水利水電工程農(nóng)橋設(shè)計(jì)荷載對(duì)比分析

陳積乾，何昕倩

（四川蜀禹水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

1 概論

農(nóng)橋與廣大人民群眾的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，水利工程中的農(nóng)橋可依據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)。其將等級(jí)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(jī)、畜力車的生產(chǎn)橋，統(tǒng)稱為農(nóng)橋。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展及人民生活水平提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的車流量及車輛載重也日益增加，農(nóng)橋設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員重視。對(duì)此類建筑物的設(shè)計(jì)，水利工程相關(guān)規(guī)范常引用交通等其他行業(yè)規(guī)范，由于規(guī)范更新不一致，常導(dǎo)致不能及時(shí)引用新規(guī)范，使得設(shè)計(jì)不合理或結(jié)構(gòu)存在安全隱患。在農(nóng)橋設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視農(nóng)橋設(shè)計(jì)荷載取用，對(duì)設(shè)計(jì)工況及結(jié)構(gòu)計(jì)算具備清晰的認(rèn)識(shí)，保證農(nóng)橋的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 荷載分析

在農(nóng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，汽車荷載和人群荷載是農(nóng)橋的常見(jiàn)荷載。其中人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）取值為4 kN/m2。

《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）汽車荷載增補(bǔ)農(nóng)橋Ⅰ級(jí)和農(nóng)橋Ⅱ級(jí)兩個(gè)荷載等級(jí)，荷載取值是在公路-Ⅱ級(jí)荷載（《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004））基礎(chǔ)上進(jìn)行折減選用：農(nóng)橋Ⅰ級(jí)車道荷載折減系數(shù)0.8，農(nóng)橋Ⅱ級(jí)車道荷載折減系數(shù)0.6，農(nóng)橋Ⅰ級(jí)和農(nóng)橋Ⅱ級(jí)車輛荷載的折減系數(shù)均為0.7。這在農(nóng)橋設(shè)計(jì)中是很有必要的，能在滿足安全運(yùn)行的同時(shí)體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)農(nóng)橋所處的運(yùn)行要求合理選用荷載等級(jí)進(jìn)行農(nóng)橋設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)農(nóng)橋時(shí)應(yīng)注意：《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）所引用的公路行業(yè)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）已更新為《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），車道荷載中的集中荷載荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法也有所區(qū)別，對(duì)小跨徑橋梁的影響比較明顯，設(shè)計(jì)中需引起重視：

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）車道荷載集中荷載[2]：

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）車道荷載集中荷載[3]：

農(nóng)橋以鋼筋混凝土梁橋最為常見(jiàn)，因其體型比較簡(jiǎn)單，施工方便，適用于分散性大及規(guī)模小的農(nóng)橋設(shè)計(jì)，同時(shí)在水利水電工程中常常因水位制約，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇簡(jiǎn)支板橋而不是結(jié)構(gòu)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(lián)系橋?yàn)槔?，分析《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》更新對(duì)農(nóng)橋內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的影響。

該橋?yàn)殇摻罨炷梁?jiǎn)支橋，單跨跨度8.0 m，計(jì)算跨徑為7.60 m，橋面寬度按《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）相關(guān)說(shuō)明確定為：總寬度為5.0 m，中部為單車道寬度3.5 m，兩側(cè)設(shè)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(cè)）自重線密度8 kN/m，人群荷載4.0 kN/m2?？紤]橋梁在建成運(yùn)行中雖然車流量較小，但在裝運(yùn)啟閉機(jī)等構(gòu)件載重較大，因此該橋按農(nóng)橋Ⅰ級(jí)荷載等級(jí)設(shè)計(jì)。分別按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）進(jìn)行車道荷載值計(jì)算，并按《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011）規(guī)定進(jìn)行折減，求得農(nóng)橋Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 車道荷載對(duì)比表

3 內(nèi)力計(jì)算

3.1 荷載作用組合

農(nóng)橋荷載在僅考慮自重效應(yīng)SG，汽車荷載效應(yīng)SQ，人群荷載效應(yīng)Sr時(shí)，按承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行作用組合。對(duì)比JTG D60-2015 與JTG D60-2004 對(duì)效應(yīng)組合的規(guī)定，二者在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，汽車荷載效應(yīng)SQ均應(yīng)考慮沖擊力，人群荷載效應(yīng)Sr的系數(shù)有所區(qū)別；正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合含頻遇組合與準(zhǔn)永久組合，兩規(guī)范相應(yīng)系數(shù)取值一致。各效應(yīng)組合計(jì)算公式如下：

據(jù)JTG D60-2015，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)（汽車荷載計(jì)沖擊力）：

據(jù)JTG D60-2004，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)（汽車荷載計(jì)沖擊力）：

正常使用極限狀態(tài)下的頻遇組合（汽車荷載不計(jì)沖擊力）：

正常使用極限狀態(tài)下的準(zhǔn)永久組合（汽車荷載不計(jì)沖擊力）：

3.2 內(nèi)力計(jì)算

簡(jiǎn)支農(nóng)橋采用影響線法直接加載求活載內(nèi)力，計(jì)算成果見(jiàn)表2，計(jì)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(shù)，依《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算μ=0.386；ξ 為多車道橋涵的汽車荷載折減系數(shù)，單車道取1.2；mi為對(duì)于所計(jì)算主梁的橫向分布系數(shù)，m=1.0；qk為車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；ωj為使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線面積；Pi為車道荷載的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，Pk尚應(yīng)乘以1.2 的系數(shù)；yi為所加載影響線種一個(gè)最大影響線峰值。

表2 內(nèi)力計(jì)算成果表

表1、表2 結(jié)果表明，該簡(jiǎn)支梁橋的車道荷載標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(shí)，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(jiàn)農(nóng)橋跨度較小，因此規(guī)范更新對(duì)農(nóng)橋設(shè)計(jì)影響明顯。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

據(jù)JTG D60-2015 內(nèi)力計(jì)算成果配合《公路鋼筋混凝土及預(yù) 應(yīng) 力 混 凝 土 橋 涵 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》（JTG 3362-2018）[4]，JTG D60-2004 內(nèi)力計(jì)算成果配合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）[5]，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)的正截面配筋、裂縫及撓度分析計(jì)算。受力鋼筋采用HRB400，凈保護(hù)層厚度35 mm，其他材料力學(xué)參數(shù)均按相應(yīng)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取用，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 橋板結(jié)構(gòu)計(jì)算成果

由表3 可知，由JTG D60-2015、JTG 3362-2018 計(jì)算的正截面抗彎配筋面積較JTG D60-2004、JTG D62-2004 規(guī)范增加了20.64%；表2 中據(jù)JTG D60-2015 計(jì)算農(nóng)橋基本組合的跨中彎矩較JTG D60-2004 增加18.28%，可見(jiàn)正截面配筋增大幅度與彎矩的提高是相適應(yīng)的。

農(nóng)橋設(shè)計(jì)必須滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。分別按JTG D60-2015、JTG 3362-2018 與JTG D60-2004、JTG D62-2004驗(yàn)算相應(yīng)配筋方案下的裂縫撓度，裂縫寬度滿足規(guī)范限值。分析表2、表3 計(jì)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(jì)算結(jié)果接近，可見(jiàn)規(guī)范更新對(duì)正常使用極限狀態(tài)作用組合的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)也有顯著影響。

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》更新前后構(gòu)件抗彎剛度計(jì)算方法無(wú)區(qū)別，故表3 自重作用引起的撓度計(jì)算結(jié)果接近，二者差值是由于配筋方案不同對(duì)抗彎剛度的影響引起的；可變作用引起的撓度計(jì)算結(jié)果差異幅度同表2 中的可變作用內(nèi)力計(jì)算值變幅接近。據(jù)JTG D60-2015、JTG 3362-2018 荷載計(jì)算開(kāi)裂構(gòu)件等效截面的抗彎剛度值B=3.08×1014，可變作用撓度計(jì)算值4.61 mm 滿足規(guī)范要求，因此按規(guī)范設(shè)置預(yù)拱度即可。

5 結(jié)論

隨著《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》更新，農(nóng)橋車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值提高幅度較大，且農(nóng)橋跨徑（跨徑小于50 m）越小，荷載提高越明顯，從而農(nóng)橋內(nèi)力計(jì)算值也明顯增大。正截面抗彎配筋面積也隨之有所增加?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》更新后，裂縫的計(jì)算方法也有所區(qū)別，因此據(jù)SL482-2011 設(shè)計(jì)農(nóng)橋時(shí)應(yīng)注意引用最新公路行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范。在水利工程設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)規(guī)范涉及其他行業(yè)規(guī)范時(shí)，在設(shè)計(jì)中也應(yīng)注意其他行業(yè)規(guī)范的更新并及時(shí)引用新規(guī)范。