一種基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄設計

【摘要】防撞護欄是橋梁重要的附屬結構，傳統現澆式防撞護欄施工周期較長，而裝配式防撞護欄能縮短工期。但是現有裝配式防撞護欄對施工精度要求高，防撞能力差。UHPC是一種超高強水泥基材料，具有重量輕，強度大，韌性高的特點。因此提出一種基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄設計以解決現有裝配式防撞護欄結構不合理，裝配難度大和性能較差的問題。

【關鍵詞】UHPC； 裝配式預制防撞護欄； 連接形式； 防撞能力驗算

【中圖分類號】U443.83【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-10-21

［作者簡介］王怡祺（1995—），女，碩士，助理工程師，從事橋梁設計工作。

0 引言

我國近年來倡導綠色、快速、工業化建造方式，積極推行裝配式施工，并探索新型材料在預制化施工中的應用。防撞護欄是橋梁重要的附屬結構，傳統現澆式防撞護欄施工周期較長。本文的探索依托成都市東西城市軸線東段（東二環-龍泉驛區界）工程勘察、設計、施工總承包二標段工程五環路互通立交節點，該項目周邊限制較多，施工難度大，工期緊張，因此提出采用裝配式防撞護欄來縮短工期。本文提出一種基于UHPC（超高性能混凝土）后澆連接的預制裝配式防撞護欄，解決了現有裝配式防撞護欄結構不合理，裝配難度大和性能較差的問題，可為今后解決防撞護欄快速施工提供一點新思路。

1 現有裝配式防撞護欄及其問題

裝配式預制防撞護欄具有加工精度高、環保（減少現場施工對周邊噪音、粉塵等影響）、預制時間短、減少施工人員現場高空作業的風險，以及可實現工廠定制化（可根據需求預埋路燈管線、燈桿預埋件、通信管線等）的優點［1］。裝配式預制護欄分為柔性護欄（金屬梁柱式護欄），半剛性護欄（組合式護欄），以及剛性護欄（混凝土護欄）［2-3］ 。剛性護欄不易變形，能將車輛阻攔在護欄以內，維護成本低，比較適合市區橋梁［4］。

預制護欄的關鍵是預制構建的連接設計［5］，目前對預制護欄的錨固主要有：①灌漿套筒及漿錨連接技術；②預留鋼筋或型鋼連接；③螺栓型連接；④鋼板焊接型連接［6］。灌漿套筒及錨漿是將橋面預留鋼筋錨入護欄內套筒或金屬波紋管后灌漿而完成連接，但是灌漿套筒和錨灌成本高且施工精度要求較高。螺栓型連接是通過螺栓和螺母與預埋件進行護欄的固定，常見的螺栓連接有：地腳螺栓連接、螺栓配合漿錨連接、貫穿螺桿等。但是存在地腳螺栓連接承載力低，連接處應力集中的問題。鋼板焊接型連接為外部焊接預埋的鋼板與護欄內部預埋固件配合形成護欄與橋面板的連接。廖滿軍等［7］提出的鋼板焊接結合漿錨連接提高了護欄與橋梁間的連接強度，護欄不易傾覆，施工效率高，但是漿錨連接對中精度不高。預留鋼筋及型鋼連接指連接處預留型鋼或鋼筋，通過焊接或澆筑混凝土的方式進行連接。但是連接處由于施工誤差易產生較大空隙，同時防撞能力差。

UHPC是一種超高強水泥基材料，具有重量輕，強度大，韌性高的特點。UHPC具有均勻致密的微觀結構，耐久性好；同時抗拉、抗彎、抗剪、粘結強度、峰值應變等均遠大于普通混凝土［8］。因此，現有的預制裝配式UHPC防撞護欄在被汽車撞擊后不會發生脆性破壞。通過預制化施工、現場裝配，提升了施工效率，降低了對環境的破壞。

現有裝配式UHPC防撞護欄依舊存在一些不足：①現有技術的防撞護欄與橋梁主梁或橋梁翼緣板連接處有的為空心，抗沖擊性和耐久性不確定。②現有技術的防撞護欄與橋梁主梁或翼緣板連接方式復雜，有的通過底板螺栓和預埋在翼板內的連接鋼筋實現連接，裝配難度大。③現有技術的防撞護欄基本均是用UHPC灌注整個防撞護欄，相較于傳統的現澆防撞護欄造價高出許多，不經濟，不利于大規模的應用［9］。

2 基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄設計研究

2.1 工程概況

背景項目為成都市東西城市軸線東段（東二環—龍泉驛區界）工程勘察、設計、施工總承包二標段工程五環路互通立交節點，本次設計為具備快速通行能力的城市主干路橋梁混凝土防撞墻，根據GB 50688-2011《城市道路交通設施設計規范》第7.2.4條規定，防撞墻按最不利工況考慮為SS級（設計車速100 km/h、80 km/h；事故等級為二次重大事故或二次特大事故）。

2.2 基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄構造設計

本次設計方案通過UHPC連接帶將防撞護欄主體和橋梁連接，防撞護欄主體事先預制，通過橋梁內預留的主梁埋件鋼筋、防撞護欄主體內預埋的防撞護欄埋件鋼筋以及約束鋼筋，在UHPC的作用下，將防撞護欄主體與橋梁連接牢固，見圖1。

因UHPC具有韌性高的特點，防撞護欄主體與橋梁連接處通過UHPC連接帶緊密填充，有效提升了防撞護欄的抗沖擊性和耐久性；防撞護欄主體與橋梁裝配到位后，UHPC連接帶通過澆筑的方式制作而成，簡化了防撞護欄主體與橋梁的裝配難度；相比現有技術中采用UHPC灌注整個防撞護欄，成本高，本方案只需在防撞護欄主體與橋梁的連接處采用UHPC，極大地降低防撞護欄的造價。

防撞護欄以每跨為單位，標準預制節段長10 m，非標準節段長可根據相應聯長調整。本UHPC后澆連接預制混凝土防撞護欄參照規范［6］規定，防撞護欄寬度為0.55 m，護欄頂面至橋面鋪裝頂高度為1.1 m，橋面鋪裝厚度為0.2 m。預制護欄采用C40細石混凝土，濕接縫采用UHPC。

2.3 基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄防撞能力驗算

本次設計的SS級混凝土防撞護欄橫斷面如圖2所示，護欄高1.3 m，預制主體部分采用20根12 mm的縱向點筋及沿行車方向15 cm間隔布置的20 mm的箍筋，現澆UHPC部分采用2根12 mm的縱向點筋及沿行車方向15 cm間隔布置的25 mm的箍筋。預制主體部分采用C40混凝土。縱向點筋的有效高度如圖3所示。

2.3.1 確定車輛橫向碰撞荷載標準值

根據JTG/T D81-2017《公路交通安全設施設計細則》［10］表3.5.4，本預制防撞護欄屬于SS級剛性護欄，對于分布長度為2.4 m的防撞護欄在容許變形量Z=0 m時，護欄的汽車橫向碰撞荷載標準值取520 kN進行加載。

2.3.2 汽車撞擊驗算

2.3.2.1 計算原理

根據JTG/TD81-2017《公路交通安全設施設計細則》附錄D.3.1規定：

（1）混凝土護欄的極限抗彎承載力可采用屈服線分析和強度設計理論來分析護欄發生在標準段和端部的碰撞能力，見圖4、圖5。屈服分析理論為模擬車輛以一定的動能和碰撞角度撞擊護欄，假設混凝土護欄為剛體，根據能量守恒原理建立車輛撞擊護欄過程的能量方程。護欄設計的控制破壞模式為護欄破壞變形所對應的最小的極限承載力。護欄對橫向碰撞荷載的抗力標準值應大于橫向碰撞力設計值，根據抗力標準值設計護欄配筋。

碰撞發生在護欄標準段時，護欄屈服面沿車輛碰撞中心對稱分布，破壞面為楔形，護欄內側與外側均發生屈服破壞，同時破壞面聯通護欄頂部與橋面板交界處。在外側沖擊下，護欄頂端發生橫向位移。

碰撞發生在標準段時，護欄對橫向荷載的抗力標準值和屈服線發生的臨界長度的計算公式為式（1）、式（2）。

Rw1=22Le－Lt8Mb+8Mw+MeLe2H（1）

Le1=Lt2+Lt22+8H（Mb+Mw）Me（2）

碰撞發生在護欄端部時，屈服面碰撞中心沿縱向向中部延伸，護欄內側發生屈服破壞，外側未達到屈服破壞。碰撞發生在護欄端部或伸縮縫處時，護欄對橫向荷載的抗力標準值和屈服線發生的臨界長度的計算公式為式（3）、式（4）。

Rw1=22Le-LtMb+Mw+MeLe2H（3）

Le1=Lt2+Lt22+H（Mb+Mw）Me（4）

式中：H為護欄的有效高度（m）;Le為屈服線破壞分布的縱向長度（m）;Lt為縱向分布荷載分布的縱向長度（m）;Rw為護欄的總的橫向承載能力（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能力（kN·m/m）。

（2）屈服線分析理論是基于三個假設：假定橋面板的破壞模式發生在護欄范圍內，并不延伸到橋面板；護欄有足夠的長度才能發生圖示破壞模式，否則對比較短的護欄，可能會形成一條沿護欄與橋面板接縫的屈服線；護欄墻體的正、負彎矩數值相等，橫梁的正負抵抗力拒也相等。

2.3.2.2 護欄標準段驗算

（1）Mw計算。

Mw是指護欄關于其豎向軸的彎曲承載力矩。根據矩形截面受力平衡，有：

fsdAs=fcdbx（對于豎向軸而言，b為護欄高度1.3 m）

受壓區高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×113.1 mm2×819.1 MPa×1.05 m+150 MPa×0.25 m=0.52 cm

該矩形截面的抗彎承載力為：M=Asfsd（h0-x2）。其中，為重要性系數，取1.0。

碰撞發生在護欄標準段時各根鋼筋的抗彎承載力計算如表1所示。根據屈服線理論，護欄關于其豎向軸的彎曲承載力按照內側鋼筋承載力2/3和外側鋼筋承載力1/3加權平均（表1）。

Mw=2×87.455+90.2593=88.39 kN·m

（2）Mc計算。

箍筋間距為15 cm，護欄主體為7根C20鋼筋，UHPC部分為7根C25鋼筋。見圖6所示，在護欄內側折點及護欄主體與UHPC現澆部分的界線點作為劃分點，將護欄分為護欄主體上部、護欄主體下部、UHPC三個計算截面。計算截面的有效寬度為選取護欄分段部分上下截面的有效寬度平均值。

分別計算護欄三部分截面受壓區高度和彎矩承載能力，結果見表2。護欄主體下部未形成完整圓箍，因此參照美國AASHTO-2012規范［12］與我國JGJ 3362-2018《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》對箍筋的抗彎承載力進行折減。UHPC部分采用超高性能混凝土及HRB400鋼筋，其中受拉鋼筋直端最小錨固長度為30d，受拉鋼筋彎鉤端最小錨固長度為25d，下部主體鋼筋與UHPC內部箍筋焊接長度為16 cm，對于UHPC內部箍筋的折減系數為：

5d+17.530d=5×2+17.530×2=0.458

由于UHPC內部箍筋彎折后伸入到橋面板的水平長度為27 cm，因此該環形箍筋的抗彎承載力的折減系數修正后為：27+17.5+5d25d×0.458=0.499

護欄UHPC部分有效抗彎鋼筋面積為：As=7×490.90×0.499=1714.7 mm2

護欄UHPC部分受壓區高度為：x=fsdAsfcdb=330 MPa×1714.7 mm2107 MPa×1=0.529 cm

護欄UHPC的抗彎承載力為：

ΦM=ΦAsfsdh0-x2=1.0×1714.7 mm2×330 MPa×50.9-0.5292 cm=286.52 kN·m/m

護欄主體部分有效抗彎鋼筋面積為：As=7×314.20=2199.4 mm2

護欄主

體部分受壓區高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×2199.4 mm219.1 MPa×1=3.8 cm

護欄上部主體的抗彎承載力為：

ΦM=ΦAsfsdh0-x2=1.0×2199.4 mm2×330 MPa×29.55-3.82 cm=200.68 kN·m/m

護欄下部主體的抗彎承載力為：

ΦM=ΦAsfsdh0-x2=1.0×2199.4 mm2×330 MPa×44.35-3.82 cm=308.10 kN·m/m

護欄關于其豎向軸的彎曲承載力矩Mc按高度加權平均后：

Me=200.68×0.845+308.10×0.205+286.52×0.2500.845+0.205+0.250=234.1 kN·m/m

（3）護欄抗力Rw計算。

SS級防撞護欄屈服線長度Lt=2.4 m，對于無橫梁的鋼筋混凝土Mb=0。將Mw、Mc計算結果分別代入式（1）、式（2）中，破壞的臨界長度和護欄對橫向荷載的抗力標準值分別為：

Lc1=Lt2+ Lt22+8H（Mb+Mw）Mc

=2.42+ 2.422+8×1.3×（0+88.39）234.1=3.52 m

Rw1=22Le－Lt8Mb+8Mw+MeLe2H

=22×3.52－2.48×0+8×88.39+234.1×3.5221.3

=1266.4 kNgt;520 kN

2.3.2.3 護欄端部驗算

（1）Mw計算。

碰撞發生在護欄端部時僅內側發生屈曲破壞，因此僅考慮護欄內側鋼筋的抗彎作用。假定屈服線的臨界長度為2.6 m。防撞護欄采用C40混凝土，因此受拉鋼筋直端的錨固最小長度為30d（36 cm），見圖7。

護欄關于豎向抗彎承載力的鋼筋面積為791.7 mm2，受壓區高度為：

x=fsdAsfcdb=330 MPa×791.7 mm219.1 MPa×1=1.37 cm

表4為縱向點筋的抗彎承載力Mw。

（2）Mc計算。

假定2.6 m的屈服線范圍內考慮16根箍筋的抗彎承載力，即每延米6.15根箍筋。端部箍筋與標準段箍筋配筋一致，因此將標準段Mc折減為端部的抗彎承載力。折減系數為0.615，端部Mc=234.1×0.615=143.97 kN·m/m。

（3）護欄抗力Rw計算。

SS級防撞護欄屈服線長度Lt=2.4 m，對于無橫梁的鋼筋混凝土Mb=0。將Mw、Mc計算結果分別代入式（3）、式（4）中，破壞的臨界長度和護欄對橫向荷載的抗力標準值分別為：

Lc1=Lt2+ Lt22+H（Mb+Mw）Mc

=2.42+ 2.422+1.3×（0+67.4）143.97=2.63 m

Rw1=22Le-LtMb+Mw+MeLe2H

=22×2.63－2.40+67.4+143.97×2.6321.3

=602.8 kNgt;520 kN

計算的破壞臨界長度為2.63 m，接近假定的臨界長度2.6 m，因此護欄端部處滿足橫向碰撞要求。

2.4 基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄施工組織設計

本UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄的施工方法為：在預制廠焊接鋼筋籠、支模、澆筑防水混凝土、常溫養護，形成帶有埋件鋼筋的預制防撞護欄主體。主體部分的高度和寬度應根據不同的防撞等級確定，并且在主體底部應根據節段長度設置相應數量的支撐牛腿保持防撞護欄的穩定性。

現場進行預制防撞護欄主體安裝時，先進行橋梁后澆帶的清理，鋪設快硬砂漿找平，在快硬砂漿帶上安裝泡沫密封條；隨后吊裝預制混凝土防撞護欄，單個構件安裝完成后構件上需安裝臨時固定措施。防撞護欄安裝內側鋼模并作密封處理，UHPC通過澆筑孔灌滿后澆帶，經養護直至UHPC達到設計強度。

3 結論與建議

本文為預制裝配式防撞護欄提供了一種全新的思路，通過分析現有裝配式防撞護欄的結構構造、施工組織流程及其問題，對現有的裝配式UHPC防撞護欄進行適當調整，提出一種基于UHPC后澆連接的預制裝配式防撞護欄，從而使施工周期縮短，達到施工目標。

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