大跨公路应急救援桥主结构形式与架设技术研究

张宏建， 潘大荣， 赵 栋， 赵启林

(1.武警部队研究院，北京 100000；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167；3.南京工业大学机械工程学院，江苏 南京 211816)

桥梁快速架设技术是公路应急救援桥顺利完成任务的重要保障，公路应急救援桥尤其是大跨应急救援桥的设计一般是结构方案服从架设方案[1]。从理论上说，目前桥梁结构实现单跨千米级跨越是没有任何问题的，之所以公路应急救援桥很难突破单跨百米级大关，主要受制于架设的便捷性与快速性要求，因此开展架设技术研究就显得尤为重要。

1 现有大跨应急救援桥主结构形式及拼装方式

目前国内外中小跨度的公路应急救援桥种类较多，结构形式以整体式为主，架设易于实现；但对于应急救援任务来说，很多时候需要克服的障碍跨度较大，这个时候大跨公路应急救援桥就成为了首要之选，而此类桥梁的结构形式一般为拼装式，拼装方法多种多样。

1.1 国内大跨应急桥

以我国民用桥梁划分标准来看，单跨超40 m的桥梁称为大跨桥梁，因此我国军用桥梁中真正意义上的大跨度桥梁只有重型支援桥、装配式公路钢桥与重型桁架桥3种。这3种桥梁都采用了桁架结构形式，其中重型支援桥采用了国外先进的三角桁架结构形式(图1)，6 m一节为一个标准模块，成功实现了应急桥梁"大跨度"和"机械化"的完美融合，使得该桥单跨架设长度达到51 m[2]。

我国的装配式公路钢桥是在原英制贝雷桁架桥的基础上由交通部公路规划设计院结合我国实际情况设计的快速组装桥梁，源于英国曼比钢结构公司研制的贝雷钢桥，是一种被广泛应用的较为完善的应急交通保障组合装配式钢桥。全桥由高强钢焊接制成，主梁可分解为多片轻型桁架，桁架间用单销连接，重量较轻，构件互换性强，运输拆装方便，是一种可分解的、能快速架设的制式桥梁，可根据通载要求和跨径组装成各型装配式钢桥，适用于汽车、履带、挂车等各种荷载[3]。通过增加加强弦杆或增加桁架的排数、层数来提高单跨跨越能力(图2)，履带载500 kN的最大跨越能力为63 m。

图1 重型支援桥

图2 装配式公路钢桥

重型桁架桥[4]的上部单元与下部单元均采用了桥面系在上部的上承式桁架结构形式。主要承载构件单元更多，上部单元、下部单元、连接单元、楔形单元、端部座梁、桥板、跳板、缘材、加强装置、拉杆、压杆和各种连板等。通过不同构件的组合，可以形成单纯桁架结构、带有加强弦杆组合结构等多种结构形式(图3)，每种结构形式的跨越能力不同。在保障履带式荷载500 kN、轮式荷载轴压力130 kN以下轮式荷载时，重型桁架桥可在原有模块化桁架单元下部增加拉杆进行加强，使桥梁跨径由30 m提高到51 m。

图3 重型桁架桥

另外以前我军工程兵部队在战备施工、科研试验等实践中还运用过一种桥梁：索道桥(图4)。它沿用并分析了我国古老吊桥的构造，从实战的观点出发，经过工程兵部队、院校、科研单位反复的探讨、改进，最终比较完善，是一种悬索体系的大跨径桥梁。它具有适应跨度大、对岸边施工场地要求低等特点，单跨跨越能力可以达到200～300 m，但是由于施工周期长、通行效率低等特点，目前在军用或应急桥梁上应用较少。

图4 索道桥

1.2 国外大跨应急桥

外军的大跨度军用桥梁也以桁架式结构为主，如中型桁梁桥[5](Medium Girder Bridge ),简称“中桁桥”(MGB)。中型桁梁桥是英国国防部军用车辆和工程研究中心，根据1961年10月英国军方提出的研制中型桁梁桥的基本要求而研究设计的。1968年5月装备英国部队；1973年2月被美国定为制式，装备陆军中型桁梁桥连，每连装备4套器材和30辆5 t自卸汽车。中桁桥为铝结构、销连接的上承式桁架桥，可架设多单层和双层结构型式的桥梁(图5)。中桁桥主要由上部桁梁结构、制式桥脚、浮舟、加强装置及架设辅助设备等组成。不仅可架设多跨固定桥而且还可架设浮桥。目前英国对中桁桥还在不断地进行改进，部分构件已改用非金属复合材料，载重量由60级增加至70级。在采用加强弦杆技术后，载重轮式160 kN，单跨跨越能力可以达到49.7 m。采用机械辅助人工拼装。

图5 英国中型桁梁桥

美军的重型干沟支援桥[5]为模块式桥梁，一座42 m长的重型干沟支援桥可由8人在90 min内架完并开通(图6)。桥梁结构也是桁架形式，可通过履带载800 kN、轮式载960 kN军用荷载，允许携载M1A1坦克的重型装备运输车通行。桥节模块在架桥车上装配，并悬挂在架设导梁下推送过沟渠障碍。

图6 HDSB重型干沟支援桥

瑞典FB48快速桥[6]属于FB200快速桥系统中的一部分，是瑞典防务材料部和Kockums公司合作研制的。研制始于1985年，净跨46 m的FB48快速桥可以承载各类现代化的主战坦克，承载能力达MLC70以上。瑞典军队于1995年开始使用FB48快速桥。FB48快速桥系统由一座48 m长的桥梁和两块附加长15 m跳板组成，桥体结构材料为高强钢。一座桥的长度24～48 m，由8 m长的桥节组成，因此整座桥的长度可以是24、32、40或48 m。可用的车辙道宽为4 m。一块FB48桥节重5.3 t，尺寸为8×4×1.5 m，可以固定(4 m)或折叠(3 m)方式由6辆标准的普通卡车运输(图7)。

图7 瑞典FB48快速桥

从前面的国内外现有应急救援桥的结构现状可以看出，目前，由于考虑到架设便捷性与快速性，大跨应急桥梁结构以桁架形式为主，如我军的重型支援桥、321与ZB200装备式公路钢桥均采用了桁架结构形式。而我军的重型桁架桥在跨度较大的情况下，则在原有模块化桁架单元下部增加了拉杆进行加强。英军的BR90桥梁系统由于在原桥系统下部设置了加强桥节和加强拉杆，形成张弦式结构形式，增加了截面抵抗矩，可使桥单跨长度增至56 m。因此，以桁架作为主要承载单元、以张弦系统增强结构承载力的装配式组合结构是大跨度应急救援桥的主要结构形式。

2 现有大跨应急桥架设技术

目前常用的应急救援桥梁架设方案主要有悬臂翻转法(图8)、悬臂平推法、导索或导梁悬臂推送法等[7-8]。其中采用悬臂平推或翻转法架设大跨桥梁时需要较大平衡力或平衡力臂，对场地与车辆要求均较高，一般用于小跨度军用桥梁，如国内常见的84式机械化桥等。而导索平推法需要两岸有可靠锚固点，在军用桥梁上应用较少，如我国73式轻便钢桥，其承载能力小，且还需要到对岸进行锚固作业，因此应用范围狭窄。而采用导梁悬臂推送法架设就成了大跨度应急救援桥的主要选择。

图8 悬臂翻转式架设

2.1 导梁悬臂推送架设方法

导梁悬臂推送架设方法是在悬臂平推法基础上发展起来、适合大跨桥梁的架设方案，即先采用悬臂平推法架设重量较轻的导梁，而后在导梁后端拼装推送重量较大的桥梁结构。这种架设方案在重量较轻的导梁架设过程中还可利用桥梁结构作为压重来增加平衡力臂，因而特别适合大跨度军用桥梁。我国装配式公路钢桥和重型桁架桥，以及国外很多装配式的应急救援桥梁均采用带有导梁、人工拼装、人工或机械悬臂推送的架设方式(图9)[9]。

英国的中型桁梁桥采用机械辅助人工拼装、带有导梁悬臂推送技术进行架设(图10)，25人在80 min可以架设完毕。

图9 导梁悬臂推送架设方法

图10 英国中型桁梁桥悬臂推送架设

2.2 跨骑式架设方法

在桥梁架设时，采用跨骑式架设方法首先在架桥机构上逐节连接导梁，接着将导梁推送到对岸，再逐节连接好主桥跨，而后将主桥跨骑着导梁推送到对岸，完成应急桥的架设。该架设方法的特点是导梁也为桥跨结构的一部分，在完成桥梁架设后并不撤收，导梁与桥跨一一对应，因此省去撤收导梁的时间从而节约架设时间。但采用跨骑式架设方法时，导梁上下能够摆动的空间较小，因此在有较大高差的地方架设时，适应能力相对较差。有代表性的是德国的FFB桥、瑞典的FB48桥均采用了跨骑式的架设方法[10]，其架设示意图如图11所示。

图11 跨骑式架设方法示意图

瑞典FB48快速桥的架设方法为跨骑式推送，为此专门设计一个液压驱动的遥控吊臂作为架桥部件，采用两套分开的液压系统和一套风冷式柴油发动机来提供动力，架桥部件与架设梁部件连接，逐步伸向干沟，当梁伸到对岸后，采用前端的支腿进行支撑，接着作业人员乘坐梁上滑车到达对岸。随后按顺序将桥节、跳板和其它的桥梁部件连接起来，向前沿架设臂手动推送拉杆，直到桥梁架设完毕。桥梁从沟一岸架设完毕后，可从沟的任意一岸撤收。整个架设过程由7人在6×30 m2的作业区间内架设，时间不超过75 min。

2.3 悬挂式架设方法

悬挂式架设方法是在桥梁架设时首先将用于辅助架设的导梁逐节连接并推送到对岸，导梁固定完成后，将首个桥节模块吊在导梁下面，通过滑轮组和滑车依次连接桥节，再沿导梁向对岸推送，桥跨就位固定后，导梁必须撤收，并可用于其他桥梁的架设。该架设方法的特点是完成桥梁架设后导梁必须撤收，因此，一套导梁可用于多座桥梁架设。但由于导梁需要撤收，且作业平面较高、人工参与较多，不容易控制架设和撤收的时间，从而导致架设总用时较长。有代表性的是英国的AFB桥、BR90桥、美国的HDSB桥[11]，其架设示意图如图12所示。

图12 悬挂式架设方法示意图

3 典型大跨度应急桥介绍

英国的BR90综合架桥系统(见图13)采用的是悬挂式推送架设方法，桥梁系统包括近距离支援桥或架桥坦克和通用支援桥两部分，它可以跨越9～60 m的沟壕。各种桥梁均由7种铝合金的桥节组合而成，每个桥节的接头都具有相同的模数。用这些桥节组成两个相互连接的4 m宽的车行道，主梁高1 m。所有桥型的设计荷载均为70军用荷载级，凡70 t级的轮式和履带式车辆均适用。该系统易于操作，可靠性和维修性都体现了能在最前线使用的设计思想，因而重量轻、构筑所需人员少[12]。

图13 英国的BR90综合架桥系统

美军的HDSB重型干沟支援桥为模块式桥梁，一座42 m长的重型干沟支援桥可由8人在90 min内架完并开通(图14)。桥梁结构也是桁架形式，可通过履带载800 kN、轮式载960 kN军用荷载，允许携载M1A1坦克的重型装备运输车通行。重型干沟支援桥的架设系统为一根高架架设导梁，由安装在架桥车上的起重机顺序装配并向沟渠对岸伸出， 以便在桥梁架设过程中承受桥梁重量。桥节模块在架桥车上装配，并悬挂在架设导梁下推送过沟渠障碍。

图14 HDSB重型干沟支援桥

表1将国内外主要大跨度桥用材、桥长、作业时间与人员进行了对比分析。

表1 国内外大跨度应急救援桥

从表1可见，国内外大跨度军用桥梁大多采用了桁架式或在桁架基础上的张弦式结构；外国大跨军用桥梁的制造材料一般为铝合金，国内以高强钢为主；国外架设方式以跨骑推送或悬挂推送为主，国内以导梁悬臂推送为主。由于采用材料笨重，架设难度大，国内桥梁除跨越能力与外军相当或稍高，而承载能力与作业效率均明显低于外军；桥跨结构由于拼装构件多，张弦安装难度大，整体拼装架设时间、单跨机械化架设时间一般在120 min以下，人工架设时间一般都超过120 min；由于推送架设过程中需要较长的直线段，因此难以适应山地环境。

4 结论

大跨公路应急救援桥主结构形式一般采用桁架结构，辅以下部张弦以提高桥跨的跨越能力和承载能力，但国内由于采用高强钢材料较多，结构自重大，架设作业难度大、效率低。

国内外应急救援桥的架设方式均以导梁推送为主，国外以跨骑推送和悬挂推送居多，国内以悬臂推送居多，但国外架设机械化程度相对较高，架设效率一般比国内高。

国内外应急救援桥架设均需将导梁先推送到对岸，因此对导梁进行轻量化设计以避免最大悬臂状态产生过大的倾覆力矩就显得尤为重要。