桥梁混凝土护栏路灯基础承载能力分析

黄 玲 高 聪

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500）

随着城市夜景照明的发展，桥梁两侧的护栏路灯已成为重要的市政设施，既要求满足桥梁的防撞功能，还要求兼具照明和装饰功能。目前，常见的路灯基础采用两种方式：嵌入护栏结构中或将护栏断开，做在护栏中间。对于桥梁护栏路灯，除了考虑景观和照明效果，还应遵循桥梁及护栏结构本身特性[1-2]，特别是嵌入式的护栏路灯。本文考虑混凝土护栏路灯结构，对路灯基础在不同荷载组合下的承载能力极限状态及正常使用极限状态进行验算，确保改造路灯满足护栏结构承载能力要求。

1 计算模型

计算模型可取路灯与桥梁护栏结构作为隔离体，考虑护栏底座与桥梁梁体刚性或半刚性连接。对顺桥向和横桥向的护栏结构进行受力分析，如图1所示，桥梁护栏结构所受荷载及作用荷载分类见表1。其中，顺桥向和横桥向风荷载可参照JTG/T D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》，考虑各地区50年或100年重现期的基本风速值来计算[3]；人群荷载可根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》进行取值，作用在护栏立柱顶上的水平推力标准值取0.75，作用在护栏扶手上的竖向力标准值取1.0[4]；汽车撞击作用可根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》进行取值，汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1 000 kN，在车辆行驶垂直方向取500 kN，但不同时考虑两个方向的撞击力，撞击力直接分布于撞击构件上。

表1 结构作用荷载分类

图1 结构受力分析

2 计算方法

对于混凝土结构护栏，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[5]和JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，承载能力分析主要分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两大类，荷载组合工况见表2。其中，承载能力极限状态应考虑基本荷载组合和偶然荷载组合，并对不同荷载组合工况下的正截面受压承载力和斜截面受剪承载力进行计算，应满足正截面受弯承载力不应大于设计值；正常使用极限状态应考虑准永久荷载组合，并对不同荷载组合下的受拉边缘或正截面裂缝宽度进行验算，对于桥梁护栏，可采用二级裂缝控制等级构件，在荷载准永久组合下，应满足受拉边缘应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值。

表2 荷载组合工况

3 工程算例

某桥梁上部结构为预应力钢筋混凝土预制T梁，桥梁两侧设置了钢筋混凝土结构护栏，护栏混凝土材料为C30混凝土，轴心抗压强度标准值为20.1 N/mm2，轴心抗拉强度标准值为2.01 N/mm2；钢筋材料为HPB300钢筋和HRB400钢筋；混凝土保护层厚度为20 mm。桥梁改造路灯嵌入护栏结构中，路灯高8 m，重约310 kg。

采用有限元分析软件进行建模，建模方法为分离式建模法，即考虑钢筋和混凝土的滑移作用。其中混凝土单元使用三维实体8节点缩减积分单元进行模拟，钢筋使用三维线形桁架单元进行模拟。在建立模型时，将路灯及护栏装饰镂花部分转化为等效荷载作用于护栏扶手及路灯基础部分。基础底部按固结端进行约束，护栏扶手长度取1 m。建立的实体模型如图2所示。

图2 护栏与路灯三维有限元模型

3.1 承载能力极限状态

桥梁护栏承载能力极限状态主要进行正截面受压承载力计算、斜截面受剪承载力计算。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》计算可得，该护栏的弯矩设计值[M]为612.56 kN·m，轴向压力设计值[N]为338.57 kN，剪力设计值[V]为78.99 kN。

表2中的荷载组合工况1～工况4数值模拟计算的承载能力极限状态下的结构应力云图如图3所示，相应的混凝土最大应力值见表3。结果表明工况4的计算结果均大于混凝土轴心抗压强度标准值和轴心抗拉强度标准值，但均小于钢筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值，表明承载能力极限状态下，混凝土护栏结构表面可能产生环向裂缝。不同计算工况下的护栏结构最大内力值与设计值的比对结果见表4。结果表明，在荷载基本组合工况下，均满足正截面受压和斜截面受剪承载力验算，且荷载组合的内力计算结果远小于结构可承受的极限内力，表明在“结构重力+人群荷载+风荷载”的荷载组合情况下，护栏结构受力是安全的。而荷载偶然组合工况下，均不满足正截面受压和斜截面受剪承载力验算，且荷载组合的剪力值远超于结构可承受的极限内力，表明在“结构重力+汽车撞击作用”的荷载组合情况下，结构会出现破坏，且破坏形式可能表现为斜截面剪切破坏。

图3 不同工况下结构应力云图

表3 不同工况下混凝土最大应力值 /（kN/mm2）

表4 不同工况下结构最大内力值及验算结果

3.2 正常使用极限状态

桥梁护栏正常使用极限状态主要进行受拉边缘或正截面裂缝宽度验算。表2中的荷载组合工况5、工况6数值模拟计算的正常使用极限状态下的结构应力云图如图4所示，相应的混凝土最大应力值见表5。结果表明，按二级裂缝控制等级构件验算，工况五的结构受拉边缘处的混凝土最大拉应变较大，且小于混凝土轴心抗拉强度标准值。因此，正常使用极限状态下的计算工况均满足裂缝控制验算。

图4 不同工况下结构应力云图

表5 不同工况下混凝土最大应力值及验算结果 /（kN/mm2）

4 结语

本文采用隔离法建立了嵌入式的桥梁护栏路灯基础计算模型，结合规范分析了承载能力极限状态及正常使用极限状态的荷载组合工况。并以实际工程为例，对不同荷载组合下的混凝土护栏路灯基础的正截面受压承载力、斜截面受剪承载力及裂缝控制进行验算。结果表明，在不考虑汽车撞击荷载作用下，该护栏路灯基础满足规范的相关要求。总的来说，本文的计算模型、方法和应用案例可为类似的路灯基础承载能力计算提供参考。