某上跨铁路立交桥防撞护栏维修加固设计
2018-05-04黄宗根
黄宗根
（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300142）
1 工程概况
天津市某公路立交桥跨越既有铁路，现有防撞护栏结构形式为预制拼装防撞护栏，预制块标准长度为62.5 cm，防撞护栏根部钢筋与梁体预埋钢筋焊接固定。由于公路立交桥修建年代较早，经现场调查，跨铁路段防撞护栏钢柱及混凝土均有破损；个别部位预制拼装块已向外侧移动，最大位移量3 cm，急需进行维修加固。且现状跨越既有铁路段防撞栏杆混凝土基础外露高度仅为48 cm，钢立柱高28.55 cm，不满足现行《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2006）要求，为保证公路及铁路的运营安全，故对立交桥防撞护栏进行维修加固设计。
2 防撞护栏维修加固设计
2.1 总体设计原则
（1）设计必须满足国家有关规范和当地相关规定，同时要便于施工及养护管理。
（2）附加荷载须满足既有桥梁的承载能力。
（3）防撞等级在满足现有设计基础上适当提高等级，确保公路及桥下铁路运营安全。
（4）施工应满足铁路运营安全及相关要求。
2.2 工程设计
（1）荷载标准
按混凝土防撞墙设计，横向变形Z=0、最高等级横向碰撞力P=365 kN，作用点高度为桥面以上1.05 m。
（2）防撞等级
本桥设计等级为公路一级，设计时速60 km/h，按《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）第5.2.5条规定，防撞等级须满足S B级。
（3）结构尺寸
结构尺寸满足《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）第5.4.4条组合式护栏的构造要求：设计采用混凝土结构部分高度为高出桥面以上66 cm，根部宽度为51 cm,防撞护栏结构尺寸见图1。
图1 防撞护栏构造图（单位:cm）
（4）防抛网设置
本桥跨越既有铁路段及两端各向外延伸一孔范围设置防抛网，防抛网高度为高出桥面以上2.2m。
（5）对既有铁路影响
a.原桥护栏拆除
原桥护栏拆除采用纵向分块整体切除，分块长度2.5 m。先拆除非跨线部分护栏，后拆除跨线部分护栏，根据非跨线部分拆除情况不断优化跨线部分拆除方案，最大限度减小对桥下既有铁路的影响。跨线部分护栏拆除，采用桥面设伸臂+防护板方式边防护边拆除。
b.模板安装和拆除
跨线部分护栏向内缩，护栏外缘至箱梁悬臂端留出4 cm供模板支撑用，模板安装和拆除均在桥面板以内，从而减小对桥下既有铁路的影响。
c.混凝土浇筑
跨线部分桥面护栏采用拆除一孔重建一孔，减小大面积浇筑混凝土对桥下既有铁路的影响。
3 既有立交桥检算
防撞护栏维修更换引起恒载、活载和撞击力标准变化，影响悬臂板的受力安全性。本设计采用极限状态法检算悬臂板。
（1）恒载：护栏及防抛网合计每延米重8.34 kN；
（2）活载：公路一级荷载，冲击系数取0.3；
（3）风荷载：无人时 600 P a，有人时 119 P a（六级风）；
（4）汽车撞击力：根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81－2006）规范第 5.1.2条：防撞等级为S B级组合式护栏混凝土部分最小高度要求为65 cm，撞击力荷载取值P=365 kN，P0=1/4P=91.25 kN。
经检算，控制工况为恒载+汽车撞击力，受拉区最小配筋面积为4 324 mm2，实际采用配筋面积为5 360 mm2。正常使用状态短期组合作用下，最大裂缝跨度为0.057 mm，满足规范要求。
综上所述，为满足S B级防撞要求，对悬臂板顶面钢筋进行维修加固，凿除既有桥面1.1 m宽度范围的沥青混凝土铺装层、防水混凝土铺装层和箱梁顶面4 cm保护层，露出箱梁顶面钢筋并除锈，施做加强钢筋及桥面铺装。
4 施工防护设计
跨线段护栏拆除时，采用桥面设挂篮防护支撑体系边防护边拆除，挂篮防护支撑体系的稳定系数不小于2.0。挂篮防护支撑体系底面和侧面采用竹胶板+绝缘垫+镀锌白铁皮全封闭，挂篮全宽6.15 m，占用桥面宽度约5 m。挂篮支撑防护体系立面见图2。
图2 挂篮支撑防护体系立面图（单位:mm）
4.1 挂篮制作
（1）主要材料
热轧方钢（□150×150×8×8、□150×150×10×10）、H 型钢 H N150×75×5/7、等边角钢（∠100×8）、 圆钢Φ50、14#槽钢及钢绞线（1-7Φ5）。
钢板和型钢采用：Q235qD和Q345qD。
（2）挂篮构造
挂篮的基本结构按照用途不同可分为外挂篮、主桁移动小车、配重框、顶部连接装置等四部分。挂篮支撑防护体系现场施工照片见图3。
图3 挂篮支撑防护体系现场施工照片
a.外挂蓝
外挂篮为悬挑系统，整个挂篮框架主体由热轧方钢拼装、焊接而成。悬挑部分为承重挂篮，外挂篮在施工过程中为一个整体封闭结构，封闭挂篮底部框架由热轧方钢拼装、焊接而成，框架中间设置三根H型钢（H N150×75×5/7）横向肋，框架上铺设木垫板，木垫板上铺竹胶板，竹胶板上设绝缘垫，绝缘垫上设镀锌白铁皮防水层，与箱梁侧面接触处设置竖向挡板，形成与铁路设备完全隔离的封闭施工环境。
b.主桁移动小车
主桁移动小车主体由热轧方钢拼装、焊接而成,内部采用等边角钢斜向肋加强结构稳定性。桁架底部为行走系统，行走系统车轮为铁路器材厂成品Φ20 cm实心车轮，车轮行走轨道采用14＃槽钢固定引导，主桁架是整个结构的主体，能够起到平衡整个结构的作用，同时也是行走系统的主要部分。
考虑桥梁道路竖曲线和平面曲线，外挂篮按每节5 m制作，消除道路竖曲线产生的纵向挠度，减少平面移动的不便，同时便于运输、拼装及根据不同长度的调节需要。
c.配重框
配重框的作用主要是用于平衡外挂篮内的施工荷载，配重框外框架全部采用热轧方钢拼装、焊接而成，内部采用等边角钢横向肋加强结构稳定性，形成整体框架。配重框内配重可根据现场施工条件采用砂袋或钢轨等物体，满足设计提出的荷载要求即可，本着有利于受力平衡的原则，尽量均匀摆放于挂篮结构外侧。
d.顶部连接装置
顶部连接装置的作用是将外挂篮、主桁移动小车、配重框连接成一个整体，其布置于整个结构的顶部，采用热轧方钢及钢绞线组合而成。
4.1 挂篮检算
根据挂篮模型计算简图，采用M ID A S有限元软件进行建模计算，各杆件均采用梁单元模拟。挂篮每节5 m，按5节拼装，长25 m检算。挂篮有限元计算模型见图4。
图4 挂篮有限元计算模型
（1）挂篮配重计算
配重计算工况：要求施工时倾覆安全系数不小于2.0。
工况1：自重+2倍施工荷载+最小配重1；
工况2：自重+2倍设计风荷载+最小配重2；
工况3：自重+1倍施工荷载+2倍9级风荷载+最小配重3。
以前轴为转动轴，后轴支点竖向反力为零，挂篮处于倾覆的临界状态时，计算出各工况的最小配重计算结构见表1。
为提高挂篮使用的安全性，在挂篮框架主桁移动小车配重采用不小于230 kg/m的沙袋，同时核定要求在挂篮内施工操作人员重量不大于90 kg/m。
（2）挂篮强度检算
挂篮强度检算工况：
工况1：自重+配重+施工荷载；
工况2：自重+配重+施工荷载+9级风荷载；
工况3：自重+配重+设计风荷载。
挂篮结构强度检算结果见表2。
由表2可知，在以上三种工况作用下，挂篮各部分构件应力均小于允许值，外挂篮最大竖向挠度为19.1 mm。
表2 挂篮结构强度检算结果（应力：MPa，挠度：mm）
列举工况2作用下，挂篮强度检算结果及产生竖向挠度见图5～图7。
图5 钢绞线应力图（单位：MPa）
图6 挂篮应力图（单位：MPa）
图7 挂篮竖向挠度图（单位：mm）
（3）挂篮抗倾覆性检算
因挂篮是放在桥面上的，没有与桥梁连接，故需要对挂篮进行抗倾覆检算，检算工况如下：
工况1：自重（拼装时自稳性检算）；
工况2：自重+2倍配重；
工况3：自重+配重+设计风荷载。
a.工况1：为考察挂篮结构在拼装阶段还未加载配重时的自稳性，经计算挂篮在自重作用下后轴排支反力最小值为0.3 kN，均为正值，说明挂篮在自重作用下不会发生倾覆。挂篮在拼装完成后应及时加载配重。
b.工况2：为考察挂篮在加载完配重（考虑1倍超载）还未上施工荷载阶段的反向倾覆稳定性，经计算挂篮在工况2下前轴排支反力最小值为9.9 kN，均为正值，说明挂篮在此阶段不会发生倾覆。
c.工况3：大风天气暂停施工，考虑风荷载作用下挂篮的倾覆稳定性检算。
设计风力标准值:F=594 N/m2，25 m长度范围内防护板高度为2.2 m，最大力臂为1.1 m。
正向倾覆检算：以前轴为轴计算出不平衡力矩为35 937 N·m小于施工荷载引起的不平衡力矩 49 912.5 N·m。
反向倾覆检算：以后轴为轴计算出不平衡力矩为35 937 N·m小于工况2情况下的配重1倍超载引起的不平衡力矩42 500 N·m。
综上所述，故不需再进行抗风倾覆检算。
（4）挂篮稳定性检算
荷载工况组合：自重+配重+施工荷载，计算的屈曲模态数量为10。
计算结果由图8可知：计算出挂篮屈曲稳定系数为678.6，此时模态为整体顺桥向倒塌。678.6＞4.0，故挂篮结构稳定性满足要求。
图8 挂篮屈曲失稳图
5 结语
通过对天津市某上跨铁路立交桥防撞护栏进行维修加固设计，总结出以下几点经验供同类工程维修加固设计参考：
（1）在进行维修加固设计前，首先应收集既有立交桥的相关图纸资料，其次应实地对既有铁路相关设备与上跨立交桥的相互位置关系进行详细调查，根据调查结果和设计需要提出具体的测量要求。
（2）对路局提出的施工防护要求进行详细设计，保证施工安全及桥下既有铁路运营安全。
（3）根据道路等级及现行规范要求，设计相应防撞等级的防撞护栏，并对既有立交桥进行补强和检算。
（4）挂篮支撑防护体系一节长度不宜设计过大，应根据公路桥纵坡大小，以及方便现场安装和施工的原则进行设计。
（5）充分考虑各种工况作用下，对挂篮支撑防护体系进行配重计算、强度检算、抗倾覆性检算和稳定性检算。
（6）公路立交桥下为电气化铁路时须用导线将挂篮防护支撑体系接地，接地电阻应小于4Ω。
