楊芬,張華

摘 要：為了提高中小跨徑簡(jiǎn)支T形梁橋建設(shè)水平，首先歸納總結(jié)了簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)荷載類型和技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)支T形梁橋的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：中小跨徑;簡(jiǎn)支T形;設(shè)計(jì)參數(shù);設(shè)計(jì)方法;變化趨勢(shì)

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(shí)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(jì)數(shù)據(jù)可知，中小跨徑在橋梁工程所占的比重較大。簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)中小跨徑橋梁建設(shè)重要橋型。但是由于原有簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)理念落后，設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算理論不完善等原因，使得橋梁在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)各種病害，嚴(yán)重影響了行車安全和橋梁運(yùn)營(yíng)壽命，造成不良的社會(huì)影響。同時(shí)工程人員在開展簡(jiǎn)支T形梁橋建設(shè)時(shí)，仍以工程類比法為主，設(shè)計(jì)方案偏保守 [1]。因此，分析中小跨徑簡(jiǎn)支T形梁橋的設(shè)計(jì)參數(shù)分析具有十分重要工程意義。

1 簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)荷載和設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)荷載

簡(jiǎn)支T形梁橋的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)學(xué)原理來(lái)建立各變量間的函數(shù)關(guān)系，以計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度。同時(shí)，簡(jiǎn)支T形梁橋可靠度設(shè)計(jì)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(jì)），而這兩種狀態(tài)的可靠度計(jì)算都必須選擇合適的設(shè)計(jì)荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）可知，簡(jiǎn)支T形梁橋的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)包括公路Ⅰ級(jí)和公路Ⅱ級(jí)，各荷載等級(jí)下荷載大小如表1所示[2]：

1.2 簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)參數(shù)

簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心任務(wù)是設(shè)計(jì)參數(shù)選擇和計(jì)算。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能存在多個(gè)相互聯(lián)系的設(shè)計(jì)參數(shù)，各參數(shù)的隨機(jī)組合會(huì)直接影響設(shè)計(jì)方案的選擇，但是沒(méi)有必要把所有影響橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的因素都當(dāng)做設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)計(jì)算，而是應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持重視主要因素、忽略次要因素的原則來(lái)選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)時(shí)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(píng)價(jià)簡(jiǎn)支T形梁橋性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。此外，如果簡(jiǎn)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(jì)參數(shù)。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)參數(shù)

簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)建設(shè)期間，其工程造價(jià)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(chǎng)價(jià)格）、后期維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)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(píng)價(jià)其設(shè)計(jì)水平的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

2.1 T形截面梁極限承載力分析

簡(jiǎn)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(jì)算時(shí)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(jì)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(jì)值。

2.2 鋼含量參數(shù)

鋼筋是簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)的骨架，配筋率大小會(huì)直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。為了提高簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)最大配筋率。如果鋼含量較少，會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的承載力不足或截面過(guò)大，影響橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性;如果鋼含量較多，會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守，造成一定的資源浪費(fèi)。但是，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程人員在研究簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)鋼含量時(shí)主要是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，針對(duì)理論層面的研究較少。筆者結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種鋼含量計(jì)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(jì)參數(shù)

2.3.1 樁基極限承載力

簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)在計(jì)算其承載力時(shí)，往往只計(jì)算樁底反力，而對(duì)嵌巖段側(cè)摩擦阻力不予考慮，僅視為安全系數(shù)儲(chǔ)備。同時(shí)，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(jiān)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(jiǎn)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(jì)算結(jié)果來(lái)初步估算，如下式：

式中：—樁基豎向力，kN;—承臺(tái)及承臺(tái)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(diǎn)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(yàn)算。如果群樁截面形心和荷載合力作用點(diǎn)距離相差較大，可將上述樁基根數(shù)提高10%～20%。

3 簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)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(jiǎn)支T形梁橋工程位研究對(duì)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(duì)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(jí)荷載（雙車道）、工況3取自重+汽車Ⅰ級(jí)荷載（雙車道）、工況4取自重+汽車Ⅰ級(jí)荷載（三車道）、工況5取自重+汽車Ⅰ級(jí)荷載（四車道）。

3.2 荷載、梁高與配筋率關(guān)系

簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)支T形梁橋的配筋率會(huì)隨著梁高的增加而降低，但此時(shí)配筋率降低速率并不是固定的。當(dāng)梁高小于1 m時(shí)，梁高每提高0.1 m，簡(jiǎn)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(shí)，簡(jiǎn)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(guò)大，常用跨徑在8 m～24 m。當(dāng)T型梁橋跨徑超過(guò)20 m，梁高可能增長(zhǎng)過(guò)快，使得梁體結(jié)構(gòu)受力不合理，故筆者對(duì)8 m、10 m、16 m、20 m、24 m跨徑的橋梁梁高進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(shí)，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(jì)參數(shù)間的相關(guān)性較好，在工程允許誤差范圍內(nèi)。

又計(jì)算結(jié)果可知，T型梁橋的跨徑為8 m、10 m、16 m、20 m時(shí)，其對(duì)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(guò)大，否則其配筋率可能超過(guò)最大配筋率要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了簡(jiǎn)支T型梁橋的設(shè)計(jì)荷載、設(shè)計(jì)參數(shù)及各參數(shù)的計(jì)算方法和相互聯(lián)系，主要得到了以下結(jié)論：（1）簡(jiǎn)支T形梁橋設(shè)計(jì)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(jì)。（2）簡(jiǎn)支T形梁橋結(jié)構(gòu)存在多個(gè)相互聯(lián)系的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jià)格、維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、建設(shè)資金利息等。（4）簡(jiǎn)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(jì)時(shí)如可適當(dāng)增大梁高來(lái)提高其正截面承載性能，減小鋼筋用量。

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