桥梁中分带SAm级混凝土护栏结构优化

2016-05-05符秋生

城市道桥与防洪 2016年5期

关键词：实车护栏坡面

符秋生

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511450）

桥梁中分带SAm级混凝土护栏结构优化

符秋生

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511450）

对原设计SAm级中分带护栏的安全性进行实车足尺试验，考核设计是否满足设计目标安全等级，再对原配筋方案等进行优化以达到经济性的要求。通过等强度原则对原设计中分带护栏进行优化，并采用有限元仿真技术对优化改进后的设计按照规范的安全评价标准进行安全性分析。结果表明，优化设计后的中分带护栏既能满足设计目标强度等级，又具有很好的经济效益。

中分带护栏；优化设计；计算机仿真；安全性评价；经济性评价

0 引言

混凝土护栏属于刚性护栏结构，车辆碰撞时基本不变形，主要通过坡面使车辆爬升（或倾斜）并转向来吸收碰撞能量，从而达到有效保护乘员的效果[1]。

高速公路桥梁中分带混凝土护栏是必不可少的交通安全防护设施[2]。若桥梁中分带护栏防护能力不足，失控车辆易穿越或翻越中分带进入对向车道，引起多人伤亡的恶性二次交通事故。鉴于桥梁中分带混凝土护栏的重要性，该结构经常被进行加强设计，即增加混凝土护栏配筋量。这样可以有效增加护栏的刚度，但是对于坡面和高度固定的混凝土护栏来说，刚度的过度增强对于其防护效果的提高并不明显，反而造成钢筋等材料的浪费，增加道路建设的成本。因此，桥梁中分带护栏在严格满足设计安全防护等级的情况下，可以进行护栏结构的优化，以达到更好的的经济性。

以经过实车足尺碰撞试验的桥梁混凝土护栏为依据，通过等强度理论对原设计的配筋方案进行优化改进，提出高速公路桥梁中分带混凝土护栏结构设计优化方案。按照优化方案建立计算机仿真模型，采用实车足尺碰撞试验验证其可靠性后，对优化方案的安全防护性能进行分析[3]。

1 原桥梁中分带混凝土护栏结构

原高速公路原设计桥梁中分带混凝土护栏设计防护能力为SAm级（400 kJ），如图1所示。

图1 SAm级桥梁混凝土护栏原设计断面和配筋图（单位：mm）

原桥梁中分带混凝土护栏结构为：混凝土护栏路面以上有效高度为1 m；单侧护栏顶宽20 cm、底宽45 cm，坡面为F型标准坡面形式；墙体钢筋采用ф12和ф16两种型号，ф12和ф16竖向钢筋设置间距为167 mm，纵向ф12钢筋数量为18根，预埋筋采用ф16型号的钢筋，设置间距为167 mm；护栏采用现浇工艺施工。

2 广清高速桥梁护栏结构和碰撞试验

2.1 护栏墙体结构

广州至清远高速公路（简称“广清高速”）SAm级桥梁混凝土护栏结构为：混凝土护栏路面以上有效高度为1 m，顶宽为28 cm，低宽为43.2 cm，坡面形式为加强型标准坡面形式；护栏采用预制安装方式施工，预制块长度为5 m，预制块纵向连接方式为背部型钢连接；护栏墙体钢筋采用ф12和ф16两种型号，每块护栏预制块中竖向钢筋设置间距为200 mm，纵向钢筋数量为20根，护栏截面形式和配筋见图2。

图2 SAm级桥梁混凝土护栏设计断面和配筋图（单位：mm）

2.2 碰撞试验

按规范中确定的碰撞条件，分别用小客车、大客车和大货车进行实车足尺试验，实验结果见图3。

图3 实车足尺试验

通过实车足尺试验结果可以看出，在三种碰撞条件下护栏与车辆发生碰撞后依然完好，车辆顺利导出。护栏的结构强度满足要求，能够有效防护大型车辆，具备400 kJ的防护能力。

3 仿真模型及验证

根据以往试验碰撞条件，建立计算机仿真模型，采用实车碰撞试验检测数据对仿真模型的准确性进行验证[4-7]，为优化方案安全防护性能评估奠定基础。

图4为三种车型碰撞过程的仿真与试验对比图，可以看出仿真与试验的三种车型行驶姿态基本相同，从车辆行驶姿态和重心加速度方面验证了仿真模型的准确性。

图4 三种车型碰撞护栏过程仿真与试验对比

图5 为钢筋混凝土护栏仿真与试验结果对比，可见仿真和试验的护栏裂缝及损坏程度基本一致，验证了钢筋混凝土护栏仿真模型的准确性。

图5 混凝土护栏仿真与试验对比图

通过以上护栏碰撞试验与仿真计算的结果对比可知，仿真模型具有较高的可靠性。

③由“今天子咸通五年，公为御史大夫，自始去襄，于兹六年矣”，推知“咸通五年”之六年前为大中十四年（公元860年），如此则引文中“四十年”为“十四年”之误。

4 护栏优化设计方案及仿真

4.1 护栏优化设计方案

从安全性、经济性、规范符合性的角度出发，基于桥梁段中分带混凝土护栏优化结构，通过等强度原则对原护栏设计中墙体配筋形式及钢筋型号进行合理优化，用HRB400钢筋等强替换原设计HRB335钢筋。

依据“广清高速桥梁护栏”墙体结构对桥梁中分带混凝土护栏原设计进行优化：将原护栏F型坡面优化为加强型，将护栏墙体内钢筋型号ф12和ф16优化为12，单侧纵向钢筋数量由20根优化为16根；将原设计翼缘板预埋钢筋型号由14优化为16，预埋钢筋间距由100 mm优化为200 mm，优化后的横截面图和配筋图见图6。

图6 优化后的护栏横截面和配筋图（单位：mm）

4.2 优化设计方案的计算机仿真

桥梁中分带混凝土护栏结构优化为加强型迎撞面，同时减少了钢筋的数量，增加了纵向钢筋的设置间距，因此需要按照优化后的护栏断面尺寸、钢筋型号和数量及相应材料参数建立计算机仿真模型。采用三种不同车型的车辆进行安全性能分析。碰撞条件参照现行规范《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006）中规定，确定碰撞条件见表1。

表1 碰撞条件

根据《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG/TF83—2004）对车辆碰撞后行驶姿态指标规定，评定优化方案的安全性能是否满足要求。

4.2.1 小客车碰撞计算机仿真

图7 小客车碰撞仿真结果

通过以上分析，可见小客车碰撞优化后桥梁段中分带混凝土护栏的各项指标均满足评价标准的要求。

4.2.2 大客车碰撞计算机仿真

仿真结果如图8显示：大客车碰撞护栏过程中，车辆行驶姿态良好，车辆碰撞后的轮迹满足导向驶出框要求。

图8 大客车碰撞仿真

通过以上分析，可见大客车碰撞优化后桥梁段中分带混凝土护栏的各项指标均满足评价标准的要求。

4.2.3 大货车碰撞计算机仿真

仿真结果如图9显示：大货车碰撞护栏过程中，车辆行驶姿态良好，车辆碰撞后的轮迹满足导向驶出框要求。

图9 大货车碰撞仿真结果

通过以上分析，可见大货车碰撞优化后桥梁段中分带混凝土护栏的各项指标均满足设计目标等级的安全标准。

5 经济性分析

桥梁护栏设计中建筑材料的消耗量是重要的经济指标，原设计与优化方案的材料用量对比见表2。

表2 材料用量对比（每公里）

通过材料用量对比表2可以看出，由于优化后桥梁中分带混凝土护栏较原设计桥梁中分带混凝土护栏的截面尺寸略有调整，配筋方案不同，混凝土和钢筋的用量均有变化，其中优化设计后双侧每延公里C30混凝土用量增加了6 m3，不到原设计的1%，但节省钢筋用量约57 t，约占原设计的36.9%。若C30混凝土单价按400元/m3计，钢筋单价按4 000元/t计，则优化后桥梁中分带混凝土护栏双侧每延公里均可节省工程造价约22万元。