中小跨徑簡支T形梁橋的設(shè)計參數(shù)分析

楊芬,張華

摘 要：為了提高中小跨徑簡支T形梁橋建設(shè)水平，首先歸納總結(jié)了簡支T形梁橋設(shè)計荷載類型和技術(shù)設(shè)計參數(shù)、經(jīng)濟(jì)設(shè)計參數(shù)的內(nèi)容，隨后提出了T形截面梁極限承載力、鋼含量、樁基參數(shù)的計算方法，最后分析了配筋率、梁高、跨徑之間的函數(shù)關(guān)系，研究成果可為類似的簡支T形梁橋的設(shè)計與施工提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：中小跨徑;簡支T形;設(shè)計參數(shù);設(shè)計方法;變化趨勢

0 引言

隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的完善，公路工程建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，同時為了跨越各種障礙物，應(yīng)當(dāng)布置各種類型的橋梁。根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，中小跨徑在橋梁工程所占的比重較大。簡支T形梁橋由于自重低、適應(yīng)性強(qiáng)、截面受力合理等，已經(jīng)發(fā)展成國內(nèi)中小跨徑橋梁建設(shè)重要橋型。但是由于原有簡支T形梁橋設(shè)計理念落后，設(shè)計參數(shù)計算理論不完善等原因，使得橋梁在運營期間出現(xiàn)各種病害，嚴(yán)重影響了行車安全和橋梁運營壽命，造成不良的社會影響。同時工程人員在開展簡支T形梁橋建設(shè)時，仍以工程類比法為主，設(shè)計方案偏保守 [1]。因此，分析中小跨徑簡支T形梁橋的設(shè)計參數(shù)分析具有十分重要工程意義。

1 簡支T形梁橋設(shè)計荷載和設(shè)計參數(shù)

1.1 簡支T形梁橋設(shè)計荷載

簡支T形梁橋的設(shè)計是基于“公路橋梁可靠度理論”，該理論把影響T形梁橋安全性和耐久性的各種因素當(dāng)作隨機(jī)變量，并利用統(tǒng)計數(shù)學(xué)原理來建立各變量間的函數(shù)關(guān)系，以計算橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度。同時，簡支T形梁橋可靠度設(shè)計有兩種狀態(tài)（承載極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計），而這兩種狀態(tài)的可靠度計算都必須選擇合適的設(shè)計荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）可知，簡支T形梁橋的設(shè)計荷載等級包括公路Ⅰ級和公路Ⅱ級，各荷載等級下荷載大小如表1所示[2]：

1.2 簡支T形梁橋設(shè)計參數(shù)

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的核心任務(wù)是設(shè)計參數(shù)選擇和計算。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計可能存在多個相互聯(lián)系的設(shè)計參數(shù)，各參數(shù)的隨機(jī)組合會直接影響設(shè)計方案的選擇，但是沒有必要把所有影響橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的因素都當(dāng)做設(shè)計參數(shù)來計算，而是應(yīng)當(dāng)堅持重視主要因素、忽略次要因素的原則來選擇設(shè)計參數(shù)。簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)通常有技術(shù)參數(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)方面[3]。

1.2.1 技術(shù)參數(shù)

工程中常用的簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，這兩種橋梁結(jié)構(gòu)材料均由鋼筋、混凝土[4]。因此，在進(jìn)行簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)時必須要確保橋梁的安全性、耐久性、適用性等，所選擇的車輛荷載、橋梁跨徑、截面尺寸、鋼筋直徑及配筋率等也要符合相應(yīng)的規(guī)范要求。根據(jù)相關(guān)研究成果可知，配筋率、含鋼量（單位體積混凝土鋼筋重量）可作為評價簡支T形梁橋性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。此外，如果簡支T形梁橋采用樁基礎(chǔ)，樁基承載力、樁基數(shù)量等也是重要的設(shè)計參數(shù)。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)參數(shù)

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)建設(shè)期間，其工程造價主要源于施工原材料成本（比如混凝土用量、鋼筋用量及市場價格）、后期維修養(yǎng)護(hù)費用、建設(shè)資金利息等。鑒于此，T形梁橋結(jié)構(gòu)中的含鋼量也可作為評價其設(shè)計水平的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 簡支T形梁橋設(shè)計參數(shù)計算

2.1 T形截面梁極限承載力分析

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的極限承載能力與矩形截面橋梁的分析方法基本一致，即T型截面在計算時只考慮其在荷載作用下的受壓破壞和下邊緣的受拉破壞，計算公式如下[5]：

式中：、分別是縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度，kPa;、分別是縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積，mm2; 橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度，kPa;是T型梁截面寬度，m;是T型梁截面高度，m，以上參數(shù)均為設(shè)計值。

2.2 鋼含量參數(shù)

鋼筋是簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的骨架，配筋率大小會直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。為了提高簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，其鋼含量必須控制在合理的范圍內(nèi)，不得小于最小配筋率，也不能超過最大配筋率。如果鋼含量較少，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的承載力不足或截面過大，影響橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性;如果鋼含量較多，會使得橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守，造成一定的資源浪費。但是，國內(nèi)外學(xué)者和工程人員在研究簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)鋼含量時主要是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，針對理論層面的研究較少。筆者結(jié)合多年工程實踐經(jīng)驗，提出一種鋼含量計算方法如下：

式中：—含鋼量，kg/m3;—橋梁結(jié)構(gòu)中鋼筋重量，kg;—橋梁結(jié)構(gòu)混凝土體積，m3。

2.3 樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)

2.3.1 樁基極限承載力

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)在計算其承載力時，往往只計算樁底反力，而對嵌巖段側(cè)摩擦阻力不予考慮，僅視為安全系數(shù)儲備。同時，樁基安全系數(shù)的確定應(yīng)綜合考慮巖體均勻性、裂隙發(fā)育情況等因素，通常取2.5～3.0，其中堅硬、裂隙少的巖體安全系數(shù)取小值，中風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化、裂隙發(fā)育程度高的巖體安全系數(shù)取大值[6]。

2.3.2 樁基數(shù)量

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的樁基數(shù)量n可根據(jù)其承載力計算結(jié)果來初步估算，如下式：

式中：—樁基豎向力，kN;—承臺及承臺以上土的重力，kN;—單樁承載力，kN。

如果樁基礎(chǔ)處于偏心受壓狀態(tài)，且群樁截面形心和荷載合力作用點基本重合，可按上式初步擬定樁基根數(shù)，然后進(jìn)行樁基受力驗算。如果群樁截面形心和荷載合力作用點距離相差較大，可將上述樁基根數(shù)提高10%～20%。

3 簡支T形梁橋設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系分析

3.1 工況選擇

筆者以某鋼筋混凝土簡支T形梁橋工程位研究對象，分析了不同工況下梁高、跨徑等與配筋率之間的關(guān)系，并對各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合，其中梁高分別取0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m、1.1 m、1.2 m，荷載工況取5中，分別如下：工況1去自重，工況2取自重+汽車Ⅱ級荷載（雙車道）、工況3取自重+汽車Ⅰ級荷載（雙車道）、工況4取自重+汽車Ⅰ級荷載（三車道）、工況5取自重+汽車Ⅰ級荷載（四車道）。

3.2 荷載、梁高與配筋率關(guān)系

簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)的配筋率與荷載的關(guān)系如圖1所示：

圖1表明：在簡支T形梁橋梁高不變的條件下，隨著荷載的增加，不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)配筋率也逐漸提高，且兩者基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。如果橋梁荷載保持固定，則不同梁高下簡支T形梁橋的配筋率會隨著梁高的增加而降低，但此時配筋率降低速率并不是固定的。當(dāng)梁高小于1 m時，梁高每提高0.1 m，簡支T形梁橋配筋率減小速率逐漸變緩;當(dāng)梁高大于1 m時，簡支T形梁橋配筋率隨梁高的減小速率基本保持不變。

3.3 梁高與跨徑關(guān)系

由鋼筋混凝土的受力特性可知，T型梁橋的跨徑不宜過大，常用跨徑在8 m～24 m。當(dāng)T型梁橋跨徑超過20 m，梁高可能增長過快，使得梁體結(jié)構(gòu)受力不合理，故筆者對8 m、10 m、16 m、20 m、24 m跨徑的橋梁梁高進(jìn)行計算，計算結(jié)果見圖2：

圖2表明：隨著T型梁橋的跨徑增加，其梁高也不斷增加，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。同時，梁高與跨徑的函數(shù)關(guān)系可表示Y=0.120 5X+0.264 6，相關(guān)系數(shù)R平方=0.991 6，兩設(shè)計參數(shù)間的相關(guān)性較好，在工程允許誤差范圍內(nèi)。

又計算結(jié)果可知，T型梁橋的跨徑為8 m、10 m、16 m、20 m時，其對應(yīng)的推薦梁高分別為 0.8 m、0.9 m、1.3 m、1.5 m，高跨比基本保持在 1/10～1/15 左右。如果T型梁橋跨徑不受橋下凈空的影響，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大梁高，以改善橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，提高其正截面承載性能，減小鋼筋用量。但是梁高增加幅度也不能過大，否則其配筋率可能超過最大配筋率要求。

4 結(jié)語

本文分析了簡支T型梁橋的設(shè)計荷載、設(shè)計參數(shù)及各參數(shù)的計算方法和相互聯(lián)系，主要得到了以下結(jié)論：（1）簡支T形梁橋設(shè)計是基于公路橋梁可靠度理論，包括承載極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。（2）簡支T形梁橋結(jié)構(gòu)存在多個相互聯(lián)系的設(shè)計參數(shù)，可劃分成技術(shù)參數(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)兩方面。（3）簡支T形梁橋技術(shù)參數(shù)有配筋率、含鋼量、樁基承載力、樁基數(shù)量等，經(jīng)濟(jì)參數(shù)有原材料價格、維修養(yǎng)護(hù)費用、建設(shè)資金利息等。（4）簡支T形梁橋的配筋率、跨徑與梁高基本呈線性正相關(guān)關(guān)系，在設(shè)計時如可適當(dāng)增大梁高來提高其正截面承載性能，減小鋼筋用量。

參考文獻(xiàn)：

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