鄉村公路小橋涵設計要點研究

蔡真

（中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢430040）

1 引言

鄉村公路是補充公路交通網絡，使公路網絡更好地完成交通運輸任務的重要組成部分，作為鄉村公路的重要節點工程，鄉村公路小橋涵的設計決定了公路整體的質量和運營能力。本文從鄉村公路小橋涵的選址、平面布置、結構設計、荷載設計和排水設計角度出發，對小橋涵工程設計中的要點進行了總結和分析。

2 鄉村公路橋涵設計原則與內容

2.1 橋涵設計原則

設計原則是指導橋涵設計工作的基本思想，根據我國長期以來的橋涵建設經驗，鄉村公路小橋涵的設計要保證“經濟適用、安全美觀”的設計思想【1】。相較于城市公路，鄉村公路由于經費限制，在遇到復雜工程地質條件時，必須通過最合理的橋涵結構設計達到在最低經濟投入的條件下安全地完成工程建設。同時，本著人與自然和諧共處的思想，橋涵設計要盡量避免對自然環境的破壞，實現橋涵的美觀。

2.2 橋涵選址

從整體規劃角度出發，鄉村公路小橋涵設計要服從整體路網規劃和橋涵在交通運輸過程中承擔的職能。同時要結合具體的地形地貌、工程地質、河流水域條件來選擇橋址，在需要跨越小河流時不需要過多考慮河流流向等問題。若橋梁需跨越較大河流或者在規劃上有通航要求，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定、河床地質條件良好的位置，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條件的河段，不能作為橋址的位置。

2）橋涵的設計縱軸和河道的主流向應呈正交設計。若因客觀條件無法正交時，盡量保證通航河道和橋梁縱軸交角為85°～90°。同時，跨徑要依據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》來計算，具體如式（1）所示：

式中，la為相應計算水位的墩臺邊緣之間的凈距，m；l為通航要求的有效跨徑，m；b為橋梁墩臺長度，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計

由于鄉村公路建設受到經費限制，在橋涵的平面布置上要盡量簡單，直線橋的橋型是最佳選擇。從鄉村公路建設的客觀角度來說，承擔鄉村公路建設的施工隊伍在工程專業素養方面水平較低，因此在設計上要盡量避免復雜工序和復雜結構橋型，以便控制工程質量。鄉村公路橋涵的寬度設計，要根據通行交通量和該路段需要承擔的交通功能進行設計。通常在不同情況下，橋梁寬度可以按如下準則進行選擇：（1）橋涵需跨越的河流寬度較小、橋涵設計跨徑較小時，橋梁寬度可以按照街道寬度設計；（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，通過綜合規劃濱河道路和橋涵引道的交通功能，有效提高鄉村公路橋涵的通行和運輸能力，使橋面標高的設計略高于濱河道路，同時要注意，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2 條匝道銜接，滿足交通網絡的交通便捷。

鄉村公路橋涵縱斷面設計與其他公路斷面設計要點相同。不同的是，鄉村公路橋涵很少出現大橋，構件多采用預制構件，因此在建設過程中，可能與設計橋面斷面縱向曲線產生矛盾，可以在交通量小的區域選擇多段折線代替曲線設計。另外，鄉村公路通行地區經濟發展程度通常較低，在縱坡設計方面要從當地居民角度出發，不宜設置較大縱坡。

3 鄉村公路橋涵結構設計

橋梁設計發展至今，主要結構設計方法經歷了容許應力設計法到破損階段設計法再到極限狀態設計法的過程【2】。

極限狀態設計法通過引入概率論和可靠度分析方法，將橋涵構建置于多種假定極限狀態下進行結構強度分析，可以將橋涵在實際工作情況下出現的工作狀態表達出來。這一方法是我國目前主要采用的設計方法【3】。

4 鄉村公路橋涵荷載設計

4.1 鄉村公路橋涵荷載分類組合

鄉村公路荷載組合不同于高等級公路，在實際使用過程中車輛荷載對橋涵的影響能力有所降低，人為因素對橋涵的影響程度相對較大。因此，在鄉村公路小橋涵設計過程中，根據可能出現的實際情況，選擇不同的荷載組合進行設計計算。

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：施工階段進行驗算時，可以從結構重力、腳手架等輔助設施重力、行人等施工荷載進行組合。

荷載組合Ⅳ：結構重力、預應力、土壓力中的幾種與地震荷載組合。

4.2 鄉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瀝青混凝土的結構層、鋪裝預制構件的自重。在實際計算時并非直接將各部分重力直接相加，而是以各部分構建自重按照比例疊加后作為設計荷載。

鄉村小橋涵通常簡支梁形式，梁板受力構件一般不會使用支模澆筑的方法而是采用預制的方法。雖然在設計使用期內會經歷風吹日曬等不利條件的削弱，總體可以將荷載變化視為不變。現行規范中通常按照如下方法計算橋涵自重的設計值，具體如式（2）所示：

式中，Gk為結構重力標準值；γk為橋涵材料的設計重度；V為橋涵結構的設計體積。

4.3 鄉村公路橋涵可變荷載

鄉村公路的可變荷載主要包括人群荷載、風荷載、流水荷載以及車輛荷載等。而在橋涵實際使用過程中，車輛荷載遠大于其他可變荷載；從交通運輸職責角度出發，相比其他類型公路，鄉村公路對行人的服務功能更重，所以在可變荷載計算中，荷載設計的重點應該是車輛荷載和人群荷載的設計。我國相關規范設計中，汽車荷載對橋梁的效應占總效應的15%～30%。汽車荷載可以從車輛在橋上的位置、車重、橋跨、軸距等方面構建數學模型進行具體描述。

而人群荷載因影響因素多，很難確定固定的標準，因此在不同的規范中有不同的規定。在CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》和JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》中的具體規定有一定的差別。本文將不同規范對人群荷載的規定通過圖表進行了描述，由于鄉村公路小橋涵通常出現的都是中小跨徑橋梁，因此僅對跨徑20m 以下的橋梁進行了統計描述（見圖1）。圖中，Wp為單邊人行道的寬度。

圖1 公路和城市橋涵規范對人群荷載的取值

5 鄉村公路橋涵排水設計

5.1 鄉村公路橋涵排水設計原則

排水工程是公路工程使用過程中保證公路長期健康運營的基本保障，鄉村公路相較于普通公路設計和建設經費均有限。通過大量的鄉村橋涵工程經驗可知，目前，鄉村公路在建設過程中排水設施設置和建設應遵從以下原則【4】：（1）盡量根據工程地點實際情況就地取材，盡可能節省工程費用；（2）總體規劃布局，盡可能減少農田的占用，同時防止灌溉系統與排水系統相互干擾；（3）當公路穿越其他的鄉鎮公路時，公路排水系統需要和已建成的排水系統達成協調；（4）在鄉村公路的重點路段應該對排水設施進行單獨設計。

5.2 鄉村公路橋涵排水設計方案

5.2.1 山區路段橋涵排水設計研究

由于地形復雜，排水設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攤排水壓力，以防止雨水沖刷過于嚴重，確保坡面排水順暢。受限于工程投資，路面通常基于經濟考慮不設置特殊措施，采用路面漫流的方式排水。在地下水會直接影響路基穩定的地區，可以通過工程設施降低地下水水位。

5.2.2 村鎮路段橋涵排水設計

村鎮內部公路排水要從本地財政能力和氣候地質條件出發，參照城鎮排水規范進行設計。在有條件的地區可以使用混凝土蓋板封閉的加固邊溝；在經濟條件較差，年降雨量小于250mm 的地區，可以不設邊溝或者設置土邊溝。

5.2.3 水網密集路段橋涵排水設計研究

水網密集地區的排水工程設計，要結合當地水道分布特點，盡量使排水系統和天然水系結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地基進行預處理。

6 結語

本文對鄉村公路小橋涵的特點、設計要點進行了分析，對小橋涵的選址、平面布置、結構設計、荷載設計要點進行了全面的闡述，對不同位置公路的排水設計過程中需要注意的要點進行了分別探討，對日后的工程建設提供了一定的借鑒。