乡村道路桥涵结构设计的控制分析

2022-03-19潘嵩崧罗淼平

城市道桥与防洪 2022年2期

潘嵩崧，罗淼平

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

乡村道路上的桥涵结构设计多参考《城市桥梁设计规范》[1]，设计荷载多采用城A 或城B。在乡村道路实际车流量较小，极少有重车通行的车况下，参考《城市桥梁设计规范》进行结构设计一般会产生一定的浪费。考虑乡村振兴战略方针，近期应有大量乡村道路需要进行改造、提升。因此对乡村桥涵结构进行分析，优化结构设计是具有实际意义的。

1 工程概况

为积极响应国家关于乡村振兴战略方针、政策，广东省某村镇决定进行乡村道路整体化提升改造，本文以此美丽乡村改造项目为蓝本进行论述。本项目工程处总面积约为28 km2，道路宽度控制为2.5～6 m，项目总体范围见图1。

图1 项目范围示意图

2 结构选型

本项目内村道跨越的均为当地沟渠，其沟渠的净跨度以3～16 m 居多。参考《公路涵洞设计规范》（JTG/T 3365-02—2020），在道路跨越排水沟槽处、通过农田排灌渠道处、平原区路线通过较长的低洼或泥沼地带、傍山或沿溪路线暴雨时径流易集中地带以及边沟排水需要时，均应设置涵洞[2]。对于净跨2 m及以下的沟渠，宜首选采用预制管涵结构。对于净跨2～10 m 的沟渠，宜首选箱涵结构。对于10～18 m 跨径的沟渠，可从预制板梁、现浇箱梁、小拱桥、箱涵结构中选择。

（1）若采用预制板梁桥，中小桥常用跨径有10 m、13 m、16 m，可直接选用适当跨径的上部结构拼装使用，见图2。但由于乡村道路多较为偏远，运费较高。且村道路宽较小，应对运输路线进行现场调查，确认预制梁是否可以运达。同样考虑到运输、吊装的限制，对于单跨大于16 m 的桥梁，不建议采用预制板的形式进行施工。

图2 预制板梁桥

（2）若采用现浇箱梁桥或小拱桥，则需雇佣有经验的施工单位，按顺序施工桩基、承台、桥台、主梁，见图3。其优点在于可以做出多种造型，景观性较好。其缺点在于现浇桥梁施工较为复杂，工序较为繁琐，对施工队要求较高。

图3 现浇拱桥

（3）对于10～18 m 跨径的沟渠，至多可采用三孔净宽6 m 的多孔箱涵，见图4。其优点在于结构整体性较好，经久耐用，施工简单，工期较短，可就近雇佣施工队伍进行施工。其缺点在于结构形式单一，景观性较差。

图4 多孔箱涵

综上，对于乡村道路跨越沟渠，同时考虑当地的自然条件、材料来源、施工能力，便于养护等等因素，采用单孔或多孔箱涵跨越沟渠最为经济与合理。当跨径大于18 m 或设计景观性要求较高时，可酌情考虑采用现浇或预制梁桥结构。

3 设计荷载

乡村桥涵设计暂无单独规范，一般采用城市桥涵的结构设计规范，目前使用的是《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）（2019 版），其结构设计荷载主要分为城-A 级与城-B 级。其中城-A 级车辆荷载采用单车70 t 重车标准，城-B 级车辆荷载采用单车55 t 重车标准。

但是桥涵实际承受的荷载，仅取决于桥涵顶面道路的实际交通车辆。由于乡村一般仅作为交通网中的末节，其交通组成也鲜有大型交通车辆，多以电动车、摩托车、三轮车以及私家车为主。此时若桥涵设计仍采用55 t 甚至70 t 的重大型货车作为设计荷载，即使进行折减也是过于保守的。

因此，桥涵的设计荷载，需与道路等级，路面净宽，设计车速等结合起来。参考粤北某美丽乡村改造项目，其村道净宽控制在2.5～6 m 之间，现以实际项目为例对乡村道路荷载等级进行划分。

对于路宽3～6 m 之间的道路，位于村道主干路上，用于通行中小货车、农用拖拉机以及私家车等。参考《机动车运行安全技术条件》[3]（GB 7258—2017），其载重不得超过14 t，考虑农用车辆存在超载的情况，建议采用汽-20 作为设计荷载。汽-20 为《公路工程技术标准》[4]（JTJ01-88）提出的汽车荷载。经调研建国以来过去很多乡村城镇采用汽-20 作为桥涵结构的设计荷载，使用至今少有因桥涵结构垮塌造成的安全事故，说明旧时采用的设计荷载等级还是可行的。

对于路宽小于等于3 m 的道路，位于村道支路上，多通行三轮车、摩托车、私家车等，建议采用汽-15 作为设计荷载。对于三轮车、私家车，其自重多在0.7～1.8 t 之间，且托运空间及承载能力有限，汽-15 作为设计荷载完全能满足使用要求。村道荷载标准见表1。

表1 村道荷载标准表

当然，随着经济的发展，一些发达的乡村以及小城镇与外界的物资交换日益频繁，交通车辆或将不限于小型车辆，也有可能会出现大型货运车辆等。因此，在一些发达地区的乡村桥涵的设计荷载也不能一味的低于其他道路系统上的桥涵，而应该考虑其交通发展的情况，合理的确定设计荷载。乡村之间的主干路，其路宽多大于6 m，设计车速可大于40 km/h，此时考虑其交通网节点的作用，建议设计荷载采用城-A，以保证其交通运输的作用。

4 跨渠结构推荐形式

如前文所述，乡村道路多跨越当地沟渠，跨径多小于18 m，综合考虑施工条件、经济指标，在此跨径下建议首选涵洞结构。对于跨径小于2 m 的沟渠，推荐采用预制管涵结构，可对应渠宽直接购买使用市面上的成品管涵。对于跨径在2～18 m 范围内的沟渠，推荐采用箱涵结构。现根据不同的跨径，对箱涵结构进行分类，见表2。

表2 箱涵结构尺寸表单位：m

箱涵结构见图5，建议在箱涵侧墙与顶底板之间设置20 cm×20 cm 的倒角，其结构基础推荐采用素混凝土垫层+ 碎石垫层的形式，但需根据实际地质条件进行调整。若箱涵底淤泥较厚，可考虑采用搅拌桩+ 碎石垫层作为箱涵基础；若箱涵底基岩较强，可考虑利用基岩作为天然地基，仅设置一层C20 素混凝土作为施工面层。

图5 箱涵结构

5 推荐结构计算

参考以上设计荷载及结构形式，分别对应单箱单室箱涵、单箱双室箱涵、单箱三室箱涵进行结构计算。本次计算采用midas CIVIL 空间有限元软件，用板单元模拟箱涵顶底板及侧墙，用弹性连接模拟土体对箱涵结构的土弹簧约束作用，计算荷载主要考虑板顶车载、板顶土压力、侧向土压力以及底板水浮力。箱涵有限元模型见图6。

图6 箱涵有限元模型

6 推荐结构配筋

对于箱涵结构配筋，多采用顶底板及侧墙钢筋焊接成一个钢筋骨架形式，其通用配筋形式见图7、图8。

图7 单箱三室箱涵结构配筋形式

图8 单箱三室箱涵结构配筋骨架

对于箱涵结构，其顶底板横向1 号与4 号钢筋，及侧墙竖向5 号钢筋为受力主筋，需焊接成钢筋骨架，钢筋直径多采用16～32 mm。对于其断面纵向钢筋及倒角钢筋为构造钢筋，直径多采用12～16 mm。结合有限元计算结果，对于城-A 荷载作用下的箱涵，其钢筋指标可按250 kg/m3估量。对于城-B 荷载作用下的箱涵，其钢筋指标可按220 kg/m3估量。对于汽-20 荷载作用下的箱涵，其钢筋指标可按180 kg/m3估量。对于汽-15 荷载作用下的箱涵，其钢筋指标可按160 kg/m3估量。