楊志杰

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

橋梁防撞護欄是交通事故中保證橋上與橋外人員安全的生命防線。對于城市橋梁，設計時需根據(jù)橋梁使用條件，參照《城市道路交通設施設計規(guī)范》（GB 50688—2011）確定防護等級，根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）具體規(guī)定，對護欄與支撐護欄的基礎橋面板進行設計。對兩者進行承載能力極限狀態(tài)設計時，除需采用作用基本組合外，尚需采用汽車撞擊工況下的作用偶然組合進行驗算[1-2]。但以上內(nèi)容，尤其是對基礎橋面板的偶然作用工況驗算，設計中易被遺漏或不充分考慮，出現(xiàn)護欄防護能力不足、護欄與橋面板連接強度不足或橋面板先于護欄破壞等各類安全隱患。

對橋梁防撞護欄與基礎橋面板的防撞設計，以往應用較普遍的是基于彈性理論的懸臂算法，但該方法偏于保守，對橋面板的受力要求較高，易出現(xiàn)橋面板強度難以滿足要求的問題。2017 年底，《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017） 頒布實施。該規(guī)范參照最新研究成果和國外相關標準，對防撞設計的方法進行了修改，采用了基于塑性屈服線理論的設計方法[1]。屈服線理論方法實際應用涉及諸多技術要點，且有自身的適用條件[1，3]，并要求橋面板按照既定理論，達到與護欄匹配的受力性能。但目前研究與設計的關注點多限于防撞護欄本身，對橋面板的防撞設計要點關注有限[4-6]。本文以城市橋梁所常采用的混凝土防撞護欄與基礎橋面板為背景，從兩者性能相匹配的角度，通過防撞計算與分析，揭示屈服線理論算法在應用中的技術要點，探討新規(guī)范實施后防撞設計方法的選用原則，為同類工程提供參考。

1 防撞設計方法應用分析

防撞護欄在車輛撞擊時發(fā)揮阻擋、緩沖和導向功能，設計時以規(guī)范[1]規(guī)定的撞擊車輛接觸護欄時的撞擊力峰值為設計碰撞荷載，并在一定長度范圍分布的方式進行簡化。

1.1 懸臂法防撞設計

懸臂法基于彈性理論，護欄和基礎橋面板控制為彈性受力構件，車輛橫向撞擊荷載自撞擊位置，沿護欄、橋面向橋面板根部沿45°方向擴散，具體化表達護欄與基礎橋面板受力圖式和內(nèi)力見表1。驗算中，材料強度取設計值。

由表1 可知，在實際工程設計中，若三處位置護欄和橋面板構造、配筋一致，則受力最不利為伸縮縫位置，可僅選取該位置進行受力驗算；若有不同，則應各自進行驗算。

表1 懸臂算法車輛橫向撞擊荷載下護欄及橋面板內(nèi)力

1.2 新規(guī)范屈服線法防撞設計

屈服線法是一種極限荷載分析方法，按照該方法，車輛撞擊下允許護欄受力進入至塑性狀態(tài)，并對其破壞模式進行控制，從而降低對護欄和基礎橋面板防撞能力的需求。具體化表達護欄與基礎橋面板受力圖式和內(nèi)力見表2[7]。驗算中，材料強度取標準值。

表2 屈服線算法車輛橫向撞擊荷載下護欄及橋面板內(nèi)力

由表2 可知，在實際工程設計中，若三處位置護欄和橋面板構造、配筋一致，則受力最不利為伸縮縫位置，可僅選取該位置進行受力驗算；若有不同，則應各自進行驗算。

同時屈服線算法成立，有以下條件為前提，需在設計中予以甄別及重視：（1）護欄需配置一定箍筋來抵抗剪力或斜向拉力。（2）Mc、Mb不應在高度范圍發(fā)生很大變化，即設計中護欄厚度、面層橫向鋼筋直徑、縱向通長鋼筋間距等，應避免過大變化。（3）護欄需有足夠的長度保證屈服線的破壞模式，如市政高架所常采用的倒T 蓋梁處，護欄斷縫間距極短（見圖1）。該位置屈服線理論算法無法適用，仍需采用基于彈性理論的懸臂算法。（4）護欄、橫梁的抵抗正、負彎矩數(shù)值相等，決定護欄迎撞面和背面受力鋼筋應采用等直徑設計。

圖1 市政倒T 蓋梁處防撞護欄

2 基于新規(guī)范屈服線算法的防撞設計實例與分析

2.1 防撞護欄與橋面板構造配筋

某市政橋梁上部結構采用鋼筋混凝土箱梁，邊護欄采用SS 級混凝土護欄，具體設計見圖2、圖3。標準位置、跨內(nèi)護欄斷縫位置、橋面伸縮縫位置的護欄與橋面板構造、配筋情況一致。據(jù)前分析，僅選擇受力最不利的橋面伸縮縫位置進行驗算即可。

圖2 防撞護欄與基礎橋面板構造圖（單位：mm）

圖3 防撞護欄與基礎橋面板構造鋼筋圖（單位：mm）

2.2 荷載及荷載組合

2.2.1 永久作用

主梁和護欄混凝土標號均為C40，護欄、鋪裝、橋面板容重25 kN/m3；聲屏障重量5 kN/m。

2.2.2 可變作用

汽車荷載：《城市橋梁設計規(guī)范（2019 年版）》（CJJ 11—2011）第10.0.2 條城-A 級。

風荷載：《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）第5.2.7 條計算，結合該橋梁情況，其中地面粗糙度類別C，距離地面高度15 m，陣風系數(shù)2.05，風荷載局部體型系數(shù)1.65，風壓高度變化系數(shù)0.65，基本風壓取100 a 重現(xiàn)期取值為0.4 kPa，計算得風壓0.88 kPa。

2.2.3 偶然作用

六級（SS 級）橫向碰撞荷載：據(jù)《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）表3.5.4，汽車橫向碰撞荷載標準值Ft=520 kN，分布長度Lt=2.4 m。

六級（SS 級）豎向碰撞荷載：據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）表5.3.3 和表5.5.1-2，豎向碰撞荷載取33 t 大型貨車，車重Fv=330 kN，車長Lv=11.9 m。

2.2.4 荷載組合

參照《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）和《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）對作用偶然組合的相關規(guī)定，本算例荷載組合情況見表3。結構重要性系數(shù)取1.0。

表3 偶然組合荷載組合系數(shù)

2.3 防撞計算

2.3.1 護欄防撞計算

2.3.1 .1 計算與破壞模式

護欄關于橋梁縱軸、豎軸的彎曲承載力矩Mc、Mw按照單筋矩形截面進行計算，如式（1）。

式中：Mu、As、h、as、b 依次為護欄對應某一截面的彎曲承載力矩、受拉側鋼筋面積、高度、受拉側鋼筋到受拉邊緣的距離、寬度；fsk為普通鋼筋的抗拉強度設計標準值；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值。

護欄可能屈服線破壞模式見圖4。

圖4 護欄破壞模式示意圖（單位：mm）

2.3.1 .2 護欄關于橋梁縱軸、豎軸的彎曲承載力矩Mc、Mw

由式（1）可知，對確定配筋的護欄，某一截面的彎曲承載力矩Mu與截面高度h（即護欄厚度）呈線性關系?；诖?，可采用如下兩種方法計算Mc、Mw。

方法一：分段求解法。

如圖4 所示，將護欄劃分為不同區(qū)段，求解各區(qū)段Mwi，再根據(jù)各區(qū)段高度在總高度中占比進行加權平均后求和得Mc，具體計算見表4。Mw可進行直接求和計算，具體計算見表5。

表4 護欄關于橋梁縱軸的彎曲承載力矩Mc

表5 護欄關于橋梁豎軸的彎曲承載力矩Mw

方法二：有效截面高度法。

如圖4 所示，在保證截面面積S 和豎向高度H一致的情況下，定義護欄驗算截面有效高度（厚度）heq，且

據(jù)此進行Mc、Mw的計算，具體計算見表6。由表4、表5 與表6 計算結果對比可見，方法一、二結果相當，在工程設計中可采用后者，以簡化計算。本文采用按有效截面高度法的計算結果進行后續(xù)計算。由圖2 可知，護欄未設置橫梁，故Mb=0。

表6 護欄關于橋梁縱、豎軸的彎曲承載力矩Mc、Mw

2.3.1 .3 臨界長度Lc、護欄總的橫向承載能力Rw

根據(jù)表2 中相關公式及以上相關參數(shù)的計算結果，計算屈服線破壞模式的臨界長度Lc、護欄總的橫向承載能力Rw（見表7）。

表7 臨界長度Lc、護欄總的橫向承載能力Rw

表7 中，Rw值為835 569 N，即836 kN；臨界長度范圍SS 級護欄水平樁基荷載為520 kN，水平風力為2.556×（1.1+2.5）×0.88=8.1 kN，偶然組合水平力設計值為（0.75×8.1+1.0×520）kN=526 kN，小于836 kN，故護欄防撞能力滿足規(guī)范要求。

2.3.2 橋面板防撞計算

2.3.2 .1 計算與破壞模式

根據(jù)《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）D.4.1 基礎橋面板需進行狀態(tài)I、II 和III的設計（見圖5）。其中，狀態(tài)I、II 針對偶然荷載發(fā)生時的狀態(tài)，狀態(tài)III 為常規(guī)荷載作用的狀態(tài)。狀態(tài)I、II 設計時，材料強度取標準值；狀態(tài)III 設計時，材料強度取設計值。驗算中對橋面板懸臂進行截面劃分，見圖6。橋面板承載能力極限狀態(tài)截面受力見圖7?！芓、∑M 為驗算截面水平拉力、彎矩的合力，計算如式（3）、式（4）。

圖5 每延米懸臂板計算圖式示意（單位：mm）

圖6 橋面板懸臂截面劃分示意（單位：mm）

圖7 橋面板懸臂截面驗算示意

式中：As1為橋面板受拉側鋼筋面積；fy為普通鋼筋的抗拉強度；fc為混凝土的抗壓強度；h、b、as、x 依次為橋面板對應某一驗算截面的高度、寬度、受拉側鋼筋到截面受拉邊緣的距離、混凝土受壓區(qū)高度。

2.3.2 .2 實例驗算與分析

為探究橋面板受力起控制作用的狀態(tài)，除承載能力極限狀態(tài)外，增加橋面板正常使用極限狀態(tài)下裂縫的驗算，相關驗算情況見表8。由于本算例中橋面板受力鋼筋縱橋向間距為150 mm，為便于鋼筋數(shù)量計入，驗算中橋面板的計算寬度b 取1.5 m。

表8 各設計狀態(tài)下橋面板內(nèi)力與抗力

由表8 可知：（1）偶然組合狀態(tài)I 為橋面板受力最不利狀態(tài)；（2）偶然組合狀態(tài)I 下，護欄內(nèi)側a-a截面為橋面板受力最不利截面。原因為作用于橋面板的車輛撞擊效應在該位置尚未擴散，但橋面板高度較小、抗力較低。橋面板需重視狀態(tài)I 下的設計且需注意：（1）在實際工程設計中，需認識到橋面板懸臂作為局部車輛撞擊荷載的重要傳力區(qū)域，應特殊設計，其厚度尤其如a-a 區(qū)域橋面板懸臂端的厚度不宜過小。（2）橋面板橫向受力鋼筋在超出受力區(qū)后避免過早截斷，以保證足夠錨固長度，使傳力區(qū)域橋面板橫向鋼筋有效參與受力。如圖8 所示，對橫向受力鋼筋需保證（x+y+z）＞30 倍鋼筋直徑，m＞30 倍鋼筋直徑[3]。

圖8 橫向受力鋼筋錨固要求示意

2.3.2 .3 特殊狀況下的橋面板匹配性防撞設計

以圖2 所示護欄為基礎，由于橋梁需設置全封閉聲屏障，為保證全封閉聲屏障立柱預埋寬度，對護欄進行了通長加厚，同時橫向12、13 號受力鋼筋直徑加粗采用20 mm。調(diào)整后設計見圖9。對加厚后護欄防撞能力計算見表9。

圖9 橋面板受力鋼筋錨固要求示意

表9 加厚后護欄橫向防撞能力Rw

表9 中，Rw值為1 417 355 N，即1 417 kN，加厚后護欄防撞能力大大增強，遠超SS 級護欄偶然組合下的橫向撞擊荷載。對于該種情況，當采用屈服線設計理論進行防撞設計時，護欄極強的防撞能力Rw、Mc將作為荷載作用于橋面板，橋面板或難以滿足受力要求，或需要保證足夠的構造厚度或配筋強度才能滿足。此時，宜考慮采用基于彈性理論的懸臂算法進行橋面板設計，以避免橋面板懸臂的過度設計。對圖9 案例橋面板，分別采用屈服線理論算法和懸臂算法，計算對比見表10。

由表10 可知，采用屈服線理論算法，橋面板無法滿足受力要求；而采用懸臂算法，橋面板可滿足受力要求。

表10 加寬護欄后橋面板設計對比 單位：kN·m

屈服線理論算法允許護欄受力進入塑性范圍，但需以橋面板護欄強度匹配為前提，才能保證塑性受力狀態(tài)是可控且安全的。懸臂算法是控制護欄和橋面板受力均處于彈性受力狀態(tài)，從而保證結構安全。無論是屈服線理論算法，還是懸臂算法，都需要護欄與橋面板的強度相匹配。當護欄防撞能力富余適當時，宜采用屈服線理論算法進行防撞設計。當護欄防撞能力因無法避免的非防撞需求因素而富余較大時，宜對比采用懸臂算法進行防撞設計的可能性。設計時需恰當把握防撞護欄的防撞能力，選擇適宜的設計方法，避免護欄與橋面板的過度設計。

3 防撞護欄與橋面板的連接要點

無論采用何種設計方法，護欄和基礎橋面板之間連接措施的可靠性是保證撞擊荷載能有效傳遞的前提，實際設計與施工中均需充分重視，否則車輛撞擊時，因兩者連接強度不足（見圖10），易出現(xiàn)護欄整體被沖擊脫離護欄的狀況（見圖11）。

圖10 護欄迎撞面鋼筋與橋面板預埋筋未按要求焊接連接

圖11 護欄與橋面板連接不足

此外，在部分新建或老橋改造工程中，存在將防撞護欄鋼筋埋置于混凝土找平層中的做法（見圖12）混凝土找平層雖然對護欄能起到一定的錨固作用，但仍無法完全實現(xiàn)護欄與主梁橋面板連接時一致的錨固效果，從而使車輛撞擊受力不可控，設計中需盡可能予以避免。

圖12 護欄錨固于混凝土找平層的情況

混凝土護欄若采用預制拼裝工藝時（見圖13），對護欄與主體結構連接措施的可靠性需嚴格考證[8]，謹慎采用，保證車輛撞擊時的安全。

圖13 預制拼裝護欄

4 結 語

（1）考慮車輛撞擊的荷載偶然組合是橋梁防撞護欄與其基礎橋面板設計的控制工況，在設計中不可忽略。

（2）新規(guī)范中屈服線理論方法在應用中需保證其適用條件，橋面板需按照既定理論，達到與護欄匹配的防撞性能。

（3）新規(guī)范屈服線理論算法的采用實施，并不意味著傳統(tǒng)懸臂算法失去適用性，設計時需恰當把握防撞護欄的防撞能力，選擇適宜的設計方法，既要保證護欄與基礎橋面板的受力安全，又要避免其的過度設計。

（4）當護欄防撞能力富余適當時，宜采用屈服線理論算法進行防撞設計。當護欄防撞能力因無法避免的非防撞需求因素而富余較大時，宜對比采用懸臂算法進行防撞設計的可能性。

（5）工程建設中應重視護欄與橋面板的可靠連接，避免不規(guī)范焊接、不可控連接等不安全因素。