装配式预制防撞护栏快速连接设计分析

2018-05-02廖满军刘成钢黄恩福

安徽建筑 2018年2期

廖满军，刘成钢，黄恩福，赵峻

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000；2.贵州省绿筑科建住宅产业化发展有限公司，贵州贵阳 550000）

0 前言

装配式施工作为当前基础设施建设的新型技术手段，其本身涵盖了产业化、工业化、工厂化的内容，是促使传统的建设方式向集约、节约、绿色、环保、科技等现代化建设方式转变的有效途径，是绿色建筑的新载体。特别是在传统施工存在诸多不便的公路桥涵施工方面，装配式施工尤其值得大力推广。

混凝土防撞护栏是桥面的重要组成部分，其混凝土表面质量要求不亚于立柱要求[1]。由于防撞墙体表面为弧形且施工面临高空工作面，使其施工难度和安全防护要求较之普通混凝土构件为更高[2]。采用装配式预制防撞护栏具有以下优势：①工厂化预制，有比较稳定的作业人员和配套的加工设备，受外界干扰因素小，加工精度和外观质量明显提高；②将大量高噪声、高污染、高风险的“湿作业”搬到工厂中进行，减少建筑垃圾80%，更大大减少了现场浇捣施工对周边噪音、粉尘等影响；③现浇需要3天的时间，预制1天即可完，更将大部分的工作转移至工厂，大大减少作业人员现场高空作业风险；④预制防撞墙可将路灯管线、灯杆预埋件、栏杆预埋件，通信管线、电箱等埋设其中，提高质量和精度，缩短工期[3]。

装配式预制防撞护栏施工的核心问题即预制构件的连接设计。连接设计的有效性及其工序的便利性，将直接影响施工结果和施工效率。本文基于当前普遍使用的两种连接设计，提出了防撞护栏快速连接设计方案，并对其特点和效果进行分析和验证。

2 工程概况

背景项目为贵阳市某环线公路为例，本次设计为市政一级道路桥梁混凝土防撞墙，根据《公路交通安全设施设计规范》第5.2.5条规定，防撞墙按最不利工况考虑为SA、SAm级（设计车速100、80；事故等级为二次重大事故或二次特大事故）。

根据《公路交通安全设施设计规范》第4.4.3条及5.1条规定，防撞墙碰撞荷载标准值为86kN/m，荷载分布长度5m，距离护栏顶面5cm。本次受力分析取单米计算，同时考虑活荷载分项系数为1.4，动力系数1.5。

图1 混凝土防撞护栏断面及配筋图

分段原则：当防撞墙为直线段时，根据设计图纸在伸缩缝处断开，预制防撞墙长度为4m或者5m一节，每节预制防撞墙质量约3.5T左右，具体根据设计断面确定；当防撞墙为曲线段时，预制防撞墙分段长度为2m左右，具体根据弯曲半径大小确定，利用微积分原理，调整每一节之间的角度，既便于生产施工，又要保证连接平缓过度、视觉美观预制防撞墙纵向连接采用企口形式，如图1所示，中间预留20mm缝隙，填充耐候胶或沥青。

3 连接设计方案及其对比

3.1 两种常用连接设计方案

预制混凝土防撞护栏方案一：预制防撞墙连接采用灌浆套筒及浆锚连接技术，在桥面混凝土浇筑时预留伸出钢筋。待混凝土浇筑完成强度达到后，吊装预制防撞墙，预留伸出钢筋锚入套筒及预应力波纹管后灌浆密实[4]。如图2所示。

图2 方案一连接设计示意图

图3 方案二连接设计示意图

图4 快速连接设计示意图

预制混凝土防撞护栏方案二：预留锚固钢筋，同时设置型钢支撑腿，在桥面混凝土未浇筑前将预制防撞墙吊装到位，型钢支撑腿支撑在模板或者可靠支撑上，同时临时支撑固定[6]。如图3所示。

3.2 快速连接设计方案

预制混凝土防撞护栏快速连接设计方案：预制防撞墙连接，采用预埋钢板角铁焊接及浆锚连接技术，在桥面预留钢筋及埋件，在预制防撞墙中预埋金属波纹管及埋件，迎车面通过L型钢板焊接连接（L型钢板覆盖在铺装层内，不影响美观），预制防撞墙中采用浆锚连接技术，同时临时支撑固定。如图4所示。

3.3 连接设计方案对比

通过从生产成本、施工方成本及安装效率等三方面对上述三种方案进行对比。

方案对比分析表表1

如表1所示：

方案一，由于安装精度要求非常高，导致安装效率低下；

方案二，施工方支模及安全费用增加，项目造价增加；

快速连接设计方案，生产成本虽高于方案二，但对施工方成本低于方案二，而且安装效率与方案二无显著差别。

故而，从施工工艺的高效及施工成本的降低的角度，快速连接设计方案具有明显的优势。

4 快速连接设计的力学分析

4.1 强度验算

假设撞击荷载全部由角铁焊缝承担（如图5所示），φ25@500的钢筋浆锚连接作为保险系数考虑，防撞墙取单米计算，荷载设计值q=1.4×1.5×86=180.6kN/m2，角铁三面围焊处剪力Fx=180.6kN；拉力Fy=180.6×1.1/0.2=939.3kN，根据《钢结构设计规范》第7.1.3条设单个角铁三面围焊长度lw=300mm，he=10mm，单米预制防撞墙设三个角铁，间距为500mm一个[5-9]。

可以得到：

承受动力荷载βf取1.0，角焊缝强度设计值取160N/mm2，在综合力作用下，αf与 τf共同作用处：

由公式（1）、（2）、（3）可知，快速连接设计的防撞护栏强度完全符合要求。

图5 方案三三维示意图

4.2 有限元分析

使用SolidWorks软件进行焊缝连接的有限元分析。分析采用整体式模型，本构关系采用混凝土—钢筋复合本构关系。模型中预制混凝土防撞护栏长度为0.5m，高1.1m，采用一个L型角铁焊接连接。在防撞护栏底部支腿处设置竖向约束，在下部预埋铁板设置竖向和水平方向约束。荷载为451500N/mm2，作用在距防撞护栏顶部50mm处。分析结果如图6所示。

由图6-c可知，应力极值为132kN/mm2，满足最大应力要求。而在上述有限元分析中，于每0.5m内设置1个角铁。故有限元分析结果显示在单米内仅需设置2个角铁焊接连接，即可满足应力要求。

该结果与根据《钢结构设计规范》强度验算的差异，是由于《规范》方法中受到了安全系数的影响。而有限元分析结果更进一步证明了，单米内设置3个角铁连接是完全可靠的。

另外，本节有限元分析，是在未对波纹管的灌浆连接进行考虑的情况下展开的。因而在实际工程中，快速连接设计方案将能够接受更严峻的实践考验。