GFRP筋混凝土護欄設計與安全性能分析

2019-03-08 01:00:14亢寒晶楊福宇高建雨閆書明

城市道橋與防洪 2019年1期

焦宇，亢寒晶，龔帥，楊福宇，高建雨，李明，閆書明

（1.深圳高速公路股份有限公司，廣東深圳 518035；2.北京華路安交通科技有限公司，北京市 100071；3.深圳海川新材料科技股份有限公司，廣東深圳 518040）

0 引言

隨著我國現代化建設的不斷推進，我國公路事業也突飛猛進，截至2016年底全國公路總里程達到469.63萬km[1]。公路護欄作為公路重要的安全設施，是事故車輛在高速公路上的最后一道防線，對高速公路的安全運營至關重要。鋼筋混凝土護欄因其剛度大、車輛不易穿越或翻越等顯著的優越性而被應用。但其重量載荷大、混凝土保護層易剝落、鋼筋易銹蝕，長期使用護欄的安全防護性能大大降低，從而限制了鋼筋混凝土護欄的廣泛應用。

近年來玻璃纖維（GFRP）筋材料取得了快速發展，與普通鋼筋相比較，GFRP筋有著優異的力學性能：高承載能力，抗拉能力強，桿體強度是同等直徑鋼筋的2倍，但質量只有鋼筋的1/4；彈性模量穩定，約為鋼筋的1/3～2/5；熱膨脹系數比鋼筋更接近水泥；耐腐蝕性能好，適合在腐蝕環境中使用[2-3]。因此GFRP筋輕質、高強、耐腐蝕的優點使其成為替代鋼筋開發新型混凝土護欄的首選材料。

護欄的開發過程中，用實車足尺試驗和計算機仿真分析方法評價護欄的安全性能。實車足尺試驗成本高、周期長，試驗可重復性受限。而計算機仿真技術建立車輛和護欄模型進行碰撞分析，費用低、周期短；國內外學者已用實車足尺試驗校核，驗證了仿真模型具有足夠的精度和可靠性[4-5]。本文結合GFRP筋良好的性能，提出了GFRP筋混凝土護欄設計方案，進行配筋計算，并運用計算機仿真技術對GFRP筋混凝土護欄的安全防護性能進行評估。

1GFRP筋混凝土護欄結構設計

混凝土護欄主要應用在橋梁上，綜合護欄安全性能、施工方便性等因素，確定GFRP筋混凝土護欄結構設計參數。

1.1 防護等級確定

確定護欄的設計防護等級是確定護欄結構參數的基礎。《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017，以下簡稱《設計規范》）對橋梁護欄防護等級的選取進行了規定，見表1。由表1可以看出，《設計規范》中規定的常用橋梁護欄的最高防護等級為SS級，也是目前高速公路橋梁路段最常用的防護等級，作為此次GFRP筋混凝土護欄的設計防護等級。

1.2 護欄坡面

混凝土護欄坡面主要分為基本型、直壁式、單坡型、改進型（F型）[6]和加強型，如圖1所示。基本型坡面在高速碰撞下容易導致車輛內翻；直壁式坡面在車輛碰撞護欄后車輛所受沖擊加速度最大；單坡型坡面結構景觀效果較為呆板，同時通過計算機仿真計算和實車足尺碰撞試驗可知，單坡型坡面在超過80 km/h碰撞速度時易發生車輛內翻現象；加強型坡面在坡面上部增加阻爬坎難于施工。以上四種坡面各有不足，而改進型坡面作為規范規定的一種混凝土坡面，相比于基本型而言，減小了車輛內翻概率；相比于直壁式而言，降低了沖擊加速度；相比于單坡型而言，其景觀及緩沖效果更佳；相比于加強型而言，施工方便。因此在GFRP筋混凝土護欄中選用改進型坡面。

表1 橋梁護欄防護等級的選取

圖1 混凝土護欄坡面型式

1.3 護欄有效高度

混凝土護欄墻體有效高度指路面以上的護欄墻體高度。《設計規范》規定設計防護等級為SS級的混凝土護欄，其最小高度為110 cm。根據計算機仿真和以往實車足尺碰撞試驗數據，高度為1 m的混凝土護欄可通過SS級實車足尺碰撞試驗，但按照《設計規范》取設計護欄墻體有效高度為1.1 m偏于安全。綜上分析，GFRP筋混凝土護欄的路面以上有效高度為1.1 m，具有一定的安全儲備。

1.4 護欄寬度

混凝土護欄的寬度是影響混凝土墻體強度和剛度的重要參數，墻體越厚則強度和剛度越大，但是其重量也越大，對橋梁形成永久重量荷載。《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017，以下簡稱《設計細則》）推薦規定SS級混凝土護欄墻體厚度要求達到52.5 cm，這會造成混凝土結構龐大。若能通過研究降低混凝土墻體寬度，可有效減少橋梁主體負荷。基于以往混凝土護欄設計經驗和參照已經過實車碰撞試驗檢驗的混凝土護欄結構，取GFRP筋混凝土護欄的總寬度為43 cm，頂部寬度為21.5 cm。

綜上分析，GFRP筋混凝土護欄結構設計方案為護欄防護等級設定為SS級，迎撞面采用改進型坡面，背部為直線型，護欄有效高度為1.1 m，底部寬度為430 mm，頂部寬度為215 mm，如圖2所示。

圖2GFRP筋混凝土護欄結構（單位：mm）

2 護欄配筋設計及驗算

2.1 護欄配筋設計

根據護欄結構設計，結合《設計規范》相關規定，護欄配筋設計方案為迎撞面和背部分別采用直徑18 mm和12 mm的GFRP筋，設置間距均為200 mm。縱筋為14根直徑為12 mm的GFRP筋，預埋筋采用直徑為18 mm的加強筋，設置間距為200 mm。圖3為GFRP筋混凝土護欄配筋圖。

圖3GFRP筋混凝土護欄配筋（單位：mm）

2.2 護欄配筋驗算

根據護欄配筋設計方案，在確定混凝土護欄外輪廓的前提下，按照《設計細則》的屈服線理論進行配筋驗算，驗證護欄強度是否滿足設計要求。

2.2.1 屈服線強度計算公式

當碰撞護欄標準段時，護欄對橫向荷載Ft的抗力標準值Rw可用下式表示：

其中，Lc為屈服線發生的臨界長度，表達如下：

式中：H為護欄的有效高度，m；Lc為屈服線破壞模式的臨界長度，m；Lt為碰撞荷載分布的縱向長度，m；Rw為護欄的總橫向承載能力，kN；Mw為護欄關于其豎向軸的彎曲承載力矩，kN·m；Mb為護欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎曲承載力矩，kN·m；Mc為懸臂型護欄關于橋梁縱軸的彎曲承載力矩，kN·m/m。

2.2.2 參數確定

（1）《設計規范》給出了橋梁護欄的汽車橫向碰撞荷載標準值，SS級（六級）的碰撞荷載標準值最大為520 kN，分布長度為2.4 m，則Ft=520 kN，Lt=2.4 m。

（2）GFRP筋混凝土護欄路面以上高度為1.1 m，假設現澆層高度為0.1 m，則取護欄有效高度H=1.1 m+0.1 m=1.2 m。

（3）GFRP混凝土護欄未設置橫梁，因此Mb=0。

（4）GFRP筋抗拉強度標準值與設計值見表2，按照抗拉強度標準值的0.7倍取設計值。根據GFRP筋混凝土護欄縱筋的設計得到Mw=As×ft×（∑b）=45.15（kN）。As為單根縱筋截面積；b 為每組縱筋橫向距離；ft為加強筋抗拉強度設計值，這里為直徑12 mm玻璃纖維筋的抗拉強度設計值，取420 MPa。

表2 玻璃纖維筋抗拉強度 MPa

（5）Mc值的估算。通過GFRP筋各危險截面的抗彎承載力估算Mc值。取三個截面（截面Ⅰ-Ⅰ取護欄頂面下20 cm處）計算抗彎承載力Mu，如圖4所示，則Mu表達式為

按單筋矩形截面進行截面承載力驗算，由受力平衡得fcbx=fyAs，則為定值。

其中，在截面上取1 m的長度作為計算區域b，fy為GFRP筋設計抗拉強度，As為受拉GFRP筋面積，a為受拉GFRP筋中心到截面迎撞面距離，h為截面寬度，fc為混凝土設計抗拉強度。三個截面中參數 b、fy、As、a、fc取值相同，分別為 1 000 mm、385 MPa、1 271 mm2、54 mm、14.3 MPa。經計算 x為34.22 mm。