碰撞荷載下箱梁翼緣板安全性分析

岳仁輝， 武 林

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088)

碰撞荷載下箱梁翼緣板安全性分析

岳仁輝， 武 林

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088)

常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員重視橋梁整體計(jì)算，而疏忽結(jié)構(gòu)的局部驗(yàn)算。橋梁翼緣板在車輛碰撞力作用下的安全性往往被忽視，且該部分橫跨橋梁工程與交通工程兩個(gè)專業(yè)，跨專業(yè)規(guī)范規(guī)程熟悉程度薄弱，橋梁翼緣板橫向配筋不足，橋梁運(yùn)營(yíng)存在嚴(yán)重安全隱患，橋梁設(shè)計(jì)人員應(yīng)給予足夠重視。

翼緣板；碰撞荷載；護(hù)欄；強(qiáng)度驗(yàn)算；橫向配筋

0 引 言

經(jīng)過多年橋梁維修加固設(shè)計(jì)過程,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆箱梁翼緣板根部裂縫屢見不鮮,當(dāng)然出現(xiàn)裂縫的原因很多,這里就不予贅述了。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)部分翼緣板根部安全進(jìn)行驗(yàn)算,竟然發(fā)現(xiàn)一些翼緣板配筋存在不足,部分配筋滿足,但在交通事故中橋梁護(hù)欄受到猛烈撞擊荷載工況下不能滿足安全性要求。

目前,在國(guó)內(nèi)多數(shù)公路橋梁懸臂翼緣板的設(shè)計(jì)中,很少有對(duì)車輛碰撞護(hù)欄時(shí)碰撞荷載對(duì)橋梁翼緣板的影響進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的[2-4]。由于設(shè)計(jì)人員對(duì)行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范掌握的不全面或疏忽,沿用借鑒已有類似橋梁設(shè)計(jì)圖紙及其經(jīng)驗(yàn),增加了橋梁設(shè)計(jì)中的安全隱患[5-7]。

本文以某條高速公路設(shè)計(jì)圖紙為依托,對(duì)部分橋梁懸臂翼緣板進(jìn)行驗(yàn)算,給出相關(guān)建議及其結(jié)論。

1 依托項(xiàng)目橋梁相關(guān)參數(shù)

本項(xiàng)目為《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中的第六條縱線(二連浩特至廣州高速公路)湘鄂省界至常德城區(qū)段,雙向四車道,設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h,橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

經(jīng)對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)第二合同段圖紙進(jìn)行研讀,本合同段均為常規(guī)結(jié)構(gòu)(現(xiàn)澆箱梁、小箱梁、大T梁),本次以現(xiàn)澆箱梁(圖1)為依托進(jìn)行懸臂翼緣板安全性分析。

圖1 現(xiàn)澆箱梁尺寸斷面圖

現(xiàn)澆箱梁懸臂翼緣板結(jié)構(gòu):橋面鋪裝為100 mm瀝青混凝土+100 mmC40防水混凝土,混凝土為C50,長(zhǎng)度為200 cm,懸臂端部厚15 cm,根部厚45 cm,箱梁翼緣板橫向鋼筋上緣為直徑16 mm的二級(jí)鋼筋,下緣為直徑12 mm的二級(jí)鋼筋,縱向間距為150 mm[8]。

現(xiàn)澆箱梁鋼筋布置,如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆箱梁普通鋼筋布置圖

2 碰撞力作用下翼緣板受力分析

當(dāng)車輛碰撞護(hù)欄時(shí),碰撞力產(chǎn)生的彎矩作用在箱梁翼緣板上,由箱梁的橫向鋼筋受拉來承載這部分外力(圖3)。

圖3 翼緣板碰撞力作用示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[9]第5.2.5條根據(jù)車輛駛出橋外或進(jìn)入對(duì)向車行道有可能造成的交通事故等級(jí),按照表5.2.5橋梁護(hù)欄防撞等級(jí)適用條件,本項(xiàng)目護(hù)欄防撞等級(jí)為SA級(jí);第5.1.2條對(duì)作用于組合式橋梁護(hù)欄上的碰撞荷載大小和作用點(diǎn)的分布的規(guī)定,組合式護(hù)欄上部鋼護(hù)手結(jié)構(gòu)和下部混凝土墻體結(jié)構(gòu)所承受的碰撞力荷載大小均為最大橫向碰撞荷載的一半(即P/2,碰撞力P=430 kN);第4.6.1條混凝土護(hù)欄所受碰撞荷載的分布長(zhǎng)度為D=5 m,而分布范圍由4根鋼扶手傳遞碰撞力產(chǎn)生的彎矩,立柱間距為2 m,因此鋼扶手荷載分布寬度D′=60 m,每根鋼護(hù)手所受總的總碰撞力大小為P/8。:則鋼扶手底部(圖3的A-A截面的最大彎矩[1,8-10]:

其中,h1為上橫梁中心至A-A截面的高度,h1=25 cm。

上部鋼扶手式結(jié)構(gòu)地面的水平力:

此彎矩和水平撞擊力最終由下部混凝土結(jié)構(gòu)傳遞至橋梁翼緣板承擔(dān)。

上部鋼扶手式結(jié)構(gòu)底面水平力對(duì)橋梁翼緣板C-C截面產(chǎn)生的彎矩:

(204.25+107.5hd)kN·m

其中，h2為鋼筋混凝土墻頂(即上部結(jié)構(gòu)的鋼扶手底部)至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度。

作用于混凝土墻體上的碰撞力P/2(查D81規(guī)范知作用點(diǎn)為墻體頂部以下5 cm位置處)對(duì)橋梁翼緣板C-C截面產(chǎn)生的彎矩:

(193.5+107.5hd) kN·m

其中，h3為作用在鋼筋混凝土墻上的碰撞力作用點(diǎn)至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度。

碰撞力作用在橋梁翼緣板C-C截面中心的有效寬度:

a0=D+2×H+2×d

其中，H為外力作用點(diǎn)至橋梁翼緣板C-C截面中心的高度,d為橋梁翼緣板C-C截面至護(hù)欄邊緣水平距離。

則上部鋼扶手結(jié)構(gòu)的作用力對(duì)橋梁翼緣板C-C截面中心彎矩的有效分布寬度:

a0柱=D′+2×H柱+2×d=

7.9+hd+2d

則下部混凝土結(jié)構(gòu)的作用力對(duì)橋梁翼緣板C-C截面中心彎矩的有效分布寬度:

a0混凝土=D′+2×H混凝土+2×d=

7.8+hd+2d

則單位長(zhǎng)度橋梁翼緣板C-C截面承受的碰撞力彎矩:

3 恒載作用下翼緣板受力分析

翼緣板承受的恒載作用(圖4)主要有護(hù)欄自重、橋面鋪裝自重和其翼緣板自重。

圖4 翼緣板恒載作用示意圖

護(hù)欄每延米自重10kN/m,護(hù)欄荷載集度:

g1=10/0.5=20 kN/m

護(hù)欄自重對(duì)橋梁翼緣板C-C截面產(chǎn)生的彎矩:

M1=0.5g1×(d+0.25)=10d+2.5 kN·m

橋面鋪裝形式:10cm瀝青混凝土+10cmC40防水混凝土,鋪裝荷載集度:

g2=24×0.1+25×0.1=4.9 kN/m

鋪裝自重對(duì)橋梁翼緣板C-C截面產(chǎn)生的彎矩:

M2=0.5g2×d2=2.45d2kN·m

翼緣板自重集度:

g3=25×0.15=3.75 kN/m

g3′=25×0.45=11.25 kN/m

gd=25hdkN/m

翼緣板自重對(duì)橋梁翼緣板C-C截面產(chǎn)生的彎矩:

4 車輛荷載作用下翼緣板根部受力分析

車輪荷載立面示意，見圖5所示。

圖5 車輪荷載立面示意圖

平行于懸臂板跨徑方向的荷載分布寬度:

b=b1+2hp=0.6+2×0.2=1.0 m

b<1.8 m,車輛荷載橫橋向?yàn)閱屋喿饔谩?/p>

圖6中c=1.5,不大于2.5 m,垂直于懸臂板跨徑方向的荷載分布寬度:

a=(a1+2hp)+2c=

(0.2+2×0.2)+2×1.5=3.6 m

a>1.4 m,車輛縱向?yàn)殡p輪作用。

a=(a1+2hp)+2c+1.4=5.0 m

其中。hp為橋面鋪裝厚度,a1為垂直于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸,b1為平行于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸,c為平行于懸臂板跨徑的車輪著地尺寸的外緣,通過鋪裝層45°分布線外邊線至腹板外邊緣的距離[1,8]。

圖6 車輪荷載平面示意圖

每延米車輪荷載懸臂板根部彎矩:

MQ=(1+μ)qb(c-b/2)=

(1+0.3)×28×1.0×(1.5-1.0/2)=

36.4 kN·m

5 車輛碰撞護(hù)欄翼緣板根部受力分析

車輛碰撞護(hù)欄為偶然事件,根據(jù)文獻(xiàn)[1]第4.1.6條偶然組合,永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用某代表值效應(yīng)、一種偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)相組合。本次可變作用車輪荷載采用設(shè)計(jì)值效應(yīng),分項(xiàng)系數(shù)取1.4[1]。

翼緣板根部偶然組合下彎矩見表1所列。

表1 偶然組合效用一覽表 kN·m

翼緣板護(hù)欄內(nèi)側(cè)截面B-B偶然組合下彎矩見表2所列。截面配筋見圖7所示。

表2 偶然組合效用一覽表 kN·m

圖7 截面配筋示意圖

fsdAs=fcdbx

其中，γ0橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取1.1,fcd、ftd為混凝土軸心抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,C50混凝土分別取22.4 MPa,1.83 MPa,fsd為縱向普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值280 MPa,As為受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積,h0為截面有效高度,x為混凝土受壓區(qū)高度,ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度,b為截面寬度,取單位1 m。

正截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果見表3所列。

表3 方案比選表

依托項(xiàng)目現(xiàn)澆箱梁每延米翼緣板配筋6Φ16鋼筋,間距15 cm,每延米鋼筋面積As=1 205.76 mm2,鋼筋不足面積348.7 mm2,不足比例28.92%。

6 結(jié)束語

從依托項(xiàng)目驗(yàn)算結(jié)果獲悉,在沒有考慮材料安全系數(shù)的情況下,翼緣板截面橫向配筋不能滿足規(guī)范對(duì)防撞能力要求,存在較嚴(yán)重的配筋不足。在發(fā)生交通事故情況下,車輛側(cè)向碰撞荷載的作用下,橋面板的設(shè)計(jì)潛在嚴(yán)重的安全隱患,設(shè)計(jì)人員應(yīng)引起足夠的重視。

[1] JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2] 石紅星，白書鋒，呂偉明.橋梁混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)的研究[J].公路交通科技, 2002,20(6)：22～26.

[3] 吳 彪，王吉英.從橋梁翼緣板的橫向防撞強(qiáng)度驗(yàn)算談邊梁的橫向配筋[J].中國(guó)市政工程，2004(2)：15～23.

[4] 劉 釗．橋梁概念設(shè)計(jì)與分析理論(上冊(cè))[M]．北京：人民交通出版社，2010．

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[7] 李 華．高速公路組合型護(hù)欄特性及其變形計(jì)算[J]．公路交通科技，1997，14(4)：29～32．

[8] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] JTG D81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] JTG/T D81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

2016-10-22；修改日期：2016-10-25

岳仁輝(1984- )，男，安徽淮南人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司工程師．

U443.7

A

1673-5781(2016)05-0631-04