利用公路结构物涉路行为安全评价技术研究

2017-08-07魏文鼎陈国佳

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：匝道护栏钢管

魏文鼎，陈国佳

（1.广东省建筑设计研究院,广东广州 500010；2.中设设计集团股份有限公司,江苏南京 210043）

利用公路结构物涉路行为安全评价技术研究

魏文鼎1，陈国佳2

（1.广东省建筑设计研究院,广东广州 500010；2.中设设计集团股份有限公司,江苏南京 210043）

在各类涉路行为日趋普遍的情况下,对涉路行为的安全评价结论成为行政许可的主要依据。针对利用公路结构物涉路工程施工会造成公路建筑物破损,敷设管线的自重破坏原有公路建筑物的受力平衡而影响公路建筑物的结构安全,现结合某风景区自来水管网利用桥梁跨越沿江高速安全性评估实例,就利用公路结构物涉路行为的安全评价展开研究,提出一套可以付诸实践的评价方法,供公路管理机构、设计单位、施工单位等单位参考。

涉路行为；安全评价；评价标准；符合性检验；结构验算

0 引言

利用公路结构物涉路工程主要指依附桥梁、通道等公路结构物或构造物来通过河流、交通通道等障碍物的涉路工程。此类建设工程主要为敷设管线设施,它的施工会造成公路建筑物破损,敷设管线的自重破坏原有公路建筑物的受力平衡,影响公路建筑物的结构安全。

然而,我国目前对于该类涉路行为的安全评价工作还没有相对统一的实施办法,技术标准也存在不足,形成了基层部门自行组织、自行聘请技术人员进行评价的局面,导致评价工作不规范、评价结论权威性不足,行政许可制度执行中存在较多问题[1～3]。

为了改变该类涉路行为安全评价工作实施过程中无章可循的现状,现结合实际工程,就利用公路结构物涉路行为的安全评价展开研究,提出一套可以付诸实践的评价方法,对公路管理机构、设计单位、施工单位,以及涉路工程申请人都能提供一定的参考。

1 利用公路结构物涉路行为安全评价内容

根据现行标准及规范规定,对利用公路结构物涉路行为的安全评价的主要内容如下:

（1）桥梁结构安全性复核验算:上部结构的使用性能和承载能力的各项指标、下部结构的承载能力和稳定性均应满足规范及使用要求。

（2）管线的敷设位置及其敷设工艺:复核管线的敷设位置是否影响到桥梁正常结构,是否符合规范要求,敷设的工艺是否具备可操作性等。

（3）施工保障措施:具体的施工方案的合理性、施工安全规定、施工保护措施等是否满足要求。

2 自来水管网利用桥梁跨越沿江高速安全性评估实例

2.1 工程概况

某风景区自来水管道用于提供风景区自来水,工程采用DN400自来水重力管道。自来水经新建自来水提升泵站提升后采用DN300PE压力管沿省道340北侧排往薛埠镇区已建自来水管道。管道总长约8.8 km。其中自来水压力管道跨越沿江高速公路茅山服务区S、C、T匝道时拟利用省道340跨越C匝道桥梁随桥架设方式跨越,见图1所示。

图1 自来水管跨越沿江高速平面详图

2.2 桥梁结构验算

2.2.1 技术标准

（1）计算行车速度:100 km/h；

（2）抗震设防烈度:桥梁抗震设防烈度为7度,桥梁抗震设防类别为B类,地震动水平向峰值加速度为0.1 g,抗震设防措施等级为8级；

（3）环境类别:Ⅰ类；

（4）设计荷载:公路-Ⅰ级；

（5）桥跨布置:（16+3×20+16）m；

（6）结构体系:连续梁,构件类别:全预应力混凝土构件；

（7）本计算按照平面杆系模拟。

2.2.2 箱梁结构验算

（1）箱梁截面:截面尺寸如图2所示。

图2 箱梁断面图（单位:cm）

（2）箱梁计算模型:全桥结构采用平面杆系梁单元模拟,如图3所示。

图3 单元划分示意图

（3）自来水管产生附加外荷载:自来水钢管内径30 cm,壁厚1cm,考虑满水时的荷载为:

F4=π/4×0.32×10+π/4×（0.322-0.32）× 78.5=148（kg/m）

（4）箱梁施工过程:左右幅采用一次落架模拟,并计算3 650 d的收缩徐变效应。

（5）箱梁计算结果:

a.持久状态下的受压区混凝土的最大压应力应满足:

σc≤0.5 fck=16.2（MPa）

标准组合下最大压应力为13.6 MPa,满足规范要求,如图4所示。

图4 短期组合和标准组合下正应力包络图

b.斜截面抗裂验算应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算,并应符合下列要求:

最大主拉应力满足规范要求,如图5所示。

图5 短期组合下主拉应力图

c.混凝土的主压应力应满足:

最大主压应力满足规范要求,如图6所示。

图6 标准组合下主压应力图

d.结构抗力未计入普通钢筋的作用,结构极限状态承载能力满足要求,如图7所示。

图7 结构强度包络图

综上所述,自来水管网随桥架设产生附加外荷载,箱梁主截面能满足短期效应组合作用下正截面抗裂要求。

2.2.3 箱梁翼缘裂缝验算

对外侧护栏旁搭设自来水管的方案进行行车道板的计算,主要验算箱梁翼缘根部的裂缝宽度是否满足规范要求。

行车道板类型分为单向板、铰接悬臂板和悬臂板三种,该项验算属于悬臂板类型。恒载考虑外侧护栏、桥面铺装、自来水管,活载考虑汽车荷载。

（1）恒载及其内力（以纵向1 m宽的板条进行计算）:

每米宽板条的恒载弯距为:

（2）活载内力:

作用于每米宽板条上的弯矩为:

（3）行车道板的设计内力:

MA=1.2×MAg+1.4×MAP=1.2×（-70.74）+1.4×（-37.60）=-137.53（kN·m）

（4）计算裂缝宽度:

根据配筋情况及规范计算公式得最大裂缝宽度Wfk=0.135 mm,满足规范要求。

2.2.4 护栏碰撞试验

沿江高速公路常州段桥梁护栏的设计采用新型的桥梁护栏,为验证所设计护栏方案的性能（重点是安全防护性能）,对护栏进行模拟碰撞试验。

护栏结构形式满足交通部部颁标准《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ074－94）中规定的桥梁护栏PL3防撞等级要求,模拟汽车碰撞试验护栏的侧向最大变形位移为22.4 cm。

该项工程跨越沿江高速公路某服务区S、C、T匝道时拟利用省道340跨越C匝道桥梁随桥架设方式跨越,全长90 m,管径D300钢管,采用12号的槽钢焊接在原桥边护栏的预埋件上,预埋件的间距为2 m一个,槽钢伸出桥边50 cm,钢管固定在槽钢上,采用C4管卡固定钢管（见图8）。钢管的外壁采取防腐措施。

图8 自来水管桥上架设布置图（单位:mm）

风景区自来水管网利用桥梁随桥架设方式跨越服务区匝道,存在一定的安全隐患。在道路运营期间,汽车碰撞护栏导致的侧向位移会引起自来水管变形甚至断裂下落,可导致交通事故的发生。

2.3 符合性检验

2.3.1 管线输送介质

该项工程为风景区自来水管道,跨越沿江高速公路服务区匝道时拟利用省道340跨C匝道桥梁随桥架设方式跨越,符合规定要求。

2.3.2 敷设位置

该项工程采用12号的槽钢焊接在原桥边护栏的预埋件上,预埋件的间距为2 m一个,槽钢伸出桥边50 cm,钢管固定在槽钢上,采用C4管卡固定钢管。不符合规定要求。

2.3.3 附件装置要求

该项工程在桥梁两侧安装阀门,供紧急时切断输送液体,符合要求。

该项工程采用槽钢焊接在原桥边护栏的预埋件上,对桥梁原结构无造成破坏,符合要求。

经核查原设计文件中并无该预埋件的设计,建议设计单位核查该预埋件与桥梁护栏连接的可靠性。

2.3.4 跨越净空

省道340跨C匝道桥梁跨越服务区S、C、T匝道,净空为5.0 m。该项工程采用12号的槽钢焊接在原桥边护栏的预埋件上,考虑自来水钢管的荷载,以及温度所产生的下挠,跨越净空满足高速公路5.0 m的要求。

2.4 施工保障措施

2.4.1 施工符合性

（1）施工前先向各专业管线部门了解各类管线的位置,如发现现状地下管线或将施工的其他专业管线与排水管道位置或高程有冲突,及时向甲方、监理、设计部门联系解决。

（2）钢材、钢铸件的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求；焊接材料的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求。

（3）普通螺栓作为永久性链接螺栓时,应进行螺栓实物最小拉力荷载复验,其结果应符合现行国家标准《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》（GB 3098）的规定。

（4）永久性普通螺栓紧固应牢固、可靠,外露丝扣不应少于2扣。

（5）焊条、焊丝、焊剂、电渣焊熔嘴等焊接材料与母材的匹配应符合设计要求及国家现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ 81）的规定。焊条、焊剂、药芯焊丝、熔嘴等在使用前,应按其产品说明书及焊接工艺文件的规定进行烘焙和存放。

（6）钢结构防腐涂料、稀释剂和固化剂等材料的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求。

2.4.2 施工安全措施

（1）及时了解气象信息做好防台工作,大风、暴雨、雷雨及浓雾等天气不得施工。

（2）所有施工人员均应正确佩带安全帽,高处作业人员必须正确使用安全绳。无安全防护用具的人员不得参加施工。作业点必须设安全监护人,跨越点应设置安全警示牌,设专人检查、看守,严禁酒后作业。

（3）搭设钢管及C4管卡固定钢管应随时检查加固,施工时应设专人看守。

（4）车辆行驶时施工人员严禁在路上逗留,架设钢管时,必须有路政管理人员进行封路施工。架设结束后才可让车辆通行。

（5）严禁高处抛物,上下传递工具,施工工具严禁随意乱扔,以免落入高速公路行车道。

（6）施工期间自始自终保持施工区域清洁,每天施工结束后,派专人清扫马路,并适量洒水,达到环卫要求。

（7）合理安排作业时间,采用低噪音施工机械。

2.4.3 施工区交通组织

施工单位未提供施工区交通组织方案。

建议沿江高速匝道施工区交通组织方案为:标志设置车辆分别停在距离施工作业区前后各2 km处的紧急停车道（两处同时向施工作业区推进安放标志牌）,施工人员放下“前方施工减速慢行”警告标志,在距离施工作业区1 km、800 m、600 m、400 m、100 m、20 m处放下“80 km/h限速、60 km/h限速、40 km/h限速、20 km/h限速、5 km/h限速、停车标志”,行驶距离施工作业区100 m处设置用安全锥筒将施工区与行车道隔开。

施工作业人员未经过现场交警的同意,不得随意跨越护栏、穿越公路,严禁在公路上放置施工工器具,现场人员必须听从施工负责人统一指挥,施工负责人必须听从交警部门的指挥,并穿着统一的安全反光标志服。

2.5 运营期安保措施评价

（1）应加强线路巡视,对于各接头部位的螺栓应采用防盗螺栓或其他防盗措施,发现各接头部位松动或脱落应及时处理。

（2）定期对钢管外壁及各连接部位进行养护,严禁出现钢管脱落或自来水外漏等事件的发生。

（3）如发生突发事件,应采取完善的应对措施,避免出现交通事故或交通堵塞,影响道路的正常运营。