鄉(xiāng)村公路小橋涵設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

蔡真

（中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430040）

1 引言

鄉(xiāng)村公路是補(bǔ)充公路交通網(wǎng)絡(luò)，使公路網(wǎng)絡(luò)更好地完成交通運(yùn)輸任務(wù)的重要組成部分，作為鄉(xiāng)村公路的重要節(jié)點(diǎn)工程，鄉(xiāng)村公路小橋涵的設(shè)計(jì)決定了公路整體的質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)能力。本文從鄉(xiāng)村公路小橋涵的選址、平面布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載設(shè)計(jì)和排水設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)小橋涵工程設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和分析。

2 鄉(xiāng)村公路橋涵設(shè)計(jì)原則與內(nèi)容

2.1 橋涵設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)原則是指導(dǎo)橋涵設(shè)計(jì)工作的基本思想，根據(jù)我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的橋涵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，鄉(xiāng)村公路小橋涵的設(shè)計(jì)要保證“經(jīng)濟(jì)適用、安全美觀”的設(shè)計(jì)思想【1】。相較于城市公路，鄉(xiāng)村公路由于經(jīng)費(fèi)限制，在遇到復(fù)雜工程地質(zhì)條件時(shí)，必須通過(guò)最合理的橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到在最低經(jīng)濟(jì)投入的條件下安全地完成工程建設(shè)。同時(shí)，本著人與自然和諧共處的思想，橋涵設(shè)計(jì)要盡量避免對(duì)自然環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)橋涵的美觀。

2.2 橋涵選址

從整體規(guī)劃角度出發(fā)，鄉(xiāng)村公路小橋涵設(shè)計(jì)要服從整體路網(wǎng)規(guī)劃和橋涵在交通運(yùn)輸過(guò)程中承擔(dān)的職能。同時(shí)要結(jié)合具體的地形地貌、工程地質(zhì)、河流水域條件來(lái)選擇橋址，在需要跨越小河流時(shí)不需要過(guò)多考慮河流流向等問(wèn)題。若橋梁需跨越較大河流或者在規(guī)劃上有通航要求，則需要符合以下原則：

1）跨越大河流的橋涵選址要選擇在河道順直穩(wěn)定、河床地質(zhì)條件良好的位置，而在河岔口、沙洲、古河道、急彎等易形成留冰、流木阻塞河道的河段或者河道存在斷層等不良地質(zhì)條件的河段，不能作為橋址的位置。

2）橋涵的設(shè)計(jì)縱軸和河道的主流向應(yīng)呈正交設(shè)計(jì)。若因客觀條件無(wú)法正交時(shí)，盡量保證通航河道和橋梁縱軸交角為85°～90°。同時(shí)，跨徑要依據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》來(lái)計(jì)算，具體如式（1）所示：

式中，la為相應(yīng)計(jì)算水位的墩臺(tái)邊緣之間的凈距，m；l為通航要求的有效跨徑，m；b為橋梁墩臺(tái)長(zhǎng)度，m；a為垂直水流的法線方向和橋梁縱軸線之間所成角度。

2.3 橋涵平面布置以及斷面設(shè)計(jì)

由于鄉(xiāng)村公路建設(shè)受到經(jīng)費(fèi)限制，在橋涵的平面布置上要盡量簡(jiǎn)單，直線橋的橋型是最佳選擇。從鄉(xiāng)村公路建設(shè)的客觀角度來(lái)說(shuō)，承擔(dān)鄉(xiāng)村公路建設(shè)的施工隊(duì)伍在工程專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)方面水平較低，因此在設(shè)計(jì)上要盡量避免復(fù)雜工序和復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋型，以便控制工程質(zhì)量。鄉(xiāng)村公路橋涵的寬度設(shè)計(jì)，要根據(jù)通行交通量和該路段需要承擔(dān)的交通功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常在不同情況下，橋梁寬度可以按如下準(zhǔn)則進(jìn)行選擇：（1）橋涵需跨越的河流寬度較小、橋涵設(shè)計(jì)跨徑較小時(shí)，橋梁寬度可以按照街道寬度設(shè)計(jì)；（2）橋涵需跨越的河流寬度較大，橋梁跨徑較大，可以在滿足交通量的條件下，盡量節(jié)省成本，橋梁寬度可以比需要銜接的街道稍窄；（3）有濱河道路存在的情況下，通過(guò)綜合規(guī)劃濱河道路和橋涵引道的交通功能，有效提高鄉(xiāng)村公路橋涵的通行和運(yùn)輸能力，使橋面標(biāo)高的設(shè)計(jì)略高于濱河道路，同時(shí)要注意，橋下凈空高度需滿足濱河道路交通凈空高度要求；（4）橋涵與引橋銜接可以采用附有擋土墻的路堤和緩坡路堤形式，與濱河道路的銜接可以通過(guò)2 條匝道銜接，滿足交通網(wǎng)絡(luò)的交通便捷。

鄉(xiāng)村公路橋涵縱斷面設(shè)計(jì)與其他公路斷面設(shè)計(jì)要點(diǎn)相同。不同的是，鄉(xiāng)村公路橋涵很少出現(xiàn)大橋，構(gòu)件多采用預(yù)制構(gòu)件，因此在建設(shè)過(guò)程中，可能與設(shè)計(jì)橋面斷面縱向曲線產(chǎn)生矛盾，可以在交通量小的區(qū)域選擇多段折線代替曲線設(shè)計(jì)。另外，鄉(xiāng)村公路通行地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度通常較低，在縱坡設(shè)計(jì)方面要從當(dāng)?shù)鼐用窠嵌瘸霭l(fā)，不宜設(shè)置較大縱坡。

3 鄉(xiāng)村公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁設(shè)計(jì)發(fā)展至今，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法到破損階段設(shè)計(jì)法再到極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的過(guò)程【2】。

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法通過(guò)引入概率論和可靠度分析方法，將橋涵構(gòu)建置于多種假定極限狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，可以將橋涵在實(shí)際工作情況下出現(xiàn)的工作狀態(tài)表達(dá)出來(lái)。這一方法是我國(guó)目前主要采用的設(shè)計(jì)方法【3】。

4 鄉(xiāng)村公路橋涵荷載設(shè)計(jì)

4.1 鄉(xiāng)村公路橋涵荷載分類(lèi)組合

鄉(xiāng)村公路荷載組合不同于高等級(jí)公路，在實(shí)際使用過(guò)程中車(chē)輛荷載對(duì)橋涵的影響能力有所降低，人為因素對(duì)橋涵的影響程度相對(duì)較大。因此，在鄉(xiāng)村公路小橋涵設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)可能出現(xiàn)的實(shí)際情況，選擇不同的荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

荷載組合Ⅰ：幾種基本可變荷載與幾種永久荷載的組合；

荷載組合Ⅱ：幾種基本可變荷載與幾種永久荷載的組合疊加后和偶然荷載中船只撞擊所形成的合力。

荷載組合Ⅲ：施工階段進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，可以從結(jié)構(gòu)重力、腳手架等輔助設(shè)施重力、行人等施工荷載進(jìn)行組合。

荷載組合Ⅳ：結(jié)構(gòu)重力、預(yù)應(yīng)力、土壓力中的幾種與地震荷載組合。

4.2 鄉(xiāng)村公路橋涵永久荷載

永久荷載主要是指橋涵自身的鋼筋混凝土或?yàn)r青混凝土的結(jié)構(gòu)層、鋪裝預(yù)制構(gòu)件的自重。在實(shí)際計(jì)算時(shí)并非直接將各部分重力直接相加，而是以各部分構(gòu)建自重按照比例疊加后作為設(shè)計(jì)荷載。

鄉(xiāng)村小橋涵通常簡(jiǎn)支梁形式，梁板受力構(gòu)件一般不會(huì)使用支模澆筑的方法而是采用預(yù)制的方法。雖然在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷風(fēng)吹日曬等不利條件的削弱，總體可以將荷載變化視為不變?，F(xiàn)行規(guī)范中通常按照如下方法計(jì)算橋涵自重的設(shè)計(jì)值，具體如式（2）所示：

式中，Gk為結(jié)構(gòu)重力標(biāo)準(zhǔn)值；γk為橋涵材料的設(shè)計(jì)重度；V為橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體積。

4.3 鄉(xiāng)村公路橋涵可變荷載

鄉(xiāng)村公路的可變荷載主要包括人群荷載、風(fēng)荷載、流水荷載以及車(chē)輛荷載等。而在橋涵實(shí)際使用過(guò)程中，車(chē)輛荷載遠(yuǎn)大于其他可變荷載；從交通運(yùn)輸職責(zé)角度出發(fā)，相比其他類(lèi)型公路，鄉(xiāng)村公路對(duì)行人的服務(wù)功能更重，所以在可變荷載計(jì)算中，荷載設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)該是車(chē)輛荷載和人群荷載的設(shè)計(jì)。我國(guó)相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)中，汽車(chē)荷載對(duì)橋梁的效應(yīng)占總效應(yīng)的15%～30%。汽車(chē)荷載可以從車(chē)輛在橋上的位置、車(chē)重、橋跨、軸距等方面構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行具體描述。

而人群荷載因影響因素多，很難確定固定的標(biāo)準(zhǔn)，因此在不同的規(guī)范中有不同的規(guī)定。在CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的具體規(guī)定有一定的差別。本文將不同規(guī)范對(duì)人群荷載的規(guī)定通過(guò)圖表進(jìn)行了描述，由于鄉(xiāng)村公路小橋涵通常出現(xiàn)的都是中小跨徑橋梁，因此僅對(duì)跨徑20m 以下的橋梁進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)描述（見(jiàn)圖1）。圖中，Wp為單邊人行道的寬度。

圖1 公路和城市橋涵規(guī)范對(duì)人群荷載的取值

5 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)計(jì)

5.1 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)計(jì)原則

排水工程是公路工程使用過(guò)程中保證公路長(zhǎng)期健康運(yùn)營(yíng)的基本保障，鄉(xiāng)村公路相較于普通公路設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)費(fèi)均有限。通過(guò)大量的鄉(xiāng)村橋涵工程經(jīng)驗(yàn)可知，目前，鄉(xiāng)村公路在建設(shè)過(guò)程中排水設(shè)施設(shè)置和建設(shè)應(yīng)遵從以下原則【4】：（1）盡量根據(jù)工程地點(diǎn)實(shí)際情況就地取材，盡可能節(jié)省工程費(fèi)用；（2）總體規(guī)劃布局，盡可能減少農(nóng)田的占用，同時(shí)防止灌溉系統(tǒng)與排水系統(tǒng)相互干擾；（3）當(dāng)公路穿越其他的鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路時(shí)，公路排水系統(tǒng)需要和已建成的排水系統(tǒng)達(dá)成協(xié)調(diào)；（4）在鄉(xiāng)村公路的重點(diǎn)路段應(yīng)該對(duì)排水設(shè)施進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

5.2 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)計(jì)方案

5.2.1 山區(qū)路段橋涵排水設(shè)計(jì)研究

由于地形復(fù)雜，排水設(shè)施中通常不適用截水溝，在水量匯聚較大的部分可以考慮截水溝分?jǐn)偱潘畨毫Γ苑乐褂晁疀_刷過(guò)于嚴(yán)重，確保坡面排水順暢。受限于工程投資，路面通?；诮?jīng)濟(jì)考慮不設(shè)置特殊措施，采用路面漫流的方式排水。在地下水會(huì)直接影響路基穩(wěn)定的地區(qū)，可以通過(guò)工程設(shè)施降低地下水水位。

5.2.2 村鎮(zhèn)路段橋涵排水設(shè)計(jì)

村鎮(zhèn)內(nèi)部公路排水要從本地財(cái)政能力和氣候地質(zhì)條件出發(fā)，參照城鎮(zhèn)排水規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。在有條件的地區(qū)可以使用混凝土蓋板封閉的加固邊溝；在經(jīng)濟(jì)條件較差，年降雨量小于250mm 的地區(qū)，可以不設(shè)邊溝或者設(shè)置土邊溝。

5.2.3 水網(wǎng)密集路段橋涵排水設(shè)計(jì)研究

水網(wǎng)密集地區(qū)的排水工程設(shè)計(jì)，要結(jié)合當(dāng)?shù)厮婪植继攸c(diǎn)，盡量使排水系統(tǒng)和天然水系結(jié)合形成完整排水體系。新建路基要換填路基底部軟弱地基，或者使用拋石擠淤等方法對(duì)地基進(jìn)行預(yù)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鄉(xiāng)村公路小橋涵的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)小橋涵的選址、平面布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了全面的闡述，對(duì)不同位置公路的排水設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的要點(diǎn)進(jìn)行了分別探討，對(duì)日后的工程建設(shè)提供了一定的借鑒。