单坡型桥梁混凝土护栏裂纹防撞性能影响分析

单坡型桥梁混凝土护栏裂纹防撞性能影响分析
邓亮;梁亚平;何欣凯;王益川;闫书明
【摘要】由于混凝土材料抗拉强度砥的特点,单坡型桥梁钢筋混凝土护栏通常是带裂纹工作的.为了研究裂纹对于单坡型桥梁钢筋混凝土护栏防撞性能的影响,总结了单坡型桥梁钢筋混凝土护栏裂纹特点,并进一步分析了单坡型桥梁钢筋混凝土护栏裂纹的类型.在此基础上,本文采用文献资料调研、理论分析以及计算机仿真方法分析了单坡型桥梁钢筋混凝土护栏裂纹对其防护能力的影响,认为虽然混凝土材料在裂纹处不连续,但由于钢筋的存在,不会影响护栏作为纵向的连续结构整体发挥安全防护作用,因此裂纹对单坡型桥梁钢筋混凝土护栏的防护能力没有影响.本文最终通过实车碰撞试验对分析结果进行了验证.%Because of the low tensile strength of concrete material characteristics, single slop bridge reinforced concrete barrier is often work with crack. In order to study the effect of crack on the protective performance of single slop bridge reinforced concrete barrier, we make a summary for the feature of crack on single slop bridge reinforced concrete barrier, and do further analysis of the types of crack on single slop reinforced concrete bridge barrier. On this foundation, we do research on effect of crack on single slop reinforced concrete bridge barrier' s protective performance, by the method of literature research , theoretical analysis and computer simulation analysis. The results shows that because of the presence of reinforcement, crack does not affect the barrier' s protective performance as the vertical continuous structure, although the concrete material discontinuity in the location of the crack, Therefore, crack will not affect the protective performance of single slop
reinforced concrete bridge barrier. Eventually, full-scale Impact test was adopted to verify the results of the analysis.
【期刊名称】《公路工程》
【年(卷),期】2012(037)005
【总页数】4页(P52-55)
【关键词】交通设施;单坡型桥梁护栏;钢筋混凝土护栏;裂纹;有限元分析;实车碰撞试验
【作者】邓亮;梁亚平;何欣凯;王益川;闫书明
【作者单位】湖南省衡桂高速公路建设开发有限公司,湖南衡阳 421001;北京中路安交通科技有限公司,北京 100071;湖南省衡桂高速公路建设开发有限公司,湖南衡阳 421001;北京中路安交通科技有限公司,北京 100071;北京中路安交通科技有限公司,北京 100071
【正文语种】中文
【中图分类】U417.1+2
0 引言
由于具有较高的性价比和良好的防护能力，我国现行规范中规定的单坡型桥梁钢筋混凝土护栏被广泛应用［1－3］。

然而，由于混凝土材料的抗拉强度较低，单坡型桥梁钢筋混凝土护栏与一般钢筋混凝土结构一样具有抗裂性差的缺点，因此其通常是带裂纹工作的。

尽管钢筋混凝土结构中裂纹的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它会影响结构的美观性，而且当裂纹数量较多和开展较宽时，还将给人造
成一种不安全感。

本文通过文献资料调研、理论分析和计算机仿真方法分析单坡型桥梁钢筋混凝土护栏裂纹对其防护能力的影响，并通过实车碰撞试验对分析结果进行验证。

1 单坡型桥梁钢筋混凝土护栏结构
我国现行规范［2］规定的单坡型桥梁钢筋混凝土护栏结构断面尺寸及典型配筋如图1所示。

图1 典型的单坡型桥梁钢筋混凝土护栏断面及配筋Figure 1 typical section
and rebar of single slop bridge reinforced concrete barrier
图1中单坡型桥梁钢筋混凝土护栏结构尺寸要求如表1所示。

表1 单坡型桥梁钢筋混凝土护栏结构尺寸要求Table 1 dimension of single slop bridge reinforced concrete barrier cm防撞等级 H B1 B2 A 81 8.1 14.0 SB 90 9 15.5 SA 100 10 17.2
单坡型桥梁钢筋混凝土护栏底部与桥梁翼缘板为刚性连接，发生碰撞时护栏的主要受力钢筋为竖向钢筋和纵向钢筋。

单坡型桥梁钢筋混凝土护栏一般沿纵向每隔15～30 m设置一道胀缝或伸缩缝，
因此护栏在纵向15～30 m长度范围内为一个整体。

2 单坡型桥梁钢筋混凝土裂纹
调研发现，单坡型桥梁钢筋混凝土护栏上的裂纹包括竖向裂纹、横向裂纹以及网状裂纹3种(见图2)，其中横向裂纹和网状裂纹宽度较小，且多为表面裂纹，不会对护栏的安全性能造成影响，而竖向裂纹宽度往往较大，且往往为贯通裂纹，有可能对护栏的安全性能造成影响，因此作为重点分析研究对象。

调研还发现贯通竖向裂纹在各单坡型桥梁钢筋混凝土护栏上都是大量、普遍出现的，而且出现的位置有一定规律:
图2 桥梁钢筋混凝土护栏裂纹形式Figure 2 cracks on bridge reinforced
concrete barrier
贯通竖向裂纹多产生在护栏段的中部，护栏端部、胀缝两侧、伸缩缝两端则基本不出现裂纹;
护栏截面突变处(如假缝处)也是裂纹集中出现的位置。

经分析，单坡型桥梁钢筋混凝土护栏裂纹出现位置的这些特征与钢筋混凝土结构的干缩裂纹和温度裂纹的特征相符合［4－6］，因此可确定单坡型桥梁钢筋混凝土护栏的裂纹主要为干缩裂纹和温度裂纹。

3 裂纹对单坡型桥梁钢筋混凝土护栏防护能力的影响
3.1 文献资料调研
根据相关文献资料［4］，“温度裂纹和干缩裂纹是长久、持续、缓慢的非荷载作用在刚度较大的超静定混凝土结构中，由于约束作用引起的裂纹，在一般情况下，基本上不会引起安全问题，更不至于引发倒塌等严重后果。

在混凝土结构体积较大时，温度裂纹和干缩裂纹往往由于约束的积累而造成很大的裂纹宽度，还会超过受力裂纹的宽度限值，但是这不意味着结构抗力即将耗尽，也不意味着结构有安全问题”。

因此，单坡型桥梁钢筋混凝土护栏中存在的温度裂纹和干缩裂纹应不会对护栏防护能力造成影响。

3.2 理论分析
我国现行规范［7］5.4.5 条规定:“桥梁护栏与桥面板应进行可靠连接。

”因此，遵从规范规定，对于单坡型桥梁钢筋混凝土护栏，护栏基础与桥面板一般都通过预埋钢筋刚性连接。

在护栏高度方向，贯通竖向裂纹的存在不会削弱结构的抗力;在护栏长度方向，贯通竖向裂纹会导致混凝土材料不连续，但纵向钢筋完全可以穿越裂纹而传递拉力，因此并未使护栏结构在竖向裂纹处断裂或解体，碰撞力仍可以在护栏长度方向分布
和传递，对护栏的纵向抗力削弱不大。

通过理论分析可知，桥梁钢筋混凝土护栏中存在的竖向裂纹不会对其防护能力造成影响。

3.3 计算机仿真分析
基于有限元方法的计算机仿真技术擅长求解碰撞类高度非线性物理问题［8－10］。

本文建立车辆碰撞护栏计算机仿真模型，对SB级280 kJ的单坡型钢筋混凝土护
栏结构带裂纹条件下的防护能力进行分析研究。

图3为采用拆车手段建立的大客车仿真模型，由于大客车结构以型钢和板材为主，在模型中单元类型以擅长大变形的四边形单点积分壳单元居多;控制四边形单元翘
屈度小于15°，长宽比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，三角形单元数量在5%以内，最小特征长度控制在5 mm左右;车身各部分构件主要采用点焊连接，车门和车体通过铰接点单元连接;车辆材料属性根据材料试验数据设定，采用Cowper-Symons模型来考虑应变率效应;采用基于惩罚函数法的接触类型解决边
界非线性问题。

图3 大客车仿真模型Figure 3 simulation model of bus
按1∶1比例建立单坡型钢筋混凝土护栏有裂纹和无裂纹仿真模型，在模型中混凝
土采用Mat159材料模拟，主要输入参数为抗压强度、骨料直径以及其它一些控
制参数;钢筋采用Beam单元，型钢采用壳单元模拟，材料采用Mat24材料模拟，同时采用Cowper-Symons模型来考虑钢筋应变率效应;混凝土和钢筋间采用
*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字进行约束;从最不利角度出发，
在有裂纹模型中通过设置3 mm宽的通长断带模拟裂纹，此宽度远大于钢筋混凝
土护栏上一般裂纹的宽度。

图4为建立的护栏仿真模型。

采用配重至10 t的大客车以80 km/h速度20°角进行碰撞分析［11］。

图5为280 kJ单坡型钢筋混凝土护栏的碰撞结果，可见车辆碰撞有无裂纹的单坡型混凝
土护栏的碰撞过程相同，混凝土结构和护栏裂纹处没有发生破坏，说明裂纹没有对护栏防护性能产生影响。

图4 护栏仿真模型Figure 4 simulation model of barrier
图5 单坡型钢筋混凝土护栏仿真碰撞结果Figure 5 result of impact simulation of single slope reinforced concrete barrier
3.4 实车碰撞试验
实车碰撞试验具有客观可靠的优点，是世界各国护栏安全性能评价的唯一手段［12，13］。

本文采用实车碰撞试验方法对SB级280 kJ的单坡型钢筋混凝土护栏结构的裂纹防护能力安全性进行评价研究［11］。

图6为有裂纹单坡型混凝土护栏试验用大客车和护栏试验段，在护栏试验段碰撞区上设置有一条宽0.3 mm的贯通裂纹。

图6 有裂纹单坡型护栏试验车辆与试验护栏Figure 6 single slope concrete barrier with cracks and bus used for impact test
图7为单坡型护栏裂纹防护能力安全性试验碰撞过程，可见护栏能够有效防护大型客车，防护能力达到SB级280 kJ;裂纹位于碰撞最严重区域，但裂纹处的混凝土墙体基本没有损坏，说明没有因为裂纹的存在影响护栏的受力状态和防护性能。

图7 有裂纹单坡型护栏碰撞试验结果Figure 7 result of impact test of single slope reinforced concrete barrier with cracks
4 结论
综合以上研究分析可知，虽然混凝土材料在裂纹处不连续，但由于钢筋的存在，不会影响单坡型桥梁钢筋混凝土护栏作为纵向的连续结构整体发挥安全防护作用，因此裂纹对单坡型桥梁钢筋混凝土护栏的防护能力没有影响。

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