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運(yùn)營(yíng)橋梁防撞護(hù)欄承載能力驗(yàn)算評(píng)估存在的問(wèn)題及新的計(jì)算方法初探

2021-09-10 01:31:34賈黎麗
公路交通技術(shù) 2021年4期
關(guān)鍵詞:翼緣板防撞護(hù)欄

趙 戈, 鄒 衡, 安 峰, 賈黎麗

(重慶高速公路集團(tuán)有限公司, 重慶 401121)

自2018年重慶萬(wàn)州公交墜江事件后,國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)、交通運(yùn)輸部及各省市主管部門(mén)下文要求就對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁的安全防護(hù)能力進(jìn)行評(píng)估及提升。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]及交通運(yùn)輸部就橋梁防護(hù)設(shè)施評(píng)估提升的各類(lèi)指南的相關(guān)要求,重慶高速公路集團(tuán)有限公司就轄區(qū)范圍內(nèi)部分橋梁防撞護(hù)欄的能力進(jìn)行評(píng)估,在評(píng)估驗(yàn)算過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)對(duì)于運(yùn)營(yíng)中的橋梁,特別是建設(shè)年代較早的中小跨徑預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁,其懸臂板的承載能力難以通過(guò)驗(yàn)算,甚至其僅為計(jì)算承載需求的1/9左右。從工程經(jīng)驗(yàn)看,如果橋梁構(gòu)件的承載能力需求比達(dá)到1∶9,那該構(gòu)件將是一個(gè)并不安全,甚至可看作是危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)體系。但從我國(guó)公路橋梁建設(shè)的情況看,中小跨徑預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁是運(yùn)用最為廣泛的橋梁結(jié)構(gòu)之一,且根據(jù)我國(guó)多年的高速公路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)、報(bào)道來(lái)看,雖車(chē)輛撞擊橋梁防撞護(hù)欄的交通事故時(shí)有發(fā)生,但因沖擊導(dǎo)致橋梁防撞系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的破壞失效,進(jìn)而引起更為嚴(yán)重的交通事故的案例鮮有見(jiàn)聞。這說(shuō)明現(xiàn)有公路橋梁安全防護(hù)體系基本可達(dá)到預(yù)期的防護(hù)效果,但這又與前述的承載能力計(jì)算結(jié)果不相符合,這也表明規(guī)范中對(duì)于護(hù)欄防護(hù)能力的計(jì)算方法可能存在一定的使用局限性。

為此,針對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁的防撞護(hù)欄改造,如簡(jiǎn)單的按照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)不能通過(guò)防護(hù)體系承載能力驗(yàn)算的橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng),將造成極大的社會(huì)資源浪費(fèi)。如何正確評(píng)估既有橋梁防護(hù)體系的承載能力,在安全、經(jīng)濟(jì)、合理的前提下更有針對(duì)性地制定既有橋梁的護(hù)欄提升方案,是當(dāng)今存在于我國(guó)公路建設(shè)、管理行業(yè)從業(yè)人員中的一個(gè)重要課題。本文將從我國(guó)歷版規(guī)范中,對(duì)于公路橋梁防撞護(hù)欄的計(jì)算分析方法演變過(guò)程入手,分析其防撞護(hù)欄承載能力驗(yàn)算理論,并在現(xiàn)行規(guī)范中驗(yàn)算方法的基礎(chǔ)上,提出針對(duì)既有橋梁防撞護(hù)欄承載能力驗(yàn)算的新的計(jì)算方法。

1 驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)的演變

我國(guó)針對(duì)公路橋梁防撞護(hù)欄的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可按照規(guī)范發(fā)布的年限分為4個(gè)階段:1) 1994年以前,無(wú)相關(guān)設(shè)計(jì)參考規(guī)范限定;2) 1994年—2006年,針對(duì)高速公路橋梁所頒布的JTJ 074—94《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》[2](簡(jiǎn)稱(chēng)《94規(guī)范》)對(duì)橋梁護(hù)欄的建設(shè)提出相關(guān)要求;3) 2006年—2017年,防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)參考規(guī)范為JTG D81—2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](簡(jiǎn)稱(chēng)《06規(guī)范》);4) 2017年以后,防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)參考規(guī)范為JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](簡(jiǎn)稱(chēng)《17規(guī)范》)。以下是對(duì)上述規(guī)范中關(guān)于橋梁防撞護(hù)欄的防撞能力驗(yàn)算的演變過(guò)程,并結(jié)合國(guó)外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析。

1.1 碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值的演變

車(chē)輛在碰撞護(hù)欄時(shí),碰撞荷載的作用點(diǎn)是沿著護(hù)欄迎撞面移動(dòng)的,隨著時(shí)間而變化,并在某一時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)峰值。車(chē)輛碰撞護(hù)欄是十分復(fù)雜的過(guò)程,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊荷載作用下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)做了大量研究,也提出了多個(gè)基于沖擊能量的碰撞數(shù)值模型及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的損傷和破壞形態(tài)等理論,到目前為止尚沒(méi)有精確且適用的方法來(lái)進(jìn)行車(chē)輛碰撞護(hù)欄時(shí)的沖擊力計(jì)算公式。因此在國(guó)內(nèi)外的規(guī)范中,不管是針對(duì)不同防護(hù)等級(jí)的防撞護(hù)欄,還是依靠由車(chē)輛碰撞試驗(yàn)結(jié)果所提出的標(biāo)稱(chēng)碰撞力標(biāo)準(zhǔn)值,這些理論均難以直接運(yùn)用在護(hù)欄的碰撞力計(jì)算中。在國(guó)內(nèi)外關(guān)于防撞護(hù)欄的碰撞力,均為按照護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)需求給定其相應(yīng)的碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值及相應(yīng)分布長(zhǎng)度,然后按照均布荷載進(jìn)行計(jì)算,如表1所示。

表1 各規(guī)范PL3級(jí)護(hù)欄碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

由表1可知,從我國(guó)歷年規(guī)范更替的情況看,以PL3級(jí)護(hù)欄為例,規(guī)范中對(duì)于碰撞荷載的標(biāo)準(zhǔn)值均有較為明顯的提高。同時(shí),對(duì)比美國(guó)公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)規(guī)范《AASHTO LRFD Bridge》(8th,2017)中相應(yīng)的TL-5級(jí)護(hù)欄,其碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值為551.25 kN,分布長(zhǎng)度為2.438 m[4],其相應(yīng)的計(jì)算荷載集度為226.1 kN/m,與我國(guó)的《17規(guī)范》相近。

由表1還可知,我國(guó)3版規(guī)范中對(duì)于碰撞力的荷載集度在逐漸提高,在對(duì)比等級(jí)的護(hù)欄中,《06規(guī)范》規(guī)定的荷載集度在《94規(guī)范》的基礎(chǔ)上提高了15.6%,而《17規(guī)范》規(guī)定的荷載集度在《06規(guī)范》的基礎(chǔ)上提高了108.4%。雖然從荷載集度上《17規(guī)范》較《06規(guī)范》中提高了1倍以上,但因2部規(guī)范的計(jì)算方法并不相同,故就防護(hù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不一定大幅提升。

1.2 計(jì)算方法的演變

從規(guī)范的發(fā)展看,《94規(guī)范》對(duì)護(hù)欄及護(hù)欄與橋面板連接強(qiáng)度的驗(yàn)算方法是基于強(qiáng)度的計(jì)算理論,即按照規(guī)范給定碰撞力,并根據(jù)懸臂梁的受力計(jì)算方法,按照鋼筋混凝土截面對(duì)護(hù)欄進(jìn)行受力計(jì)算;《06規(guī)范》計(jì)算方法本質(zhì)上與《94規(guī)范》相同。

而現(xiàn)行的《17規(guī)范》中對(duì)于橋梁防撞護(hù)欄承載能力的計(jì)算理論,已摒棄原有基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,改為與AASHTO相同的基于延性的屈服線(xiàn)計(jì)算理論作為護(hù)欄強(qiáng)度的主要計(jì)算方法,并引入了能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路。以混凝土護(hù)欄為例,其設(shè)計(jì)計(jì)算主要分為如下2個(gè)步驟:

1) 護(hù)欄本體的承載能力驗(yàn)算

對(duì)于鋼筋混凝土護(hù)欄的橫向承載力驗(yàn)算,根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,采用屈服線(xiàn)分析(Yield LineAnalysis),通過(guò)護(hù)欄的截面及配筋情況,按照碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段與碰撞發(fā)生在端部,分別驗(yàn)算護(hù)欄的公稱(chēng)承載能力,并與相應(yīng)等級(jí)護(hù)欄需承受的公稱(chēng)荷載相比較,判定其防撞能力能否滿(mǎn)足要求,如圖1所示。

(a) 結(jié)構(gòu)形式

(b) 標(biāo)準(zhǔn)段碰撞計(jì)算模型

(c) 端部碰撞計(jì)算模型

2) 護(hù)欄與梁體連接強(qiáng)度驗(yàn)算

橋梁防撞護(hù)欄受到車(chē)輛撞擊后,在橋梁護(hù)欄上受到橫橋向的水平?jīng)_擊荷載作用時(shí),主梁結(jié)構(gòu)最薄弱區(qū)域?yàn)橐砭壈鍛冶鄄糠?,另因翼緣板在橫橋向一般為變截面,在沖擊荷載下,翼緣板最不利截面為護(hù)欄內(nèi)表面與翼緣板相交部分,也是橋梁結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算截面,如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算截面位置示意

具體的驗(yàn)算荷載組合及計(jì)算公式見(jiàn)JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[5](簡(jiǎn)稱(chēng)《17細(xì)則》),本文僅對(duì)其計(jì)算理論的運(yùn)用進(jìn)行分析。為進(jìn)一步分析規(guī)范中的計(jì)算理論,現(xiàn)行規(guī)范中引入了能力保護(hù)構(gòu)件(Capacity Protected Member)的設(shè)計(jì)概念,即在計(jì)算時(shí)將防撞護(hù)欄作為能力保護(hù)構(gòu)架,而將主梁懸臂作為被保護(hù)構(gòu)件,設(shè)計(jì)要求懸臂板的驗(yàn)算截面強(qiáng)度高于護(hù)欄的公稱(chēng)承載能力,使其在極端荷載作用下,破壞發(fā)生在護(hù)欄中,而不會(huì)發(fā)生在懸臂板上。

2 承載能力計(jì)算理論分析

通過(guò)對(duì)比我國(guó)歷版規(guī)范的演變過(guò)程可知,相較早期的規(guī)范版本,現(xiàn)行《17規(guī)范》設(shè)計(jì)理念、計(jì)算理論均發(fā)生了較大的變化,采用了針對(duì)極端荷載作用更為科學(xué)合理的塑性計(jì)算理論,并引入了能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)理念。

2.1 屈服線(xiàn)計(jì)算理論

《17規(guī)范》中最為明顯的變化,是各個(gè)等級(jí)防撞護(hù)欄碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值的荷載集度均出現(xiàn)了較為明顯的提高。但在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中發(fā)現(xiàn),橋梁護(hù)欄的斷面尺寸和配筋并未出現(xiàn)較大的變化,這與橋梁防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)相對(duì)較為保守有一定的關(guān)系,但根本上,是因防撞護(hù)欄的計(jì)算理論不同所致。

《17規(guī)范》的計(jì)算理論摒棄了傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的靜力計(jì)算方法,而采用基于結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞的屈服線(xiàn)理論(或稱(chēng)為塑性線(xiàn)理論)對(duì)防撞護(hù)欄的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。在早期規(guī)范中,基于強(qiáng)度計(jì)算理論僅能計(jì)算結(jié)構(gòu)破壞前的強(qiáng)度及線(xiàn)彈性階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,而不能充分考慮結(jié)構(gòu)在發(fā)生塑性形變后的承載能力。而沖擊碰撞破壞是一種偶然且極端的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài),在此類(lèi)荷載下是允許結(jié)構(gòu)本身發(fā)生可控的開(kāi)裂、變形,考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段的承載能力,從而能夠充分地利用材料本身的強(qiáng)度。

2.2 能力保護(hù)構(gòu)件理論

能力保護(hù)構(gòu)件理念基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性及其損壞發(fā)生后的可修復(fù)性,并以此作為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即人為使結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性較低,并當(dāng)發(fā)生損壞后,修復(fù)代價(jià)更小的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,且設(shè)計(jì)強(qiáng)度低于其鄰近的主要構(gòu)件。一旦地震、爆炸、撞擊等極端情況發(fā)生,通過(guò)次要構(gòu)件的破壞耗能或阻斷外荷載的急需輸入,從而避免了主要構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重破壞的設(shè)計(jì)理念,如同在電路中設(shè)置“保險(xiǎn)絲”的作用。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的能力保護(hù)構(gòu)件為門(mén)架墩的橫系梁,在地震發(fā)生時(shí),橫系梁的破壞既耗散了地震荷載,又釋放了部分對(duì)橋墩的約束,減輕了橋墩在地震中的破壞程度,使得橋梁結(jié)構(gòu)在地震中不至于發(fā)生坍塌。在震后,橫系梁的修復(fù)難度也遠(yuǎn)小于橋墩出現(xiàn)嚴(yán)重破壞后的修復(fù)難度。由此可見(jiàn),能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)在于區(qū)分主要構(gòu)件與次要構(gòu)件,并在極端情況發(fā)生時(shí),將破壞點(diǎn)引至對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)重要性更低、影響更小、修復(fù)代價(jià)較小的次要構(gòu)件,進(jìn)而達(dá)到保護(hù)主要構(gòu)件目的的設(shè)計(jì)理論。

《17細(xì)則》附錄“D.4橋面板懸臂設(shè)計(jì)”中,對(duì)支撐混凝土護(hù)欄的橋面板考慮極限狀態(tài)I,規(guī)定“橋面板懸臂可提供彎曲抗載能力Ms(kN·m/m),與式D.4.2規(guī)定的拉力T(kN/m)同時(shí)作用,應(yīng)超過(guò)護(hù)欄根部的Mc。軸向拉力T可表示為:T=RW/(Lc+2H)”[5]。在式中,Rw為采用屈服線(xiàn)理論計(jì)算的護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值,而非由碰撞本身所產(chǎn)生的荷載?!?7規(guī)范》要求主梁懸臂板與護(hù)欄連接處的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要高于護(hù)欄本體的強(qiáng)度,即在出現(xiàn)極端情況時(shí),破壞將發(fā)生在護(hù)欄本體內(nèi),而非發(fā)生在主梁懸臂板中。

2.3 計(jì)算理論適用性分析

車(chē)輛沖擊碰撞橋梁結(jié)構(gòu)防撞護(hù)欄屬于偶然荷載,而采用考慮材料塑性階段性能的屈服線(xiàn)理論,比基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)理論更為科學(xué)合理。但筆者認(rèn)為,能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用在橋梁防護(hù)體系中,也存在一定的局限性。

2.3.1 橋梁防撞體系所保護(hù)的主體應(yīng)該為行駛在橋梁上的駕乘者,而非橋梁

橋梁防撞體系的主要作用是防止行駛車(chē)輛在發(fā)生碰撞后,因防護(hù)體系失效而導(dǎo)致車(chē)輛沖出橋面造成二次損失。無(wú)論是護(hù)欄墻體發(fā)生破壞,還是主梁翼緣板邊緣發(fā)生破壞,一旦防護(hù)系統(tǒng)失效后將導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果,并評(píng)價(jià)為防護(hù)體系失效。較行駛車(chē)輛沖出橋面所發(fā)生的后果及造成車(chē)毀人亡的損傷而言,橋梁結(jié)構(gòu)的破壞是發(fā)生在主梁上還是護(hù)欄墻體上并不重要。

2.3.2 對(duì)采用混凝土護(hù)欄的橋梁,主梁懸臂和防撞護(hù)欄的結(jié)構(gòu)形式相似,其修復(fù)難度相當(dāng)

城市橋梁在橋側(cè)設(shè)置慢行系統(tǒng),公路橋梁則在橋梁兩側(cè)翼緣板上設(shè)置了防撞護(hù)欄。常見(jiàn)的預(yù)應(yīng)力T梁或預(yù)應(yīng)力小箱梁的預(yù)應(yīng)力均布置在腹板內(nèi),其翼緣板外緣并未布置預(yù)應(yīng)力鋼束。因此,翼緣板外側(cè)本質(zhì)上與混凝土護(hù)欄的結(jié)構(gòu)形式相同,均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在極端情況下發(fā)生破壞,修復(fù)難度相近。

2.3.3 能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)理念需在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行,而對(duì)既有橋梁的評(píng)估并不適用

橋梁安全防護(hù)體系不僅包含橋梁的防撞護(hù)欄,還應(yīng)包含防撞護(hù)欄與橋面懸臂板的結(jié)點(diǎn)。根據(jù)筆者對(duì)現(xiàn)今橋梁設(shè)計(jì)情況的調(diào)查,大多中小跨徑高速公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí),基本都是套用相應(yīng)跨徑和結(jié)構(gòu)體系橋梁的標(biāo)準(zhǔn)圖,而防撞護(hù)欄的標(biāo)準(zhǔn)圖與主梁的標(biāo)準(zhǔn)圖往往是獨(dú)立的,而并未進(jìn)行配套設(shè)計(jì)。另外,筆者對(duì)收集到重慶市及周邊省份的高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圖中各等級(jí)護(hù)欄的設(shè)置均較為保守。以某省SS級(jí)混凝土護(hù)欄為例,其豎向鋼筋采用Φ16 mm的HRB400按間距10 cm進(jìn)行排布,該規(guī)格護(hù)欄按照《17規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算,其公稱(chēng)承載能力甚至超過(guò)了其等級(jí)承載需求的1倍以上。按照能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)理念,其護(hù)欄本體的防撞能力,變成了與之相連接的懸臂板需求,這一理念相較保守的護(hù)欄本體設(shè)計(jì)將導(dǎo)致懸臂板的強(qiáng)度需求急劇增大。對(duì)于既有橋梁,如在設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行護(hù)欄本體和主梁懸臂的強(qiáng)度匹配設(shè)計(jì),則很難通過(guò)承載能力驗(yàn)算。

2.3.4 在《17細(xì)則》中,對(duì)橋面板懸臂驗(yàn)算不通過(guò)的情況表述不清晰,且未給出明確的結(jié)論與后續(xù)驗(yàn)算評(píng)估方法

針對(duì)橋面板懸臂設(shè)計(jì)驗(yàn)算不通過(guò)的情況,《17細(xì)則》附錄D.4章節(jié)的條文說(shuō)明原文為“如果橋面板懸臂的承載能力小于所規(guī)定的值,那么護(hù)欄的屈服線(xiàn)破壞機(jī)理就不能如圖D.3.1-1一樣,式D.3.1-1和式D.3.1-2就不正確。碰撞試驗(yàn)的目的是保存下來(lái),不必識(shí)別出是否達(dá)到了護(hù)欄系統(tǒng)的極限強(qiáng)度。這可能會(huì)使護(hù)欄系統(tǒng)過(guò)度設(shè)計(jì),導(dǎo)致橋面板也進(jìn)行過(guò)度設(shè)計(jì)的可能性增加?!盵5]《17細(xì)則》條文說(shuō)明表述方式令人費(fèi)解,且其語(yǔ)序與用詞并非中文的理解習(xí)慣。為了理解其條文說(shuō)明要義,筆者查閱了《AASHTO LRFD BDS》中相關(guān)內(nèi)容的闡述,美規(guī)的原意為“如撞擊后發(fā)生破壞的破壞面不在防撞墻本體,則規(guī)范中給定的屈服線(xiàn)計(jì)算理論則不適用于該情況,相應(yīng)的計(jì)算公式也不成立。如果橋梁護(hù)欄出現(xiàn)了明顯的過(guò)度設(shè)計(jì),為滿(mǎn)足驗(yàn)算要求,則可能導(dǎo)致橋面板懸臂也出現(xiàn)過(guò)度設(shè)計(jì)。對(duì)于此類(lèi)情況,可通過(guò)碰撞試驗(yàn)進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證?!盵4]

分析上述條文可知,規(guī)范中已認(rèn)識(shí)到當(dāng)因防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)于保守后,再使用該計(jì)算公式已無(wú)法對(duì)防護(hù)體系的安全狀況進(jìn)行正確的評(píng)估,且規(guī)范中也明確表明這類(lèi)情況并非是不安全情況,此時(shí)驗(yàn)證其安全性的方式只能采用碰撞試驗(yàn),但沒(méi)有給出一個(gè)可行的計(jì)算驗(yàn)證方法。

3 既有橋梁防撞護(hù)欄計(jì)算評(píng)估方法改進(jìn)

通過(guò)對(duì)規(guī)范中橋梁護(hù)欄的承載能力進(jìn)行理論分析,基本可回答本文開(kāi)篇所提出的問(wèn)題,即對(duì)部分預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁,其橋面板懸臂端的計(jì)算承載能力僅有防護(hù)需求的1/9的情況下,還可基本達(dá)到其應(yīng)有的防護(hù)效果,其根本原因在于引入能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)理論。

如前所述,以往大多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)時(shí),并未考慮護(hù)欄強(qiáng)度與橋面板強(qiáng)度之間的匹配問(wèn)題,而隨著規(guī)范中對(duì)于碰撞力的逐版提升,其護(hù)欄本體的截面尺寸均在增大,配筋均在增強(qiáng)。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),即使在《94規(guī)范》頒布實(shí)施時(shí)期,建設(shè)的部分高速公路橋梁,其護(hù)欄本體橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值已超過(guò)該規(guī)范要求的2倍以上,此時(shí)在計(jì)算橋面板懸臂與護(hù)欄本體的連接強(qiáng)度時(shí),過(guò)高的護(hù)欄本體強(qiáng)度則變?yōu)榱擞?jì)算連接強(qiáng)度的承載力需求。2000年左右通車(chē)的某高速公路橋梁護(hù)欄體系如圖3所示。圖3中,護(hù)欄根部斷面a-a的寬度為33.4 cm,而主梁與護(hù)欄連接處斷面b-b的寬度僅有13 cm,僅從截面寬度比較,防撞護(hù)欄本體的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于橋面板懸臂的強(qiáng)度,是出現(xiàn)上述問(wèn)題的主要原因。

圖3 驗(yàn)算截面示意

綜上分析,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁防撞護(hù)欄防護(hù)能力的驗(yàn)算,均不能對(duì)既有橋梁防撞護(hù)欄體系的承載能力進(jìn)行正確判斷,如何認(rèn)識(shí)和評(píng)估現(xiàn)有橋梁防撞體系的防撞能力是各等級(jí)公路橋梁管理者需解決的難題。對(duì)既有現(xiàn)狀的橋梁護(hù)欄,通常采用建立實(shí)體有限元模型驗(yàn)算,或通過(guò)實(shí)車(chē)碰撞來(lái)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。但由于三維建模計(jì)算工作量較大,且對(duì)碰撞力時(shí)程曲線(xiàn)的選取和邊界條件的設(shè)置等不同,對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大,因此需進(jìn)行大量深入研究工作;采用碰撞試驗(yàn)的方式雖直觀,但相應(yīng)的實(shí)施周期較長(zhǎng),且成本高。為此,本文在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上,提出一種簡(jiǎn)便有效的評(píng)估驗(yàn)算方法,對(duì)既有橋梁的防撞體系進(jìn)行能力驗(yàn)算。

3.1 削弱截面法計(jì)算護(hù)欄承載能力

通過(guò)對(duì)計(jì)算理論的分析可知,《17規(guī)范》中對(duì)于橋梁防撞體系承載能力的驗(yàn)算思路為:1) 使用塑性理論計(jì)算護(hù)欄本體的承載能力,證明防撞護(hù)欄本身具備足夠的強(qiáng)度;2) 通過(guò)驗(yàn)算后,再使用能力保護(hù)構(gòu)件的計(jì)算理念比對(duì)護(hù)欄本體強(qiáng)度和與之連接的主梁翼緣板的強(qiáng)度,若翼緣板強(qiáng)度高于護(hù)欄本體強(qiáng)度,則認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)是安全的。

根據(jù)上述分析,通過(guò)該驗(yàn)算思路對(duì)防撞系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估會(huì)帶來(lái)一個(gè)悖論,若護(hù)欄本體強(qiáng)度與梁體懸臂端強(qiáng)度均能夠滿(mǎn)足防護(hù)需求,但懸臂板強(qiáng)度低于護(hù)欄本體強(qiáng)度,則按照《17規(guī)范》的計(jì)算方法,均不可能通過(guò)驗(yàn)算,這一點(diǎn)在T型梁、小箱梁這類(lèi)在橋側(cè)帶有厚度較小的翼緣板的橋梁中表現(xiàn)較為突出,筆者在對(duì)類(lèi)似橋梁的多次比較驗(yàn)算中也得到了相應(yīng)的證實(shí)。

對(duì)于此類(lèi)“強(qiáng)護(hù)欄弱梁”防撞體系的橋梁,如果人為的削弱護(hù)欄強(qiáng)度,比如縮小其截面尺寸或切斷部分豎向鋼筋,使其強(qiáng)度剛好滿(mǎn)足相應(yīng)等級(jí)護(hù)欄的要求,再以削弱強(qiáng)度后的護(hù)欄本體強(qiáng)度代入規(guī)范中支撐混凝土護(hù)欄的橋面板強(qiáng)度計(jì)算中,如果此時(shí)可通過(guò)計(jì)算,即可判定為該結(jié)構(gòu)體系是安全的,那么也可以判定,在進(jìn)行護(hù)欄本體削弱前的結(jié)構(gòu)體系也是安全的。

綜上分析,削弱截面法計(jì)算護(hù)欄承載能力的本質(zhì)是評(píng)估既有橋梁的防撞設(shè)施時(shí),在護(hù)欄本體的驗(yàn)算抗力Rw超過(guò)橋梁護(hù)欄的汽車(chē)橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值后,需計(jì)算支撐混凝土護(hù)欄的橋面板強(qiáng)度,此時(shí)計(jì)算其橋面板每單位長(zhǎng)度的拉力T,不再代入護(hù)欄本體的驗(yàn)算抗力Rw,而應(yīng)代入削弱截面后護(hù)欄本體的驗(yàn)算抗力,或者直接代入相應(yīng)等級(jí)護(hù)欄碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 橋梁護(hù)欄能力保護(hù)構(gòu)件的重新定義

橋梁防撞體系的設(shè)置主旨為保障駕乘人員的人身安全,如按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念以橋梁護(hù)欄作為主梁的能力保護(hù)構(gòu)件并不完全適用于護(hù)欄防護(hù)體系的設(shè)計(jì),而應(yīng)以橋梁防撞護(hù)欄體系作為橋梁車(chē)行道的能力保護(hù)構(gòu)件,即避免當(dāng)防撞體系受到極端荷載的作用下,發(fā)生因車(chē)行道損壞威脅到其他行駛車(chē)輛安全的情況。

因此,對(duì)于橋梁防撞體系能力保護(hù)構(gòu)件的劃分,因加入了駕乘者的因素,則不應(yīng)簡(jiǎn)單地以橋梁構(gòu)件本身作為劃分標(biāo)準(zhǔn),更為合理的劃分方式是按照橋梁的使用功能,將橋梁行車(chē)道內(nèi)部作為被保護(hù)構(gòu)件,而將行車(chē)道外的翼緣板與防撞護(hù)欄作為能力保護(hù)構(gòu)件。這一點(diǎn)體現(xiàn)在主梁翼緣板驗(yàn)算截面的選取中,規(guī)范推薦采用主梁與護(hù)欄交界的截面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,參考美國(guó)科羅拉多州交通部的橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè),建議采用車(chē)行道(或應(yīng)急車(chē)道)外緣作為懸臂板的驗(yàn)算截面[4]。同時(shí),在驗(yàn)算時(shí)也可充分考慮橋面調(diào)平層混凝土對(duì)截面承載能力的貢獻(xiàn)。懸臂板的驗(yàn)算截面如圖4所示。

圖4 《CDOT Bridge Design Manual》中臂驗(yàn)算截面的選取

但驗(yàn)算截面的內(nèi)移與混凝土調(diào)平層的貢獻(xiàn)考慮也是有運(yùn)用條件的,只有對(duì)橋梁護(hù)欄內(nèi)側(cè)鋼筋外伸至橋面調(diào)平層一定長(zhǎng)度的橋梁方可考慮,而對(duì)于護(hù)欄鋼筋并未深入調(diào)平層混凝土的情況,則不應(yīng)考慮調(diào)平層混凝土對(duì)于翼緣板強(qiáng)度的影響。橋梁護(hù)欄及翼緣板鋼筋布置情況如圖5所示。

圖5 某高速公路橋梁護(hù)欄及翼緣板鋼筋布置情況

4 結(jié)論

1) 《17規(guī)范》及其配套的《17細(xì)則》中,針對(duì)橋梁防撞體系的設(shè)計(jì)引入了基于塑性的計(jì)算理論與能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路,較之前版本的規(guī)范是技術(shù)的一大進(jìn)步。但因橋梁防撞體系的首要功能是保證駕乘人員安全,而非保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)本身,故若按照橋梁構(gòu)件來(lái)劃分保護(hù)構(gòu)件與被保護(hù)構(gòu)件的方法并不恰當(dāng)。能力保護(hù)的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用在橋梁護(hù)欄體系中,不應(yīng)將護(hù)欄結(jié)構(gòu)作為主梁的能力保護(hù)構(gòu)件,而應(yīng)理解為護(hù)欄體系是橋梁車(chē)行道的能力保護(hù)構(gòu)件。

2) 《17規(guī)范》中對(duì)于橋梁防撞體系的驗(yàn)算評(píng)價(jià)方法,可有效指導(dǎo)新建橋梁設(shè)計(jì),但對(duì)舊橋防護(hù)能力的評(píng)價(jià)使用中,存在較大的局限性。本文提出的削弱界面計(jì)算橋梁防護(hù)體系承載能力的計(jì)算方法,其計(jì)算原理和驗(yàn)算原則是對(duì)《17規(guī)范》所提出驗(yàn)算方法的擴(kuò)展,其本質(zhì)是對(duì)未采用能力保護(hù)構(gòu)件理論設(shè)計(jì)的橋梁,表明在驗(yàn)算階段也不宜采用能力保護(hù)構(gòu)件的理論進(jìn)行驗(yàn)算。但作為一種新的驗(yàn)算方法的探索,其適用性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3) 新建橋梁防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合與其相連接的主梁翼緣板強(qiáng)度相匹配。在我國(guó)目前的公路橋梁防護(hù)體系設(shè)計(jì)過(guò)程中,較多的設(shè)計(jì)單位采用的是固定結(jié)構(gòu)形式的防撞護(hù)欄,放置在不同結(jié)構(gòu)體系的橋梁中,如將此護(hù)欄安置在厚度較薄的預(yù)制T型梁、預(yù)制小箱梁的翼緣板邊緣,雖不致造成結(jié)構(gòu)不安全,但卻會(huì)因?yàn)槠溥B接強(qiáng)度不足,導(dǎo)致護(hù)欄本體的強(qiáng)度不能完全發(fā)揮,形成較大的強(qiáng)度富余,進(jìn)而造成了不必要的浪費(fèi)。因此,建議設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行橋梁防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將防撞護(hù)欄與翼緣板形成一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),以充分利用各材料的性能。

4) 護(hù)欄鋼筋外伸至橋面調(diào)平層中,可明顯提高護(hù)欄系統(tǒng)的整體性,雖已有不少的橋梁已按此方法進(jìn)行實(shí)施,但規(guī)范中并無(wú)明確要求,建議后續(xù)規(guī)范中將其作為構(gòu)造要求進(jìn)行明確。

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