縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計關(guān)鍵問題

摘要 隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進，我國農(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)計與建設(shè)顯得尤為重要。文章結(jié)合實際工程案例，從縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計原則和設(shè)計特點出發(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。研究結(jié)果表明，通過設(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)計與建設(shè)提供實用的參考建議，推動農(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；抗震擋塊

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0048-03

0 引言

隨著我國城鄉(xiāng)一體化建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，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)與改善已成為國家經(jīng)濟社會發(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。在過去的幾十年里，我國政府加大了對農(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，由于我國農(nóng)村地域廣闊、地貌復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后等特點，相較于城市地區(qū)，縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計與建設(shè)依舊面臨著一系列獨特而復(fù)雜的困難與挑戰(zhàn)，比如農(nóng)村地域較為分散、交通需求相對分散，對小跨橋梁的數(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)等問題[1]。因此，深入研究和解決縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計中的關(guān)鍵問題，在設(shè)計中依據(jù)現(xiàn)實條件不斷總結(jié)關(guān)鍵問題，及時優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，確保橋梁使用的安全性和可靠性，對于促進農(nóng)村交通基礎(chǔ)設(shè)施的進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)計特點及原則

1.1 設(shè)計特點

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、促進地方經(jīng)濟發(fā)展的同時，在保障社會穩(wěn)定運行方面也發(fā)揮了重要作用，其設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟合理性、環(huán)境兼容性等多種因素。

從經(jīng)濟角度來看，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)維護成本合理，同時通過合理選擇材料和優(yōu)化設(shè)計確保質(zhì)量和安全，實現(xiàn)經(jīng)濟合理性，其設(shè)計通常涉及板梁、使用鋼管的拱橋、采用T形鋼筋混凝土橋等簡單結(jié)構(gòu)形狀。

從安全可靠方面來看，縣鄉(xiāng)公路的交通量相對較小，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)計應(yīng)符合國家相關(guān)規(guī)范和標準要求，同時應(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)實施工及使用方面來看，小跨橋梁的通行量雖小，在設(shè)計時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，對橋面進行防滑設(shè)置，以保證行人車輛的安全。

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

1.2 設(shè)計原則

橋梁在設(shè)計時往往將最大承載能力作為最重要的因素，但對于橋梁在正常使用時的承載能力卻沒有給予足夠重視，意味著在橋梁結(jié)構(gòu)達到最大承載能力之前，其正常使用壽命會受到材料疲勞、變形和振動等多種因素的影響[3]。因此，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，有必要對橋梁在正常使用條件下的承載能力進行更詳細的評估。

其次，橋梁耐久性的強弱是決定其能否長時間使用且性能良好保持的重要因素。氣候、水體腐蝕、交通負荷、化學(xué)腐蝕等外界因素對橋梁的前期施工、投入使用、后期的維修養(yǎng)護均有不同程度的影響[4]。然而，在過去的研究中，對于理論層面的研究過于集中，且研究成果在實際工程中的應(yīng)用較少。因此，在未來的研究中需要通過更多實踐和經(jīng)驗總結(jié)，不斷完善橋梁的耐久性設(shè)計，確保其能夠長期穩(wěn)定運行[5]。

2 縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計關(guān)鍵問題分析

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

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、臺樁長度介于15～30 m之間，多采用嵌巖樁。針對縣鄉(xiāng)的地形特點，橋梁設(shè)計需要考慮地形限制，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。橋梁頂部結(jié)構(gòu)的標準化和自動化設(shè)計可實現(xiàn)預(yù)制，對于安裝和運輸更加有利，進一步減少了施工時間和費用，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，因此在中小型橋梁設(shè)計中應(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、鉸縫過薄容易產(chǎn)生縱向裂縫等問題，導(dǎo)致空心板結(jié)構(gòu)的支撐在施工和運行過程中容易斷裂，對結(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，其具有造價低、抗扭性能好、梁高適中等特點，但小箱梁的缺點也很明顯，如預(yù)制工藝稍顯復(fù)雜，吊裝重量較大，且設(shè)置及施工相對困難，特別是小箱梁預(yù)制工藝比較復(fù)雜，需要先進行簡支，再將墩梁進行固結(jié)設(shè)置及施工。預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁跨度相對較大，最高可達50 m，是橋梁上另一種常見的上部結(jié)構(gòu)。雖然T形梁具有施工簡便、吊重適中等優(yōu)點，但其體積和高度相對較大，經(jīng)濟性受到限制。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)造處理難度將會進一步增加。

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在縣鄉(xiāng)小跨橋梁設(shè)計中，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)濟性和適應(yīng)性。最經(jīng)濟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)的造價之和是否在選擇范圍內(nèi)最低。對于地形復(fù)雜、地基條件相對較差的情況，選擇合適的橋臺和橋墩類型顯得尤為重要。

在選擇橋墩時，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、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)驗和規(guī)范要求，一般在確定橋墩的墩高（H）時，可采用如表2所示的相關(guān)設(shè)計原則合理確定縣鄉(xiāng)小跨橋梁下部橋臺的類型。

當(dāng)橋墩高度小于40 m時，造價最低且實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，施工工藝簡單，與樁基銜接較好。對于墩高不小于40 m但小于50 m的情況，可考慮采用等截面的矩形實心薄壁墩，能夠使施工更加方便，可進一步縮短施工周期。在選型過程中，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。通過綜合考慮各種因素，可以選擇最合適的橋臺和橋墩類型，以滿足縣鄉(xiāng)公路橋梁設(shè)計的要求。

2.3 抗震設(shè)計

抗震方面的設(shè)計對于地處地震帶區(qū)域的縣鄉(xiāng)橋梁的設(shè)計至關(guān)重要。在此類地區(qū)，對于小跨橋梁的抗震設(shè)計，需要考慮的方面主要在于結(jié)構(gòu)的細部構(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)計橋墩時，應(yīng)優(yōu)先考慮鋼筋混凝土橋墩等柔性較強的結(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)在地震中不會發(fā)生橫向移動，提高橋梁的抗震能力。

對于蓋梁兩端位置，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，橋梁下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)會隨著初始間隙的增大而減小。因為較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象，為保證道路貫通，在此處采用架設(shè)橋梁的設(shè)計方案，此片區(qū)地質(zhì)條件較好，交通比較發(fā)達，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)境因素進行橋梁設(shè)計。

3.2 橋梁選型

由于該區(qū)域的跨溝特點和路線設(shè)計的縱斷面，橋梁長度約為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。根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及若干變量的影響，最終選擇跨度設(shè)計為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)適用于較長跨度，能夠提供更好的通行空間，增強橋梁的通行能力；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，樁長約20 m。經(jīng)過綜合分析，確定橋墩為帶樁基礎(chǔ)的圓柱形橋墩，橋臺為帶擴展基礎(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，適合于該地區(qū)的地質(zhì)條件；而U形橋臺結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、承載能力強的特點，加上擴大基礎(chǔ)的設(shè)置，能夠進一步增強橋臺的穩(wěn)定性和承載能力。

3.3 橋梁抗震設(shè)計

通過設(shè)置混凝土無間隙橫向抗震擋塊，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墩底剪力的影響；圖2給出了擋塊初始間隙對墩底彎矩的影響。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，從而降低結(jié)構(gòu)損壞的可能性。

4 結(jié)論

該文通過對縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁設(shè)計特點和原則的分析，進一步討論了設(shè)計關(guān)鍵問題的解決措施。結(jié)合某縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計實例進行了論證，主要得出以下結(jié)論：

（1）縣鄉(xiāng)公路小跨橋梁的設(shè)計必須滿足以下條件：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全可靠，承載能力強，有足夠的耐久性，經(jīng)濟合理，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。

（2）綜合考慮，可通過設(shè)置混凝土無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。

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