碰撞荷載下箱梁翼緣板安全性分析

岳仁輝， 武 林

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088)

碰撞荷載下箱梁翼緣板安全性分析

岳仁輝， 武 林

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088)

常規橋梁結構設計過程中，設計人員重視橋梁整體計算，而疏忽結構的局部驗算。橋梁翼緣板在車輛碰撞力作用下的安全性往往被忽視，且該部分橫跨橋梁工程與交通工程兩個專業，跨專業規范規程熟悉程度薄弱，橋梁翼緣板橫向配筋不足，橋梁運營存在嚴重安全隱患，橋梁設計人員應給予足夠重視。

翼緣板；碰撞荷載；護欄；強度驗算；橫向配筋

0 引 言

經過多年橋梁維修加固設計過程,發現現澆箱梁翼緣板根部裂縫屢見不鮮,當然出現裂縫的原因很多,這里就不予贅述了。

根據文獻[1]對部分翼緣板根部安全進行驗算,竟然發現一些翼緣板配筋存在不足,部分配筋滿足,但在交通事故中橋梁護欄受到猛烈撞擊荷載工況下不能滿足安全性要求。

目前,在國內多數公路橋梁懸臂翼緣板的設計中,很少有對車輛碰撞護欄時碰撞荷載對橋梁翼緣板的影響進行強度計算的[2-4]。由于設計人員對行業設計規范掌握的不全面或疏忽,沿用借鑒已有類似橋梁設計圖紙及其經驗,增加了橋梁設計中的安全隱患[5-7]。

本文以某條高速公路設計圖紙為依托,對部分橋梁懸臂翼緣板進行驗算,給出相關建議及其結論。

1 依托項目橋梁相關參數

本項目為《國家高速公路網規劃》中的第六條縱線(二連浩特至廣州高速公路)湘鄂省界至常德城區段,雙向四車道,設計時速100 km/h,橋梁設計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。

經對本項目設計第二合同段圖紙進行研讀,本合同段均為常規結構(現澆箱梁、小箱梁、大T梁),本次以現澆箱梁(圖1)為依托進行懸臂翼緣板安全性分析。

圖1 現澆箱梁尺寸斷面圖

現澆箱梁懸臂翼緣板結構:橋面鋪裝為100 mm瀝青混凝土+100 mmC40防水混凝土,混凝土為C50,長度為200 cm,懸臂端部厚15 cm,根部厚45 cm,箱梁翼緣板橫向鋼筋上緣為直徑16 mm的二級鋼筋,下緣為直徑12 mm的二級鋼筋,縱向間距為150 mm[8]。

現澆箱梁鋼筋布置,如圖2所示。

圖2 現澆箱梁普通鋼筋布置圖

2 碰撞力作用下翼緣板受力分析

當車輛碰撞護欄時,碰撞力產生的彎矩作用在箱梁翼緣板上,由箱梁的橫向鋼筋受拉來承載這部分外力(圖3)。

圖3 翼緣板碰撞力作用示意圖

根據文獻[9]第5.2.5條根據車輛駛出橋外或進入對向車行道有可能造成的交通事故等級,按照表5.2.5橋梁護欄防撞等級適用條件,本項目護欄防撞等級為SA級;第5.1.2條對作用于組合式橋梁護欄上的碰撞荷載大小和作用點的分布的規定,組合式護欄上部鋼護手結構和下部混凝土墻體結構所承受的碰撞力荷載大小均為最大橫向碰撞荷載的一半(即P/2,碰撞力P=430 kN);第4.6.1條混凝土護欄所受碰撞荷載的分布長度為D=5 m,而分布范圍由4根鋼扶手傳遞碰撞力產生的彎矩,立柱間距為2 m,因此鋼扶手荷載分布寬度D′=60 m,每根鋼護手所受總的總碰撞力大小為P/8。:則鋼扶手底部(圖3的A-A截面的最大彎矩[1,8-10]:

其中,h1為上橫梁中心至A-A截面的高度,h1=25 cm。

上部鋼扶手式結構地面的水平力:

此彎矩和水平撞擊力最終由下部混凝土結構傳遞至橋梁翼緣板承擔。

上部鋼扶手式結構底面水平力對橋梁翼緣板C-C截面產生的彎矩:

(204.25+107.5hd)kN·m

其中，h2為鋼筋混凝土墻頂(即上部結構的鋼扶手底部)至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度。

作用于混凝土墻體上的碰撞力P/2(查D81規范知作用點為墻體頂部以下5 cm位置處)對橋梁翼緣板C-C截面產生的彎矩:

(193.5+107.5hd) kN·m

其中，h3為作用在鋼筋混凝土墻上的碰撞力作用點至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度。

碰撞力作用在橋梁翼緣板C-C截面中心的有效寬度:

a0=D+2×H+2×d

其中，H為外力作用點至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度,d為橋梁翼緣板C-C截面至護欄邊緣水平距離。

則上部鋼扶手結構的作用力對橋梁翼緣板C-C截面中心彎矩的有效分布寬度:

a0柱=D′+2×H柱+2×d=

7.9+hd+2d

則下部混凝土結構的作用力對橋梁翼緣板C-C截面中心彎矩的有效分布寬度:

a0混凝土=D′+2×H混凝土+2×d=

7.8+hd+2d

則單位長度橋梁翼緣板C-C截面承受的碰撞力彎矩:

3 恒載作用下翼緣板受力分析

翼緣板承受的恒載作用(圖4)主要有護欄自重、橋面鋪裝自重和其翼緣板自重。

圖4 翼緣板恒載作用示意圖

護欄每延米自重10kN/m,護欄荷載集度:

g1=10/0.5=20 kN/m

護欄自重對橋梁翼緣板C-C截面產生的彎矩:

M1=0.5g1×(d+0.25)=10d+2.5 kN·m

橋面鋪裝形式:10cm瀝青混凝土+10cmC40防水混凝土,鋪裝荷載集度:

g2=24×0.1+25×0.1=4.9 kN/m

鋪裝自重對橋梁翼緣板C-C截面產生的彎矩:

M2=0.5g2×d2=2.45d2kN·m

翼緣板自重集度:

g3=25×0.15=3.75 kN/m

g3′=25×0.45=11.25 kN/m

gd=25hdkN/m

翼緣板自重對橋梁翼緣板C-C截面產生的彎矩:

4 車輛荷載作用下翼緣板根部受力分析

車輪荷載立面示意，見圖5所示。

圖5 車輪荷載立面示意圖

平行于懸臂板跨徑方向的荷載分布寬度:

b=b1+2hp=0.6+2×0.2=1.0 m

b<1.8 m,車輛荷載橫橋向為單輪作用。

圖6中c=1.5,不大于2.5 m,垂直于懸臂板跨徑方向的荷載分布寬度:

a=(a1+2hp)+2c=

(0.2+2×0.2)+2×1.5=3.6 m

a>1.4 m,車輛縱向為雙輪作用。

a=(a1+2hp)+2c+1.4=5.0 m

其中。hp為橋面鋪裝厚度,a1為垂直于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸,b1為平行于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸,c為平行于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸的外緣,通過鋪裝層45°分布線外邊線至腹板外邊緣的距離[1,8]。

圖6 車輪荷載平面示意圖

每延米車輪荷載懸臂板根部彎矩:

MQ=(1+μ)qb(c-b/2)=

(1+0.3)×28×1.0×(1.5-1.0/2)=

36.4 kN·m

5 車輛碰撞護欄翼緣板根部受力分析

車輛碰撞護欄為偶然事件,根據文獻[1]第4.1.6條偶然組合,永久作用標準值效應與可變作用某代表值效應、一種偶然作用標準值效應相組合。本次可變作用車輪荷載采用設計值效應,分項系數取1.4[1]。

翼緣板根部偶然組合下彎矩見表1所列。

表1 偶然組合效用一覽表 kN·m

翼緣板護欄內側截面B-B偶然組合下彎矩見表2所列。截面配筋見圖7所示。

表2 偶然組合效用一覽表 kN·m

圖7 截面配筋示意圖

fsdAs=fcdbx

其中，γ0橋梁結構重要性系數,取1.1,fcd、ftd為混凝土軸心抗壓、抗拉強度設計值,C50混凝土分別取22.4 MPa,1.83 MPa,fsd為縱向普通鋼筋的抗拉強度設計值280 MPa,As為受拉區縱向普通鋼筋的截面面積,h0為截面有效高度,x為混凝土受壓區高度,ξb為相對界限受壓區高度,b為截面寬度,取單位1 m。

正截面抗彎承載力計算結果見表3所列。

表3 方案比選表

依托項目現澆箱梁每延米翼緣板配筋6Φ16鋼筋,間距15 cm,每延米鋼筋面積As=1 205.76 mm2,鋼筋不足面積348.7 mm2,不足比例28.92%。

6 結束語

從依托項目驗算結果獲悉,在沒有考慮材料安全系數的情況下,翼緣板截面橫向配筋不能滿足規范對防撞能力要求,存在較嚴重的配筋不足。在發生交通事故情況下,車輛側向碰撞荷載的作用下,橋面板的設計潛在嚴重的安全隱患,設計人員應引起足夠的重視。

[1] JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2] 石紅星，白書鋒，呂偉明.橋梁混凝土護欄設計的研究[J].公路交通科技, 2002,20(6)：22～26.

[3] 吳 彪，王吉英.從橋梁翼緣板的橫向防撞強度驗算談邊梁的橫向配筋[J].中國市政工程，2004(2)：15～23.

[4] 劉 釗．橋梁概念設計與分析理論(上冊)[M]．北京：人民交通出版社，2010．

[5] 曹繼偉．基于車輛碰撞荷載的橋梁懸臂翼緣板的強度設計[J]．東北公路，2002，25(2)：87～88．

[6] 邰永剛，劉小勇，張 穎，等．車輛碰撞護欄對橋梁翼緣板的影響研究[J]．公路工程，2010，35(3)：81～84．

[7] 李 華．高速公路組合型護欄特性及其變形計算[J]．公路交通科技，1997，14(4)：29～32．

[8] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[9] JTG D81-2006，公路交通安全設施設計規范[S].

[10] JTG/T D81-2006，公路交通安全設施設計細則[S].

2016-10-22；修改日期：2016-10-25

岳仁輝(1984- )，男，安徽淮南人，碩士，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司工程師．

U443.7

A

1673-5781(2016)05-0631-04