獨立式防撞墻在橋梁升級改造中的應用

張文進

中國華西工程設計建設有限公司，廣東 廣州 510062

隨著新時代下經濟的發展和公路管理政策的改革，政府逐漸取消二級公路收費政策，部分重載車輛為降低運輸成本改走二級公路；另外在載重車輛發展大型化的總趨勢下，依據《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012），最大鉸接列車總長由14m增至18.1m，最大寬度由2.5m增至2.55m，大型車折算系數由2.0增至2.5，這些變化都將引起公路荷載的增加。為此，《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）將二級公路荷載由公路-Ⅱ級提升為公路-Ⅰ級；《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）（以下簡稱新規范）將公路-Ⅰ級車道荷載集中荷載由180～360kN調整為270～360kN。根據新規范的規定，部分早期公路尤其是二級公路，已難以滿足新時代下公路荷載標準要求，各地政府部門對早期公路的升級改造計劃逐漸提升日程。新規范下如何合理評價并利用現狀橋梁成為早期公路升級改造中亟待解決的問題。

針對按原JTJ 021—89規范或JTG D60—2004規范（以下簡稱舊規范）設計的公路橋梁能不能滿足JTG D60-2015規范要求的課題，李傳習等[1]以廣東省佛山市三水大橋為對象，研究了獨塔斜拉橋在新舊規范下的作用效應，得出該獨塔斜拉橋已不滿足新規范的要求，且主梁壓應力超出新規范規定值5.4MPa，主塔壓應力超出規范規定值2.72MPa的結論；王汝志等[2]以交通運輸部10～20m的預應力混凝土簡支空心板橋為研究對象，得出新規范下基本組合彎矩效應顯著增大，其中16m空心板基本組合彎矩效應增大10%，預應力鋼筋估算面積需增加26%的結論。

這些研究均指出新規范對橋梁結構的要求更高，橋梁繼續使用時必須按新規范要求重新驗算。當面對橋梁資料不全，無法通過計算驗算時，只能通過荷載試驗確定其承載力，當不滿足現行規范時，一般解決方案是在橋梁附近區段限制重載車輛通行，或者進行加固處理。前一種方案嚴重影響公路的使用功能，且難以保證重載車輛不通行，橋梁結構存在一定的安全隱患；后一種方案往往造價高，且橋梁外觀改變較大，影響橋梁美觀。

為此，根據臨湘市X108公路升級改造工程中的橋梁設計成果，針對外觀檢測無重大損傷、基本可維持原有功能的舊橋，提出采用外貼獨立式防撞墻的方案，以減小舊橋恒載，提升舊橋承載能力。

1 橋梁升級改造工程概況

臨湘市X108公路升級改造工程起自臨湘市坦渡鎮，終至臨湘市羊樓司，全長21.125m，現狀公路為等級外公路，改造后為二級公路。其中，聯合村處有一座2m×16m后張法預應力空心板橋梁，建于2009年。根據外觀檢測結果，現狀橋梁為二類狀態橋梁，有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。該橋設計資料已遺失，無法根據原有設計資料判斷現狀橋梁是否滿足公路改造后的受力要求。

現狀橋梁橋面凈寬8.15m，設計荷載為公路-Ⅱ級，人群荷載為3.0kN/m2，如圖1所示。升級改造后公路標準橫斷面寬度為10m，如圖2所示。

圖1 現狀橋梁橫斷面布置（單位：cm）

圖2 改造后路基標準橫斷面（單位：cm）

2 橋梁升級改造方案對比

2.1 初步方案

針對公路升級改造后現狀橋梁寬度不足，荷載設計標準低的問題，在方案設計階段提出3個解決方案。

方案一：維持現狀寬度；進行荷載試驗判斷是否滿足新規范荷載要求，再決定是否加固。

方案二：維持現狀寬度；維持現狀公路-Ⅱ級荷載不變，于橋梁前后設置限高架，并限載20t。

方案三：按路橋同寬原則進行改造，鑿除原有橋梁防撞墻，于橋梁外側設置獨立式防撞墻，將減少的恒載轉化為承載能力，使現狀橋梁滿足公路-Ⅰ級荷載要求。

通過分析可知，方案一荷載試驗代價較大，且缺少舊橋設計資料，難以提出經濟合理的加固方案，同時寬度與升級后的公路標準橫斷面寬度不符；方案二在該橋處將形成交通瓶頸，不能滿足公路升級改造的功能要求；方案三無需對舊橋進行荷載試驗及加固處理，僅需重新設置防撞墻，經濟可行。因此，初步選定方案三作為該橋升級改造方案。

2.2 計算驗證

該空心板橋為簡支結構，整體升降溫、梯度升降溫、收縮徐變等均不引起內力，改造前后也不發生變化，故不計算其效應。

簡支空心板的主要荷載為恒載及汽車荷載，因此可只考慮結構自重、鋪裝、防撞墻、汽車荷載在改造前后的內力組合變化情況。

為了驗證方案三的可行性，對比分析2種工況，如表1所示。

表1 2種工況對比分析

2.3 計算模型

對于空心板橋的計算方法，張經緯等[3]采用魚刺骨模型建立梁格單元，對電算和理論計算結果進行對比，認為梁格法電算可以較好地計算鉸接空心板的橫向分布系數，其計算結果更為詳細，因此采用該方法建立魚刺骨模型進行梁格法計算，如圖3所示。縱梁采用08版交通運輸部標準圖，中梁如圖4所示，未示邊梁。虛擬橫梁斷面取工字型，翼緣厚同空心板頂底板厚，腹板厚1mm，如圖5所示。

圖3 計算模型

圖4 中梁橫斷面（單位：mm）

圖5 虛擬橫梁截面（單位：mm）

邊梁主要計算結果如表2所示，中梁主要計算結果如表3所示，表中的汽車荷載均包含沖擊系數。

表2 邊梁計算結果

表3 中梁計算結果

由表2、表3可知，橋梁改造后（工況2），邊梁在各組合下控制截面處最大彎矩和剪力均有所下降，短期組合下最大彎矩下降7.2%；中梁彎矩除基本組合增大5.3%，短期組合和長期組合下均有所下降；中梁剪力增大較明顯，基本組合下最大值約增加28%。

考慮空心板主要由短期組合下應力水平控制設計，抗彎和抗剪承載能力不控制設計，而邊梁和中梁在短期荷載組合下，最大彎矩均有不同程度下降，可以認為改造后原有橋梁結構不僅能承受新規范汽車荷載，還可以提高安全系數。

3 獨立式防撞墻設計

3.1 橫斷面設計

改造后橋梁橫斷面布置如圖6所示。

圖6 橋面改造橫斷面布置（單位：cm）

3.2 連接設計

防撞墻在橋臺和橋墩處通過植筋與現狀蓋（帽）梁連接，連接大樣如圖7所示。在其余位置與原邊板頂板鋼筋焊接，連接大樣如圖8所示。

圖7 橋墩（臺斷面）連接構造（單位：cm）

圖8 跨中橫斷面構造鋼筋圖（單位：cm）

3.3 構造鋼筋設計

防撞墻為A級，設計使用年限15年，重要性系數為0.9，按鋼筋混凝土構件裂縫限值0.2mm設計，橫斷面及縱向配筋如圖9所示。隨著跨徑的增加，材料指標呈增加趨勢。對于該項目2m×16m橋梁，防撞墻共消耗C40混凝土39.8m3，鋼筋8749.1kg，換算為每米材料指標如下：C40混凝土為0.62m3/m；鋼筋為136.7kg/m。

圖9 骨架鋼筋立面圖（單位：cm）

3.4 防撞能力驗算

根據《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017），A級防撞墻計算寬度為1.2m，撞擊力為170kN。

計算范圍內主筋為12B12（按原空心板頂板鋼筋HRB335級驗算），單根應力為125MPa，滿足A級防撞能力要求。

4 結束語

通過對雙車道16m交通運輸部標準空心板橋梁在改造前后2種工況下的計算分析可知，采用外貼獨立式防撞墻對舊橋進行改造，可將橋梁荷載等級由公路-Ⅱ級提升至公路-Ⅰ級，使橋梁在無需加固的情況下滿足公路改造后的荷載要求。同時，該方案可用于橋梁拓寬不超過1m時的升級改造項目，使行車寬度可增加約1m。