中小跨径简支T形梁桥的设计参数分析

杨芬,张华

摘 要：为了提高中小跨径简支T形梁桥建设水平，首先归纳总结了简支T形梁桥设计荷载类型和技术设计参数、经济设计参数的内容，随后提出了T形截面梁极限承载力、钢含量、桩基参数的计算方法，最后分析了配筋率、梁高、跨径之间的函数关系，研究成果可为类似的简支T形梁桥的设计与施工提供科学的理论指导。

关键词：中小跨径;简支T形;设计参数;设计方法;变化趋势

0 引言

随着基础交通设施网络的完善，公路工程建设规模持续扩大，同时为了跨越各种障碍物，应当布置各种类型的桥梁。根据相关部门的统计数据可知，中小跨径在桥梁工程所占的比重较大。简支T形梁桥由于自重低、适应性强、截面受力合理等，已经发展成国内中小跨径桥梁建设重要桥型。但是由于原有简支T形梁桥设计理念落后，设计参数计算理论不完善等原因，使得桥梁在运营期间出现各种病害，严重影响了行车安全和桥梁运营寿命，造成不良的社会影响。同时工程人员在开展简支T形梁桥建设时，仍以工程类比法为主，设计方案偏保守 [1]。因此，分析中小跨径简支T形梁桥的设计参数分析具有十分重要工程意义。

1 简支T形梁桥设计荷载和设计参数

1.1 简支T形梁桥设计荷载

简支T形梁桥的设计是基于“公路桥梁可靠度理论”，该理论把影响T形梁桥安全性和耐久性的各种因素当作随机变量，并利用统计数学原理来建立各变量间的函数关系，以计算桥梁结构的可靠度。同时，简支T形梁桥可靠度设计有两种状态（承载极限状态和正常使用极限状态进行设计），而这两种状态的可靠度计算都必须选择合适的设计荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）可知，简支T形梁桥的设计荷载等级包括公路Ⅰ级和公路Ⅱ级，各荷载等级下荷载大小如表1所示[2]：

1.2 简支T形梁桥设计参数

简支T形梁桥结构设计中的核心任务是设计参数选择和计算。桥梁结构的设计可能存在多个相互联系的设计参数，各参数的随机组合会直接影响设计方案的选择，但是没有必要把所有影响桥梁结构设计结果的因素都当做设计参数来计算，而是应当坚持重视主要因素、忽略次要因素的原则来选择设计参数。简支T形梁桥结构的设计参数通常有技术参数与经济参数方面[3]。

1.2.1 技术参数

工程中常用的简支T形梁桥结构主要有钢筋混凝土结构与预应力混凝土桥梁结构，这两种桥梁结构材料均由钢筋、混凝土[4]。因此，在进行简支T形梁桥结构时必须要确保桥梁的安全性、耐久性、适用性等，所选择的车辆荷载、桥梁跨径、截面尺寸、钢筋直径及配筋率等也要符合相应的规范要求。根据相关研究成果可知，配筋率、含钢量（单位体积混凝土钢筋重量）可作为评价简支T形梁桥性能的关键技术指标。此外，如果简支T形梁桥采用桩基础，桩基承载力、桩基数量等也是重要的设计参数。

1.2.2 经济参数

简支T形梁桥结构建设期间，其工程造价主要源于施工原材料成本（比如混凝土用量、钢筋用量及市场价格）、后期维修养护费用、建设资金利息等。鉴于此，T形梁桥结构中的含钢量也可作为评价其设计水平的经济指标。

2 简支T形梁桥设计参数计算

2.1 T形截面梁极限承载力分析

簡支T形梁桥结构的极限承载能力与矩形截面桥梁的分析方法基本一致，即T型截面在计算时只考虑其在荷载作用下的受压破坏和下边缘的受拉破坏，计算公式如下[5]：

式中：、分别是纵向普通钢筋和预应力钢筋的抗拉强度，kPa;、分别是纵向普通钢筋和预应力钢筋的截面面积，mm2; 桥梁混凝土抗压强度，kPa;是T型梁截面宽度，m;是T型梁截面高度，m，以上参数均为设计值。

2.2 钢含量参数

钢筋是简支T形梁桥结构的骨架，配筋率大小会直接影响到桥梁结构的承载能力。为了提高简支T形梁桥结构设计的合理性，其钢含量必须控制在合理的范围内，不得小于最小配筋率，也不能超过最大配筋率。如果钢含量较少，会导致桥梁结构的承载力不足或截面过大，影响桥梁结构设计的经济性;如果钢含量较多，会使得桥梁结构设计偏于保守，造成一定的资源浪费。但是，国内外学者和工程人员在研究简支T形梁桥结构钢含量时主要是基于统计数据，针对理论层面的研究较少。笔者结合多年工程实践经验，提出一种钢含量计算方法如下：

式中：—含钢量，kg/m3;—桥梁结构中钢筋重量，kg;—桥梁结构混凝土体积，m3。

2.3 桩基础设计参数

2.3.1 桩基极限承载力

简支T形梁桥结构的桩基础在计算其承载力时，往往只计算桩底反力，而对嵌岩段侧摩擦阻力不予考虑，仅视为安全系数储备。同时，桩基安全系数的确定应综合考虑岩体均匀性、裂隙发育情况等因素，通常取2.5～3.0，其中坚硬、裂隙少的岩体安全系数取小值，中风化或强风化、裂隙发育程度高的岩体安全系数取大值[6]。

2.3.2 桩基数量

简支T形梁桥结构的桩基数量n可根据其承载力计算结果来初步估算，如下式：

式中：—桩基竖向力，kN;—承台及承台以上土的重力，kN;—单桩承载力，kN。

如果桩基础处于偏心受压状态，且群桩截面形心和荷载合力作用点基本重合，可按上式初步拟定桩基根数，然后进行桩基受力验算。如果群桩截面形心和荷载合力作用点距离相差较大，可将上述桩基根数提高10%～20%。

3 简支T形梁桥设计参数之间的关系分析

3.1 工况选择

笔者以某钢筋混凝土简支T形梁桥工程位研究对象，分析了不同工况下梁高、跨径等与配筋率之间的关系，并对各参数间的关系进行了数学拟合，其中梁高分别取0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m、1.1 m、1.2 m，荷载工况取5中，分别如下：工况1去自重，工况2取自重+汽车Ⅱ级荷载（双车道）、工况3取自重+汽车Ⅰ级荷载（双车道）、工况4取自重+汽车Ⅰ级荷载（三车道）、工况5取自重+汽车Ⅰ级荷载（四车道）。

3.2 荷载、梁高与配筋率关系

简支T形梁桥结构的配筋率与荷载的关系如图1所示：

图1表明：在简支T形梁桥梁高不变的条件下，随着荷载的增加，不同工况下桥梁结构配筋率也逐渐提高，且两者基本呈线性正相关关系。如果桥梁荷载保持固定，则不同梁高下简支T形梁桥的配筋率会随着梁高的增加而降低，但此时配筋率降低速率并不是固定的。当梁高小于1 m时，梁高每提高0.1 m，简支T形梁桥配筋率减小速率逐渐变缓;当梁高大于1 m时，简支T形梁桥配筋率随梁高的减小速率基本保持不變。

3.3 梁高与跨径关系

由钢筋混凝土的受力特性可知，T型梁桥的跨径不宜过大，常用跨径在8 m～24 m。当T型梁桥跨径超过20 m，梁高可能增长过快，使得梁体结构受力不合理，故笔者对8 m、10 m、16 m、20 m、24 m跨径的桥梁梁高进行计算，计算结果见图2：

图2表明：随着T型梁桥的跨径增加，其梁高也不断增加，且两者之间基本呈线性正相关关系。同时，梁高与跨径的函数关系可表示Y=0.120 5X+0.264 6，相关系数R平方=0.991 6，两设计参数间的相关性较好，在工程允许误差范围内。

又计算结果可知，T型梁桥的跨径为8 m、10 m、16 m、20 m时，其对应的推荐梁高分别为 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型梁桥跨径不受桥下净空的影响，应当适当增大梁高，以改善桥梁结构应力分布，提高其正截面承载性能，减小钢筋用量。但是梁高增加幅度也不能过大，否则其配筋率可能超过最大配筋率要求。

4 结语

本文分析了简支T型梁桥的设计荷载、设计参数及各参数的计算方法和相互联系，主要得到了以下结论：（1）简支T形梁桥设计是基于公路桥梁可靠度理论，包括承载极限状态和正常使用极限状态设计。（2）简支T形梁桥结构存在多个相互联系的设计参数，可划分成技术参数与经济参数两方面。（3）简支T形梁桥技术参数有配筋率、含钢量、桩基承载力、桩基数量等，经济参数有原材料价格、维修养护费用、建设资金利息等。（4）简支T形梁桥的配筋率、跨径与梁高基本呈线性正相关关系，在设计时如可适当增大梁高来提高其正截面承载性能，减小钢筋用量。

参考文献：

[1]周青，傅晨曦，韩大章.中小跨径钢混组合梁桥设计标准化关键参数研究[J].上海公路，2020（1）：43-49.

[2]石雪飞，许琪.辽宁省中小跨径钢混组合结构桥梁全寿命周期成本分析[J].北方交通，2019（2）：5-8.

[3]王克海，鲁冠亚，张盼盼.基于机器学习的中小跨径公路梁桥抗震设计评价方法研究[J].公路交通科技，2019，36（2）：74-84.

[4]马赟.中小跨径简支T形梁桥设计参数分析[D].长安大学，2014.

[5]西部地区在役中小跨径桥梁承载力快速检评技术研究[J].西部交通科技，2014（1）：1-6+14.

[6]李耘宇.FRP/钢—混凝土组合简支梁桥试验、分析与设计方法[D].大连理工大学，2016.