橋梁節段預制拼裝護欄試驗研究及分析

陳 軻,糜徑超,金石川

(1.浙江省交通規劃設計研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.中國電建集團華東勘測設計研究院,浙江 杭州 311122)

護欄作為橋梁的附屬結構物,是一種重要的安全防護物。目前國內公路橋梁護欄普遍采用現澆鋼筋混凝土護欄的形式,其具有剛度大、造價經濟、防撞性能強的優點,但在實際施工中存在以下不足之處。

(1)模板安裝復雜,需要輔助安裝設備,且易發生跑模現象。

(2)大量的鋼筋運輸和加工作業,現場鋼筋綁扎焊接,工期長、效率低。

(3)正立澆筑導致護欄厚度變化處振搗不充分,易出現空洞、蜂窩麻面和開裂等病害。

(4)現場工人在主梁懸臂外高空作業,具有一定危險性。

(5)澆筑過程中對橋下空間產生一定的干擾。

近年來,隨著快速化、裝配化的建橋理念不斷推廣,節段預制拼裝護欄[1]因其施工快捷、集中生產、質量可控等優點得到了大量的關注。在臺金高速工程中,為合理選取預制護欄形式,對多種護欄形式進行進一步研究和比選分析。

1 構造及受力分析

臺金高速主線高架上部結構為預制T梁,原設計采用SA級現澆混凝土護欄,在施工過程中,建設單位希望充分利用現有預制場地標準化生產,加快施工進度并提升護欄澆筑質量,擬選取試驗段橋梁變更為節段預制拼裝護欄。預制護欄的關鍵技術點為護欄與橋面板的連接構造及預制工法,連接的可靠性和施工的便利性影響護欄的防撞性能和施工質量。經借鑒國內相關案例[2,3]與進一步創新,擬對以下三種護欄方案進行比選。

1.1 螺栓連接式

(1)構造特點

該方案護欄預制節段長度為4 m,外觀與普通現澆護欄無異。預制時,在護欄內部每隔1 m預埋一組2根共計8根M30六角螺栓,相對應梁板位置則預埋直徑48 mm的鋼套筒,套筒與Φ21×1.5 mm注漿管相連,注漿管開口位于橋面板頂部,同時在套筒頂部設置水平出漿口。其施工步驟如下:提前在預制場完成護欄節段施工,待上部結構施工完畢后,現場吊裝預制護欄節段,將螺栓插入鋼套管內,擰緊橋面板底部螺母,通過預埋注漿管注入砂漿至鋼套筒內直至出漿口有漿液流出,保證填充密實,使螺栓與套筒緊密結合。

(2)結構計算

預制護欄通過預埋螺栓與主梁懸臂連接,在車輛碰撞荷載作用下,螺栓承受水平向剪切力和向上的拉拔力。根據《公路交通安全設施設計細則》[4],SA級橋梁護欄碰撞力為86 kN/m,將該碰撞力加載至護欄頂部,驗算工況下螺栓的受力情況。

根據《鋼結構設計標準》[5](GB 50017—2017),對于同時承受剪力和軸向拉力的普通螺栓,經驗算符合規范中公式(1)要求

=0.81≤1

(1)

采用有限元軟件進行護欄的局部分析,建模時詳細模擬了護欄、螺栓、鋼管和部分懸臂,考慮到結構和受力的對稱性,建立了一半預制節段即2 m長的護欄模型。模型中有幾點近似的假設:(1)不考慮護欄普通鋼筋對結構剛度影響;(2)不考慮預制護欄與橋面板之間以及螺栓、鋼管與混凝土之間存在的接觸非線性;(3)螺栓、鋼管與混凝土之間采用共節點的方式忽略鋼材表面與混凝土表面之間的滑移。

結果顯示螺栓的應力最大值產生在護欄與懸臂接觸的位置,達到191 MPa;鋼套筒的應力最大值也位于護欄與懸臂接觸的位置,達到293 MPa,對應位置橋面板混凝土應力也較大。從整體上看,結構受力在規范材料設計允許范圍之內,但結構薄弱點位于護欄與懸臂接觸面應力集中位置附近,應引起高度重視。

1.2 鋼板連接式

(1)構造特點

該方案護欄節段長度為4 m,預制時,每隔1 m在護欄內部預埋一塊厚度20 mm的Q345上鋼板,在護欄鋼筋綁扎時即預埋入護欄內部,鋼板雙側通過6根錨固鋼筋增強錨固性能。預制護欄時,在其內側根部預留后澆槽口[6],使上鋼板部分外露。同時在T梁橋面板頂部也預埋一塊200 mm×180 mm×20 mm的下鋼板,頂部露出橋面1 cm,底部由8根錨固鋼筋與橋面板內鋼筋連接。上、下鋼板之間預留約2 cm空隙。其施工步驟如下:提前在預制場完成護欄節段施工,待上部T梁架設完畢,吊裝預制護欄節段,現場臨時定位支護,根據實測上下鋼板之間空隙,加工并插入調平鋼板,分別與上、下鋼板進行焊接,然后對后澆槽內進行注漿填充,直至密實完成連接。

(2)結構計算

采用有限元軟件取1 m標準節段局部分析,建模模擬了橋面板、護欄、上下鋼板、調平鋼板以及錨固筋,對T梁懸臂根部采用固結邊界條件,施加撞擊力按SA級護欄取值,均布加載至護欄頂部。鋼筋與實體單元之間按耦合節點處理,并考慮鋼板與混凝土之間的接觸效應。驗算結果表明,下鋼板內側與錨固筋根部連接位置出現應力集中,最大Mises應力可達到237 MPa,對應位置的橋面板混凝土局部出現較大拉應力,表明下鋼板的錨固是最不利的控制點,其余部位應力分布較為均勻。

1.3 鋼筋連接式

(1)構造特點

該方案護欄外觀和鋼筋布置形式與常規現澆護欄基本一致,不同點在于預制時,在底部設置22.5 cm×20 cm的后澆槽,此槽口作為焊接空間。護欄抗拔主要依靠護欄內側兩道預埋的d16鋼筋與預埋在橋面板內的d16鋼筋之間的單面焊縫,鋼筋焊接長度保證10 d。其施工步驟如下:提前在預制場完成護欄節段施工,待上部T梁架設完畢,將護欄置于座漿層上進行定位,然后焊接預埋鋼筋,再澆筑橋面調平層混凝土,后澆槽內部分混凝土隨橋面調平層一同澆筑,后設立側鋼模板,模板上預留注漿孔與出漿孔將剩余的槽口部分注漿密實。

(2)結構計算

該方案的受力特性與現澆護欄基本無異,由表1可知,鋼筋應力計算結果都可滿足規范要求。

表1 鋼筋拉應力計算結果

2 方案比選分析

(1)力學性能

螺栓連接式利用螺栓直接插入橋面板內并通過螺母錨固在懸臂板底部,其錨固性能較好。但在4 m節段范圍內,受力點集中在8根螺栓位置,易導致集中受力下的隨機破壞[7]。鋼板焊接式主要依靠調平鋼板焊縫和錨固鋼筋將護欄荷載傳遞至橋面板,焊接質量對護欄防撞性能起到決定性的影響,且同樣存在依靠局部傳力,受力集中的問題。鋼筋焊接式的傳力構件為預埋錨固筋,其受力類似現澆護欄,延護欄通長等間距布置的鋼筋有利于荷載均勻傳遞至橋面板,而現澆護欄多年的應用也證明其受力的可靠性。

鋼筋連接式護欄目前國內外已有實車碰撞試驗,為探究螺栓連接式和鋼板連接式護欄的受力特性和破壞模式,為三者比選提供依據,針對這兩種結構進行了靜力加載試驗。試驗取4 m長標準節段,加載采用自平衡的方式,在T梁頂部預埋鋼結構反力架,采用2臺小型千斤頂串聯同步水平頂推的方式,根據規范,加載點中心距離護欄頂緣5 cm,并在護欄和千斤頂之間設置鋼墊板,為便于觀察,后澆槽內的混凝土不予澆筑。加載流程先按0.1倍設計荷載預加載以消除非彈性變形,后分0.3、0.5、0.7、0.9、1.0五級逐級加載至規范設計荷載,最后加載至破壞為止。

通過對加載過程的跟蹤觀察,螺栓連接式護欄的極限承載力約為1.3倍設計荷載,其破壞狀態下,護欄未見明顯裂縫,但懸臂板底部螺栓錨固板位置有拔出趨勢,延橫橋向出現沖切裂縫,節段端部位置懸臂板側面有較深的斜向裂縫,說明該方案受力集中較為明顯,且橋面板破壞先于護欄自身破壞。鋼板連接式護欄加載至設計荷載時結構無明顯裂縫出現,1.2倍設計荷載時,翼板頂面混凝土開始出現開裂剝離現象,橫向位移快速增加,加載至約1.5倍設計荷載時,翼板頂部完全破裂。其破壞模式為橋面板下鋼板的錨固筋出現斷裂,極限破壞狀態下,下鋼板出現較大轉動變形,導致護欄整體轉動后外側掛檐與懸臂板外側頂緊,直至出現斜裂縫。上述兩種護欄都存在受力集中,局部開裂的問題。

(2)施工便利性

為保證在只有18 mm定位容差的條件下,將M30螺栓插入直徑48 mm鋼套筒,螺栓連接式護欄在預制時要求對螺栓和套筒進行精確定位,尤其當護欄位于曲線段橋梁時,這種結構在實際施工中操作難度極大[8]。鋼板連接式護欄因其下鋼板平面尺寸較大,上鋼板誤差容差較大,平面定位難度相對較小,但由于梁板預制時的誤差和縱坡影響,上下鋼板之間的間隙會在2 cm上下浮動,要求調平鋼板需要根據實測間隙進行切削等特殊定制,不利于大批量的快速施工。另外后澆槽空間狹小,工人焊接鋼板操作不便。相較而言,鋼筋連接式護欄因預埋鋼筋的間距可通過胎架進行提前定位,且實際操作中可以適當掰動鋼筋,其定位難度相對較小,但現場鋼筋焊接工作量最大,且后澆槽空間狹小工人焊接操作不便。

(3)經濟性

以4×30 m一聯T梁合計240 m長預制護欄為例,對上述三種方案進行測算。如表2所示,相比普通現澆護欄,三種預制護欄材料費和機械費用都有增加,但可以大大節約人工,縮短工期。螺栓連接式和鋼板連接式合計造價基本相當,較現澆護欄增加約8 000元,工期分別縮短5 d和4 d;鋼筋連接式較現澆護欄節省194元,但總工期較另外兩者長。

表2 4×30 m一聯預制護欄較現澆護欄工料機增減對比表

對上述三種類型護欄綜合比選如表3所示。

表3 三種類型預制護欄比選表

3 結 語

以臺金高速預制護欄設計變更為背景,結合有限元分析計算和試驗研究結果,對三種類型的節段預制護欄從結構受力、施工方法、經濟效益等方面進行比選分析,得出以下結論。

(1)鋼筋連接式預制護欄雖然存在焊接工作量大、后澆槽色差等缺點,但具有節約工期、傳力均勻、實際可操作性強等優勢。

(2)鋼板連接式和螺栓連接式護欄在與主梁結合部位受力較為集中,且如何適應曲線超高段橋梁等復雜情況帶來的施工精度問題有待進一步研究深化。

(3)依托項目僅對試驗段2 km長度采用預制護欄,因此經濟性上相較現澆護欄無明顯提升,若進行大規模預制生產,其固定成本會進一步攤銷,考慮到不斷上漲的人力成本以及預制護欄可充分利用預制場進行提前標準化生產,加快施工進度、提升澆筑質量,預制護欄的綜合效益優于現澆護欄。