乡村公路小桥涵设计要点研究

蔡真

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉430040）

1 引言

乡村公路是补充公路交通网络，使公路网络更好地完成交通运输任务的重要组成部分，作为乡村公路的重要节点工程，乡村公路小桥涵的设计决定了公路整体的质量和运营能力。本文从乡村公路小桥涵的选址、平面布置、结构设计、荷载设计和排水设计角度出发，对小桥涵工程设计中的要点进行了总结和分析。

2 乡村公路桥涵设计原则与内容

2.1 桥涵设计原则

设计原则是指导桥涵设计工作的基本思想，根据我国长期以来的桥涵建设经验，乡村公路小桥涵的设计要保证“经济适用、安全美观”的设计思想【1】。相较于城市公路，乡村公路由于经费限制，在遇到复杂工程地质条件时，必须通过最合理的桥涵结构设计达到在最低经济投入的条件下安全地完成工程建设。同时，本着人与自然和谐共处的思想，桥涵设计要尽量避免对自然环境的破坏，实现桥涵的美观。

2.2 桥涵选址

从整体规划角度出发，乡村公路小桥涵设计要服从整体路网规划和桥涵在交通运输过程中承担的职能。同时要结合具体的地形地貌、工程地质、河流水域条件来选择桥址，在需要跨越小河流时不需要过多考虑河流流向等问题。若桥梁需跨越较大河流或者在规划上有通航要求，则需要符合以下原则：

1）跨越大河流的桥涵选址要选择在河道顺直稳定、河床地质条件良好的位置，而在河岔口、沙洲、古河道、急弯等易形成留冰、流木阻塞河道的河段或者河道存在断层等不良地质条件的河段，不能作为桥址的位置。

2）桥涵的设计纵轴和河道的主流向应呈正交设计。若因客观条件无法正交时，尽量保证通航河道和桥梁纵轴交角为85°～90°。同时，跨径要依据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》来计算，具体如式（1）所示：

式中，la为相应计算水位的墩台边缘之间的净距，m；l为通航要求的有效跨径，m；b为桥梁墩台长度，m；a为垂直水流的法线方向和桥梁纵轴线之间所成角度。

2.3 桥涵平面布置以及断面设计

由于乡村公路建设受到经费限制，在桥涵的平面布置上要尽量简单，直线桥的桥型是最佳选择。从乡村公路建设的客观角度来说，承担乡村公路建设的施工队伍在工程专业素养方面水平较低，因此在设计上要尽量避免复杂工序和复杂结构桥型，以便控制工程质量。乡村公路桥涵的宽度设计，要根据通行交通量和该路段需要承担的交通功能进行设计。通常在不同情况下，桥梁宽度可以按如下准则进行选择：（1）桥涵需跨越的河流宽度较小、桥涵设计跨径较小时，桥梁宽度可以按照街道宽度设计；（2）桥涵需跨越的河流宽度较大，桥梁跨径较大，可以在满足交通量的条件下，尽量节省成本，桥梁宽度可以比需要衔接的街道稍窄；（3）有滨河道路存在的情况下，通过综合规划滨河道路和桥涵引道的交通功能，有效提高乡村公路桥涵的通行和运输能力，使桥面标高的设计略高于滨河道路，同时要注意，桥下净空高度需满足滨河道路交通净空高度要求；（4）桥涵与引桥衔接可以采用附有挡土墙的路堤和缓坡路堤形式，与滨河道路的衔接可以通过2 条匝道衔接，满足交通网络的交通便捷。

乡村公路桥涵纵断面设计与其他公路断面设计要点相同。不同的是，乡村公路桥涵很少出现大桥，构件多采用预制构件，因此在建设过程中，可能与设计桥面断面纵向曲线产生矛盾，可以在交通量小的区域选择多段折线代替曲线设计。另外，乡村公路通行地区经济发展程度通常较低，在纵坡设计方面要从当地居民角度出发，不宜设置较大纵坡。

3 乡村公路桥涵结构设计

桥梁设计发展至今，主要结构设计方法经历了容许应力设计法到破损阶段设计法再到极限状态设计法的过程【2】。

极限状态设计法通过引入概率论和可靠度分析方法，将桥涵构建置于多种假定极限状态下进行结构强度分析，可以将桥涵在实际工作情况下出现的工作状态表达出来。这一方法是我国目前主要采用的设计方法【3】。

4 乡村公路桥涵荷载设计

4.1 乡村公路桥涵荷载分类组合

乡村公路荷载组合不同于高等级公路，在实际使用过程中车辆荷载对桥涵的影响能力有所降低，人为因素对桥涵的影响程度相对较大。因此，在乡村公路小桥涵设计过程中，根据可能出现的实际情况，选择不同的荷载组合进行设计计算。

荷载组合Ⅰ：几种基本可变荷载与几种永久荷载的组合；

荷载组合Ⅱ：几种基本可变荷载与几种永久荷载的组合叠加后和偶然荷载中船只撞击所形成的合力。

荷载组合Ⅲ：施工阶段进行验算时，可以从结构重力、脚手架等辅助设施重力、行人等施工荷载进行组合。

荷载组合Ⅳ：结构重力、预应力、土压力中的几种与地震荷载组合。

4.2 乡村公路桥涵永久荷载

永久荷载主要是指桥涵自身的钢筋混凝土或沥青混凝土的结构层、铺装预制构件的自重。在实际计算时并非直接将各部分重力直接相加，而是以各部分构建自重按照比例叠加后作为设计荷载。

乡村小桥涵通常简支梁形式，梁板受力构件一般不会使用支模浇筑的方法而是采用预制的方法。虽然在设计使用期内会经历风吹日晒等不利条件的削弱，总体可以将荷载变化视为不变。现行规范中通常按照如下方法计算桥涵自重的设计值，具体如式（2）所示：

式中，Gk为结构重力标准值；γk为桥涵材料的设计重度；V为桥涵结构的设计体积。

4.3 乡村公路桥涵可变荷载

乡村公路的可变荷载主要包括人群荷载、风荷载、流水荷载以及车辆荷载等。而在桥涵实际使用过程中，车辆荷载远大于其他可变荷载；从交通运输职责角度出发，相比其他类型公路，乡村公路对行人的服务功能更重，所以在可变荷载计算中，荷载设计的重点应该是车辆荷载和人群荷载的设计。我国相关规范设计中，汽车荷载对桥梁的效应占总效应的15%～30%。汽车荷载可以从车辆在桥上的位置、车重、桥跨、轴距等方面构建数学模型进行具体描述。

而人群荷载因影响因素多，很难确定固定的标准，因此在不同的规范中有不同的规定。在CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》和JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中的具体规定有一定的差别。本文将不同规范对人群荷载的规定通过图表进行了描述，由于乡村公路小桥涵通常出现的都是中小跨径桥梁，因此仅对跨径20m 以下的桥梁进行了统计描述（见图1）。图中，Wp为单边人行道的宽度。

图1 公路和城市桥涵规范对人群荷载的取值

5 乡村公路桥涵排水设计

5.1 乡村公路桥涵排水设计原则

排水工程是公路工程使用过程中保证公路长期健康运营的基本保障，乡村公路相较于普通公路设计和建设经费均有限。通过大量的乡村桥涵工程经验可知，目前，乡村公路在建设过程中排水设施设置和建设应遵从以下原则【4】：（1）尽量根据工程地点实际情况就地取材，尽可能节省工程费用；（2）总体规划布局，尽可能减少农田的占用，同时防止灌溉系统与排水系统相互干扰；（3）当公路穿越其他的乡镇公路时，公路排水系统需要和已建成的排水系统达成协调；（4）在乡村公路的重点路段应该对排水设施进行单独设计。

5.2 乡村公路桥涵排水设计方案

5.2.1 山区路段桥涵排水设计研究

由于地形复杂，排水设施中通常不适用截水沟，在水量汇聚较大的部分可以考虑截水沟分摊排水压力，以防止雨水冲刷过于严重，确保坡面排水顺畅。受限于工程投资，路面通常基于经济考虑不设置特殊措施，采用路面漫流的方式排水。在地下水会直接影响路基稳定的地区，可以通过工程设施降低地下水水位。

5.2.2 村镇路段桥涵排水设计

村镇内部公路排水要从本地财政能力和气候地质条件出发，参照城镇排水规范进行设计。在有条件的地区可以使用混凝土盖板封闭的加固边沟；在经济条件较差，年降雨量小于250mm 的地区，可以不设边沟或者设置土边沟。

5.2.3 水网密集路段桥涵排水设计研究

水网密集地区的排水工程设计，要结合当地水道分布特点，尽量使排水系统和天然水系结合形成完整排水体系。新建路基要换填路基底部软弱地基，或者使用抛石挤淤等方法对地基进行预处理。

6 结语

本文对乡村公路小桥涵的特点、设计要点进行了分析，对小桥涵的选址、平面布置、结构设计、荷载设计要点进行了全面的阐述，对不同位置公路的排水设计过程中需要注意的要点进行了分别探讨，对日后的工程建设提供了一定的借鉴。