水利水電工程農橋設計荷載對比分析

陳積乾，何昕倩

（四川蜀禹水利水電工程設計有限公司，四川 德陽 618000）

1 概論

農橋與廣大人民群眾的生產生活息息相關，水利工程中的農橋可依據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）[1]進行設計。其將等級外道路上的人行便橋和通行汽車、三輪汽車、低速貨車、拖拉機、畜力車的生產橋，統稱為農橋。隨著農業機械化發展及人民生活水平提高，農業生產區的車流量及車輛載重也日益增加，農橋設計也應當引起設計人員重視。對此類建筑物的設計，水利工程相關規范常引用交通等其他行業規范，由于規范更新不一致，常導致不能及時引用新規范，使得設計不合理或結構存在安全隱患。在農橋設計中，設計人員應重視農橋設計荷載取用，對設計工況及結構計算具備清晰的認識，保證農橋的安全性和經濟性。

2 荷載分析

在農橋結構設計中，汽車荷載和人群荷載是農橋的常見荷載。其中人群荷載標準值依據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）取值為4 kN/m2。

《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）汽車荷載增補農橋Ⅰ級和農橋Ⅱ級兩個荷載等級，荷載取值是在公路-Ⅱ級荷載（《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004））基礎上進行折減選用：農橋Ⅰ級車道荷載折減系數0.8，農橋Ⅱ級車道荷載折減系數0.6，農橋Ⅰ級和農橋Ⅱ級車輛荷載的折減系數均為0.7。這在農橋設計中是很有必要的，能在滿足安全運行的同時體現經濟性，設計人員應根據農橋所處的運行要求合理選用荷載等級進行農橋設計。

設計農橋時應注意：《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）所引用的公路行業《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）已更新為《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015），車道荷載中的集中荷載荷載標準值計算方法也有所區別，對小跨徑橋梁的影響比較明顯，設計中需引起重視：

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）車道荷載集中荷載[2]：

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）車道荷載集中荷載[3]：

農橋以鋼筋混凝土梁橋最為常見，因其體型比較簡單，施工方便，適用于分散性大及規模小的農橋設計，同時在水利水電工程中常常因水位制約，設計人員會選擇簡支板橋而不是結構受力更好的T 梁橋。以某水利工程中取水塔和岸邊公路的交通聯系橋為例，分析《公路橋涵設計通用規范》更新對農橋內力計算結果的影響。

該橋為鋼筋混凝土簡支橋，單跨跨度8.0 m，計算跨徑為7.60 m，橋面寬度按《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）相關說明確定為：總寬度為5.0 m，中部為單車道寬度3.5 m，兩側設寬度0.5 m 的人行道和0.25 m 的欄桿，板厚取0.4 m，橋板采用C30 混凝土。欄桿（單側）自重線密度8 kN/m，人群荷載4.0 kN/m2。考慮橋梁在建成運行中雖然車流量較小，但在裝運啟閉機等構件載重較大，因此該橋按農橋Ⅰ級荷載等級設計。分別按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）與《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）進行車道荷載值計算，并按《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL 482-2011）規定進行折減，求得農橋Ⅰ級荷載標準值對比見表1。

表1 車道荷載對比表

3 內力計算

3.1 荷載作用組合

農橋荷載在僅考慮自重效應SG，汽車荷載效應SQ，人群荷載效應Sr時，按承載能力極限狀態、正常使用極限狀態進行作用組合。對比JTG D60-2015 與JTG D60-2004 對效應組合的規定，二者在承載能力極限狀態設計時，汽車荷載效應SQ均應考慮沖擊力，人群荷載效應Sr的系數有所區別；正常使用極限狀態效應組合含頻遇組合與準永久組合，兩規范相應系數取值一致。各效應組合計算公式如下：

據JTG D60-2015，承載能力極限狀態設計時（汽車荷載計沖擊力）：

據JTG D60-2004，承載能力極限狀態設計時（汽車荷載計沖擊力）：

正常使用極限狀態下的頻遇組合（汽車荷載不計沖擊力）：

正常使用極限狀態下的準永久組合（汽車荷載不計沖擊力）：

3.2 內力計算

簡支農橋采用影響線法直接加載求活載內力，計算成果見表2，計算公式為：

式中：S 為所求截面的彎矩或剪力；μ 為汽車荷載沖擊系數，依《公路橋涵設計通用規范》計算μ=0.386；ξ 為多車道橋涵的汽車荷載折減系數，單車道取1.2；mi為對于所計算主梁的橫向分布系數，m=1.0；qk為車道荷載的均布荷載標準值；ωj為使結構產生最不利效應的同號影響線面積；Pi為車道荷載的集中荷載標準值。計算剪力效應時，Pk尚應乘以1.2 的系數；yi為所加載影響線種一個最大影響線峰值。

表2 內力計算成果表

表1、表2 結果表明，該簡支梁橋的車道荷載標準值按JTG D60-2015 較JTG D60-2004 有所提高，其中車道均布荷載未變化，車道集中荷載增大幅度44.54%，由車道荷載引起的跨中彎矩增幅為36.82%。規范更新后車道荷載的集中荷載取值方法有所不同，在橋梁跨度大于50 m 時，車道荷載取值一致，但隨著跨徑減小，按JTG D60-2015 選用的橋梁車道荷載值增加越明顯。常見農橋跨度較小，因此規范更新對農橋設計影響明顯。

4 結構計算分析

據JTG D60-2015 內力計算成果配合《公路鋼筋混凝土及預 應 力 混 凝 土 橋 涵 設 計 規 范》（JTG 3362-2018）[4]，JTG D60-2004 內力計算成果配合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]，分別進行結構的正截面配筋、裂縫及撓度分析計算。受力鋼筋采用HRB400，凈保護層厚度35 mm，其他材料力學參數均按相應《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》取用，計算成果見表3。

表3 橋板結構計算成果

由表3 可知，由JTG D60-2015、JTG 3362-2018 計算的正截面抗彎配筋面積較JTG D60-2004、JTG D62-2004 規范增加了20.64%；表2 中據JTG D60-2015 計算農橋基本組合的跨中彎矩較JTG D60-2004 增加18.28%，可見正截面配筋增大幅度與彎矩的提高是相適應的。

農橋設計必須滿足正常使用極限狀態的要求。分別按JTG D60-2015、JTG 3362-2018 與JTG D60-2004、JTG D62-2004驗算相應配筋方案下的裂縫撓度，裂縫寬度滿足規范限值。分析表2、表3 計算成果，雖按JTG D60-2015、JTG 3362-2018 配筋面積相較提高較大，但最大裂縫寬度計算結果接近，可見規范更新對正常使用極限狀態作用組合的內力及結構也有顯著影響。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》更新前后構件抗彎剛度計算方法無區別，故表3 自重作用引起的撓度計算結果接近，二者差值是由于配筋方案不同對抗彎剛度的影響引起的；可變作用引起的撓度計算結果差異幅度同表2 中的可變作用內力計算值變幅接近。據JTG D60-2015、JTG 3362-2018 荷載計算開裂構件等效截面的抗彎剛度值B=3.08×1014，可變作用撓度計算值4.61 mm 滿足規范要求，因此按規范設置預拱度即可。

5 結論

隨著《公路橋涵設計通用規范》更新，農橋車道荷載標準值提高幅度較大，且農橋跨徑（跨徑小于50 m）越小，荷載提高越明顯，從而農橋內力計算值也明顯增大。正截面抗彎配筋面積也隨之有所增加。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》更新后，裂縫的計算方法也有所區別，因此據SL482-2011 設計農橋時應注意引用最新公路行業設計規范。在水利工程設計時，相關規范涉及其他行業規范時，在設計中也應注意其他行業規范的更新并及時引用新規范。