戚波
【摘 要】根据湖北省交通运输厅“水中桥墩和墩高在10 m以上的陆地桥墩均应设置供养护维修用的安全护栏”的要求,从已建和在建高速公路项目入手,对桥梁养护采用安全护栏进行了设计,通过实例介绍安全护栏的意义和受力关键问题.
【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】3页(P55-57)
【关键词】安全护栏;设计;强度
【作 者】戚波
【作者单位】湖北省交通规划设计院 武汉 430051
扬州大学
【正文语种】中 文
近年来，公路桥梁处在快速建设与发展之中，桥梁的养护、维修不可避免空中作业，特别是高墩或水中墩其操作更有一定的难度。如何将这些已建成的桥梁养护好、管理好，保证支座的检修、更换便利，以提高路网服务功能、更好地发挥其投资效益，显然十分重要。我国目前对桥梁的养护与管理尚未制定统一的标准与模式，针对这一问题，湖北省交通运输厅提出了“水中桥墩和墩高在10 m以上的陆地桥墩均应设置供养护维修用的安全护栏”的要求，针对这一要求，在随岳中高速公路率先实施公路桥梁墩帽设置托架的设计与施工，目的是为了解决好重建轻养的问题，推动加强人性化的桥梁管理，完善桥梁养护设施，便于运营后的养护与维修。 1 安全护栏的构造与作用
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护栏主要由托架、人行搭板组成，见图1。
图1 护栏构造图（单位：mm）
托架主要用作桥梁养护、维修或更换支座时搭设工作台，即人行搭板。托架材料采用槽钢8
0mm×43mm×5mm，便于锚栓锚固，以加强结构的安全性和稳定性，托架间距为1.5～2.0 m，给人行板的选材和长度预留充足的空间。为便于工作人员施工，设计中考虑了工作平台至梁底之间预留一人高的操作空间。 人行搭板是供维修人员工作的平台，可采用混凝土预制板、木板、竹板等，考虑荷载最不利情况，验算时采用混凝土预制板作为外荷载作用力。 2 设计思路与计算要点
因接到交通厅文件时下部构造已基本施工完毕，所以设计中考虑了未施工桥梁帽梁预埋托架和己施工桥梁帽梁外挂托架2种方案，荷载考虑了护栏自重、8cm厚混凝土人行板自重和3kN／m2人荷载。对锚栓和预埋件部份进行了系统的结构分析及强度验算，锚栓主要验算抗剪、抗拉及锚栓处混凝土的劈裂破坏，预埋槽钢主要验算抗弯设计强度、挠度及焊缝强度。
2.1 计算未施工桥梁帽梁预埋托架构件
2.1.1 锚栓部份
（1）抗剪计算。根据（∑F／N）／A≤τ计算锚栓个数N。式中：锚栓取用M20×200；人荷载F人＝6.5kN；护栏自重F自＝0.25kN；混凝土步板重F板＝3.2kN；外荷载合计∑F＝F人＋F自＋F板＝9.95kN；A 为锚栓截面面积，A＝πr2＝314mm2；锚栓抗剪承载力τ＝130MPa；计算得锚栓个数N≥0.4个。
计算得锚栓个数N≥0.4个，即取一个锚栓即能满足抗剪要求。考虑到某一个锚栓失效的情况，设计中采用2个锚栓。
根据《混凝土结构后锚固技术规程》［1］，锚栓钢材在无杠杆臂的纯剪破坏时抗剪承载力设计值VRd，s＝VRk，s／γRs，v，计算满足抗剪要求。
无杠杆壁的纯剪：
（2）锚受拉计算。计算图示见图2。
图2 锚栓断面图
通过对下锚栓求弯距平衡得：上锚栓所受轴向拉力最大为F拉＝7.16kN，取锚栓有效锚固深度hef＝500mm。查《钢结构设计规范》［2］表3.4.1－4得锚栓抗拉强度为140MPa。
此锚栓的抗拉强度值F＝140×A＝43.96 kN＞F拉＝7.16kN，满足抗拉要求。
（3）混凝土锥体受拉破坏计算。锚栓边距C＝10hef＝500mm；锚栓间距Smin≥10d＝200mm。
考虑混凝土锥体破坏条件下，无间距效应和边缘效应，确保每根锚栓受拉承载力标准值的临界边距Ccr，N＝1.5 hef＝75mm
考虑混凝土锥体破坏条件下，无间距效应和边缘效应，确保每根锚栓受拉承载力标准值的临界间距Scr，N＝3 hef＝150mm。
①混凝土锥体破坏时投影面积。AC，N＝（0.5Scr，N＋S＋0.5Scr，N）Scr，N＝67 500mm2。
②边距C对受拉承载力降低影响系数。Ψs，N＝0.7＋0.3（C／Ccr，N）≤1，取Ψs，N＝1。
③表层混凝土因密集配筋剥落作用对受拉承载力降低影响系数。Ψre，N＝0.5＋hef／200＝0.75。
④荷载偏心对受拉承载力的降低影响系数。Ψec，N＝1。
⑤未裂混凝土对受拉承载力的提高系数。Ψucr，N＝1.4。
⑥C30混凝土锥体破坏受拉承载力标准值。NRk，c0＝7.0（fcu／k）1／2 hef1.5＝11kN。
而混凝土劈裂破坏承载力设计值NRd，sp＝NRk，sp／γRS，p。
式中：NRk，c＝34.9kN。
构件厚度h对劈裂抗力的影响系数Ψh，sp＝（h／2hef）2／3≤1.5，取 Ψh，sp＝1.5。
NRk，sp＝NRk，co·Ψh，sp＝52.45kN
混凝土劈裂破坏受拉承载力分项系数γRS，p，查《混凝土结构后锚固技术规程》表4.2.6得：γRS，p＝3.0。
则：NRd，sp＝NRk，sp／γRS，p＝17.5kN＞7.16kN，满足抗拉条件。
（4）焊缝计算。由受力分析可知，主要受力焊缝为靠近帽梁焊缝，取角焊缝的焊脚尺寸为
为构件厚度）。
则：σf＝N／（helw）＝40.15＜βfffw＝160，焊缝强度满足要求。
2.1.2 预埋槽钢部分
计算图示见图3［2］。
图3 槽钢受力示意图
（1）抗弯强度计算。经过计算得预埋槽钢根部弯距M＝2.15kN·m，而此槽钢的净截面模量Wx＝25.3cm3，截面塑性发展系数γx＝1.05，强度设计值为f＝215MPa，计算得 M／（Wxγx）≤f，即槽钢强度满足要求。
（2）挠度计算。经过计算得预埋槽钢均布荷载q＝4.975kN／m，预埋槽钢计算长度l＝0.863 m，预埋槽钢的惯性矩I＝101.3cm4，预埋槽钢的弹性模量E＝206GPa。
按悬臂梁计算得：挠度f＝ql4／8EI＝1.65 mm，计算挠度f／l≤l／300，满足要求。
2.2 计算己施工桥梁帽梁外挂托架构件
该设计为已成桥梁后处理的形式，如果凿孔埋设构件，必定对墩帽造成破坏，故考虑采用在外部勾挂，膨胀螺栓锚固构件的措施。
由于荷载相同，锚混凝土的抗剪、抗拔均己通过计算，满足要求，现计算受拉区的混凝土锥体破坏。
①锥体破坏投影面积 AC，N＝（C1＋S1＋0.5Scr，N）Scr，N＝71 250mm2。
②边距C对受拉承载力降低影响系数Ψs，N＝0.7＋0.3（C／Ccr，N）≤1，取 Ψs，N＝1。
喷雾干燥塔③表层混凝土因密集配筋的剥落作用对受拉承载力降低影响系数Ψre，N＝0.5＋hef／200＝0.75。
④荷载偏心对受拉承载力的降低影响系数Ψec，N＝1。
⑤未裂混凝土对受拉承载力的提高系数Ψucr，N＝1.4。
⑥C30混凝土锥体破坏受拉承载力标准值。NRk，c0＝7.0（fcu／k）1／2 hef1.5＝11kN。
而混凝土劈裂破坏承载力设计值NRd，sp＝NRk，sp／γRS，p。
式中：NRk，c＝36.6kN。
种子包衣剂构件厚度h对劈裂抗力的影响系数Ψh，sp＝（h／2hef）2／3≤1.5，取 Ψh，sp＝1.5。
NRk，sp＝NRk，c·Ψh，sp＝54.86kN。
查《混凝土结构后锚固技术规范》表4.2.6得混凝土劈裂破坏受拉承载力分项系数γRS，p＝3.0。
则：NRd，sp＝NRk，sp／γRS，p＝54.86／3.0＝18.3 kN＞7.16kN，满足抗拉条件。
外部勾挂的方法操作起来有一定难度，施工人员必须采取有效的安全措施，或从桥面下到墩帽处或搭设支架。从桥面下去较方便简单，无需投入大型设备，可减少安装成本，但要确保人员施工安全；而搭设支架安装，投入人力、物力较大，特别是水中墩的支架基础施工困难，成本较高，但施工相对较安全。
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3 设置护栏应注意事项
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（1）托架设置应避免与桥梁支座干扰。
（2）托架间距控制在1.5～2.0m均可，侧向（见图1b）一般设置2组，若桥墩宽度大于2.5m，可增设一组。
（3）焊接采用连续施焊，除槽钢接头双面焊外，如果采用加强钢板则必须沿周边焊接密实。
（4）托架防绣措施采用3道防绣漆，外涂2道与混凝土彩相近的银粉漆。
4 结语
安全护栏设计其意义在于桥梁的后期养护方便，施工简捷。通过以上对构件各环节的验算，各项控制数据都在规范允许条件范围内，是安全可行的方案。但由于该设计起源于随岳高速公路建设项目，起步较晚，可能还有一些细节问题未考虑周全，譬如跨线桥的帽梁如果用此方法，势必影响美观等。公路上超过10m高墩的跨线桥虽然很少，但也不是不可能有，我们将作进一步尝试。
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