橋面標線。路緣石內側面涂成黃色標記，欄桿油漆顏色藍白相間，藍色漆色卡標準為293C，白色漆色卡標準為特白，面漆厚度不低于70 μm。該橋新護欄基座與原有結構的連接，通過舊路緣石的D16預埋鋼筋和將新護欄基座中的鋼筋伸入橋面鋪裝層中與橋面鋪裝層的鋼筋進行焊接，以實現新舊結構的良好結合。恢復后的橋面鋪裝組成為6 cm鋼纖維C40鋼筋防水混凝土。混凝土層內加鋪D10 CRB550冷軋帶肋鋼筋網，保證新舊混凝土的緊密結合。

3.2 結構計算及分析步驟

該橋在《公路橋涵設計規范（合訂本）》（1989）（簡稱為舊規范）的指導下完成設計和建造，迄今我國橋梁的設計規范已完成兩次重大修訂，目前橋梁活載及結構的計算理論相比舊規范均發生了較大變化，且該次改造在橋面局部增加了恒載，所以參照舊規范對改造后的預制拼裝構件進行驗算較為合理。據了解，該橋原設計考慮的過橋水管現已拆除，一定程度上增加了橋梁的安全儲備。綜上，采用橋梁博士3.0對該橋引橋25 m跨空心板進行建模驗算，并采用Midas Civil軟件對新設的防撞護欄進行驗算和對大橋主橋進行復算。主要分析步驟見圖2所示：

3.2.1 25 m跨空心板驗算

對比前后設計圖紙可知，該次設計新增二期恒載2.55 kN/m，全部由次邊梁承受。考慮活載的橫向分布系數，在最不利工況下對護欄所在位置處的空心板進行驗算。

3.2.2 新設護欄驗算

根據實際護欄斷面尺寸，按立柱間距1 m。根據《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）中的相關規定輸入荷載進行計算。

3.2.3 大橋主橋驗算

根據大橋原設計圖紙，利用Midas Civil軟件建立有限元模型。按照《公路橋涵設計規范（合訂本）》（1989）相關規定輸入荷載，并在邊梁位置新增二期恒載2.55 kN/m，對主橋進行驗算。

4 結果分析

4.1 25 m跨空心板受力分析

該文主要驗算25 m跨空心板主梁在各荷載組合下的正應力和主拉/壓應力。各組合下正應力統計表和主應力統計表分別見表1和表2所示：

經計算，跨中截面最大內力為3 323.6 kN·m，最小內力為1 565.8 kN·m，截面抗力為3 481.5 kN·m，則25 m空心板的承載能力滿足規范要求。正常使用極限狀態下截面上緣最大壓應力為15.09 MPa，小于壓應力容許值16.8 MPa；截面下緣最大拉應力為1.68 MPa，小于拉應力容許值2.34 MPa；最大主壓應力為15.09 MPa，小于主壓應力容許值18.2 MPa；最大主拉應力為1.84 MPa，小于主拉應力容許值2.34 MPa，因此正常使用極限狀態滿足規范要求。25 m空心板結構受力安全。

4.2 新設護欄受力分析

該文主要驗算護欄在汽車橫向碰撞標準值作用下的最大應力。經計算，該護欄在汽車橫向碰撞標準值作用下的最大應力為150 MPa，圓管的最大應力小于200 MPa。護欄主材（Q355 C）及構造尺寸能夠滿足受力要求，新設護欄部分結構受力安全。

4.3 主橋受力分析

該文主要驗算新增護欄荷載后主橋下弦桿（鋼管混凝土）、托架（鋼管混凝土）和腹桿（鋼管混凝土）的鋼管應力。

計算表明，新設防撞護欄后，在標準值組合下，下弦桿（鋼管混凝土）鋼管應力在?77.5～96.05 MPa之間；托架（鋼管混凝土）鋼管應力普遍在150 MPa以內；托架鋼管應力在100 MPa以內；腹桿（鋼管混凝土）鋼管應力普遍在150 MPa以內，桁架應力滿足《公路橋涵設計規范（合訂本）》（1989）要求，主橋部分結構受力安全。

5 交安改造的難點及關鍵性技術問題探討

橋梁護欄作為保障行車和行人安全的重要設施，在橋梁建設中具有不可替代的地位。然而，隨著交通流量的不斷增加和車輛類型的多樣化，傳統的橋梁護欄逐漸暴露出一些問題，如防護能力不足、耐久性下降等。因此，對橋梁護欄進行改造升級已成為當前橋梁維護和管理的重要任務。

5.1 交安改造的難點

（1）結構設計與受力分析。橋梁護欄的改造首先應考慮的是結構設計與受力分析。由于橋梁護欄與橋梁主體結構緊密相連，其改造方案必須考慮對橋梁主體結構的影響。同時，不同地區的橋梁類型、跨徑、荷載等因素也會對護欄的改造方案產生影響。因此，在進行橋梁護欄改造時，需要進行詳細的結構設計與受力分析，確保改造方案的科學性和合理性。

（2）施工過程中的質量控制。橋梁護欄改造的施工過程中，質量控制是一個至關重要的環節。由于護欄改造涉及橋梁的拆除、重建等過程，稍有不慎就可能對橋梁主體結構造成損傷。因此，在施工過程中，應嚴格控制施工質量，確保各項施工措施符合規范要求，避免對橋梁主體結構造成不良影響。

（3）材料選擇與耐久性。橋梁護欄的材料選擇直接關系其使用壽命和防護能力。在改造過程中，應選擇具有優良耐久性和防護能力的材料，以確保改造后的護欄能夠滿足長期使用的需求。同時，還應考慮材料的成本、施工難度等因素，確保改造方案的經濟性和可行性。

（4）環境保護與景觀協調。橋梁護欄的改造還應考慮環境保護和景觀協調問題。在改造過程中，需要盡可能減少對周圍環境的影響，保護生態環境。同時，還需要考慮改造后的護欄與周圍環境的協調性，確保改造后的橋梁在景觀上更加美觀、和諧。

5.2 關鍵性技術問題

（1）護欄結構設計優化。針對傳統護欄防護能力不足的問題，應對護欄的結構設計進行優化。可以采用更先進的材料和結構形式，提高護欄的剛度和強度。同時，還可以采用新型連接方式，增強護欄的整體穩定性。在優化設計時，還應考慮護欄的受力特點，確保其在受到撞擊時能夠有效發揮防護作用。

（2）材料選擇與耐久性提升。為提高護欄的耐久性，應選擇具有優良耐久性的材料。可以考慮使用不銹鋼、高強度合金等新型材料，以提高護欄的抗腐蝕能力和抗疲勞性能。同時，還可以采用表面處理技術，如噴涂防腐涂層、熱浸鋅等，進一步延長護欄的使用壽命。

（3）施工技術與質量控制。在改造過程中，應采用先進的施工技術和質量控制手段，確保改造質量。可以采用預制構件技術，減少現場施工時間，提高施工效率。同時，還應加強對施工質量的監控和檢測，確保各項施工措施符合規范要求。在施工過程中，還應注意對橋梁主體結構的保護，避免對其造成損傷。

（4）智能化改造與監測。隨著科技的不斷發展，智能化改造和監測技術為橋梁護欄的改造提供了新的思路。可以采用智能傳感器和監測系統，實時監測護欄的狀態和性能變化。通過數據分析和處理，可以及時發現護欄存在的問題并進行修復。此外，還可以采用智能控制系統，實現護欄的自動調整和適應，提高護欄的防護能力。

基于此，在改造過程中，應充分考慮結構設計與受力分析、施工過程中的質量控制、材料選擇與耐久性、環境保護與景觀協調等因素。同時，還應采用先進的施工技術和質量控制手段，確保改造質量。通過智能化改造和監測技術的應用，可以進一步提高橋梁護欄的防護能力和使用壽命。

6 結語

該文結合某連續剛構橋交安改造項目，對該連續剛構橋梁改造前后的受力狀態進行了分析，并在此基礎上探討了該橋的結構安全性。計算結果表明：

（1）新設護欄后，結構受力滿足《公路橋涵設計規范（合訂本）》（1989）相關要求，無須對橋梁結構進行加固。

（2）恒載增加導致結構安全儲備有所降低。鑒于大橋施工質量、后期管養及橋梁運營車輛是否超速超限超載等情況不明，理想狀態下的計算結果不能反映橋梁的真實受力狀況，建議大橋管養單位加強后期管養及橋梁安全保護工作。

參考文獻

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