謝玉萌， 朱自萍

(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)

0 引 言

防撞護欄是公路安全防護設(shè)施的主要設(shè)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(jīng)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(jié)構(gòu)是橋梁工程與道路交通安全設(shè)施的重要組成部分。在橋梁工程設(shè)計與施工時,必須以安全為前提,綜合考慮施工技術(shù)、經(jīng)濟成本、交通壓力等因素影響,采用符合國家安全標準的設(shè)計施工方案,其中橋梁護欄結(jié)構(gòu)也應(yīng)達到相應(yīng)防撞等級的安全性能評價指標。橋梁護欄結(jié)構(gòu)作為橋梁公路上的安全防護設(shè)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(chǎn)損失。

目前國內(nèi)大多數(shù)高速公路上的箱梁橋、T梁橋的橋面板懸臂設(shè)計中,基本上都對設(shè)計荷載和驗算荷載非常重視,并根據(jù)相關(guān)荷載組合進行橋面板的強度設(shè)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(shè)計的荷載往往是車輛側(cè)向碰撞荷載。2017年11月17日交通運輸部發(fā)布《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》和《公路交通安全設(shè)施設(shè)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(yīng)力混凝土箱型連續(xù)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(yīng)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(shè)施設(shè)計細則》附錄D.4.1規(guī)定,驗算狀態(tài)Ⅰ和狀態(tài)Ⅱ下橋面板懸臂的承載能力。狀態(tài)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(tài)。狀態(tài)Ⅱ為豎向碰撞荷載作為偶然荷載的承載能力極限狀態(tài)。

圖1 裝配式預應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁斷面圖(單位:mm)

2.1 橋面板懸臂驗算狀態(tài)Ⅰ

狀態(tài)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(shè)計狀態(tài)Ⅰ計算簡圖

圖3 橋面懸臂設(shè)計狀態(tài)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(nèi)的軸向拉力。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)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(qū)混凝土壓應(yīng)力合力作用點取距,截面應(yīng)滿足:

(1) 碰撞發(fā)生在護欄標準段,驗算A-A截面,參數(shù)見表1。

表1 30 m箱梁參數(shù)表

SS級護欄截面面積:0.4725 m2;Rw=867.7 kN;

護欄自重產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的彎矩:碰撞荷載產(chǎn)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(shè)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(shù)見表2。

表2 A-A截面計算參數(shù)表

受壓區(qū)高度:x=(Asfyk-T)/(fcb)=65.8 mm;

(2)碰撞發(fā)生在護欄標準段,驗算B-B截面,參數(shù)見表3。

護欄自重產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(jīng)根癥狀消失，術(shù)后傷口愈合好，沒有出現(xiàn)并發(fā)癥。

橋面鋪裝產(chǎn)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(chǎn)生的彎矩:

偶然組合彎矩設(shè)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(shù)見表3所示:

表3 B-B截面計算參數(shù)表

2.2 橋面板懸臂驗算狀態(tài)Ⅱ

狀態(tài)Ⅱ計算簡圖如圖4所示。

圖4 橋面懸臂設(shè)計狀態(tài)Ⅱ計算簡圖

護欄自重產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(guān),護欄等級越高,護欄的抗力越大,懸臂板需要的配筋也相應(yīng)加大。因此懸臂板設(shè)計要和護欄的設(shè)計相匹配,結(jié)合護欄的等級進行驗算。

3 結(jié)束語

通過對30 m裝配式預應(yīng)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(jié)論:

(1) 橋面板懸臂的驗算要結(jié)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(shè)計要符合相應(yīng)的等級,不能過度設(shè)計,否則會導致橋面板懸臂也進行過度設(shè)計。