钢护栏立柱背土质量的研究与计算

柳 佳

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

中国公路随着经济的腾飞而迅速发展，截至2019年中国公路总里程已达484.65万km。2019年，中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》指出，“提升本质安全水平。完善交通基础设施安全技术标准规范，持续加大基础设施安全防护投入，提升关键基础设施安全防护能力。”道路交通安全日渐人心，政府与人民对于交通安全的呼声愈发强烈。新版《公路交通安全设施设计细则》已于2018年实施，重点提升了护栏防护的安全设计理念，波形梁钢护栏作为被动防护的重要环节，在我国兴建公路中已经成为最常用半钢性护栏的一种，对驾驶人的生命及财产安全起到了至关重要的作用，这种护栏的防护主要是通过结构自身的形变及立柱支撑条件的反作用力完成的，结构的形变量取决于护栏的材质、厚度、结构尺寸等，这些均已在规范中做出详细的规定，而立柱的支撑条件主要受实际施工中土路肩的宽度、路基边坡的坡度、土基的构造物、土基的填料、压实度等客观条件的影响，本文针对钢护栏立柱支撑条件的不同，结合现行规范进行钢立柱支撑条件的分析、计算及补充。

1 影响立柱支撑条件的因素

国内外大量的实车足尺碰撞实验表明，钢护栏立柱埋设于土基中，埋设强度主要决定于立柱埋设深度和土基对钢立柱的约束力。按照规范规定，立柱埋设有其标准的深度，当受土基中构造物影响时，钢立柱无法按照标准深度打入，需要采用其他措施来加强深度不足的立柱的支撑条件，如缩短立柱间距、设置独立基础、采用连续梁基础等。土基对于钢立柱的约束力主要是，护栏受到车辆碰撞产生荷载时，土基对于钢立柱产生反作用的阻挡力，这种阻碍立柱外倾的力由土路肩的宽度、路基边坡的坡度、土基的填料、土基的压实度决定，当土基的支撑条件不足时，同样需要采取加强的方式弥补钢立柱所缺失的约束力。

2 立柱支撑条件的计算

土基对于钢立柱的约束能力集中体现在土基本身的质量，与土基填料的体积和密度紧密关联，通过计算出一根标准埋设深度的钢立柱的背土质量作为标准强度，以此来分析当支撑条件减弱时，通过何种补强来满足至标准强度。

图1 钢立柱背土约束力的影响范围侧面图和平面图

如图1所示，钢立柱背土的范围可以按照分界虚拟线简化为上、下2个部分，可以得出下列计算公式

S1=X2

(1)

(2)

(3)

(4)

H=h1+h2+0.1H

(5)

V=V1+V2

(6)

m=ρV

(7)

式中：X为钢立柱中心与土路肩外边缘的距离，m；H为钢立柱的埋设深度，m；h1、h2分别为分界后的上、下部的深度，m；S1为钢立柱中心外侧的背土顶面面积，m2；S2为钢立柱中心外侧的分界线处背土面积，m2；V1、V2分别为分界后的上、下部的体积，m3；V为对钢立柱产生约束力的背土体积，m3；ρ为土基密度(一般取值为1.8 t/m3)，m为背土质量，kg。

依照上述公式，分别对A、SB、SA级钢护栏的1根钢立柱标准埋设深度的背土质量进行计算，得出标准强度。

Gr-A-4E型托架式钢护栏，如图2所示。

图2 托架式A级钢护栏侧面图/mm

钢立柱规格为φ140×4.5 mm，X取值为556 mm，H取值为1 400 mm，通过计算可以得出Gr-A-4E型托架式钢护栏的一根立柱的背土质量约为2.34 t。

Gr-A-4E型防阻块式钢护栏，如图3所示。

图3 防阻块式A级钢护栏侧面图/mm

钢立柱规格为φ140×4.5 mm，X取值为439 mm，H取值为1 400 mm，通过计算可以得出Gr-A-4E型防阻块式钢护栏的一根立柱的背土质量约为1.42 t。

Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型钢护栏，如图4所示。

图4 SB级钢护栏侧面图/mm

SB级、SA级钢护栏的横断面与钢立柱标准埋设深度均一致，统一进行计算，钢立柱规格为F130×6 mm，X取值为435 mm，H取值为1650 mm，通过计算可以得出Gr-SB-2E、Gr-SA-3E型钢护栏的一根立柱的背土质量约为2.15 t。

当钢立柱的支撑条件不足以满足各等级护栏立柱的标准强度时，工程上一般采用加设混凝土基础的方式进行补强，原则上，相较标准强度不足的背土质量可以用同质量的混凝土进行替换，下面针对各等级钢护栏在补强时需要的混凝土工程量进行计算分析。

假定土路肩内600 mm深度设有管线，无法采用打入式进行钢立柱施工，拟采用600 mm宽、500 mm高混凝土基础+100 mm垫层的方案进行实施，工程中护栏混凝土基础一般采用C25标号，其密度约为2.38×103kg/m3。

通过式(1)～(7)公式，计算出钢立柱埋设深度为500 mm时的背土质量及需要补强的混凝土基础质量，计算结果如表1。

表1 埋深500 mm与标准埋深的背土质量比较

根据所得差值，分别进行混凝土基础的补强计算，结果如表2。

从表2可以得出，需要补强的混凝土基础长度多为2～3 m，当钢立柱间距为4 m时，每个钢立柱均可设置独立基础，当钢立柱间距不足4 m时，需要设置连续梁基础，以确保每一根需要补强的钢立柱拥有足够的支撑条件。本补强方案，同样适用于暗涵顶面填土高度不足段，根据钢立柱的实际埋设深度，确定所需要的的混凝土基础方案。

表2 补强混凝土基础方案

上述方案已在辽宁省高速公路取消省界收费站项目工程中得到了实际应用，该项目为在已建高速公路新建SB、SAm级钢护栏，土基中多数存在着通讯光缆、排水管线等使得钢立柱无法按照标准深度打入的情况，根据施工阶段测量的实际深度按照以上方法进行连续梁混凝土工程量的计算，并加以实施，有效保证钢护栏立柱达到标准的支撑条件。

3 结论与建议

本文研究计算了A级(托架及防阻块)、SB级、SA级钢护栏立柱标准埋设深度的背土质量，并举例计算了支撑条件不足埋设深度为500 mm的背土质量，确定了Gr-A-4E托架式钢护栏采用3 100×600×500(mm)的独立基础混凝土补强设计方案，Gr-A-4E防阻块式钢护栏采用1850×600×500(mm)的独立基础混凝土补强设计方案，Gr-SB-2E、Gr-SA-3E钢护栏采用2850×600×500(mm)的连续梁基础混凝土的补强设计方案，该类方案同样适用于管线段、暗涵段等无法达到标准埋设深度的情况，供设计人员参考，具体分析计算时还应根据实际路肩材料进行。

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