蔡真

（中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，武漢430040）

1 引言

鄉(xiāng)村公路是補充公路交通網(wǎng)絡(luò)，使公路網(wǎng)絡(luò)更好地完成交通運輸任務(wù)的重要組成部分，作為鄉(xiāng)村公路的重要節(jié)點工程，鄉(xiāng)村公路小橋涵的設(shè)計決定了公路整體的質(zhì)量和運營能力。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、荷載設(shè)計和排水設(shè)計角度出發(fā)，對小橋涵工程設(shè)計中的要點進行了總結(jié)和分析。

2 鄉(xiāng)村公路橋涵設(shè)計原則與內(nèi)容

2.1 橋涵設(shè)計原則

設(shè)計原則是指導橋涵設(shè)計工作的基本思想，根據(jù)我國長期以來的橋涵建設(shè)經(jīng)驗，鄉(xiāng)村公路小橋涵的設(shè)計要保證“經(jīng)濟適用、安全美觀”的設(shè)計思想【1】。相較于城市公路，鄉(xiāng)村公路由于經(jīng)費限制，在遇到復雜工程地質(zhì)條件時，必須通過最合理的橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計達到在最低經(jīng)濟投入的條件下安全地完成工程建設(shè)。同時，本著人與自然和諧共處的思想，橋涵設(shè)計要盡量避免對自然環(huán)境的破壞，實現(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)計要服從整體路網(wǎng)規(guī)劃和橋涵在交通運輸過程中承擔的職能。同時要結(jié)合具體的地形地貌、工程地質(zhì)、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(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)計縱軸和河道的主流向應(yīng)呈正交設(shè)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(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》來計算，具體如式（1）所示：

式中，la為相應(yīng)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(shè)計

由于鄉(xiāng)村公路建設(shè)受到經(jīng)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(xiāng)村公路建設(shè)的客觀角度來說，承擔鄉(xiāng)村公路建設(shè)的施工隊伍在工程專業(yè)素養(yǎng)方面水平較低，因此在設(shè)計上要盡量避免復雜工序和復雜結(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，要根據(jù)通行交通量和該路段需要承擔的交通功能進行設(shè)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(shè)計跨徑較小時，橋梁寬度可以按照街道寬度設(shè)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(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輸能力，使橋面標高的設(shè)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(wǎng)絡(luò)的交通便捷。

鄉(xiāng)村公路橋涵縱斷面設(shè)計與其他公路斷面設(shè)計要點相同。不同的是，鄉(xiāng)村公路橋涵很少出現(xiàn)大橋，構(gòu)件多采用預制構(gòu)件，因此在建設(shè)過程中，可能與設(shè)計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。另外，鄉(xiāng)村公路通行地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度通常較低，在縱坡設(shè)計方面要從當?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

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

極限狀態(tài)設(shè)計法通過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)下進行結(jié)構(gòu)強度分析，可以將橋涵在實際工作情況下出現(xiàn)的工作狀態(tài)表達出來。這一方法是我國目前主要采用的設(shè)計方法【3】。

4 鄉(xiāng)村公路橋涵荷載設(shè)計

4.1 鄉(xiāng)村公路橋涵荷載分類組合

鄉(xiāng)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(xiāng)村公路小橋涵設(shè)計過程中，根據(jù)可能出現(xiàn)的實際情況，選擇不同的荷載組合進行設(shè)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(jié)構(gòu)重力、腳手架等輔助設(shè)施重力、行人等施工荷載進行組合。

荷載組合Ⅳ：結(jié)構(gòu)重力、預應(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瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)層、鋪裝預制構(gòu)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(gòu)建自重按照比例疊加后作為設(shè)計荷載。

鄉(xiāng)村小橋涵通常簡支梁形式，梁板受力構(gòu)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(shè)計使用期內(nèi)會經(jīng)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?，F(xiàn)行規(guī)范中通常按照如下方法計算橋涵自重的設(shè)計值，具體如式（2）所示：

式中，Gk為結(jié)構(gòu)重力標準值；γk為橋涵材料的設(shè)計重度；V為橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計體積。

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(fā)，相比其他類型公路，鄉(xiāng)村公路對行人的服務(wù)功能更重，所以在可變荷載計算中，荷載設(shè)計的重點應(yīng)該是車輛荷載和人群荷載的設(shè)計。我國相關(guān)規(guī)范設(shè)計中，汽車荷載對橋梁的效應(yīng)占總效應(yīng)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(gòu)建數(shù)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(guī)范中有不同的規(guī)定。在CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》和JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的具體規(guī)定有一定的差別。本文將不同規(guī)范對人群荷載的規(guī)定通過圖表進行了描述，由于鄉(xiāng)村公路小橋涵通常出現(xiàn)的都是中小跨徑橋梁，因此僅對跨徑20m 以下的橋梁進行了統(tǒng)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(guī)范對人群荷載的取值

5 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)計

5.1 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)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(xiāng)村公路相較于普通公路設(shè)計和建設(shè)經(jīng)費均有限。通過大量的鄉(xiāng)村橋涵工程經(jīng)驗可知，目前，鄉(xiāng)村公路在建設(shè)過程中排水設(shè)施設(shè)置和建設(shè)應(yīng)遵從以下原則【4】：（1）盡量根據(jù)工程地點實際情況就地取材，盡可能節(jié)省工程費用；（2）總體規(guī)劃布局，盡可能減少農(nóng)田的占用，同時防止灌溉系統(tǒng)與排水系統(tǒng)相互干擾；（3）當公路穿越其他的鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路時，公路排水系統(tǒng)需要和已建成的排水系統(tǒng)達成協(xié)調(diào)；（4）在鄉(xiāng)村公路的重點路段應(yīng)該對排水設(shè)施進行單獨設(shè)計。

5.2 鄉(xiāng)村公路橋涵排水設(shè)計方案

5.2.1 山區(qū)路段橋涵排水設(shè)計研究

由于地形復雜，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?；诮?jīng)濟考慮不設(shè)置特殊措施，采用路面漫流的方式排水。在地下水會直接影響路基穩(wěn)定的地區(qū)，可以通過工程設(shè)施降低地下水水位。

5.2.2 村鎮(zhèn)路段橋涵排水設(shè)計

村鎮(zhèn)內(nèi)部公路排水要從本地財政能力和氣候地質(zhì)條件出發(fā)，參照城鎮(zhèn)排水規(guī)范進行設(shè)計。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)計研究

水網(wǎng)密集地區(qū)的排水工程設(shè)計，要結(jié)合當?shù)厮婪植继攸c，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地基進行預處理。

6 結(jié)語

本文對鄉(xiāng)村公路小橋涵的特點、設(shè)計要點進行了分析，對小橋涵的選址、平面布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、荷載設(shè)計要點進行了全面的闡述，對不同位置公路的排水設(shè)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(shè)提供了一定的借鑒。