1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着公众对环境问题的重视，城市居民对降低建筑施工对日常生活影响的需求与日俱增，解决当前城市建设中高能耗、高污染等问题迫在眉睫。在目前经济快速增长模式下，人均资源量少，我国各类主要自然资源的人均占有量水平都低于世界平均水平。城市发展策略应当走科技含量高、资源消耗低、环境污染少以及充分发挥人力资源优势的新型工业化道路，对于目前城市的建设过程中的环境污染、工期紧张、施工场地短缺等问题依然需要解决，而工厂预制化生产是目前一种有效的解决途径。桥梁构件预制化是现代桥梁工程建设的趋势，也是绿色建设低碳化的必经之路。此类建筑的优点是建造速度快，受环境因素制约小，节约劳动力，施工质量高。而预制拼装技术的特点正好适合我国城市发展的需要，其绿色、低碳、安全、快速的特点，为当前城市桥梁建设中存在的问题提供了合理的解决方案。
防撞墙（护栏）作为桥梁工程附属设施的一个重要组成部分，起着防止车辆冲出路外、保护车辆和乘客的安全、减少事故造成的损失等重要作用。具有较强的吸收碰撞能量的能力，较好的视线诱导功能，能与道路线形相协调，外形美观。但由于其作为附属设施部分，施工质量往往不被重视。施工过程中一般采取现浇的施工方法，不仅制约着施工工期，且工后收缩徐变严重影响其承载力功能的发挥。装配式防撞墙（护栏）实现结构的工厂化生产施工，兼顾施工质量好，工法简单，缩短施工工期，减少工后收缩徐变影响等优点。在桥梁工程建设过程中预制装配式施工工法逐渐被认可且逐步推广应用，在上海、长沙、成都等地已有全装配式城市桥梁项目建成，并取得了良好的经济效益和社会效益[1]。
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1.2 研究现状
目前，国内外装配式体系在桥面系中的应用主要有公路桥中的预制护栏，预制人行道板，铁路桥中的预制防护墙，有的工程中也出现预制声屏障、预制遮板。欧洲多数国家桥面附属设施主要采用遮板+栏杆的方式，遮板、挡墙已广泛引入了预制拼装施工技术。挡墙在防护车辆越出规定行使轨道的同时具有隔声降噪的作用，日本、台湾等地区采用在翼缘板端部设置钢筋混凝土高挡墙的方式取代传统的遮板+栏杆模式，但是增加了二期恒载，同样钢混高挡墙也广泛采用预制拼装施工。我国上海、长沙、成都是装配式应用的代表性城市，目前基本上已经实现栏杆、遮板、人行道盖板的构件化预制，但遮板与梁体的连接、竖墙以及防护墙等依旧以现场浇筑为主要的施工方法。而且目前针对装配式桥梁的研究主要集中在上部结构[3~5]，下部结构[6~10]，对于装配式桥面系研究甚少。
1.2.1 装配式防护墙应用现状
中国水电集团开发了遮板预制成套技术，率先研制各种遮板施工的小型工装设备，建成了遮板预制场，取得了巨大的经济效益和社会效益。在公路桥梁中，分别在上海 S6高架桥及沈阳南北快速干道工程中采用装配式防撞墙，如图 1.5、图 1.6 所示。针对装配式防护墙的应用研究甚少，尚处于起步阶段。
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2.1 工程背景
新建北京至雄安高速铁路装配式桥面附属设施，主要包括防护墙、竖墙、边墙、电缆槽底板等。其中防护墙、竖墙、边墙与电缆槽底板整体预制，其标准块长度按照 1.98m设计，防护墙直线段高 76cm，底板厚 14cm，如图 2.1 所示。构件混凝土设计强度等级为 C50。现场试验在混凝土龄期为 9 天时进行，不足 28 天的龄期，根据混凝土实测强度及弹性模量达到设计等级的 80%以上，其达到 C40 标准。钢筋采用 HRB400，安装预制构件时采用 M30 无收缩砂浆坐桨找平，厚度为 3cm；每块预制构件与梁体翼缘间设置 4套金属连接件，由预埋套筒、预埋垫板和连接螺栓等构件组成。其中预埋套筒为 45 号钢调质，调质后硬度达到 HRC31±2，连接螺栓采用 10.9 级高强螺栓。
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2.2 有限元模型建立
2.2.1 材料本构
ABAQUS 作为一款有限元分析软件，具有强大的非线性分析功能[37]，能够较好的模拟结构实际工作状态，被广泛应用到土木工程中。采用 ABAQUS 进行仿真数值模拟，影响其模拟的准确性因素较多，如单元类型、边界条件选用、网格划分、材料本构模型等。其中材料本构模型的正确输入直接影响计算过程的流畅性与理论结果的正确性。
2.2.1.1 混凝土塑性损伤本构模型
（1）混凝土规范中规定的本构关系
在《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[38]附录 C 中，给出了混凝土本构模型关系计算方法。
混凝土单轴受压的应力-应变曲线方程可按公式（2.1）~（2.4）确定：
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3 装配式与现浇整体式防护墙力学性能及破坏过程对比研究 .......................................... 3
3.1 现浇整体式防护墙 ............................ 30
3.1.1 构造形式 ............................ 30
3.1.2 有限元模型 ....................................... 31
4 装配式防护墙承载力影响因素研究 ..................................... 41
4.1 连接螺栓数量的影响 ..................................... 41
4.2 连接螺栓直径的影响 .................................. 43
5 结论与展望 ............................................. 54
5.1 结论 ................................. 54
5.2 展望 ................................ 55
4 装配式防护墙承载力影响因素研究
4.1 连接螺栓数量的影响
装配式防护墙与主梁的连接主要靠通过高强螺栓将二者连接为一个整体，共同承担外部荷载作用；因此，螺栓的数量及其布置方式将会影响装配式防护墙的承载能力。根据本项目装配式防护墙的设计图纸，单个预制块配置四套螺栓，其中靠近防护墙与边墙位置各两套，在横桥方向上对称布置，具体尺寸见第二章中第一节图 2.1 所示。在原有的设计图纸上分别在靠近防护墙和边墙的区域增加螺栓数量，横桥向位置尺寸不变，纵桥向均匀分布，具体变化工况如表 4.1 所示。
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5 结论与展望
5.1 结论
装配式结构施工干扰因素少，成批量的工厂化生产使得施工周期短，绿色环保，虽然目前仍存在成本较大等特点，但随着科技技术的进步未来必将成为工程建设的一种趋势。本文以新建北京至雄安高速铁路装配式桥面附属设施为工程研究背景，结合现场装配式防护墙力学性能荷载试验，研究目前对装配式防护墙的常用数值模拟方法，得出最为贴近实际情况理论分析方法。对比分析装配式防护墙与整体式防护墙力学性能及破坏过程，并探讨为提高装配式防护墙的承载能力，分析不同影响因素的影响效果。通过研究分析得出以下结论：
（1）针对装配式防护墙采用有限元软件 ABAQUS 进行力学性能理论分析研究，应综合考虑不同的工程要求，计算成本等因素，选取适合的模拟方法。考虑实体单元精细化数值建模，与现场试验结果极限承载力相差约为 0.7%，加载过程中反力偏差最大约为7.2%，理论与试验结果契合度高。
（2）通过对比分析装配式防护墙与现浇整体式防护墙的受力特性及破坏模式，发现两种类型的受力特性及破坏过程均呈现出较大的区别。现浇整体式防护墙极限承载力达到213.05N/m，装配式防护墙的极限承载力为163.85kN/m，与前者偏差约为23.09%，相对较大；在整个加载过程中，由于现浇式防护墙整体性好，刚度大，装配式防护墙与现浇防护墙力-位移曲线偏差较大，在同等位移荷载作用下，反力偏差最大可达到45%，发生在水平位移约为5.4mm时。同时，两种防护墙在受到水平荷载的作用下呈现出的不同的破坏形态；装配式防护墙沿着电缆槽底板厚度发生断裂破坏，导致结构失效，整体式防护墙在防护墙截面突变的位置发生开裂破坏。
（3）通过分析连接螺栓的数量、直径及固定方式，结构配筋率与混凝土强度等级对装配式防护墙力学性能的影响，并与现浇整体式防护墙作对比，发现改变不同的影响因素对改善装配式防护墙的受力特性效果不一。当连接螺栓数量与直径增加到一定程度时，装配式防护墙极限承载力与整体式防护墙相差分别为 8.6%、9.3%，而改变螺栓在防护墙中的固定方式后，将靠近防护墙一侧连接螺栓的数量设置为 3 个时，装配式防护墙与整体式防护墙极限承载力相差约为 7.4%，且二者力-位移曲线相对偏差较小，整体刚度偏差也较小，而改变靠近边墙一侧的螺栓数量及其固定方式对防护墙的极限承载力影响不大。
参考文献（略）