碰撞荷载下箱梁翼缘板安全性分析

2016-06-05岳仁辉

工程与建设 2016年5期

关键词：翼缘板护栏悬臂

岳仁辉，武林

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

碰撞荷载下箱梁翼缘板安全性分析

岳仁辉，武林

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

常规桥梁结构设计过程中，设计人员重视桥梁整体计算，而疏忽结构的局部验算。桥梁翼缘板在车辆碰撞力作用下的安全性往往被忽视，且该部分横跨桥梁工程与交通工程两个专业，跨专业规范规程熟悉程度薄弱，桥梁翼缘板横向配筋不足，桥梁运营存在严重安全隐患，桥梁设计人员应给予足够重视。

翼缘板；碰撞荷载；护栏；强度验算；横向配筋

0 引言

经过多年桥梁维修加固设计过程,发现现浇箱梁翼缘板根部裂缝屡见不鲜,当然出现裂缝的原因很多,这里就不予赘述了。

根据文献[1]对部分翼缘板根部安全进行验算,竟然发现一些翼缘板配筋存在不足,部分配筋满足,但在交通事故中桥梁护栏受到猛烈撞击荷载工况下不能满足安全性要求。

目前,在国内多数公路桥梁悬臂翼缘板的设计中,很少有对车辆碰撞护栏时碰撞荷载对桥梁翼缘板的影响进行强度计算的[2-4]。由于设计人员对行业设计规范掌握的不全面或疏忽,沿用借鉴已有类似桥梁设计图纸及其经验,增加了桥梁设计中的安全隐患[5-7]。

本文以某条高速公路设计图纸为依托,对部分桥梁悬臂翼缘板进行验算,给出相关建议及其结论。

1 依托项目桥梁相关参数

本项目为《国家高速公路网规划》中的第六条纵线(二连浩特至广州高速公路)湘鄂省界至常德城区段,双向四车道,设计时速100 km/h,桥梁设计汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。

经对本项目设计第二合同段图纸进行研读,本合同段均为常规结构(现浇箱梁、小箱梁、大T梁),本次以现浇箱梁(图1)为依托进行悬臂翼缘板安全性分析。

图1 现浇箱梁尺寸断面图

现浇箱梁悬臂翼缘板结构:桥面铺装为100 mm沥青混凝土+100 mmC40防水混凝土,混凝土为C50,长度为200 cm,悬臂端部厚15 cm,根部厚45 cm,箱梁翼缘板横向钢筋上缘为直径16 mm的二级钢筋,下缘为直径12 mm的二级钢筋,纵向间距为150 mm[8]。

现浇箱梁钢筋布置,如图2所示。

图2 现浇箱梁普通钢筋布置图

2 碰撞力作用下翼缘板受力分析

当车辆碰撞护栏时,碰撞力产生的弯矩作用在箱梁翼缘板上,由箱梁的横向钢筋受拉来承载这部分外力(图3)。

图3 翼缘板碰撞力作用示意图

根据文献[9]第5.2.5条根据车辆驶出桥外或进入对向车行道有可能造成的交通事故等级,按照表5.2.5桥梁护栏防撞等级适用条件,本项目护栏防撞等级为SA级;第5.1.2条对作用于组合式桥梁护栏上的碰撞荷载大小和作用点的分布的规定,组合式护栏上部钢护手结构和下部混凝土墙体结构所承受的碰撞力荷载大小均为最大横向碰撞荷载的一半(即P/2,碰撞力P=430 kN);第4.6.1条混凝土护栏所受碰撞荷载的分布长度为D=5 m,而分布范围由4根钢扶手传递碰撞力产生的弯矩,立柱间距为2 m,因此钢扶手荷载分布宽度D′=60 m,每根钢护手所受总的总碰撞力大小为P/8。:则钢扶手底部(图3的A-A截面的最大弯矩[1,8-10]:

其中,h1为上横梁中心至A-A截面的高度,h1=25 cm。

上部钢扶手式结构地面的水平力:

此弯矩和水平撞击力最终由下部混凝土结构传递至桥梁翼缘板承担。

上部钢扶手式结构底面水平力对桥梁翼缘板C-C截面产生的弯矩:

(204.25+107.5hd)kN·m

其中，h2为钢筋混凝土墙顶(即上部结构的钢扶手底部)至桥梁翼缘板C-C截面中心的高度。

作用于混凝土墙体上的碰撞力P/2(查D81规范知作用点为墙体顶部以下5 cm位置处)对桥梁翼缘板C-C截面产生的弯矩:

(193.5+107.5hd) kN·m

其中，h3为作用在钢筋混凝土墙上的碰撞力作用点至桥梁翼缘板C-C截面中心的高度。

碰撞力作用在桥梁翼缘板C-C截面中心的有效宽度:

a0=D+2×H+2×d

其中，H为外力作用点至桥梁翼缘板C-C截面中心的高度,d为桥梁翼缘板C-C截面至护栏边缘水平距离。

则上部钢扶手结构的作用力对桥梁翼缘板C-C截面中心弯矩的有效分布宽度:

a0柱=D′+2×H柱+2×d=

7.9+hd+2d

则下部混凝土结构的作用力对桥梁翼缘板C-C截面中心弯矩的有效分布宽度:

a0混凝土=D′+2×H混凝土+2×d=

7.8+hd+2d

则单位长度桥梁翼缘板C-C截面承受的碰撞力弯矩:

3 恒载作用下翼缘板受力分析

翼缘板承受的恒载作用(图4)主要有护栏自重、桥面铺装自重和其翼缘板自重。

图4 翼缘板恒载作用示意图

护栏每延米自重10kN/m,护栏荷载集度:

g1=10/0.5=20 kN/m

护栏自重对桥梁翼缘板C-C截面产生的弯矩:

M1=0.5g1×(d+0.25)=10d+2.5 kN·m

桥面铺装形式:10cm沥青混凝土+10cmC40防水混凝土,铺装荷载集度:

g2=24×0.1+25×0.1=4.9 kN/m

铺装自重对桥梁翼缘板C-C截面产生的弯矩:

M2=0.5g2×d2=2.45d2kN·m

翼缘板自重集度:

g3=25×0.15=3.75 kN/m

g3′=25×0.45=11.25 kN/m

gd=25hdkN/m

翼缘板自重对桥梁翼缘板C-C截面产生的弯矩:

4 车辆荷载作用下翼缘板根部受力分析

车轮荷载立面示意，见图5所示。

图5 车轮荷载立面示意图

平行于悬臂板跨径方向的荷载分布宽度:

b=b1+2hp=0.6+2×0.2=1.0 m

b<1.8 m,车辆荷载横桥向为单轮作用。

图6中c=1.5,不大于2.5 m,垂直于悬臂板跨径方向的荷载分布宽度:

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

(0.2+2×0.2)+2×1.5=3.6 m

a>1.4 m,车辆纵向为双轮作用。

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

其中。hp为桥面铺装厚度,a1为垂直于悬臂板跨径的车轮着地尺寸,b1为平行于悬臂板跨径的车轮着地尺寸,c为平行于悬臂板跨径的车轮着地尺寸的外缘,通过铺装层45°分布线外边线至腹板外边缘的距离[1,8]。

图6 车轮荷载平面示意图

每延米车轮荷载悬臂板根部弯矩:

MQ=(1+μ)qb(c-b/2)=

(1+0.3)×28×1.0×(1.5-1.0/2)=

36.4 kN·m

5 车辆碰撞护栏翼缘板根部受力分析

车辆碰撞护栏为偶然事件,根据文献[1]第4.1.6条偶然组合,永久作用标准值效应与可变作用某代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。本次可变作用车轮荷载采用设计值效应,分项系数取1.4[1]。

翼缘板根部偶然组合下弯矩见表1所列。

表1 偶然组合效用一览表 kN·m

翼缘板护栏内侧截面B-B偶然组合下弯矩见表2所列。截面配筋见图7所示。

表2 偶然组合效用一览表 kN·m

图7 截面配筋示意图

fsdAs=fcdbx

其中，γ0桥梁结构重要性系数,取1.1,fcd、ftd为混凝土轴心抗压、抗拉强度设计值,C50混凝土分别取22.4 MPa,1.83 MPa,fsd为纵向普通钢筋的抗拉强度设计值280 MPa,As为受拉区纵向普通钢筋的截面面积,h0为截面有效高度,x为混凝土受压区高度,ξb为相对界限受压区高度,b为截面宽度,取单位1 m。

正截面抗弯承载力计算结果见表3所列。