鋼護欄立柱背土質量的研究與計算

柳 佳

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

中國公路隨著經濟的騰飛而迅速發展，截至2019年中國公路總里程已達484.65萬km。2019年，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》指出，“提升本質安全水平。完善交通基礎設施安全技術標準規范，持續加大基礎設施安全防護投入，提升關鍵基礎設施安全防護能力。”道路交通安全日漸人心，政府與人民對于交通安全的呼聲愈發強烈。新版《公路交通安全設施設計細則》已于2018年實施，重點提升了護欄防護的安全設計理念，波形梁鋼護欄作為被動防護的重要環節，在我國興建公路中已經成為最常用半鋼性護欄的一種，對駕駛人的生命及財產安全起到了至關重要的作用，這種護欄的防護主要是通過結構自身的形變及立柱支撐條件的反作用力完成的，結構的形變量取決于護欄的材質、厚度、結構尺寸等，這些均已在規范中做出詳細的規定，而立柱的支撐條件主要受實際施工中土路肩的寬度、路基邊坡的坡度、土基的構造物、土基的填料、壓實度等客觀條件的影響，本文針對鋼護欄立柱支撐條件的不同，結合現行規范進行鋼立柱支撐條件的分析、計算及補充。

1 影響立柱支撐條件的因素

國內外大量的實車足尺碰撞實驗表明，鋼護欄立柱埋設于土基中，埋設強度主要決定于立柱埋設深度和土基對鋼立柱的約束力。按照規范規定，立柱埋設有其標準的深度，當受土基中構造物影響時，鋼立柱無法按照標準深度打入，需要采用其他措施來加強深度不足的立柱的支撐條件，如縮短立柱間距、設置獨立基礎、采用連續梁基礎等。土基對于鋼立柱的約束力主要是，護欄受到車輛碰撞產生荷載時，土基對于鋼立柱產生反作用的阻擋力，這種阻礙立柱外傾的力由土路肩的寬度、路基邊坡的坡度、土基的填料、土基的壓實度決定，當土基的支撐條件不足時，同樣需要采取加強的方式彌補鋼立柱所缺失的約束力。

2 立柱支撐條件的計算

土基對于鋼立柱的約束能力集中體現在土基本身的質量，與土基填料的體積和密度緊密關聯，通過計算出一根標準埋設深度的鋼立柱的背土質量作為標準強度，以此來分析當支撐條件減弱時，通過何種補強來滿足至標準強度。

圖1 鋼立柱背土約束力的影響范圍側面圖和平面圖

如圖1所示，鋼立柱背土的范圍可以按照分界虛擬線簡化為上、下2個部分，可以得出下列計算公式

S1=X2

(1)

(2)

(3)

(4)

H=h1+h2+0.1H

(5)

V=V1+V2

(6)

m=ρV

(7)

式中：X為鋼立柱中心與土路肩外邊緣的距離，m；H為鋼立柱的埋設深度，m；h1、h2分別為分界后的上、下部的深度，m；S1為鋼立柱中心外側的背土頂面面積，m2；S2為鋼立柱中心外側的分界線處背土面積，m2；V1、V2分別為分界后的上、下部的體積，m3；V為對鋼立柱產生約束力的背土體積，m3；ρ為土基密度(一般取值為1.8 t/m3)，m為背土質量，kg。

依照上述公式，分別對A、SB、SA級鋼護欄的1根鋼立柱標準埋設深度的背土質量進行計算，得出標準強度。

Gr-A-4E型托架式鋼護欄，如圖2所示。

圖2 托架式A級鋼護欄側面圖/mm

鋼立柱規格為φ140×4.5 mm，X取值為556 mm，H取值為1 400 mm，通過計算可以得出Gr-A-4E型托架式鋼護欄的一根立柱的背土質量約為2.34 t。

Gr-A-4E型防阻塊式鋼護欄，如圖3所示。

圖3 防阻塊式A級鋼護欄側面圖/mm

鋼立柱規格為φ140×4.5 mm，X取值為439 mm，H取值為1 400 mm，通過計算可以得出Gr-A-4E型防阻塊式鋼護欄的一根立柱的背土質量約為1.42 t。

Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型鋼護欄，如圖4所示。

圖4 SB級鋼護欄側面圖/mm

SB級、SA級鋼護欄的橫斷面與鋼立柱標準埋設深度均一致，統一進行計算，鋼立柱規格為F130×6 mm，X取值為435 mm，H取值為1650 mm，通過計算可以得出Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型鋼護欄的一根立柱的背土質量約為2.15 t。

當鋼立柱的支撐條件不足以滿足各等級護欄立柱的標準強度時，工程上一般采用加設混凝土基礎的方式進行補強，原則上，相較標準強度不足的背土質量可以用同質量的混凝土進行替換，下面針對各等級鋼護欄在補強時需要的混凝土工程量進行計算分析。

假定土路肩內600 mm深度設有管線，無法采用打入式進行鋼立柱施工，擬采用600 mm寬、500 mm高混凝土基礎+100 mm墊層的方案進行實施，工程中護欄混凝土基礎一般采用C25標號，其密度約為2.38×103kg/m3。

通過式(1)～(7)公式，計算出鋼立柱埋設深度為500 mm時的背土質量及需要補強的混凝土基礎質量，計算結果如表1。

表1 埋深500 mm與標準埋深的背土質量比較

根據所得差值，分別進行混凝土基礎的補強計算，結果如表2。

從表2可以得出，需要補強的混凝土基礎長度多為2～3 m，當鋼立柱間距為4 m時，每個鋼立柱均可設置獨立基礎，當鋼立柱間距不足4 m時，需要設置連續梁基礎，以確保每一根需要補強的鋼立柱擁有足夠的支撐條件。本補強方案，同樣適用于暗涵頂面填土高度不足段，根據鋼立柱的實際埋設深度，確定所需要的的混凝土基礎方案。

表2 補強混凝土基礎方案

上述方案已在遼寧省高速公路取消省界收費站項目工程中得到了實際應用，該項目為在已建高速公路新建SB、SAm級鋼護欄，土基中多數存在著通訊光纜、排水管線等使得鋼立柱無法按照標準深度打入的情況，根據施工階段測量的實際深度按照以上方法進行連續梁混凝土工程量的計算，并加以實施，有效保證鋼護欄立柱達到標準的支撐條件。

3 結論與建議

本文研究計算了A級(托架及防阻塊)、SB級、SA級鋼護欄立柱標準埋設深度的背土質量，并舉例計算了支撐條件不足埋設深度為500 mm的背土質量，確定了Gr-A-4E托架式鋼護欄采用3 100×600×500(mm)的獨立基礎混凝土補強設計方案，Gr-A-4E防阻塊式鋼護欄采用1850×600×500(mm)的獨立基礎混凝土補強設計方案，Gr-SB-2E、Gr-SA-3E鋼護欄采用2850×600×500(mm)的連續梁基礎混凝土的補強設計方案，該類方案同樣適用于管線段、暗涵段等無法達到標準埋設深度的情況，供設計人員參考，具體分析計算時還應根據實際路肩材料進行。

交通是興國之要、強國之基，安全是建設發展的保障，黨的十九大宣告中國特色社會主義進入了新時代，賦予了交通人建設交通強國的歷史新使命。作為交通強國建設的一份子，將繼續為實現“兩個一百年”奮斗目標、實現中華民族偉大復興的中國夢而不懈奮斗！