适应驮运架一体机及快速整体更换的桥梁上部结构分析

2021-05-12杨勇王胜男张连普龚翔箭

特种结构 2021年2期

关键词：主梁受力整体

杨勇王胜男张连普龚翔箭

1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

2.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心 100082

3.北京市城市道路养护管理中心 100069

引言

为有效解决重交通城市中心区域的桥梁维修与城市交通相互影响的难题，以SPMT 工法为基础的驮运架一体机进行桥梁快速整体更换的技术，近年来受到国内外广泛关注。欧美各国相继在大型平板运输车的基础之上研发出自行式液压模块车即SPMT（Self propelled modular transporter）设备及相关施工技术。美国犹他州已将SPMT 工法列为推荐工法，并制定了以SPMT 为核心的《快速施工技术规程》和《Accelerated Bridge Construction Manual for Moving Utah Bridges using SPMTS》，逐渐形成了桥梁快速施工技术体系，经济和社会效益明显［1］。国外自行式模块化运输设备功能主要是起重和运输，服务于大型（吨位重）构件运输，如果应用于桥梁快速施工必须要配套大型吊装设备，难以保证桥梁结构安全［2，3］。国内关于桥梁整体置换装备研发和工程实践仍处于起步阶段，缺乏对相关设备系统的研究。文献［4］显示，2010 年开始，集起重、运输、架设功能于一体的桥梁快速置换装备—驮运架一体机研发制造成功，该一体机由2 台2 纵列12 轴线自行模块式驮桥车组成，单机全宽5050mm，两辆车总承载能力为2000t，可根据不同的载重量加装或者减少模块数量，可以实现在确保梁体不变形的前提下负载桥梁爬坡，具有双车并行、自动循迹、精确定位、姿态调整四大功能，在保证桥梁结构安全前提下实现快速建桥架桥。本文以三元桥整体置换为例分析桥梁整体置换中的关键技术。

1 桥梁上部结构特点分析

为满足整体驮运及快速更换要求，新更换上部结构应具有以下特点：①结构整体性好，主梁横向刚度大，横向连接可靠，在运输过程中结构的横向变形小；②结构重量轻，结构在满足强度及刚度的前提下自重尽量轻，满足设备承载要求并有一定的安全储备；③体系转换适应性好，由于新更换上部结构在临时预制场地、驮运过程、更换就位的过程中受力体系均不相同，这就要求结构具有较强的体系转换适应能力和变形恢复能力。另外从施工的角度，新更换上部结构应具有厂内预制快、运输方便、临时场地拼装快等特点。

1.1 主梁结构材料

混凝土和钢材是现代桥梁工程结构两大最主要的材料。在同样跨度、载荷下，钢强度高，所需截面小，钢桥比混凝土桥自重轻，这个特点便于利用驮运架一体机快速整体运输和安装。结构自重轻，驮运架一体机举升、行走负重小，行走与就位调整灵活，有助于实现快速整体置换。从施工角度，钢结构加工简便，制造的机械化、自动化程度高，装配速度快、加工精度高，同时适宜工厂化制造、工业化生产和装配式施工，符合现代桥梁建设发展趋势。此外，钢材回收利用率高，在环保、可持续发展及降低全寿命周期成本上更具优势。主梁材料对比见表1。

表1 满足整体驮运及快速更换的主梁材料对比Tab.1 The main beam material comparison table meeting the overall piggyback and rapid replacement

选择适应整体驮运的桥梁上部结构材料，需考虑施工、造价、受力等多项因素，同时符合项目建设的实际条件，避免在不具备条件下，强行推进一种结构材料，不必要地增加建设成本，造成安全风险隐患和经济损失。

1.2 主梁结构体系

利用驮运架一体机设备进行桥梁快速整体更换，新更换主梁临时支架支承、驮运设备支承和架设就位后的永久支承位于主梁同一位置是一个理想状态。工程实际中驮运设备在驮运行走时的承载支点位置尽量靠近主梁永久支点位置，才能保证不会出现由于支承位置的变化而出现过大结构变形、开裂等问题。

美国犹他州交通部（UDOT）《桥梁快速施工手册》仅仅适用于简支梁桥。在驮运架设连续梁时，为保持其受力体系和模式不变，需要多台驮运设备共同工作。见图1。

实际工程中，由于场地条件的限制，特别是交通压力大、需要进行快速置换的城市桥梁，桥下空间和周边环境，诸如桥梁净空、侧向空间等均较局促，使得多台驮运设备共同工作快速更换连续梁桥的工作条件受限。此种情况下，需根据项目实际情况，依照更换桥梁的具体条件进行主梁驮运工况设计。

图1 美国犹他州两跨连续梁驮运架设示意Fig.1 Schematic diagram of piggyback erection of two-span continuous beam in Utah，USA

1.3 主梁结构断面形式

由于具有自重轻、易于装配化施工等优点，适应整体驮运的桥梁上部结构材料为钢材料。钢结构桥梁上部结构主要包括钢桁梁、钢箱梁和钢混组合梁三大类，钢桁梁是传统的钢结构形式，适应性强、结构受力明确、易于检查维修，在特大跨径桥梁应用时具有优势地位，但其用钢量较大，造价相对较高；钢箱梁结构自重相对较轻，横向稳定性好，但结构内部应力状态复杂，箱梁内部检测、维修难度较大，养护费用相对较高，钢桥面板疲劳问题仍需要进一步研究改进；钢混组合梁结构发挥了混凝土材料的抗压性能和钢材的抗拉性能，回避了钢桥面铺装的疲劳问题，但其结构自重较大，限制了其在特大跨径桥梁中的应用，在中等跨径桥梁中优势明显。适应驮运架一体机进行快速整体置换的桥梁主梁截面形式对比如表2 所示。

表2 满足整体驮运及快速更换的主梁截面形式对比Tab.2 The main beam section comparison meeting overall piggyback and rapid replacement

三大类钢结构桥梁上部结构哪一种更适合驮运架一体机的桥梁快速整体置换，取决于驮运架一体机设备举升能力、设备数量和位置布置。从结构本身来看，连续梁结构在临时支架预制、驮运行走、架设就位的过程中，由于支承位置的变化，会发生结构体系不断变化，需要在结构设计时进行逐一分析和考虑。从这方面来讲，全钢箱梁与钢混组合梁相比，更能发挥材料强度高、韧性好、各项同性等优势。同时，驮运架一体机多采用模块式，即在桥梁的横向（一体机的行走方向）需由均载横梁保证各模块共同承担桥梁结构重量。这也对桥梁上部结构的横向完整性、稳定性提出了更高要求。基于上述考虑，重量轻、横向稳定性好的钢箱断面更为适合。

2 桥梁上部结构与整体驮运的适配性分析

为满足整体驮运及快速更换要求，新更换桥梁上部结构除需要具备材料、结构、工艺上相应的特点，还要注重与整体驮运的适配性，对于新设计的桥梁上部结构应具有以下要求：①新桥梁上部结构与原桥下部结构的适配性；②新桥梁上部结构与驮运架一体机的适配性。下面以三元桥大修为例，对快速更换的桥梁上部结构与整体驮运的适配性进行分析。

2.1 三元桥大修工程概况

三元桥建于1984 年，桥梁主体结构为边孔设铰的三跨连续钢筋混凝土V型墩刚架体系，桥梁上部结构为Π形主梁，桥梁下部结构中墩为V型墩，边墩为盖梁下设单排柱式方墩。2014 年根据相关检测及荷载试验，该桥上部结构已不能满足现况荷载等级要求，需进行大修。大修主要内容为拆除现况主梁，利用驮运架一体机将现况主梁整体更换为三跨连续钢箱梁；下部结构经过加固继续利用。见图2。

2.2 新桥上部结构与原桥下部结构的适配性分析

在桥梁运营过程中，上部结构直接承受车载及除冰盐等环境作用，其受损伤程度一般远大于桥梁下部结构。在桥梁维修过程中，当桥梁上部结构需要更换时，下部结构通常可以继续利用或者经过结构加固后继续利用。如果仅更换上部结构，新建的上部结构在跨径、净空、恒载变化、横向支承等方面要考虑与桥梁下部结构相匹配。

1.桥梁纵向匹配

三元桥原桥为三跨连续钢筋混凝土刚构体系，桥梁全长54.86m，桥梁跨径13.48m +27.30m+13.48m。新更换桥梁在长度、宽度规模不做调整的前提下，原桥的中、边支承和桥面、桥下高程要求新更换主梁长度、主梁高度、支承位置和计算跨径等与原桥保持一致。三元桥加固后立面如图3 所示。

图2 三元桥大修方案Fig.2 The overhaul plan of Sanyuan Bridge

图3 三元桥改造后立面示意Fig.3 The elevation diagram of Sanyuan Bridge after reconstruction

2.桥梁横向匹配

横断面上原桥上部结构为横向9 片普通钢筋混凝土Π 形主梁，新更换主梁为9 片钢箱梁，梁高与原桥Π 形主梁同高，均为1.1m。三元桥加固后横断面对比见图4。

图4 更换主梁后三元桥中支点断面Fig.4 The fulcrum section of Sanyuan Bridge after replacing main beam

3.支承体系的局部改造

三元桥原桥普通钢筋混凝土Π形主梁在中支点处与V 型墩固结。为减少桥梁大修现场工作量，尽快开放交通，新桥在中支点不再采用墩梁固结形式，通过加固V型墩后顶面安放支座，中支点变为支座支承。墩柱加固前后立见图5。

图5 三元桥中支点V 型墩加固前后立面示意Fig.5 The elevation diagram before and after reinforcement of V-shaped pier in Sanyuan Bridge

4.受力体系变化分析

由于桥梁中支点约束形式、支承位置的改变，新更换主梁后的桥梁力学体系和主梁的受力状态均发生变化，在桥梁整体受力、关键截面的构造和边墩负反力等方面均需进行重点设计。新更换主梁采用钢主梁，减轻结构自重，在边跨增加配重混凝土，同时边墩支承处增加拉力装置，防止出现负反力，以满足新桥梁上部结构与原桥下部结构的适应性。桥梁主梁更换前后自重下弯矩对比如图6 所示。从弯矩的变化看，主梁墩顶负弯矩变小，正弯矩有所增加，这是因为主桥的约束体系、上部恒载均产生了变化，从而导致主梁受力体系变化，由原来的V墩钢构受力体系变为三跨连梁受力体系。

图6 主梁自重下弯矩对比（单位： kN·m）Fig.6 Comparison of bending moment of main girder under dead weight of Sanyuan Bridge（unit：kN·m）

2.3 新桥梁上部结构与驮运架一体机的适配性分析

新更换上部结构除需要满足原桥下部结构的适配要求外，更主要的是与驮运架一体机的适配性，包括主梁的纵向、横向、驮运架设工况与设备之间的匹配性。

1.主梁纵向与驮运设备的适配性

按国外做法，3 跨连续梁需采用6 台驮运设备共同完成，三元桥桥下空间尤其是边跨辅路空间局促，辅路桥下净空仅为3.5m，同时在侧向受边墩盖梁护坡影响，不能按照4 台或者6台驮运设备协同工作的模式进行主梁的驮运与架设。此种情况下，根据项目实际情况，依照现有桥梁具体条件利用2 台驮运设备完成，如图7 所示。

2.主梁横向与驮运设备模块的适配性

三元桥全长54.26m，利用两台驮运机驮运，最大悬臂长为18m，驮运点的上缘和下缘受力是关键控制因素，同时需要结合施工步骤对举升、行走、落梁整个过程的主梁受力、主梁位移进行核算。结合计算结果，三元桥新主梁在驮运点位置横向增加一道横梁，横隔板间距加密为1.0m，保证新主梁结构体系在驮运过程中与“驮运架一体机”相适应的能力，断面如图8 所示。