金塘大桥重载交通组合式护栏设计及试验.pdf

公路 2009年1月 第1期 HIGHWAYJan12009No11文章编号:0451-0712(2009)01-0219-06 中图分类号:U44317 文献标识码:B金塘大桥重载交通组合式护栏设计及试验周 颂,季广丰,陈向阳(浙江省舟山连岛工程建设指挥部 舟山市 316000)摘 要:金塘大桥建成后,主要交通量将由集装箱车及大客车等大型车辆构成。本文针对金塘大桥的交通构成特点,采用有限元仿真分析结合实车碰撞试验,开发了适应重载交通、大型桥梁的高防护等级新型组合式护栏。关键词:重载交通;组合式护栏;有限元仿真计算;实车碰撞1 概述金塘大桥全长211029 km,其中海上桥梁长181415 km。根据预测,金塘大桥建成通车后将有50%的交通量为集装箱车等大型车辆。如果护栏设计不合理,一旦发生车辆撞击护栏的事故,车辆容易坠桥,造成车毁人亡的严重后果,而且还可能发生坠落车辆砸击海上船舶的二次重大事故。因此金塘大桥的护栏采用了特殊设计,增加了护栏高度,以提高防护能力。2 国内外研究国外相关规范对护栏基本结构形式有较明确规定,但国外的主要交通组成和护栏防护等级与我国有很大差别,难以采用。国内目前普遍采用的有金属梁柱式、钢筋混凝土墙式和组合式护栏3种型式。金属梁柱式护栏景观效果好,但要达到较高防护等级造价较高。钢筋混凝土墙式护栏防护能量较高,经济性较好,但其防止大型车辆翻越的能力及景观通透性均较差,不适合在跨海大桥上使用。组合式护栏目前采用比较普遍,但国内针对高防护等级的组合式护栏研究较少。因此,研究开发一种适应大型桥梁、重载交通的高防护等级的组合式护栏非常必要。3 护栏防护等级的确定通过对金塘大桥周边港口的车型调查,结合 公路交通安全设施设计规范 与工程实际情况,金塘大桥护栏的防撞等级定为SA级,碰撞实验单车质量22 t,碰撞速度65 km/h,碰撞能量419 kJ。4 护栏方案比选411 初拟护栏方案评价初拟护栏尺寸为桥面铺装层以上114 m。其中,混凝土基座高75 cm,上部钢护栏高65 cm,见图1。图1 初拟护栏结构示意41111 桥梁翼缘板强度验算组合式护栏通过连接钢筋与桥梁翼缘板连接固收稿日期:2008-11-24定,车辆碰撞护栏时,碰撞荷载将传递到翼缘板上,因此需对翼缘板强度进行验算。(1)碰撞力计算。碰撞力由公路交通安全设施设计规范中最大横向碰撞力计算公式计算:Fmax=2m(V1sin)22 000 Csin-b(1-cos)+Z式中:Fmax为车辆作用在护栏上的最大横向碰撞力(kN);m为车辆质量(kg);V1为车辆的碰撞速度(m/s);为车辆的碰撞角度();C为车辆重心至前保险杠之间的距离(m);b为车辆的宽度(m);Z为护栏的横向变形(m)。各参数的取值分别为:m=22 000 kg,316V1=65 km/h,=20,C=415 m,b=215 m,Z=0 m,经计算Fmax为475 kN。(2)翼缘板强度。翼缘板验算截面为-截面(见图2)。图2 翼缘板受力图示根据规范,组合式护栏梁柱式结构和混凝土墙体承担的碰撞力大小均为Fmax2,假设上部梁柱式结构的作用力由4根立柱承担,则每根立柱作用力均为Fmax8;即立柱作用力作用于上下横梁中心位置处Fmax16,则其在钢筋混凝土墙顶部(A-A截面)产生的最大总弯矩:M柱=4h1Fmax16+4h2Fmax16=40154447516+40131547516=102 kNm式中:h1为上横梁至A-A截面的高度,h1=5414 cm;h2为下横梁至A-A截面的高度,h2=3115 cm。梁柱式护栏传递下来的水平力F柱(Fmax2)对桥梁翼缘板产生的弯矩:M柱水平力=h3Fmax2=0194752=214 kNm式中:h3为钢筋混凝土墙顶F柱作用点距护栏底(B-B)部的距离,h3=90 cm。作用于混凝土墙体上的碰撞力Fmax2对桥梁翼缘板产生的弯矩:M混凝土=h4Fmax2=01854752=202 kNm式中:h4为作用在钢筋混凝土墙上的碰撞力作用点距护栏底(B-B)部的距离,h4=85 cm。碰撞力作用在桥梁翼缘板上的有效宽度为:a0=D+2H式中:H为外力作用点至计算截面的长度,取H柱=0190 m,H混凝土=0185 m;D为荷载分布宽度,根据规范,取D=5 m。而M柱是由4根立柱的外力产生的弯矩,立柱间距为2 m,因此其分布宽度取6 m。则作用在桥梁翼缘板上的单位长度弯矩为:M碰撞力单位长度弯矩=M柱+M柱水平力a0柱+M混凝土a0混凝土=102+2146+20190+2025+20185=7017 kNm金塘大桥需安装组合式护栏的引桥包括30 m跨、50 m跨、东通航孔桥、60 m跨和118 m跨。通过比较,60 m跨箱梁翼缘板最为薄弱,因此,选择60 m跨箱梁进行翼缘板强度验算。60 m跨翼缘板不利截面(-截面)高度H=233 mm,a=48 mm,则h0=233-48=185 mm,受拉钢筋面积Ag=1 407 mm2,受拉钢筋设计强度Rg=300 MPa,C50混凝土弯曲受压强度设计值Ra022 公 路 2009年 第1期=2311 MPa,b=1 000 mm。按单筋矩形截面梁计算承载力:x=RgAgRab=1813 mm M碰撞力单位长度弯矩=7017 kNm,安全。以上验算说明,桥梁翼缘板结构满足受力要求。41112 护栏混凝土配筋验算(1)钢筋混凝土墙配筋验算。护栏断面结构如图3,取B-B截面(弯矩最大)和C-C截面(变坡面处)为验算截面。B-B截面宽度为hB=500 mm,C-C截面宽度为hC=274 mm;护栏竖向受力主钢筋为直径20 mm的 级钢筋,间距为150 mm,抗拉设计强度fy=300 MPa,钢筋保护层厚度a=51 mm,则hB0=hB-a=449 mm,hC0=hC-a=223 mm;单位长度范围内受拉钢筋面积Ag=2 199 mm2。钢筋混凝土墙混凝土为C35,抗压设计强度fc=1617 MPa。图3 护栏断面B-B截面。单位长度外力弯矩:MB=M碰撞力单位长度弯矩=7017 kNmB-B截面承载力计算。受压区高度:X=fyAgfcb=3915 mm MB=7017 kNm,安全。C-C截面。单位长度外力弯矩:MC=M柱+F柱LC6+2Lc+Fmax2(LC-0105)5+2(LC-0105)=5112 kNm式中:LC为A-A为截面至验算截面C-C的距离,LC=01495 m;Fmax为护栏最大碰撞力。C-C截面承载力计算。受压区高度:X=fyAgfcb=3915 mm MC=5112 kNm,安全。验算表明,初拟护栏混凝土墙体配筋满足要求。(2)护栏基础连接钢筋验算。取护栏与翼缘板的接触面B-B截面作为验算截面,基础连接钢筋如图4。B-B截面宽度取H=400 mm,保护层厚a=51 mm,则h0=H-a=400-51=349 mm;基础连接钢筋为直径20 mm的 级钢筋,间距为150 mm,单位长度范围内抗拉钢筋面积A=2 199 mm2,钢筋抗弯设计强度fy=300 MPa,抗剪设计强度fv=170 MPa。碰撞力作用下,护栏每米倾覆力矩与作用在B-B截面上的弯矩大小一致。即:M倾覆=MB=7017 kNm。每米水平滑移力:F倾覆=Fmaxb=4755=95 kN式中:b为滑移荷载分布宽度,结合规范取为5 m。护栏抗倾覆力矩是由锚固钢筋的拉应力产生的,假设护栏混凝土墙体倾覆时绕O点转动,则:M抗=Afyh0=2 199300349=23012 kNm M倾覆=7017 kNm,安全。护栏抗滑移力由连接钢筋的抗剪强度提供,整个B-B截面钢筋面积As=22 199=4 398 mm2,则:1222009年 第1期 周 颂等:金塘大桥重载交通组合式护栏设计及试验图4 混凝土墙体及基础连接钢筋抗滑移力F抗=fvAs=1704 398=74717 kNF倾覆=95 kN,安全。验算表明,护栏基础连接钢筋满足要求。41113 初拟护栏方案的计算机仿真分析为更科学、全面地对初拟护栏进行评价,采用了计算机仿真技术。使用软件为Ls-dyna有限元分析软件,小客车、大客车和大货车模型根据实际车辆尺寸参考美国、欧洲相关规定建立。护栏模型按照实际尺寸建立。(1)小客车仿真结果。车辆剐蹭到立柱底端的肋板,在实际使用中,肋板易对小车绊阻,应改进护栏梁柱式部分的设计。车辆主要碰撞护栏的钢筋混凝土墙部分,碰撞后行驶轨迹正常。车辆重心三方向加速度均满足评价标准。(2)大客车仿真结果。车辆碰撞护栏后平稳导出,碰撞点后的两根立柱在肋板顶部的位置产生弯曲变形,立柱底部应力较大。车辆行驶轨迹正常,但车辆与护栏前端的肋板剐蹭现象严重。(3)大货车仿真结果。车辆碰撞护栏后能平稳导出,部分立柱在肋板顶部产生弯曲,并有一根立柱局部出现破坏现象。车辆行驶轨迹较好,车辆前端与肋板处有轻微剐蹭。理论和计算机仿真分析表明,采用初拟组合式护栏时桥梁翼缘板强度能够满足受力要求。护栏下部钢筋混凝土墙强度和迎撞面设计合理,但护栏上部梁柱式结构强度不足,需要进行优化设计。412 优化护栏方案为解决护栏剐蹭车辆和立柱强度不足这两个主要问题,对初拟方案进行了优化。提出的两种优化方案均为H型变截面立柱结构形式,横梁分别为方形和圆形。41211 优化方案A(图5)仿真分析图5 优化方案A(1)小客车仿真结果。车辆没有碰撞到横梁及立柱,行驶轨迹正常。车辆重心三方向加速度均满足评价标准。(2)大客车仿真结果。车辆碰撞护栏后平稳导出,行驶轨迹正常,车辆与立柱没有剐蹭,护栏受力均匀。(3)大货车仿真结果。车辆碰撞护栏后能导出,行驶轨迹正常,车辆与护栏没有剐蹭现象,护栏受力均匀。仿真结果表明,优化方案A结构设计合理。小客车没有剐蹭现象,大型车辆碰撞时护栏受力均匀。各项指标均满足评价标准要求。41212 优化方案B(图6)仿真分析222 公 路 2009年 第1期图6 优化方案B(1)小客车仿真结果。车辆碰撞护栏后没有碰撞到立柱,行驶轨迹正常。车辆沿护栏有一定的爬升,车辆重心三方向加速度均满足评价标准。(2)大客车仿真结果。车辆碰撞护栏后平稳导出,行驶轨迹正常,没有沿护栏爬升,车辆前端与立柱的前翼板没有剐蹭,护栏受力均匀。(3)大货车仿真结果。车辆碰撞护栏后能平稳导出,行驶轨迹正常,车辆沿护栏有一定的爬升,车辆前端与立柱前端翼板没有剐蹭现象,护栏受力均匀。仿真结果表明,优化方案B结构设计合理,满足评价标准要求。但本方案的立柱如果采用焊接处理工艺比较复杂,材料利用率低于方案A。在综合考虑结构性能、护栏外观以及施工难度等因素后,选择了优化方案A。并根据规范规定进行了实车碰撞试验。5 实车碰撞试验实车碰撞护栏为优化方案A。其尺寸为桥面铺装层以上114 m,其中,混凝土基座75 cm,上部钢护栏65 cm。立柱结构形式为H型变截面,横梁为方形。实车碰撞车型包括小客车和大货车(大客车碰撞能量低于大货车,故不进行碰撞试验)。桥梁翼缘板选择了最不利的60 m跨径箱梁的翼缘板。试验在北京中路安科技有限公司试验场(见图7)进行,这是我国目前唯一可供大型车辆进行实车足尺碰撞实验的试验场,配备了高速摄像机,光电测速仪、结构应变与变位测量系统以及加速度测量装置等一整套碰撞实验所需的先进测试装备。图7 试验场全貌511 小客车实车碰撞实验结果小客车碰撞护栏后平稳导出,保持正常行驶姿态,没有发生横转、调头、翻车现象(见图8)。护栏上部横梁无变形,车辆与底部混凝土墙发生了剐蹭,产生了划痕,护栏两端的拉力为零。车辆在碰撞的过程中左侧前、后轮爆胎,车体左前角凹进,车架纵梁、后桥、车顶棚完好,车辆内部座椅、配载等没有破坏,左侧车前门不能自由打开;前悬、制动系统、转向系统损坏。车体三个方向加速度10 ms平均值最大值分别为1016 g,1517 g,611 g,都小于评价标准中要求的20 g。512 大货车碰撞实验结果大货车碰撞护栏后平稳导出,保持正常行驶姿态,没有发生横转、调头、翻车现象(见图9)。护栏上部横梁产生变形,车辆与下部混凝土墙体发生碰撞,混凝土部分产生了裂缝,但裂缝较小,护栏两端的拉力为零。车辆碰撞护栏后左前角变形,前挡风玻璃碎裂;行驶系统、制动系统、转向系统完好;左侧3222009年 第1期 周 颂等:金塘大桥重载交通组合式护栏设计及试验图8 小客车碰撞轨迹图示车门打开,车架纵梁弯曲变形,前后桥变形损坏,车顶棚、轮胎完好。车体三个方向加速度10 ms平均值最大值分别为1211 g,1312 g,515 g,都小于评价标准中要求的20 g。图9 大客车碰撞轨迹图示 桥梁翼缘板各应变测点的测量值如图10,应变最大值出现在碰撞点前214 m处,最大微应变为2 339,最大残余应变为531,按照Q235钢材的屈服应力为235 MPa计算,钢材达到屈服极限的微应变为1 119,所以钢筋只是在瞬时载荷下达到屈服极限,但不会发生钢筋断裂现象,相反,适当的屈服会产生塑性硬化现象,提高了钢筋的强度。图10 翼缘板各测点的最大应变测量值实车碰撞试验结果表明,优化方案A组合式护栏满足 高速公路护栏安全性能评价标准(J TG/TF83-01-2004)的各项要求,可以用于金塘大桥工程。6 结语针对金塘大桥的重载交通构成特征,通过计算机仿真分析、实车碰撞试验开发了安全性、经济性较优的高防护等级新型组合式护栏,其防护性能满足了 高速公路护栏安全性能评价标准 的要求,防撞能量达到 公路交通安全设施设计规范(J TG D81-2006)规定的SA级。参考文献:1J TG/T F83-01-2004,高速公路护栏安全性能评价标准S12J TG D80-2006,高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范S13J TG D81-2006,公路交通安全设施设计规范S14J TG/T D81-2006,公路交通安全设施设计细则S15J TG F71-2006,公路交通安全设施施工技术规范S16Recommended Procedures for the Safety PerformanceEvaluation ofHighwayFeatures(NCHRP Report350)R17British Standard EN 1317-1:Road Restraint System-Part 1:Terminology and general criterion for testmethodsS1422 公 路 2009年 第1期