桥梁节段预制拼装护栏试验研究及分析

陈 轲,糜径超,金石川

(1.浙江省交通规划设计研究院有限公司,浙江 杭州 310030;2.中国电建集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 311122)

护栏作为桥梁的附属结构物,是一种重要的安全防护物。目前国内公路桥梁护栏普遍采用现浇钢筋混凝土护栏的形式,其具有刚度大、造价经济、防撞性能强的优点,但在实际施工中存在以下不足之处。

(1)模板安装复杂,需要辅助安装设备,且易发生跑模现象。

(2)大量的钢筋运输和加工作业,现场钢筋绑扎焊接,工期长、效率低。

(3)正立浇筑导致护栏厚度变化处振捣不充分,易出现空洞、蜂窝麻面和开裂等病害。

(4)现场工人在主梁悬臂外高空作业,具有一定危险性。

(5)浇筑过程中对桥下空间产生一定的干扰。

近年来,随着快速化、装配化的建桥理念不断推广,节段预制拼装护栏[1]因其施工快捷、集中生产、质量可控等优点得到了大量的关注。在台金高速工程中,为合理选取预制护栏形式,对多种护栏形式进行进一步研究和比选分析。

1 构造及受力分析

台金高速主线高架上部结构为预制T梁,原设计采用SA级现浇混凝土护栏,在施工过程中,建设单位希望充分利用现有预制场地标准化生产,加快施工进度并提升护栏浇筑质量,拟选取试验段桥梁变更为节段预制拼装护栏。预制护栏的关键技术点为护栏与桥面板的连接构造及预制工法,连接的可靠性和施工的便利性影响护栏的防撞性能和施工质量。经借鉴国内相关案例[2,3]与进一步创新,拟对以下三种护栏方案进行比选。

1.1 螺栓连接式

(1)构造特点

该方案护栏预制节段长度为4 m,外观与普通现浇护栏无异。预制时,在护栏内部每隔1 m预埋一组2根共计8根M30六角螺栓,相对应梁板位置则预埋直径48 mm的钢套筒,套筒与Φ21×1.5 mm注浆管相连,注浆管开口位于桥面板顶部,同时在套筒顶部设置水平出浆口。其施工步骤如下:提前在预制场完成护栏节段施工,待上部结构施工完毕后,现场吊装预制护栏节段,将螺栓插入钢套管内,拧紧桥面板底部螺母,通过预埋注浆管注入砂浆至钢套筒内直至出浆口有浆液流出,保证填充密实,使螺栓与套筒紧密结合。

(2)结构计算

预制护栏通过预埋螺栓与主梁悬臂连接,在车辆碰撞荷载作用下,螺栓承受水平向剪切力和向上的拉拔力。根据《公路交通安全设施设计细则》[4],SA级桥梁护栏碰撞力为86 kN/m,将该碰撞力加载至护栏顶部,验算工况下螺栓的受力情况。

根据《钢结构设计标准》[5](GB 50017—2017),对于同时承受剪力和轴向拉力的普通螺栓,经验算符合规范中公式(1)要求

=0.81≤1

(1)

采用有限元软件进行护栏的局部分析,建模时详细模拟了护栏、螺栓、钢管和部分悬臂,考虑到结构和受力的对称性,建立了一半预制节段即2 m长的护栏模型。模型中有几点近似的假设:(1)不考虑护栏普通钢筋对结构刚度影响;(2)不考虑预制护栏与桥面板之间以及螺栓、钢管与混凝土之间存在的接触非线性;(3)螺栓、钢管与混凝土之间采用共节点的方式忽略钢材表面与混凝土表面之间的滑移。

结果显示螺栓的应力最大值产生在护栏与悬臂接触的位置,达到191 MPa;钢套筒的应力最大值也位于护栏与悬臂接触的位置,达到293 MPa,对应位置桥面板混凝土应力也较大。从整体上看,结构受力在规范材料设计允许范围之内,但结构薄弱点位于护栏与悬臂接触面应力集中位置附近,应引起高度重视。

1.2 钢板连接式

(1)构造特点

该方案护栏节段长度为4 m,预制时,每隔1 m在护栏内部预埋一块厚度20 mm的Q345上钢板,在护栏钢筋绑扎时即预埋入护栏内部,钢板双侧通过6根锚固钢筋增强锚固性能。预制护栏时,在其内侧根部预留后浇槽口[6],使上钢板部分外露。同时在T梁桥面板顶部也预埋一块200 mm×180 mm×20 mm的下钢板,顶部露出桥面1 cm,底部由8根锚固钢筋与桥面板内钢筋连接。上、下钢板之间预留约2 cm空隙。其施工步骤如下:提前在预制场完成护栏节段施工,待上部T梁架设完毕,吊装预制护栏节段,现场临时定位支护,根据实测上下钢板之间空隙,加工并插入调平钢板,分别与上、下钢板进行焊接,然后对后浇槽内进行注浆填充,直至密实完成连接。

(2)结构计算

采用有限元软件取1 m标准节段局部分析,建模模拟了桥面板、护栏、上下钢板、调平钢板以及锚固筋,对T梁悬臂根部采用固结边界条件,施加撞击力按SA级护栏取值,均布加载至护栏顶部。钢筋与实体单元之间按耦合节点处理,并考虑钢板与混凝土之间的接触效应。验算结果表明,下钢板内侧与锚固筋根部连接位置出现应力集中,最大Mises应力可达到237 MPa,对应位置的桥面板混凝土局部出现较大拉应力,表明下钢板的锚固是最不利的控制点,其余部位应力分布较为均匀。

1.3 钢筋连接式

(1)构造特点

该方案护栏外观和钢筋布置形式与常规现浇护栏基本一致,不同点在于预制时,在底部设置22.5 cm×20 cm的后浇槽,此槽口作为焊接空间。护栏抗拔主要依靠护栏内侧两道预埋的d16钢筋与预埋在桥面板内的d16钢筋之间的单面焊缝,钢筋焊接长度保证10 d。其施工步骤如下:提前在预制场完成护栏节段施工,待上部T梁架设完毕,将护栏置于座浆层上进行定位,然后焊接预埋钢筋,再浇筑桥面调平层混凝土,后浇槽内部分混凝土随桥面调平层一同浇筑,后设立侧钢模板,模板上预留注浆孔与出浆孔将剩余的槽口部分注浆密实。

(2)结构计算

该方案的受力特性与现浇护栏基本无异,由表1可知,钢筋应力计算结果都可满足规范要求。

表1 钢筋拉应力计算结果

2 方案比选分析

(1)力学性能

螺栓连接式利用螺栓直接插入桥面板内并通过螺母锚固在悬臂板底部,其锚固性能较好。但在4 m节段范围内,受力点集中在8根螺栓位置,易导致集中受力下的随机破坏[7]。钢板焊接式主要依靠调平钢板焊缝和锚固钢筋将护栏荷载传递至桥面板,焊接质量对护栏防撞性能起到决定性的影响,且同样存在依靠局部传力,受力集中的问题。钢筋焊接式的传力构件为预埋锚固筋,其受力类似现浇护栏,延护栏通长等间距布置的钢筋有利于荷载均匀传递至桥面板,而现浇护栏多年的应用也证明其受力的可靠性。

钢筋连接式护栏目前国内外已有实车碰撞试验,为探究螺栓连接式和钢板连接式护栏的受力特性和破坏模式,为三者比选提供依据,针对这两种结构进行了静力加载试验。试验取4 m长标准节段,加载采用自平衡的方式,在T梁顶部预埋钢结构反力架,采用2台小型千斤顶串联同步水平顶推的方式,根据规范,加载点中心距离护栏顶缘5 cm,并在护栏和千斤顶之间设置钢垫板,为便于观察,后浇槽内的混凝土不予浇筑。加载流程先按0.1倍设计荷载预加载以消除非弹性变形,后分0.3、0.5、0.7、0.9、1.0五级逐级加载至规范设计荷载,最后加载至破坏为止。

通过对加载过程的跟踪观察,螺栓连接式护栏的极限承载力约为1.3倍设计荷载,其破坏状态下,护栏未见明显裂缝,但悬臂板底部螺栓锚固板位置有拔出趋势,延横桥向出现冲切裂缝,节段端部位置悬臂板侧面有较深的斜向裂缝,说明该方案受力集中较为明显,且桥面板破坏先于护栏自身破坏。钢板连接式护栏加载至设计荷载时结构无明显裂缝出现,1.2倍设计荷载时,翼板顶面混凝土开始出现开裂剥离现象,横向位移快速增加,加载至约1.5倍设计荷载时,翼板顶部完全破裂。其破坏模式为桥面板下钢板的锚固筋出现断裂,极限破坏状态下,下钢板出现较大转动变形,导致护栏整体转动后外侧挂檐与悬臂板外侧顶紧,直至出现斜裂缝。上述两种护栏都存在受力集中,局部开裂的问题。

(2)施工便利性

为保证在只有18 mm定位容差的条件下,将M30螺栓插入直径48 mm钢套筒,螺栓连接式护栏在预制时要求对螺栓和套筒进行精确定位,尤其当护栏位于曲线段桥梁时,这种结构在实际施工中操作难度极大[8]。钢板连接式护栏因其下钢板平面尺寸较大,上钢板误差容差较大,平面定位难度相对较小,但由于梁板预制时的误差和纵坡影响,上下钢板之间的间隙会在2 cm上下浮动,要求调平钢板需要根据实测间隙进行切削等特殊定制,不利于大批量的快速施工。另外后浇槽空间狭小,工人焊接钢板操作不便。相较而言,钢筋连接式护栏因预埋钢筋的间距可通过胎架进行提前定位,且实际操作中可以适当掰动钢筋,其定位难度相对较小,但现场钢筋焊接工作量最大,且后浇槽空间狭小工人焊接操作不便。

(3)经济性

以4×30 m一联T梁合计240 m长预制护栏为例,对上述三种方案进行测算。如表2所示,相比普通现浇护栏,三种预制护栏材料费和机械费用都有增加,但可以大大节约人工,缩短工期。螺栓连接式和钢板连接式合计造价基本相当,较现浇护栏增加约8 000元,工期分别缩短5 d和4 d;钢筋连接式较现浇护栏节省194元,但总工期较另外两者长。

表2 4×30 m一联预制护栏较现浇护栏工料机增减对比表

对上述三种类型护栏综合比选如表3所示。

表3 三种类型预制护栏比选表

3 结 语

以台金高速预制护栏设计变更为背景,结合有限元分析计算和试验研究结果,对三种类型的节段预制护栏从结构受力、施工方法、经济效益等方面进行比选分析,得出以下结论。

(1)钢筋连接式预制护栏虽然存在焊接工作量大、后浇槽色差等缺点,但具有节约工期、传力均匀、实际可操作性强等优势。

(2)钢板连接式和螺栓连接式护栏在与主梁结合部位受力较为集中,且如何适应曲线超高段桥梁等复杂情况带来的施工精度问题有待进一步研究深化。

(3)依托项目仅对试验段2 km长度采用预制护栏,因此经济性上相较现浇护栏无明显提升,若进行大规模预制生产,其固定成本会进一步摊销,考虑到不断上涨的人力成本以及预制护栏可充分利用预制场进行提前标准化生产,加快施工进度、提升浇筑质量,预制护栏的综合效益优于现浇护栏。