作者單位：中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工電檢測所，上海200000

作者簡介：李剛，男，高級工程師。

摘要：為適應(yīng)“以塑代鋼”的第三代橋梁護(hù)欄發(fā)展趨勢及現(xiàn)場應(yīng)用需求，對比混凝土和鋼結(jié)構(gòu)高鐵橋梁護(hù)欄使用現(xiàn)狀，提出了基于SMC新型復(fù)合材料的高鐵橋梁護(hù)欄，并對護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料及成品性能進(jìn)行分析，充分發(fā)揮SMC新型復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異特性。結(jié)合現(xiàn)場安裝應(yīng)用，為運(yùn)營高鐵橋梁混凝土護(hù)欄病害整治及制作安裝提供解決方案，同時(shí)為新建高鐵橋梁護(hù)欄提供新方法及新思路。

關(guān)鍵詞：高鐵橋梁護(hù)欄；SMC新型復(fù)合材料；試驗(yàn)檢測；制作安裝

目前我國高鐵橋梁護(hù)欄以裝配式鋼筋混凝土護(hù)欄為主，隨著使用時(shí)間推移，在自然環(huán)境中，受許多物理化學(xué)作用影響，特別是氯離子和碳化腐蝕，引發(fā)護(hù)欄剝落、露筋和斷裂等病害，嚴(yán)重影響護(hù)欄使用功能及作業(yè)人員人身安全，造成極大安全隱患。同時(shí)混凝土護(hù)欄粉化速度大于整治速度，頻繁養(yǎng)修大幅提高管養(yǎng)工作量及資金成本。因此對現(xiàn)有護(hù)欄進(jìn)行長期養(yǎng)護(hù)維修及更換整治，有效推進(jìn)護(hù)欄升級和可持續(xù)使用，研制一種新型橋梁護(hù)欄已成為當(dāng)前重要研究課題。

1橋梁護(hù)欄現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)混凝土護(hù)欄（圖1）以砂子、碎石和硅酸鹽水泥為主要原料，輔以鋼筋承受拉力，采用小構(gòu)件預(yù)制，現(xiàn)場進(jìn)行拼裝施工。此種護(hù)欄強(qiáng)度高、抗凍性能好、生產(chǎn)制作造價(jià)低，但易碳化、開裂、露筋、斷裂，且由于構(gòu)件尺寸小，預(yù)制質(zhì)量難以控制，養(yǎng)護(hù)成本高，墜落風(fēng)險(xiǎn)大，對橋梁下方道路、河道的通行或通航造成嚴(yán)重安全隱患。

鋼護(hù)欄（圖2）是第二代橋梁護(hù)欄，采用鋼管或方管、角鋼、槽鋼等型鋼焊接預(yù)制，經(jīng)熱浸鍍鋅防腐處理后，現(xiàn)場拼裝施工。鋼護(hù)欄的質(zhì)量高，擁有混凝土護(hù)欄的強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，且克服了耐久性差的缺點(diǎn)。在鋼結(jié)構(gòu)熱浸鍍鋅工藝日漸成熟后，鋼護(hù)欄在運(yùn)營及新建高鐵上已開始批量使用，養(yǎng)護(hù)維修周期大幅減小。但鋼護(hù)欄存在熱浸鍍鋅生產(chǎn)過程不環(huán)保、造價(jià)高、銹蝕后養(yǎng)護(hù)難等問題。

經(jīng)市場調(diào)查和資料查閱，目前可替代混凝土護(hù)欄的材料多為鋼材和復(fù)合材料［1-3］。經(jīng)過比選，復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)性能優(yōu)于混凝土和鋼材，通過研制、試用、改進(jìn)提高后，替代混凝土和鋼材的可能性較大，可作為“以塑代鋼”的第三代橋梁護(hù)欄，具有一定的推廣價(jià)值，具備廣泛應(yīng)用前景。

2護(hù)欄型式及主材選擇

護(hù)欄型式通常為帶狀護(hù)欄和柵欄型護(hù)欄。

2.1帶狀護(hù)欄

帶狀護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖3所示，選用高速公路帶狀景觀板或人行道管狀欄桿，由立柱、底座及護(hù)欄板組成。材料內(nèi)部采用高強(qiáng)度纖維，中間采用乙烯類材料，外部采用ASA（ASA是由苯乙烯、丙烯腈和壓克力橡膠共聚而成的復(fù)合材料）。該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是：整體結(jié)構(gòu)合理，因外包有ASA而具有抗紫外線和抗老化作用，不褪色，防火防水，內(nèi)部高強(qiáng)度纖維使產(chǎn)品具有較強(qiáng)的韌性和拉伸強(qiáng)度，在受到撞擊時(shí)可保護(hù)撞擊體不會受到直接剛性傷害，有良好緩沖性能，避免產(chǎn)生相互傷害，安全性較好。

2.2柵欄型護(hù)欄

柵欄型護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)合鐵路特點(diǎn)，參照高鐵橋面混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)［4］，由立柱、底座、扶手及柵欄等部分組成。該產(chǎn)品采用SMC新型高性能復(fù)合材料制作，成品為桿件化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場拼接安裝。SMC（sheet molding compound）指一種新型熱固性玻璃鋼模壓材料，是由加入增稠劑、低收縮添加劑、填充劑、脫膜劑及著色劑等組分的不飽和聚酯樹脂浸漬短切纖維無捻粗紗所制成的片狀模塑料。產(chǎn)品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、電絕緣、耐熱耐寒、耐腐蝕、抗老化及使用壽命長等特點(diǎn)，且可根據(jù)應(yīng)用場景任意調(diào)制產(chǎn)品顏色。

帶狀護(hù)欄在既有線橋面人行道欄桿及墩臺吊圍欄上大量采用，在高鐵新建護(hù)欄及運(yùn)營高鐵橋梁護(hù)欄更換時(shí)使用較少。柵欄型護(hù)欄更加適用于既有高鐵橋梁護(hù)欄，可以短節(jié)間安裝，滿足便于養(yǎng)護(hù)維修和更換的可持續(xù)發(fā)展需求。

3新型護(hù)欄研制

3.1材料研制創(chuàng)新

SMC材料被廣泛應(yīng)用于電氣工業(yè)、汽車工業(yè)、鐵路車輛、通信工程、防爆電器設(shè)備外殼等領(lǐng)域。為適應(yīng)鐵路橋梁護(hù)欄耐久性及制造、安裝、更換簡便高效的要求，對SMC的性能進(jìn)一步提高和改善。SMC新型改良復(fù)合材料產(chǎn)品以聚苯乙烯和不飽和樹脂為主要原料，輔助專用助劑和抗老化組分，通過改性復(fù)配，創(chuàng)造了一種原料與短切玻璃纖維充分混合、反應(yīng)、熟化處理后制備SMC材料的新方法，采用共擠共存加工工藝模壓制造而成。通過新方法制備的SMC產(chǎn)品質(zhì)量輕、安全性能高、外形美觀、使用壽命長，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和較好的裝飾效果。經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對材料性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

3.2生產(chǎn)制作工藝

SMC材料是由近十種原材料以一定比例混合經(jīng)SMC機(jī)組制成半成品，然后經(jīng)高溫模壓制成成品。SMC成型工藝技術(shù)是一種閉模成型復(fù)合材料技術(shù)，生產(chǎn)制作工藝優(yōu)異，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，操作簡單，可大規(guī)模批量生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

3.3成品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能檢測

3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)欄選用柵欄型，參照高鐵常用跨度梁橋面附屬設(shè)施通用參考圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。護(hù)欄每2 m為一榀，高度1.1 m，由立柱、底座、扶手、托梁、柵欄及連接件等組成。立柱截面采用H形，中間腹板鏤空設(shè)計(jì)以降低風(fēng)阻及質(zhì)量，頂部設(shè)計(jì)裝飾帽，采用螺栓固定。底座與立柱一體成型并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，四角預(yù)留錨栓孔。扶手及托梁采用槽形設(shè)計(jì)，槽內(nèi)嵌入安裝柵欄的卡槽，橫向與立柱栓接。柵欄采用空心方管設(shè)計(jì)，兩頭制成嵌入扶手及托梁卡槽的凸柱。護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

對護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，建立由橫桿與豎桿、立柱、底座三部分組成的有限元模型，如圖7所示。模型中分別用beam188單元、shell181單元和solid185單元模擬，梁單元與板單元之間僅耦合節(jié)點(diǎn)線位移自由度以實(shí)現(xiàn)橫桿與立柱鉸接效果，板單元與實(shí)體單元之間通過多點(diǎn)綁定接觸模擬立柱與底座剛接效果，約束底座節(jié)點(diǎn)自由度作為模型分析邊界條件。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）［5］要求，分別對兩種不同工況下護(hù)欄的受力進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見表2。

計(jì)算結(jié)果表明，兩種工況護(hù)欄各構(gòu)件應(yīng)力及變形均滿足要求，相較之下工況1護(hù)欄受力較為不利。立柱底部及底座局部最大應(yīng)力計(jì)算值均小于復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度（141 MPa），護(hù)欄計(jì)算強(qiáng)度滿足要求，且安全冗余度較大。

3.3.2性能檢測

護(hù)欄成品構(gòu)件表面無裂紋、氣泡、折疊、夾雜和端面分層，整體外形美觀，與既有混凝土護(hù)欄保持一致。護(hù)欄成品構(gòu)件允許有不大于公稱厚度10%的輕微凹凸、壓痕和擦傷。

根據(jù)規(guī)范對護(hù)欄成品進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形性能檢測，變形限值參考《樓梯欄桿及扶手》（JG/T 558—2018）［6］中關(guān)于欄桿力學(xué)性能要求，扶手為L／250，立柱為30 mm。經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對護(hù)欄結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

檢測結(jié)果表明，按水平推力荷載0.75×1.8=1.35（kN）加載于扶手跨中位置時(shí)，最大變形值3.365 mm小于欄桿變形極限值L/250=7.2 mm；按水平推力荷載3.0 kN（大于0.75 kN/m水平均布荷載及1 kN集中荷載）加載于立柱頂部位置時(shí)，最大變形值24.503 mm小于欄桿變形極限值30 mm，護(hù)欄受力性能滿足規(guī)范要求。另對扶手及立柱按上述荷載逐級加（卸）載過程中，未見結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)異常，狀態(tài)良好，滿足使用功能要求。

4安裝應(yīng)用

為有效解決運(yùn)營高鐵橋梁混凝土護(hù)欄病害整治問題，分別于2021年9月、2022年4月將某高鐵1孔32 m簡支箱梁混凝土護(hù)欄更換為SMC護(hù)欄，安裝現(xiàn)場如圖8所示。運(yùn)營高鐵橋梁護(hù)欄更換施工主要包括舊混凝土護(hù)欄拆除、橋面基座定位打孔及新護(hù)欄安裝固定等步驟，所有工序均須在夜間天窗進(jìn)行施工。

在橋下道路或河道拆除舊護(hù)欄時(shí)應(yīng)鋪設(shè)防護(hù)網(wǎng)，防止混凝土塊或其他構(gòu)件掉落造成安全隱患。為保證更高強(qiáng)度和可靠性，護(hù)欄底座采用M16化學(xué)錨栓與橋面遮板連接。根據(jù)護(hù)欄長度定位鉆孔，孔內(nèi)采用進(jìn)口A級植筋膠填充錨固并固定24 h。新護(hù)欄安裝時(shí)先固定立柱，將底部托梁插入兩側(cè)立柱卡槽，然后逐根將柵欄插入底部托梁卡槽，再將頂部扶手扣緊各個(gè)柵欄，最后緊固托梁及扶手兩側(cè)不銹鋼螺栓，安裝立柱頂部裝飾帽。

經(jīng)安裝應(yīng)用，新型護(hù)欄產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，外觀與既有混凝土護(hù)欄基本一致；底部托梁高度適宜，可避開接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)；分段式安裝，遇伸縮縫時(shí)可靈活調(diào)節(jié)。新型護(hù)欄每米約16 kg，為同型式混凝土護(hù)欄質(zhì)量的1/6，為同型式鋼護(hù)欄質(zhì)量的1/9，易搬運(yùn)；立柱扶手柵欄桿件化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作，易安裝，大大降低了施工難度和勞動強(qiáng)度，保障了施工效果，提高了作業(yè)效率，減少了高鐵夜間天窗施工時(shí)間，使施工管理更高效。

5結(jié)語

SMC新型復(fù)合材料護(hù)欄解決了材料耐久性難題，延長了護(hù)欄的更新周期；安裝施工高效簡便，解決了高鐵橋梁護(hù)欄安裝難題；能確保鐵路作業(yè)人員人身安全，滿足使用功能要求，其優(yōu)異性能尤其適用于橋下通行公路或通航河道的橋梁；同時(shí)可大幅減少橋梁附屬設(shè)施生命周期內(nèi)的日常養(yǎng)護(hù)管理工作，改善橋梁設(shè)施技術(shù)狀態(tài)，解決設(shè)備病害帶來的運(yùn)輸及安全問題，效果明顯。

新型護(hù)欄實(shí)際壽命預(yù)測僅是依據(jù)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及短期的使用記錄，需在長期復(fù)雜自然環(huán)境及使用過程中進(jìn)一步檢驗(yàn)護(hù)欄耐久性，為新型復(fù)合材料護(hù)欄全壽命周期提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為新材料在柵欄網(wǎng)、聲風(fēng)屏障等領(lǐng)域拓展應(yīng)用提供一套全新思路和方法。

參考文獻(xiàn)

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［5］ 國家鐵路局.鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10002—2017［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.樓梯欄桿及扶手：JG/T 558—2018［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.