部颁标准图桥梁边板悬臂对钢筋砼护栏碰撞荷载的抗弯承载力计算

摘要：近年来，国内公路及城市桥梁出现的一系列重特大交通事故令人怵目惊心。这些事故不但造成了巨大的经济损失，同时也阻断了正常交通，影响了行车安全，更甚者直接威胁到人身安全。公路及城市桥梁的防撞护栏等安全防护设施是降低交通事故危害性的有力措施，能及时并有效保护行车安全。为了确保桥梁的安全防护能力，相关安全设施规范及文件对桥梁安全设施要求逐步提高，却忽略了桥梁等主体结构是否匹配更高要求的安全防护设施的问题。

关键词：桥梁；防撞护栏；梁体悬臂承载力；

本文根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）附录D中的计算原理，验算梁板通用图边板悬臂承载力是否大于汽车碰撞荷载产生的效应。文中列举新版部颁标准图中部分典型梁体：预应力砼空心板边板（悬臂0.38m），预应力砼T梁边板（悬臂1.025m），预应力砼小箱梁边板（悬臂0.817m），按边板上设置SB级钢筋砼防撞护栏的情况计算边板悬臂的承载力。一方面分析了部颁标准图中部分梁体悬臂抗弯承载力是否大于SB级汽车碰撞荷载标准值产生的效应；另一方面分析了应如何从防撞护栏合理配筋的角度进而优化梁体边板配筋，使其更经济合理。

1.预应力砼空心板计算（悬臂C=0.38m）

1.1材料参数

对于钢筋混凝土护栏，根据实车碰撞试验经验、屈服线理论、强度设计理论，选用材料强度标准值进行计算。

护栏钢筋：HRB400钢筋，钢筋屈服强度标准值fyk=400MPa；

护栏混凝土：C30混凝土，混凝土轴心抗压强度标准值fck=20.1MPa。

①为承受护栏关于桥梁纵轴碰撞力弯矩的受力筋，截面面积：S1=201.1mm2，

(HRB400) 16@150mm；

②为承受护栏关于其竖向轴碰撞力弯矩的受力筋，截面面积：S2=113.0mm2，

(HRB400) 12。

1.2碰撞荷载

根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）表3.5.4的规定，SB级碰撞荷载标准值Fl=350KN,荷载分布长度Lt=2.4m。

1.3护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩Mc

（1）各断面Mc的计算

护栏竖向断面不规则，将护栏按图1划分为1-1、2-2和3-3断面进行计算。

图1护栏断面划分计算简图

图2 护栏断面1-1计算简图            图3 护栏断面2-2计算简图

图4 护栏断面3-3计算简图

断面1-1处：

受压区高度(mm)

截面有效高度h0=h-as=220-45-16/2=167（mm）（保护层厚度取45mm）

（N·mm/mm）

同理可得，断面2-2处：

（N·mm/mm）

断面3-3处：

（N·mm/mm）

（2）护栏发生碰撞破坏的可能形式

护栏发生碰撞破坏的可能形式如图5所示

图5 护栏发生碰撞破坏的可能形式

（3）计算Mc平均值

假定第一种破坏形式：

（N·mm/mm）

假定第二种破坏模式

（N·mm/mm）

1.4护栏关于其竖向轴的弯曲承载力矩Mw

如图6，该断面分为三部分，分别计算每部分关于其竖向轴的弯曲承载力矩。

图6 护栏Mw计算断面图

上部：

左右两侧各2根②号钢筋分别承受正、负弯矩。

As=2S2=226.08（mm2）;截面有效高度h0=h-as=（220+311）/2-(45+16+12/2)=198.5mm

受压区高度mm

（N·mm）

同理可得，中部：

（N·mm）

下部：

（N·mm）

1.5护栏总的横向承载能力Rw

（1）碰撞发生在护栏标准段时：

第一种模式：

=172727+23826983+32074261=731732（N·mm）

第二种模式：

=172727+23826983=41099630（N·mm）

第一种模式：

护栏高度H=690mm，计算屈服线发生的临界长度Lc：

=3715.9mm

护栏对抗横向荷载得抗力标准值Rw：

=8.7kN。

第二种模式：

护栏高度H=5mm，同理可得Lc，Rw，：

LC=3135.9mm,Rw=3.6kN。

护栏的总的横向承载力Rw取两种模式中的较小值3.6kN＞350kN。

（2）碰撞发生在护栏端部或伸缩缝处时：

第一种模式：Mw=731732（N·mm）

第二种模式：Mw=41099630（N·mm）

第一种模式：护栏高度H=900mm,LC=2632.2mm, Rw=630.2kN。

第二种模式：护栏高度H=5mm, LC=2514.7mm, Rw=716.6kN。

护栏的总的横向承载力Rw取两种模式中的较小值630.2kN＞350kN。

位于标准段和端部或伸缩缝处的护栏承载力均满足要求。

1.6桥面板悬臂验算

桥面板悬臂设计详图如图7、8所示，悬臂长度380mm。

图7 悬臂设计状态I计算简图           图8 悬臂设计状态Ⅱ计算简图

桥面板钢筋：HRB400钢筋，fyk=400MPa；桥面板混凝土：C50，fck=32.4MPa。

桥梁悬臂板抗弯钢筋为(HRB400) 12@15cm，S1=113.04mm2；

状态I：如图7，横向和纵向碰撞荷载作为偶然荷载的承载能力极限状态。

状态II：如图8，竖向碰撞荷载作为偶然荷载得承载能力极限状态。

本项目中验算状态I和状态II下桥面板悬臂的承载能力。

（1）桥面板悬臂验算状态I

当碰撞发生在护栏标准段，为第一种破坏模式，验算截面1-1：

1）计算状态I下1-1截面混凝土发生破坏时的悬臂板弯矩Mu

屈服线发生的临界长度Lc=3715.9mm≈3.72m；护栏对横向荷载的抗力标准值Rw=8.7kN

护栏高度H=0.9m。

护栏破坏时引起的悬臂板内拉力:

kN

Mb=0.388×25kN/m3×0.169=1.（kN·m/m）；Mc=107.7（kN·m/m）

Mu=0.29+1.+107.7=109.7（kN·m/m）

2）计算状态I下1-1截面混凝土发生破坏时，悬臂板的承载能力Mn

1-1悬臂板下部混凝土承受的压力

kN/m

截面有效高度h0=h-as=240-20-12/2=214mm

受压区高度mm

=46.95（kN·m/m）＜Mu=109.7（kN·m/m）

状态I下，1-1截面不满足要求。

1.8桥面板改造设计

1.8.1 改造方式一：加强梁板悬臂抗弯钢筋

梁板悬臂强度不足，需加强配筋。经测算，悬臂抗弯钢筋更改为(HRB400)18@150时，

Mn=121.97（kN·m/m）＞Mu=109.7（kN·m/m）

状态I下，1-1截面满足要求。

（1）桥面板悬臂验算状态Ⅱ

1）状态Ⅱ计算简图如图8，计算1-1截面的Mu：

；Ms=0.29（kN·m/m）；Mb=1.（kN·m/m）

竖向碰撞荷载取18吨货车FV=18000×9.8=176.4（kN）

竖向碰撞荷载分布长度取18吨货车的车长LV=11.3（m）

截面1-1距离悬臂板端度Lla=0.38（m）

=33.15（kN·m/m）

2）计算状态Ⅱ下1-1截面承受竖向荷载下的抗弯承载力Mn：

截面的有效高度h0=h-as=240-20-18/2=211mm

受压区高度mm

=136.01（kN·m/m）＞Mu=33.15（kN·m/m）

状态Ⅱ下，1-1截面满足要求。

1.8.2 改造方式二：削弱防撞墙横向承载力

防撞护栏①钢筋由(HRB400)16@200更改为(HRB400)12@200，同时减少下部一排②钢筋。

经测算，护栏横向承载能力Rw计算结果如表1：

表1 防撞墙减弱配筋后横向承载力Rw（单位KN）

结论：在护栏适当降低承载力的情况下（仍满足相应等级碰撞荷载标准值），经验算，悬臂钢筋为(HRB400)14@150时即满足抗弯承载力要求。

2. 跨径30m预应力砼T梁和小箱梁分析计算

30m 跨径预应力砼T梁（悬臂C=1.025m）和小箱梁（悬臂C=0.817m）部颁标准图悬臂板抗弯钢筋均为(HRB400)12@100mm，同理分析计算结果如表2：

表2 跨径30mT梁和小箱梁悬臂承载力

30m

综上所述，考虑桥梁上部汽车碰撞荷载在防撞护栏上产生的效应，新版部颁标准图中大多数梁板的悬臂抗弯承载力需要重新验算。同时，在防撞护栏承载力满足规范要求设计的同时，因计算原理是在护栏完全破坏的条件下，对悬臂板产生的拉力来计算梁板悬臂抗弯承载力，故防撞护栏强度富余过大会致使其下桥梁悬臂负荷过大从而过渡设计。因此，桥梁结构梁板悬臂设计时勿忽略其上附属防撞护栏受到汽车碰撞时产生的效应对其影响。

参考文献：

[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）；

[2]《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）；

[3]《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）；

[4] 中华人民共和国交通运输部《提升公路桥梁安全防护能力专项行动技术指南》(2019.4)

1