裝配式預(yù)制防撞護(hù)欄快速連接設(shè)計(jì)分析

廖滿軍 ， 劉成鋼 ， 黃恩福 ， 趙 峻

（1.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.貴州省綠筑科建住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 前言

裝配式施工作為當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新型技術(shù)手段，其本身涵蓋了產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化、工廠化的內(nèi)容，是促使傳統(tǒng)的建設(shè)方式向集約、節(jié)約、綠色、環(huán)保、科技等現(xiàn)代化建設(shè)方式轉(zhuǎn)變的有效途徑，是綠色建筑的新載體。特別是在傳統(tǒng)施工存在諸多不便的公路橋涵施工方面，裝配式施工尤其值得大力推廣。

混凝土防撞護(hù)欄是橋面的重要組成部分，其混凝土表面質(zhì)量要求不亞于立柱要求[1]。由于防撞墻體表面為弧形且施工面臨高空工作面，使其施工難度和安全防護(hù)要求較之普通混凝土構(gòu)件為更高[2]。采用裝配式預(yù)制防撞護(hù)欄具有以下優(yōu)勢(shì)：①工廠化預(yù)制，有比較穩(wěn)定的作業(yè)人員和配套的加工設(shè)備，受外界干擾因素小，加工精度和外觀質(zhì)量明顯提高；②將大量高噪聲、高污染、高風(fēng)險(xiǎn)的“濕作業(yè)”搬到工廠中進(jìn)行，減少建筑垃圾80%，更大大減少了現(xiàn)場(chǎng)澆搗施工對(duì)周邊噪音、粉塵等影響；③現(xiàn)澆需要3天的時(shí)間，預(yù)制1天即可完，更將大部分的工作轉(zhuǎn)移至工廠，大大減少作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；④預(yù)制防撞墻可將路燈管線、燈桿預(yù)埋件、欄桿預(yù)埋件，通信管線、電箱等埋設(shè)其中，提高質(zhì)量和精度，縮短工期[3]。

裝配式預(yù)制防撞護(hù)欄施工的核心問(wèn)題即預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)。連接設(shè)計(jì)的有效性及其工序的便利性，將直接影響施工結(jié)果和施工效率。本文基于當(dāng)前普遍使用的兩種連接設(shè)計(jì)，提出了防撞護(hù)欄快速連接設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其特點(diǎn)和效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

2 工程概況

背景項(xiàng)目為貴陽(yáng)市某環(huán)線公路為例，本次設(shè)計(jì)為市政一級(jí)道路橋梁混凝土防撞墻，根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5條規(guī)定，防撞墻按最不利工況考慮為SA、SAm級(jí)（設(shè)計(jì)車速100、80；事故等級(jí)為二次重大事故或二次特大事故）。

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4.3條及5.1條規(guī)定，防撞墻碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值為86kN/m，荷載分布長(zhǎng)度5m，距離護(hù)欄頂面5cm。本次受力分析取單米計(jì)算，同時(shí)考慮活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，動(dòng)力系數(shù)1.5。

圖1 混凝土防撞護(hù)欄斷面及配筋圖

分段原則：當(dāng)防撞墻為直線段時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谏炜s縫處斷開，預(yù)制防撞墻長(zhǎng)度為4m或者5m一節(jié)，每節(jié)預(yù)制防撞墻質(zhì)量約3.5T左右，具體根據(jù)設(shè)計(jì)斷面確定；當(dāng)防撞墻為曲線段時(shí)，預(yù)制防撞墻分段長(zhǎng)度為2m左右，具體根據(jù)彎曲半徑大小確定，利用微積分原理，調(diào)整每一節(jié)之間的角度，既便于生產(chǎn)施工，又要保證連接平緩過(guò)度、視覺美觀預(yù)制防撞墻縱向連接采用企口形式，如圖1所示，中間預(yù)留20mm縫隙，填充耐候膠或?yàn)r青。

3 連接設(shè)計(jì)方案及其對(duì)比

3.1 兩種常用連接設(shè)計(jì)方案

預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄方案一：預(yù)制防撞墻連接采用灌漿套筒及漿錨連接技術(shù)，在橋面混凝土澆筑時(shí)預(yù)留伸出鋼筋。待混凝土澆筑完成強(qiáng)度達(dá)到后，吊裝預(yù)制防撞墻，預(yù)留伸出鋼筋錨入套筒及預(yù)應(yīng)力波紋管后灌漿密實(shí)[4]。如圖2所示。

圖2 方案一連接設(shè)計(jì)示意圖

圖3 方案二連接設(shè)計(jì)示意圖

圖4 快速連接設(shè)計(jì)示意圖

預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄方案二：預(yù)留錨固鋼筋，同時(shí)設(shè)置型鋼支撐腿，在橋面混凝土未澆筑前將預(yù)制防撞墻吊裝到位，型鋼支撐腿支撐在模板或者可靠支撐上，同時(shí)臨時(shí)支撐固定[6]。如圖3所示。

3.2 快速連接設(shè)計(jì)方案

預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄快速連接設(shè)計(jì)方案：預(yù)制防撞墻連接，采用預(yù)埋鋼板角鐵焊接及漿錨連接技術(shù)，在橋面預(yù)留鋼筋及埋件，在預(yù)制防撞墻中預(yù)埋金屬波紋管及埋件，迎車面通過(guò)L型鋼板焊接連接（L型鋼板覆蓋在鋪裝層內(nèi)，不影響美觀），預(yù)制防撞墻中采用漿錨連接技術(shù)，同時(shí)臨時(shí)支撐固定。如圖4所示。

3.3 連接設(shè)計(jì)方案對(duì)比

通過(guò)從生產(chǎn)成本、施工方成本及安裝效率等三方面對(duì)上述三種方案進(jìn)行對(duì)比。

方案對(duì)比分析表 表1

如表1所示：

方案一，由于安裝精度要求非常高，導(dǎo)致安裝效率低下；

方案二，施工方支模及安全費(fèi)用增加，項(xiàng)目造價(jià)增加；

快速連接設(shè)計(jì)方案，生產(chǎn)成本雖高于方案二，但對(duì)施工方成本低于方案二，而且安裝效率與方案二無(wú)顯著差別。

故而，從施工工藝的高效及施工成本的降低的角度，快速連接設(shè)計(jì)方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 快速連接設(shè)計(jì)的力學(xué)分析

4.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

假設(shè)撞擊荷載全部由角鐵焊縫承擔(dān)（如圖5所示），φ25@500的鋼筋漿錨連接作為保險(xiǎn)系數(shù)考慮，防撞墻取單米計(jì)算，荷載設(shè)計(jì)值q=1.4×1.5×86=180.6kN/m2，角鐵三面圍焊處剪力Fx=180.6kN；拉力Fy=180.6×1.1/0.2=939.3kN，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.3條設(shè)單個(gè)角鐵三面圍焊長(zhǎng)度lw=300mm，he=10mm，單米預(yù)制防撞墻設(shè)三個(gè)角鐵，間距為500mm一個(gè)[5-9]。

可以得到：

承受動(dòng)力荷載βf取1.0，角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取160N/mm2，在綜合力作用下，αf與 τf共同作用處：

由公式（1）、（2）、（3）可知，快速連接設(shè)計(jì)的防撞護(hù)欄強(qiáng)度完全符合要求。

圖5 方案三三維示意圖

4.2 有限元分析

使用SolidWorks軟件進(jìn)行焊縫連接的有限元分析。分析采用整體式模型，本構(gòu)關(guān)系采用混凝土—鋼筋復(fù)合本構(gòu)關(guān)系。模型中預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄長(zhǎng)度為0.5m，高1.1m，采用一個(gè)L型角鐵焊接連接。在防撞護(hù)欄底部支腿處設(shè)置豎向約束，在下部預(yù)埋鐵板設(shè)置豎向和水平方向約束。荷載為451500N/mm2，作用在距防撞護(hù)欄頂部50mm處。分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6-c可知，應(yīng)力極值為132kN/mm2，滿足最大應(yīng)力要求。而在上述有限元分析中，于每0.5m內(nèi)設(shè)置1個(gè)角鐵。故有限元分析結(jié)果顯示在單米內(nèi)僅需設(shè)置2個(gè)角鐵焊接連接，即可滿足應(yīng)力要求。

該結(jié)果與根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》強(qiáng)度驗(yàn)算的差異，是由于《規(guī)范》方法中受到了安全系數(shù)的影響。而有限元分析結(jié)果更進(jìn)一步證明了，單米內(nèi)設(shè)置3個(gè)角鐵連接是完全可靠的。

另外，本節(jié)有限元分析，是在未對(duì)波紋管的灌漿連接進(jìn)行考慮的情況下展開的。因而在實(shí)際工程中，快速連接設(shè)計(jì)方案將能夠接受更嚴(yán)峻的實(shí)踐考驗(yàn)。

圖6-a 網(wǎng)格劃分圖

圖6-b 位移云圖

圖6-c 應(yīng)力云圖

圖6-d 應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論與建議

本文提出的防撞護(hù)欄快速連接設(shè)計(jì)方案，與常用連接設(shè)計(jì)相比具有施工成本低、施工效率高的特點(diǎn)。并能夠完全滿足防撞護(hù)欄的工程力學(xué)要求。對(duì)防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)和施工方面的研究具有一定的參考意義。

本設(shè)計(jì)的局限性在于是從施工的角度出發(fā)，如第3節(jié)所指出，該連接設(shè)計(jì)在降低施工成本的同時(shí)，致使生產(chǎn)成本有一定程度的增加（相對(duì)于方案二）。建議相關(guān)設(shè)計(jì)人員在裝配式防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)中，能夠適度加強(qiáng)二維裝配（平面接觸裝配）思想的運(yùn)用，而減少線形裝配（目前廣泛使用的套筒、漿錨裝配等方式）的依賴性。

[1]蔡建國(guó)，韓鐘，馮健，等.預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究[J].建筑技術(shù)：建筑節(jié)能，2009.

[2]張可欣.淺談?lì)A(yù)制全裝配式結(jié)構(gòu)(NPC)施工技術(shù)[J].中國(guó)科技投資，2013.

[3]黃小坤.田春雨.預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2010.

[4]裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[5]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[6]裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[7]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[8]公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9]公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.