公路桥梁SA\SAm级典型F型防撞护栏浅析

摘 要:护栏是桥梁结构必不可少的组成部分，它不仅可以使失去方向的车辆不至于掉下桥梁造成人员伤亡或二次重大交通事故，还可以让行驶在桥梁上的驾驶员有一定的安全感。护栏结构自身的强度是护栏发挥作用的保证，所以进行护栏结构设计时必须进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

关键词:防撞护栏;抗弯承载力;抗剪承载力;最小配筋率

中图分类号：U445文献标识码：A

一、概况

随着我国汽车数量和装载量的不断增加，交通事故频繁发生，给人们生命和财产造成巨大损失。其中有很多交通事故是由于防撞护栏自身强度不够造成了二次重大交通事故。公路桥梁路侧防撞护栏按防撞等级可以分为B、A、SB、sa、SS五级，常用中央分隔带桥梁护栏按防撞等级可以分为Am、SBm、sam三级。防撞护栏按型式可以分为钢筋混凝土墙式护栏、钢筋混凝土梁柱式护栏（如图1.1a）、金属梁柱式刚性护栏（如图1.1b）和组合式护栏（如图1.1c）。其中钢筋混凝土墙式护栏可分为F型混凝土护栏（如图1.1d）、单坡型混凝土护栏（如图1.1e）和加强型混凝土护栏（如图1.1f）。

图1.1a 钢筋混凝土梁柱式护栏图1.1b金属梁柱式刚性护栏 图1.1c组合式护栏

图1.1dF型混凝土护栏 图1.1e单坡型混凝土护栏图1.1f加强型混凝土护栏

之前很多学者都进行了汽车冲击防撞护栏碰撞力[1]、运动响应分析[2]和超高防侧翻[3]研究，基于一定的假设和力学模型计算了碰撞荷载的大小。本文基于文献[4]的碰撞荷载数据以及外形要求对SA、SAm级典型的F型防撞护栏进行了结构承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

SA、SAm级典型的F型防撞护栏的外形图如图1.2，结构图如图1.3。

图1.1 典型F型防撞护栏外形图 图1.2 典型F型防撞护栏结构图

二、计算内容

护栏计算截面抗弯承载力验算。护栏计算截面斜截面抗剪承载力验算。

三、基本设计资料

（一）基本尺寸参数

本算例中的基本尺寸参数见表3.1。其中

表3.1（a） 基本断面尺寸参数表

表3.1（b） 基本钢筋尺寸参数表

1、依据文献[4]5.4.3款第（3）条要求：迎撞面混凝土保护层厚度不小于4cm；本示例中取5cm。依据文献[5]9.1.1款要求：非迎撞面混凝土保护层厚度由结构所处的环境条件决定（Ⅱ类环境下最小保护层厚度为2.5cm）；本示例中取3.5cm。

2、本示例中汽车碰撞荷载被视为线分布均布荷载，所以取护栏单位长度1m范围内的结构进行分析计算。

3、依据文献[4]5.4.3款第（1）条要求：护栏高度H根据护栏的防撞等级确定；本示例为A、Am级护栏，故根据规范取1m，由于在下缘处力矩最大，所以取这个截面进行承载力验算。

4、铺装层厚度H1需根据结构的实际铺装层厚度取值，本示例中取0.2m。

5、碰撞荷载距计算截面的距离

。

6、受拉区有两排钢筋，但钢筋间距较大，本示例计算中仅考虑最外侧受拉钢筋参于结构抗弯，由于受拉区而无预应力钢筋，所以受拉区普通钢筋和预应力钢筋合力作用点至受拉边缘的距离；计算截面的有效高度。

（二）基本材料参数

本示例中的基本材料参数见表3.2。其中

表3.2 基本材料参数表

（1）依据文献[4]5.1.1款要求：高速公路、一级公路桥梁护栏的混凝土强度等级不应低于C30，其他公路桥梁护栏的混凝土强度等级不应低于C20；本示例中取C35。

（2）栏杆中除通长钢筋是HPB235光圆钢筋外，其他的受力钢筋均为HRB335带肋钢筋。

（三）基本荷载参数

本示例中的基本荷载参数见表3.3。其中

表3.3 基本荷载参数表

1、依据文献[6]4.1.6条第1款要求：结构重要性系数需根据公路桥涵的设计安全等级调整；本示例中取设计安全等级为一级，对应的结构重要性系数为1.1。

2、依据文献[4]4.6.1款要求：碰撞荷载标准值F0和荷载分布长度L需根据护栏的防撞等级确定；本算例为A、Am级护栏，故依据文献[4]4.6.1款要求本示例中碰撞荷载标准值为86kN/m,荷载分布长度为5m。

3、弯矩设计值，剪力设计值。

四、计算的基本假设

计算截面符合平截面假定。材料在荷载作用下处于小变形和线弹性阶段。

五、计算过程

（一）最小配筋率要求

文献[5]9.1.12款第 2条规定受弯构件一侧受拉钢筋的配筋百分率不应小于，同时不应小于0.20。

其中桥面板处护栏截面受拉钢筋配筋率为且大于0.20，满足规范最小配筋率的要求。

现将沿护栏高度方向的受拉钢筋配筋率绘制在图5.1中。不难发现：整个护栏沿高度方向上受拉钢筋配筋率是满足规范要求的。

图5.1 受拉钢筋配筋百分率随距桥面板距离变化曲线

（二）抗弯承载力验算

1、计算受压区混凝土高度（依据文献[5]5.2.2款式5.2.2-2：，本示例计算中不考虑受压区钢筋参于抗弯）

2、检验截面受压区高度是否满足文献[5]5.2.2款式5.2.2-3：

其中,满足要求。

3、验算截面抗弯承载力（依据文献[5]5.2.2款式5.2.2-1：

其中

，满足抗弯承载力要求。

（三）斜截面抗剪承载力验算

1、检验抗剪截面是否满足文献[5]5.2.9款式5.2.9：要求

其中

，满足抗剪截面要求。

2、检验是否需要进行斜截面抗剪承载力验算，也就是说是否满足文献[5]5.2.10款式5.2.10：

其中；

,不需要进行斜截面抗剪承载力验算。

（四）抗弯承载力包络图

通过对截面抗弯承载力验算发现：截面的抗弯承载力富裕不大，虽然在桥面板以上部位护栏受到的弯矩减小，但是由于截面减小抗弯承载力也减下，可能最不利截面在桥面板以上某一部位，因此需要桥面板以上护栏进行抗弯承载力验算，现将桥面板以上护栏抗弯承载力和荷载数值随距桥面的距离绘制在图3.1中。

图5.2护栏抗弯承载力和荷载数值随距桥面板距离变化曲线

分析图5.2不难发现：在桥面板处护栏的抗弯承载力富裕量最小，整个护栏沿高度方向上承载力是满足规范要求的。

六、主要结论

通过对F型护栏在碰撞荷载作用下的抗弯承载力和斜截面抗剪承载力进行验算，该护栏的设计是满足规范要求的。本示例中虽然抗弯承载力富裕量很小，但是使用的是荷载的偶然组合对截面进行验算的，所以结构还是偏于安全的。