【摘要】防撞護(hù)欄是橋梁重要的附屬結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)現(xiàn)澆式防撞護(hù)欄施工周期較長(zhǎng)，而裝配式防撞護(hù)欄能縮短工期。但是現(xiàn)有裝配式防撞護(hù)欄對(duì)施工精度要求高，防撞能力差。UHPC是一種超高強(qiáng)水泥基材料，具有重量輕，強(qiáng)度大，韌性高的特點(diǎn)。因此提出一種基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)以解決現(xiàn)有裝配式防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)不合理，裝配難度大和性能較差的問題。

【關(guān)鍵詞】UHPC； 裝配式預(yù)制防撞護(hù)欄； 連接形式； 防撞能力驗(yàn)算

【中圖分類號(hào)】U443.83【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-10-21

［作者簡(jiǎn)介］王怡祺（1995—），女，碩士，助理工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

0 引言

我國(guó)近年來(lái)倡導(dǎo)綠色、快速、工業(yè)化建造方式，積極推行裝配式施工，并探索新型材料在預(yù)制化施工中的應(yīng)用。防撞護(hù)欄是橋梁重要的附屬結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)現(xiàn)澆式防撞護(hù)欄施工周期較長(zhǎng)。本文的探索依托成都市東西城市軸線東段（東二環(huán)-龍泉驛區(qū)界）工程勘察、設(shè)計(jì)、施工總承包二標(biāo)段工程五環(huán)路互通立交節(jié)點(diǎn)，該項(xiàng)目周邊限制較多，施工難度大，工期緊張，因此提出采用裝配式防撞護(hù)欄來(lái)縮短工期。本文提出一種基于UHPC（超高性能混凝土）后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄，解決了現(xiàn)有裝配式防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)不合理，裝配難度大和性能較差的問題，可為今后解決防撞護(hù)欄快速施工提供一點(diǎn)新思路。

1 現(xiàn)有裝配式防撞護(hù)欄及其問題

裝配式預(yù)制防撞護(hù)欄具有加工精度高、環(huán)保（減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)周邊噪音、粉塵等影響）、預(yù)制時(shí)間短、減少施工人員現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，以及可實(shí)現(xiàn)工廠定制化（可根據(jù)需求預(yù)埋路燈管線、燈桿預(yù)埋件、通信管線等）的優(yōu)點(diǎn)［1］。裝配式預(yù)制護(hù)欄分為柔性護(hù)欄（金屬梁柱式護(hù)欄），半剛性護(hù)欄（組合式護(hù)欄），以及剛性護(hù)欄（混凝土護(hù)欄）［2-3］ 。剛性護(hù)欄不易變形，能將車輛阻攔在護(hù)欄以內(nèi)，維護(hù)成本低，比較適合市區(qū)橋梁［4］。

預(yù)制護(hù)欄的關(guān)鍵是預(yù)制構(gòu)建的連接設(shè)計(jì)［5］，目前對(duì)預(yù)制護(hù)欄的錨固主要有：①灌漿套筒及漿錨連接技術(shù)；②預(yù)留鋼筋或型鋼連接；③螺栓型連接；④鋼板焊接型連接［6］。灌漿套筒及錨漿是將橋面預(yù)留鋼筋錨入護(hù)欄內(nèi)套筒或金屬波紋管后灌漿而完成連接，但是灌漿套筒和錨灌成本高且施工精度要求較高。螺栓型連接是通過(guò)螺栓和螺母與預(yù)埋件進(jìn)行護(hù)欄的固定，常見的螺栓連接有：地腳螺栓連接、螺栓配合漿錨連接、貫穿螺桿等。但是存在地腳螺栓連接承載力低，連接處應(yīng)力集中的問題。鋼板焊接型連接為外部焊接預(yù)埋的鋼板與護(hù)欄內(nèi)部預(yù)埋固件配合形成護(hù)欄與橋面板的連接。廖滿軍等［7］提出的鋼板焊接結(jié)合漿錨連接提高了護(hù)欄與橋梁間的連接強(qiáng)度，護(hù)欄不易傾覆，施工效率高，但是漿錨連接對(duì)中精度不高。預(yù)留鋼筋及型鋼連接指連接處預(yù)留型鋼或鋼筋，通過(guò)焊接或澆筑混凝土的方式進(jìn)行連接。但是連接處由于施工誤差易產(chǎn)生較大空隙，同時(shí)防撞能力差。

UHPC是一種超高強(qiáng)水泥基材料，具有重量輕，強(qiáng)度大，韌性高的特點(diǎn)。UHPC具有均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)，耐久性好；同時(shí)抗拉、抗彎、抗剪、粘結(jié)強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等均遠(yuǎn)大于普通混凝土［8］。因此，現(xiàn)有的預(yù)制裝配式UHPC防撞護(hù)欄在被汽車撞擊后不會(huì)發(fā)生脆性破壞。通過(guò)預(yù)制化施工、現(xiàn)場(chǎng)裝配，提升了施工效率，降低了對(duì)環(huán)境的破壞。

現(xiàn)有裝配式UHPC防撞護(hù)欄依舊存在一些不足：①現(xiàn)有技術(shù)的防撞護(hù)欄與橋梁主梁或橋梁翼緣板連接處有的為空心，抗沖擊性和耐久性不確定。②現(xiàn)有技術(shù)的防撞護(hù)欄與橋梁主梁或翼緣板連接方式復(fù)雜，有的通過(guò)底板螺栓和預(yù)埋在翼板內(nèi)的連接鋼筋實(shí)現(xiàn)連接，裝配難度大。③現(xiàn)有技術(shù)的防撞護(hù)欄基本均是用UHPC灌注整個(gè)防撞護(hù)欄，相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆防撞護(hù)欄造價(jià)高出許多，不經(jīng)濟(jì)，不利于大規(guī)模的應(yīng)用［9］。

2 基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)研究

2.1 工程概況

背景項(xiàng)目為成都市東西城市軸線東段（東二環(huán)—龍泉驛區(qū)界）工程勘察、設(shè)計(jì)、施工總承包二標(biāo)段工程五環(huán)路互通立交節(jié)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)為具備快速通行能力的城市主干路橋梁混凝土防撞墻，根據(jù)GB 50688-2011《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.4條規(guī)定，防撞墻按最不利工況考慮為SS級(jí)（設(shè)計(jì)車速100 km/h、80 km/h；事故等級(jí)為二次重大事故或二次特大事故）。

2.2 基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄構(gòu)造設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)方案通過(guò)UHPC連接帶將防撞護(hù)欄主體和橋梁連接，防撞護(hù)欄主體事先預(yù)制，通過(guò)橋梁內(nèi)預(yù)留的主梁埋件鋼筋、防撞護(hù)欄主體內(nèi)預(yù)埋的防撞護(hù)欄埋件鋼筋以及約束鋼筋，在UHPC的作用下，將防撞護(hù)欄主體與橋梁連接牢固，見圖1。

因UHPC具有韌性高的特點(diǎn)，防撞護(hù)欄主體與橋梁連接處通過(guò)UHPC連接帶緊密填充，有效提升了防撞護(hù)欄的抗沖擊性和耐久性；防撞護(hù)欄主體與橋梁裝配到位后，UHPC連接帶通過(guò)澆筑的方式制作而成，簡(jiǎn)化了防撞護(hù)欄主體與橋梁的裝配難度；相比現(xiàn)有技術(shù)中采用UHPC灌注整個(gè)防撞護(hù)欄，成本高，本方案只需在防撞護(hù)欄主體與橋梁的連接處采用UHPC，極大地降低防撞護(hù)欄的造價(jià)。

防撞護(hù)欄以每跨為單位，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)10 m，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)可根據(jù)相應(yīng)聯(lián)長(zhǎng)調(diào)整。本UHPC后澆連接預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄參照規(guī)范［6］規(guī)定，防撞護(hù)欄寬度為0.55 m，護(hù)欄頂面至橋面鋪裝頂高度為1.1 m，橋面鋪裝厚度為0.2 m。預(yù)制護(hù)欄采用C40細(xì)石混凝土，濕接縫采用UHPC。

2.3 基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄防撞能力驗(yàn)算

本次設(shè)計(jì)的SS級(jí)混凝土防撞護(hù)欄橫斷面如圖2所示，護(hù)欄高1.3 m，預(yù)制主體部分采用20根12 mm的縱向點(diǎn)筋及沿行車方向15 cm間隔布置的20 mm的箍筋，現(xiàn)澆UHPC部分采用2根12 mm的縱向點(diǎn)筋及沿行車方向15 cm間隔布置的25 mm的箍筋。預(yù)制主體部分采用C40混凝土。縱向點(diǎn)筋的有效高度如圖3所示。

2.3.1 確定車輛橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》［10］表3.5.4，本預(yù)制防撞護(hù)欄屬于SS級(jí)剛性護(hù)欄，對(duì)于分布長(zhǎng)度為2.4 m的防撞護(hù)欄在容許變形量Z=0 m時(shí)，護(hù)欄的汽車橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值取520 kN進(jìn)行加載。

2.3.2 汽車撞擊驗(yàn)算

2.3.2.1 計(jì)算原理

根據(jù)JTG/TD81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄D.3.1規(guī)定：

（1）混凝土護(hù)欄的極限抗彎承載力可采用屈服線分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論來(lái)分析護(hù)欄發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)段和端部的碰撞能力，見圖4、圖5。屈服分析理論為模擬車輛以一定的動(dòng)能和碰撞角度撞擊護(hù)欄，假設(shè)混凝土護(hù)欄為剛體，根據(jù)能量守恒原理建立車輛撞擊護(hù)欄過(guò)程的能量方程。護(hù)欄設(shè)計(jì)的控制破壞模式為護(hù)欄破壞變形所對(duì)應(yīng)的最小的極限承載力。護(hù)欄對(duì)橫向碰撞荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于橫向碰撞力設(shè)計(jì)值，根據(jù)抗力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)護(hù)欄配筋。

碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)，護(hù)欄屈服面沿車輛碰撞中心對(duì)稱分布，破壞面為楔形，護(hù)欄內(nèi)側(cè)與外側(cè)均發(fā)生屈服破壞，同時(shí)破壞面聯(lián)通護(hù)欄頂部與橋面板交界處。在外側(cè)沖擊下，護(hù)欄頂端發(fā)生橫向位移。

碰撞發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)，護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值和屈服線發(fā)生的臨界長(zhǎng)度的計(jì)算公式為式（1）、式（2）。

Rw1=22Le－Lt8Mb+8Mw+MeLe2H（1）

Le1=Lt2+Lt22+8H（Mb+Mw）Me（2）

碰撞發(fā)生在護(hù)欄端部時(shí)，屈服面碰撞中心沿縱向向中部延伸，護(hù)欄內(nèi)側(cè)發(fā)生屈服破壞，外側(cè)未達(dá)到屈服破壞。碰撞發(fā)生在護(hù)欄端部或伸縮縫處時(shí)，護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值和屈服線發(fā)生的臨界長(zhǎng)度的計(jì)算公式為式（3）、式（4）。

Rw1=22Le-LtMb+Mw+MeLe2H（3）

Le1=Lt2+Lt22+H（Mb+Mw）Me（4）

式中：H為護(hù)欄的有效高度（m）;Le為屈服線破壞分布的縱向長(zhǎng)度（m）;Lt為縱向分布荷載分布的縱向長(zhǎng)度（m）;Rw為護(hù)欄的總的橫向承載能力（kN）;Mw為護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩（kN·m）;Mb為護(hù)欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎曲承載力矩（kN·m）;Mc為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載能力（kN·m/m）。

（2）屈服線分析理論是基于三個(gè)假設(shè)：假定橋面板的破壞模式發(fā)生在護(hù)欄范圍內(nèi)，并不延伸到橋面板；護(hù)欄有足夠的長(zhǎng)度才能發(fā)生圖示破壞模式，否則對(duì)比較短的護(hù)欄，可能會(huì)形成一條沿護(hù)欄與橋面板接縫的屈服線；護(hù)欄墻體的正、負(fù)彎矩?cái)?shù)值相等，橫梁的正負(fù)抵抗力拒也相等。

2.3.2.2 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段驗(yàn)算

（1）Mw計(jì)算。

Mw是指護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩。根據(jù)矩形截面受力平衡，有：

fsdAs=fcdbx（對(duì)于豎向軸而言，b為護(hù)欄高度1.3 m）

受壓區(qū)高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×113.1 mm2×819.1 MPa×1.05 m+150 MPa×0.25 m=0.52 cm

該矩形截面的抗彎承載力為：M=Asfsd（h0-x2）。其中，為重要性系數(shù)，取1.0。

碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)各根鋼筋的抗彎承載力計(jì)算如表1所示。根據(jù)屈服線理論，護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力按照內(nèi)側(cè)鋼筋承載力2/3和外側(cè)鋼筋承載力1/3加權(quán)平均（表1）。

Mw=2×87.455+90.2593=88.39 kN·m

（2）Mc計(jì)算。

箍筋間距為15 cm，護(hù)欄主體為7根C20鋼筋，UHPC部分為7根C25鋼筋。見圖6所示，在護(hù)欄內(nèi)側(cè)折點(diǎn)及護(hù)欄主體與UHPC現(xiàn)澆部分的界線點(diǎn)作為劃分點(diǎn)，將護(hù)欄分為護(hù)欄主體上部、護(hù)欄主體下部、UHPC三個(gè)計(jì)算截面。計(jì)算截面的有效寬度為選取護(hù)欄分段部分上下截面的有效寬度平均值。

分別計(jì)算護(hù)欄三部分截面受壓區(qū)高度和彎矩承載能力，結(jié)果見表2。護(hù)欄主體下部未形成完整圓箍，因此參照美國(guó)AASHTO-2012規(guī)范［12］與我國(guó)JGJ 3362-2018《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)箍筋的抗彎承載力進(jìn)行折減。UHPC部分采用超高性能混凝土及HRB400鋼筋，其中受拉鋼筋直端最小錨固長(zhǎng)度為30d，受拉鋼筋彎鉤端最小錨固長(zhǎng)度為25d，下部主體鋼筋與UHPC內(nèi)部箍筋焊接長(zhǎng)度為16 cm，對(duì)于UHPC內(nèi)部箍筋的折減系數(shù)為：

5d+17.530d=5×2+17.530×2=0.458

由于UHPC內(nèi)部箍筋彎折后伸入到橋面板的水平長(zhǎng)度為27 cm，因此該環(huán)形箍筋的抗彎承載力的折減系數(shù)修正后為：27+17.5+5d25d×0.458=0.499

護(hù)欄UHPC部分有效抗彎鋼筋面積為：As=7×490.90×0.499=1714.7 mm2

護(hù)欄UHPC部分受壓區(qū)高度為：x=fsdAsfcdb=330 MPa×1714.7 mm2107 MPa×1=0.529 cm

護(hù)欄UHPC的抗彎承載力為：

ΦM=ΦA(chǔ)sfsdh0-x2=1.0×1714.7 mm2×330 MPa×50.9-0.5292 cm=286.52 kN·m/m

護(hù)欄主體部分有效抗彎鋼筋面積為：As=7×314.20=2199.4 mm2

護(hù)欄主

體部分受壓區(qū)高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×2199.4 mm219.1 MPa×1=3.8 cm

護(hù)欄上部主體的抗彎承載力為：

ΦM=ΦA(chǔ)sfsdh0-x2=1.0×2199.4 mm2×330 MPa×29.55-3.82 cm=200.68 kN·m/m

護(hù)欄下部主體的抗彎承載力為：

ΦM=ΦA(chǔ)sfsdh0-x2=1.0×2199.4 mm2×330 MPa×44.35-3.82 cm=308.10 kN·m/m

護(hù)欄關(guān)于其豎向軸的彎曲承載力矩Mc按高度加權(quán)平均后：

Me=200.68×0.845+308.10×0.205+286.52×0.2500.845+0.205+0.250=234.1 kN·m/m

（3）護(hù)欄抗力Rw計(jì)算。

SS級(jí)防撞護(hù)欄屈服線長(zhǎng)度Lt=2.4 m，對(duì)于無(wú)橫梁的鋼筋混凝土Mb=0。將Mw、Mc計(jì)算結(jié)果分別代入式（1）、式（2）中，破壞的臨界長(zhǎng)度和護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：

Lc1=Lt2+ Lt22+8H（Mb+Mw）Mc

=2.42+ 2.422+8×1.3×（0+88.39）234.1=3.52 m

Rw1=22Le－Lt8Mb+8Mw+MeLe2H

=22×3.52－2.48×0+8×88.39+234.1×3.5221.3

=1266.4 kNgt;520 kN

2.3.2.3 護(hù)欄端部驗(yàn)算

（1）Mw計(jì)算。

碰撞發(fā)生在護(hù)欄端部時(shí)僅內(nèi)側(cè)發(fā)生屈曲破壞，因此僅考慮護(hù)欄內(nèi)側(cè)鋼筋的抗彎作用。假定屈服線的臨界長(zhǎng)度為2.6 m。防撞護(hù)欄采用C40混凝土，因此受拉鋼筋直端的錨固最小長(zhǎng)度為30d（36 cm），見圖7。

護(hù)欄關(guān)于豎向抗彎承載力的鋼筋面積為791.7 mm2，受壓區(qū)高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×791.7 mm219.1 MPa×1=1.37 cm

表4為縱向點(diǎn)筋的抗彎承載力Mw。

（2）Mc計(jì)算。

假定2.6 m的屈服線范圍內(nèi)考慮16根箍筋的抗彎承載力，即每延米6.15根箍筋。端部箍筋與標(biāo)準(zhǔn)段箍筋配筋一致，因此將標(biāo)準(zhǔn)段Mc折減為端部的抗彎承載力。折減系數(shù)為0.615，端部Mc=234.1×0.615=143.97 kN·m/m。

（3）護(hù)欄抗力Rw計(jì)算。

SS級(jí)防撞護(hù)欄屈服線長(zhǎng)度Lt=2.4 m，對(duì)于無(wú)橫梁的鋼筋混凝土Mb=0。將Mw、Mc計(jì)算結(jié)果分別代入式（3）、式（4）中，破壞的臨界長(zhǎng)度和護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：

Lc1=Lt2+ Lt22+H（Mb+Mw）Mc

=2.42+ 2.422+1.3×（0+67.4）143.97=2.63 m

Rw1=22Le-LtMb+Mw+MeLe2H

=22×2.63－2.40+67.4+143.97×2.6321.3

=602.8 kNgt;520 kN

計(jì)算的破壞臨界長(zhǎng)度為2.63 m，接近假定的臨界長(zhǎng)度2.6 m，因此護(hù)欄端部處滿足橫向碰撞要求。

2.4 基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄施工組織設(shè)計(jì)

本UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄的施工方法為：在預(yù)制廠焊接鋼筋籠、支模、澆筑防水混凝土、常溫養(yǎng)護(hù)，形成帶有埋件鋼筋的預(yù)制防撞護(hù)欄主體。主體部分的高度和寬度應(yīng)根據(jù)不同的防撞等級(jí)確定，并且在主體底部應(yīng)根據(jù)節(jié)段長(zhǎng)度設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的支撐牛腿保持防撞護(hù)欄的穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制防撞護(hù)欄主體安裝時(shí)，先進(jìn)行橋梁后澆帶的清理，鋪設(shè)快硬砂漿找平，在快硬砂漿帶上安裝泡沫密封條；隨后吊裝預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄，單個(gè)構(gòu)件安裝完成后構(gòu)件上需安裝臨時(shí)固定措施。防撞護(hù)欄安裝內(nèi)側(cè)鋼模并作密封處理，UHPC通過(guò)澆筑孔灌滿后澆帶，經(jīng)養(yǎng)護(hù)直至UHPC達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3 結(jié)論與建議

本文為預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄提供了一種全新的思路，通過(guò)分析現(xiàn)有裝配式防撞護(hù)欄的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工組織流程及其問題，對(duì)現(xiàn)有的裝配式UHPC防撞護(hù)欄進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提出一種基于UHPC后澆連接的預(yù)制裝配式防撞護(hù)欄，從而使施工周期縮短，達(dá)到施工目標(biāo)。

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