縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題

摘要 隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷完善，縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)與建設(shè)顯得尤為重要。文章結(jié)合實(shí)際工程案例，從縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā)，分析了橋梁類型在農(nóng)村縣鄉(xiāng)公路中的適用性和特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)置混凝土橫向抗震擋塊能夠有效提高橋梁的變形能力和抗震能力，可為縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)提供實(shí)用的參考建議，推動(dòng)農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)發(fā)展與改善。

關(guān)鍵詞 縣鄉(xiāng)公路；小跨橋梁；設(shè)計(jì)；抗震擋塊

中圖分類號(hào) U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0048-03

0 引言

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，縣鄉(xiāng)公路的建設(shè)與改善已成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。作為跨越山谷河流、連接小溪溝渠的重要紐帶，小跨橋梁在縣鄉(xiāng)公路交通中的作用非常重要。在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)政府加大了對(duì)農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施的投入力度，大量的縣鄉(xiāng)公路得到了建設(shè)和改善。然而，由于我國(guó)農(nóng)村地域廣闊、地貌復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后等特點(diǎn)，相較于城市地區(qū)，縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)與建設(shè)依舊面臨著一系列獨(dú)特而復(fù)雜的困難與挑戰(zhàn)，比如農(nóng)村地域較為分散、交通需求相對(duì)分散，對(duì)小跨橋梁的數(shù)量、類型和規(guī)格要求較高，再者農(nóng)村地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，存在地基承載能力低、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)等問(wèn)題[1]。因此，深入研究和解決縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中依據(jù)現(xiàn)實(shí)條件不斷總結(jié)關(guān)鍵問(wèn)題，及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確保橋梁使用的安全性和可靠性，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步完善和提升具有重要意義。

1 縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及原則

1.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

小跨橋梁作為跨河流連接道路的重要設(shè)施，在保證交通高效通行、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，在保障社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行方面也發(fā)揮了重要作用，其設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境兼容性等多種因素。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，小跨橋梁所跨越的水面體積通常較小，因此建設(shè)和后續(xù)維護(hù)成本合理，同時(shí)通過(guò)合理選擇材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)確保質(zhì)量和安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性，其設(shè)計(jì)通常涉及板梁、使用鋼管的拱橋、采用T形鋼筋混凝土橋等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形狀。

從安全可靠方面來(lái)看，縣鄉(xiāng)公路的交通量相對(duì)較小，但受季節(jié)性洪水和自然環(huán)境影響較大，小跨橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐奶厥鈿夂蚝偷刭|(zhì)條件，做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整，使小跨橋梁具備良好的耐久性和抗災(zāi)能力，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

從現(xiàn)實(shí)施工及使用方面來(lái)看，小跨橋梁的通行量雖小，在設(shè)計(jì)時(shí)也需考慮行人通行的安全性和舒適性，需要在橋邊設(shè)置合適高度的欄桿圍擋，對(duì)橋面進(jìn)行防滑設(shè)置，以保證行人車輛的安全。

此外，小跨橋梁設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮生態(tài)因素，盡量減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。但考慮縣鄉(xiāng)地區(qū)施工條件相對(duì)較差，小跨橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少對(duì)施工設(shè)備和技術(shù)的要求，同時(shí)可采用預(yù)制構(gòu)件等技術(shù)，以提高施工效率[2]。

1.2 設(shè)計(jì)原則

橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)往往將最大承載能力作為最重要的因素，但對(duì)于橋梁在正常使用時(shí)的承載能力卻沒(méi)有給予足夠重視，意味著在橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力之前，其正常使用壽命會(huì)受到材料疲勞、變形和振動(dòng)等多種因素的影響[3]。因此，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，有必要對(duì)橋梁在正常使用條件下的承載能力進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估。

其次，橋梁耐久性的強(qiáng)弱是決定其能否長(zhǎng)時(shí)間使用且性能良好保持的重要因素。氣候、水體腐蝕、交通負(fù)荷、化學(xué)腐蝕等外界因素對(duì)橋梁的前期施工、投入使用、后期的維修養(yǎng)護(hù)均有不同程度的影響[4]。然而，在過(guò)去的研究中，對(duì)于理論層面的研究過(guò)于集中，且研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少。因此，在未來(lái)的研究中需要通過(guò)更多實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不斷完善橋梁的耐久性設(shè)計(jì)，確保其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

2 縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題分析

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的橋梁數(shù)量非常多，且分布廣泛，但多為大型橋梁，中小型的數(shù)量占比較低。除跨越溝谷外，陡坡段也需要設(shè)置縱向高架橋。橋梁的平均墩高較大，基巖埋深較淺，大部分墩、臺(tái)樁長(zhǎng)度介于15～30 m之間，多采用嵌巖樁。針對(duì)縣鄉(xiāng)的地形特點(diǎn)，橋梁設(shè)計(jì)需要考慮地形限制，采用合適的結(jié)構(gòu)形式，以確保橋梁的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)。橋梁頂部結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)制，對(duì)于安裝和運(yùn)輸更加有利，進(jìn)一步減少了施工時(shí)間和費(fèi)用，跨度為20～40 m的預(yù)制板或梁是一種成本效益高且合理的選擇。小跨橋梁的上部主梁結(jié)構(gòu)適用類型如表1所示，主要包括T形梁、小型箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁具有結(jié)構(gòu)輕、外形美觀、吊裝重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在中小型橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，但空心板結(jié)構(gòu)也存在一定的不足，如橫向完整性有限、鉸縫過(guò)薄容易產(chǎn)生縱向裂縫等問(wèn)題，導(dǎo)致空心板結(jié)構(gòu)的支撐在施工和運(yùn)行過(guò)程中容易斷裂，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體完整性和通行安全產(chǎn)生一定影響。

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁也廣泛應(yīng)用于小跨橋梁工程中，其具有造價(jià)低、抗扭性能好、梁高適中等特點(diǎn)，但小箱梁的缺點(diǎn)也很明顯，如預(yù)制工藝稍顯復(fù)雜，吊裝重量較大，且設(shè)置及施工相對(duì)困難，特別是小箱梁預(yù)制工藝比較復(fù)雜，需要先進(jìn)行簡(jiǎn)支，再將墩梁進(jìn)行固結(jié)設(shè)置及施工。預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁跨度相對(duì)較大，最高可達(dá)50 m，是橋梁上另一種常見(jiàn)的上部結(jié)構(gòu)。雖然T形梁具有施工簡(jiǎn)便、吊重適中等優(yōu)點(diǎn)，但其體積和高度相對(duì)較大，經(jīng)濟(jì)性受到限制。在丘陵地帶，由于橋梁的平均墩高較高，導(dǎo)致T形梁的建筑高度偏大。此外，隨著此類橋梁橋柱和橋墩的升高，T形梁設(shè)置墩梁固結(jié)的構(gòu)造處理難度將會(huì)進(jìn)一步增加。

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在縣鄉(xiāng)小跨橋梁設(shè)計(jì)中，選型的關(guān)鍵在于綜合考慮上部跨徑和下部墩高的高跨比，以及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。最經(jīng)濟(jì)的跨徑選擇可以參照橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部墩柱結(jié)構(gòu)的造價(jià)之和是否在選擇范圍內(nèi)最低。對(duì)于地形復(fù)雜、地基條件相對(duì)較差的情況，選擇合適的橋臺(tái)和橋墩類型顯得尤為重要。

在選擇橋墩時(shí)，必須考慮地基的承載能力和特定的地形。橋墩有多種類型，如分離式墩臺(tái)、柱式橋墩、肋板式橋墩或重力式U形橋墩，以上橋墩底部均需要有良好的樁基作為支撐。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，一般在確定橋墩的墩高（H）時(shí)，可采用如表2所示的相關(guān)設(shè)計(jì)原則合理確定縣鄉(xiāng)小跨橋梁下部橋臺(tái)的類型。

當(dāng)橋墩高度小于40 m時(shí)，造價(jià)最低且實(shí)用的橋墩形式是柱式橋墩，它的整體外形整潔美觀，并且能夠很好地適應(yīng)地形條件，施工工藝簡(jiǎn)單，與樁基銜接較好。對(duì)于墩高不小于40 m但小于50 m的情況，可考慮采用等截面的矩形實(shí)心薄壁墩，能夠使施工更加方便，可進(jìn)一步縮短施工周期。在選型過(guò)程中，還需要考慮橋墩的穩(wěn)定性、抗震性能、施工難度，以及與上部結(jié)構(gòu)的銜接等因素，以確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性。通過(guò)綜合考慮各種因素，可以選擇最合適的橋臺(tái)和橋墩類型，以滿足縣鄉(xiāng)公路橋梁設(shè)計(jì)的要求。

2.3 抗震設(shè)計(jì)

抗震方面的設(shè)計(jì)對(duì)于地處地震帶區(qū)域的縣鄉(xiāng)橋梁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在此類地區(qū)，對(duì)于小跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)，需要考慮的方面主要在于結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造、橋梁支座的選擇、橋梁擋塊間隙及橋梁材料的選用等，使得橋梁能夠在地震中保持良好的穩(wěn)定性和安全性。

在設(shè)計(jì)橋墩時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮鋼筋混凝土橋墩等柔性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，從抗震要求的角度考慮結(jié)構(gòu)配筋，增加鋼梁數(shù)量和翼緣密度，使橋墩具有足夠的抗震能力。其次，在橋梁主梁之間及主梁與橋墩之間安裝橡膠隔離裝置，以確保結(jié)構(gòu)在地震中不會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)，提高橋梁的抗震能力。

對(duì)于蓋梁兩端位置，可設(shè)置一定高度的擋塊，在有橫向地震作用的情況下，梁體與擋塊之間的擠壓可作為改善小跨橋梁抗震性能的措施。在梁體與擋塊之間存在一定間隙且初始間隙不斷增大時(shí)，橋梁下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)會(huì)隨著初始間隙的增大而減小。因?yàn)檩^大的擋塊間隙能夠提供更多的緩沖空間，使得梁體在地震作用下受到的沖擊減弱，進(jìn)而減小了地震內(nèi)力的產(chǎn)生。需要注意的是，擋塊間隙不能設(shè)置得過(guò)小，否則可能導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)受到更大的地震影響，甚至發(fā)生損壞。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

該文以山西省晉中市某縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁為研究對(duì)象，為保證道路貫通，在此處采用架設(shè)橋梁的設(shè)計(jì)方案，此片區(qū)地質(zhì)條件較好，交通比較發(fā)達(dá)，但地面有部分高度差，且處于地震帶上，偶爾有微弱的震感，綜合考量以上工程及環(huán)境因素進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)。

3.2 橋梁選型

由于該區(qū)域的跨溝特點(diǎn)和路線設(shè)計(jì)的縱斷面，橋梁長(zhǎng)度約為30 m，因此，橋梁的頂部結(jié)構(gòu)可采用T形梁或小箱梁設(shè)計(jì)。根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及若干變量的影響，最終選擇跨度設(shè)計(jì)為7 m×30 m的T形梁結(jié)構(gòu)作為橋頂結(jié)構(gòu)，橫橋分為左右兩部分，高墩連續(xù)梁采用墩梁加固。與小箱梁相比，T形梁結(jié)構(gòu)自重小，方便施工，施工周期較短；其次，T形梁結(jié)構(gòu)適用于較長(zhǎng)跨度，能夠提供更好的通行空間，增強(qiáng)橋梁的通行能力；此外，T形梁結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性較好，能夠有效抵抗外部荷載和地震作用，提高橋梁的安全性和耐久性。

該區(qū)域地質(zhì)鉆探結(jié)果表明，承載層由花崗巖組成，已略有風(fēng)化，覆蓋層較薄，具有良好的地質(zhì)特征。樁基采用嵌巖樁，樁長(zhǎng)約20 m。經(jīng)過(guò)綜合分析，確定橋墩為帶樁基礎(chǔ)的圓柱形橋墩，橋臺(tái)為帶擴(kuò)展基礎(chǔ)的U形結(jié)構(gòu)。圓柱墩能夠有效分散荷載，且易于施工和維護(hù)，適合于該地區(qū)的地質(zhì)條件；而U形橋臺(tái)結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，加上擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)置，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)橋臺(tái)的穩(wěn)定性和承載能力。

3.3 橋梁抗震設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)置混凝土無(wú)間隙橫向抗震擋塊，并結(jié)合有限元軟件的模擬分析，圖1分別給出了加固前后擋塊初始間隙對(duì)墩底剪力的影響；圖2給出了擋塊初始間隙對(duì)墩底彎矩的影響。由圖1和圖2可以看出，在地震作用下，隨著初始間隙的增大，加固前和加固后墩底的剪力和彎矩均在逐漸減小，且可以明顯看出，加固后橋墩底部受到的彎矩和剪力明顯小于加固前，彎矩及剪力最大差值均發(fā)生在初始間隙為0.04 m處，墩底剪力加固后相較于加固前提高約73.6%，墩底彎矩則提高約96.9%。因此，橋梁設(shè)置合理的間隙擋塊，能夠有效增加橋梁下部結(jié)構(gòu)的剛度，最大限度地提高地震響應(yīng)能力，使橋梁的變形能力和抗震能力更強(qiáng)，從而降低結(jié)構(gòu)損壞的可能性。

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原則的分析，進(jìn)一步討論了設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題的解決措施。結(jié)合某縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了論證，主要得出以下結(jié)論：

（1）縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計(jì)必須滿足以下條件：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全可靠，承載能力強(qiáng)，有足夠的耐久性，經(jīng)濟(jì)合理，且與環(huán)境應(yīng)保持高度的兼容性，施工便捷，方便后期使用及維護(hù)。

（2）綜合考慮，可通過(guò)設(shè)置混凝土無(wú)間隙橫向抗震擋塊提高橋梁的抗震性能，加固后相較于加固前，墩底剪力和彎矩最大差值均發(fā)生在初始間隙為0.04 m處，分別提高了約73.6%和96.9%，以保證縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭旭，伊廷華，楊東輝，等.中小跨徑橋梁承載能力快速檢測(cè)與虛擬評(píng)定方法研究[J/OL].工程力學(xué)，2023-06-12/2024-05-04.

[2]吳海軍，袁光杰，王濤，等.基于中小跨梁橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)的閾值設(shè)定及應(yīng)用[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（9）：54-58+66.

[3]陳樹(shù)禮，劉永前，陳士通，等.大軸重運(yùn)輸條件下小跨度板梁靜動(dòng)力適應(yīng)性研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023（4）：1403-1415.

[4]柳本民，廖巖楓，涂輝招，等.基于模擬實(shí)驗(yàn)的低等級(jí)公路車輛過(guò)彎風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021（4）：499-506.

[5]春龍，胡亦鶴，周傳武.浙南山區(qū)公路承災(zāi)體自然災(zāi)害分布特征及防治研究[J].公路，2023（12）：328-336.