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 濟南 250031；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院， 北京 100088)

近年來中國交通事業(yè)突飛猛進，車輛行駛速度及重車比例不斷提高，對橋梁護欄的防護能力要求越來越高。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區(qū)等路段的橋梁護欄提出了更高的防護要求。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)范標準對橋梁護欄的設(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，對這部分橋梁護欄的提升改造正逐步開展。

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

1 改造方案設(shè)計

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

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

圖1 護欄接高改造設(shè)計思路

圖2 基本型迎撞面的組合式護欄構(gòu)造圖(單位：mm)

表1 典型護欄尺寸 mm

圖3 護欄直立式接高改造方案(單位：mm)

2 理論計算

橋梁護欄防護等級提升，相應(yīng)的碰撞荷載增大，新規(guī)范對碰撞荷載分布長度進行了調(diào)整，選擇最不利護欄高度H=635 mm的情況進行驗算。按照JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》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、砼護欄構(gòu)件及錨固橋面板進行強度驗算。

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為護欄的橫向變形(m)，對于剛性砼護欄，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)計標準值520 kN進行計算，作用點距護欄頂面以下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)荷載作用點位于護欄頂以上45 cm處(見圖4)。按照JTG/T D60-01《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中的計算方法，護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 護欄受力簡圖(單位：mm)

2.3 新舊砼連接面強度驗算

取原砼護欄高度最小635 mm的最不利情況進行計算，護欄受力見圖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)荷載的準永久值系數(shù)，為0.75；hc為風(fēng)荷載作用點至新舊砼連接面的高度，為0.915 m。

護欄接高改造時按縱橋向間距20 cm植入φ16鋼筋進行錨固連接(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 橋面板錨固強度驗算及加強措施

對大量實際工程圖紙的調(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欄根部控制截面(圖4所示控制截面)進行驗算，典型橋面板構(gòu)造及鋼筋布置見圖6。護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欄錨固要求。

Sad=618.1 kN·m>Mu=165 kN·m

(2)

結(jié)合工程實際情況，為盡量減少對交通的影響，采用局部鋪裝增強方案(見圖7)：通過重做護欄側(cè)2 m范圍內(nèi)橋面鋪裝層，增設(shè)現(xiàn)澆層橫向鋼筋進行加強，加強鋼筋采用φ16鋼筋，縱向間距10 cm，有效植入護欄砼。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，增強橋面板錨固承載力。對上述加強方案進行承載力計算，結(jié)果見表3。

圖7 現(xiàn)澆層加強設(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)件強度驗算

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

圖8 現(xiàn)狀PL3型護欄鋼筋布置(單位：cm)

圖9 護欄的兩種破壞模式(單位：cm)

碰撞發(fā)生在護欄標準段時，護欄橫向抗力按下式計算：

式中：Rw為護欄橫向抗力(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級護欄，Lt=2.4 m；Mb為護欄頂部除Mw外的橫梁附加彎曲承載力矩(kN·m)，該護欄無橫梁，Mb=0；Mw為護欄關(guān)于豎向軸的彎曲承載力矩(kN·m)；Mc為護欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩(kN·m)；H為護欄有效高度(m)。

(3)

碰撞發(fā)生在護欄端部或伸縮縫處時，護欄橫向抗力按下式計算：

式中：Lc按式(4)計算。

(4)

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

作用于砼護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 計算機仿真分析

3.1 計算模型

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

圖10 直立式接高護欄仿真模型

3.2 仿真分析結(jié)果

如圖11所示，小型客車碰撞護欄后，未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護欄情況，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，護欄砼產(chǎn)生少量剝落，但護欄構(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，滿足評價標準要求。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，符合標準要求。

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、大型貨車碰撞護欄后，車輛均未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護欄情況，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，滿足評價標準要求。

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

按1∶1的比例澆筑護欄試驗段，長度40 m(見圖15)。按照JTG B05-01-2013《公路護欄安全性能評價標準》中SS級護欄碰撞試驗條件及方法的要求，分別采用小型客車、大型客車、大型貨車進行實車碰撞試驗，碰撞試驗等級為SS級，試驗條件見表5。

圖15 護欄試驗段

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

圖16 小型客車碰撞試驗后車輛及護欄情況

圖17 大型客車碰撞試驗后車輛及護欄情況

圖18 大型貨車碰撞試驗后車輛及護欄情況

5 結(jié)語

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

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