大跨径预应力装配式钢桥架设过程技术研究

陈小峰，邵 飞，徐 倩，白林越，高 岳

（陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

我国国民经济的快速发展，为桥梁建设事业的发展提供了良好的条件。桥梁事业的发展是确保社会生产和生活正常化的基本条件之一。架设大跨径桥梁在抗震救灾等工程保障活动中起着先行作用，它是实现成功抢险救灾的必要条件，直接为救灾人员和物资的输送、被困人员的安全转移服务，是作战工程保障的重要组成部分。因此，架设大跨度桥梁的任务特别是在地震、特大洪水、泥石流、冰雪等恶劣条件下的正常通车显得尤为重要。研究如何快速架设大跨径预应力装配式钢桥对快速抢险救灾行动具有很强的现实指导意义。

“ZB-200 型装配式公路钢桥”是依据交通部交通战备办公室交战备字[2002]22 号文下达的科研任务书研制的新型装配式公路钢桥，是我国本世纪国防交通战备基本的制式桥梁器材。ZB-200 型钢桥是一种可拆装的下承式桥梁，由单销将若干桁架单元连接成桥梁的承重主梁，用横梁和桥板组装成桥面结构。该器材标准化程度高、互换性强，具有结构简单、使用灵活、拆装方便、载重量大、适应性好、全部构件采用普通汽车运输等优点[1]。该器材结合国内、外近年来在装配式桥梁领域的最新发展和研究成果，按照我国交通战备发展的实际需求，体现了“平战结合，军民兼用”的设计思想，较好地解决了我国原321 钢桥双层架设不方便、车行道宽度偏小、承载能力不足等问题。ZB-200 型钢桥采用的接头燕尾形抗疲劳结构、桥板降载剪力销、螺母套固定技术等创新技术，明显提高了桥梁的疲劳寿命，优化了桥面结构，方便了桥板固定，提高了承载能力。朱永焯等人[2]为解决321 型装配式公路钢桥承载力不足、桥面较窄、疲劳寿命较低等问题，对ZB-200 型装配式公路钢桥进行了设计研究。陈双聪等人[3]以抢通毁于汶川地震的彻底关大桥为背景，针对321 钢桥和ZB-200 型钢桥架设跨径过小问题，提出对ZB-200 型装配式公路钢桥进行预应力技术改造，设计了相应的预应索、撑杆和锚箱。黄海棠等人[4]在介绍贝雷梁错孔挠度现有计算方法的基础上，提出了基于几何学的贝雷梁错孔挠度计算新方法，并用算例验证了新方法的可靠性。

1 架设方案设计计算

设计任务：障碍宽度80m，快速架设临时性桥梁，保障履带式荷载50t，轮式轴压力13t 以下的装备和车辆迅速克服河川、断桥、沟谷等障碍，以实现道路的抢通。

1.1 导梁总体设计方案

本设计将采用悬臂推送法架设，架设的关键在于导梁的设计，通过改变导梁横截面的形式，实现桥梁的架通。采用的桁架截面形式主要包括以下几种形式，即单排单层（SS）、单排单层加强型（SSR）、双排单层加强型（DSR）、三排单层加强型（TSR）、三排双层加强型（TDR，如图1 所示）[5-6]。

图1 三排双层加强型（TDR）

根据桁架不同截面的容许弯矩[M]和容许剪力[Q]进行试算，并运用MIDAS 软件进行有限元分析，确定悬臂推送法架设所用导梁形式为：8 节单排单层（SS），6 节单排单层加强型（SSR），5 节双排单层加强型（DSR），4 节三排单层加强型（TSR），4 节三排双层加强型（TDR）。导梁总体方案如图2 所示。

图2 导梁总体设计方案

1.2 架设方案计算说明

本设计采用边拼装边推送的方法进行，需要对悬臂推送架设过程中桁架推出稳定校核进行计算，本设计将导梁的计算分为两个阶段进行。表1、表2 为计算中涉及的相关参数表。

表1 桁架容许内力（半边桥）

表2 ZB-200 型装配式桥每桥节（3.048m）重量P

1.3 导梁未达到对岸摇滚阶段（见图3）

图3 导梁未达到对岸摇滚阶段

1.3.1 桁架变截面处弯矩、剪力验算

SS-SSR 截面弯矩M1，剪力Q1；SSR-DSR 截面弯矩M2，剪力Q2。

DSR-TSR 截面弯矩M3，剪力Q3；TSR-TDR 截面弯矩M4，剪力Q4，具体参数见表3。

表3 桁架变截面处弯矩、剪力验算

1.3.2 桥跨悬出端稳定性验算以我岸摇滚为矩心，桥跨悬出端静载产生倾覆力矩（M倾），摇滚之后拼装的桥跨静载所产生稳定力矩（M稳）。不致倾覆，须满足M稳>1.3M倾，见表4。

表4 桥跨悬出端稳定性验算

1.3.3 主桁下弦杆受局部弯曲的强度验算

采用悬臂推送法架设时，由于导梁和桥跨不断向前推出，摇滚支撑位置不断发生变化，桥跨承受的支反力和计算弯矩都不断变化，下弦杆受到摇滚的集中反力产生局部弯矩和悬出端的负弯矩的作用，下弦杆有可能发生局部失稳。验算时，就下弦杆而言，当悬出端将到达对岸，但尚未搭上对岸摇滚时，此时，悬出端跨度最大且我岸摇滚正好在主桁下弦节点之间，下弦杆件受局部弯矩最大，最有可能发生失稳。

假设每岸设置4 个摇滚，通过软件计算可得我岸每个摇滚的最大支反力R=452.64kN，显然每个摇滚支反力大于其承载力250kN。故需要设置平衡梁组件以减小每个摇滚的支反力。所以分担到每个摇滚的反力R=226.32kN，而一个摇滚上有3 个滚轮，则每个滚轮上承受的力为1/3R，即75.44kN。

由图4 得，滚轮的作用力不在下弦杆两节点的中心处，但计算时将其看做在中心处，使弦杆偏安全。

图4 我岸摇滚平衡梁组件示意图

查表得弦杆2-[10 得：Wx=79.4cm3，A2=25.48cm2，Ix=396.6cm4，示意图见图5。

图5 加强弦杆惯性矩示意图

所以，下弦杆的局部弯矩满足要求。

式中：N-弦杆轴向压力；l-弦杆节点间距；h-主桁高度；M-支反力产生的局部弯矩；M0-支反力产生的简支梁的最大弯矩。

1.3.4 桥跨悬出端的挠度计算

用悬臂推送法架设时，由于导梁自身的重量，桥跨悬出端产生弹性挠度f弹和非弹性挠度f非弹。假定悬臂端在我岸摇滚处为固定端，则：

通过计算得：TSR-TDR 截面因非弹性挠度产生的转角为4θ=9.36×10-4rad。

通过结构力学求解器求得：TSR-TDR 截面因弹性挠度产生的转角为0.00286rad。

式中：θ-连接销转角；L-每节桁架长度；lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lT－DRL－SS、SSR、DSR、TSR、TDR 型桁架长度；q-桁架每纵长米等效静载；lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lTDR-SS、SSR、DSR、TSR、TDR型桁架截面的惯性矩；Δ-销孔间隙，取0.5mm。

1.3.5 架设连杆的设计计算

由于导梁自重产生的挠度和对岸可能高于我岸，使导梁低于对岸摇滚，无法搭接上，因此必须在导梁下适当位置安装架设连杆，使导梁前端翘起获得一定抬高，以保证顺利搭接对岸摇滚。架设前首先平整场地，尽量使使两岸的高差为0。我岸摇滚的高度为754mm，对岸摇滚的高度为346mm，悬出端的挠度为3.16m。

每个架设连杆前最多可接四节桁架。所以，为使悬出端能顺利搭接对岸摇滚，需使导梁前四节翘起的高度h满足：h>3.16-（0.754-0.346）=2.752m，参数见表5。

表5 架设连杆位置及前端翘起高度

设计中，分别在第一节与第二节、第三节与第四节之间、第四节与第五节之间设置架设连杆。导梁的架设连杆设计如图6 所示。

图6 架设连杆设计

则翘起高度为：h=2.72+0.4=3.12m>2.752m。所以，架设连杆设计符合要求。

1.4 导梁接触对岸摇滚推送阶段

当导梁搭接到对岸时，为减小对岸摇滚的支反力同时考虑架设场地的限制，采用每推出一段拆掉一段导梁的方法进行架设。通过初步试算可知，当TDR 搭接对岸时，桥跨结构对对岸每个支座产生的压力最大，最大值为443.81kN，设置两个摇滚，每个摇滚分担的支反力为221.91kN，小于其允许承载力250kN，所以，对岸一共设置4 个摇滚满足要求（每半边桥设置2 个）。

滚轮的作用力不在下弦杆两节点的中心处，但计算时假定滚轮作用于杆件中心处，使弦杆偏安全。

具体示意图及验算见表6、图7。

表6 导梁接触对岸摇滚推送阶段验算

图7 对岸摇滚作用位置示意图

2 桥梁架设作业

2.1 架设流程

如图8 所示。

图8 架设流程

2.2 滚座布置

滚座分为摇滚和平滚两种，根据勘测时的选线来确定摇滚和平滚的位置，进行滚座的安装。摇滚安置在我岸与对岸的岸边，我岸的摇滚也称为架设滚用于桥梁的推出；对岸的摇滚也称为落地滚用于桥梁的上岸。通过计算，确定我岸为带平衡梁摇滚，对岸为不带平衡梁的摇滚。平滚安置在我岸摇滚之后，用于支承桥梁和减小桥梁在推出过程中的阻力。滚座的设置如图9-11 所示。

图9 平滚布置

图10 我岸带平衡梁的摇滚布置

图11 对岸不带平衡梁的摇滚布置图

2.3 单排桥梁拼装

第1、2 桥节拼装分别如图12、13 所示。

图12 第1 桥节拼装

图13 第2 桥节拼装

2.4 多排桥梁拼装

DSR 结构的拼装分别如图14-16 所示。

图14 DSR 结构第1 桥节拼装

图15 DSR 结构第2 桥节拼装（一）

图16 DSR 结构第2 桥节拼装（二）

2.5 桥梁落桥

桥梁落桥如图17 所示。

图17 落桥示意图

3 结论

本研究主要探讨了利用ZB-200 型装配式公路钢桥架设跨径大于80m 的预应力桥梁过程的实现技术。进行了架设大跨径桥梁的总体方案设计计算；采用悬臂推送法架设，区分导梁悬出状态的两个阶段，对桁架结构弯矩、剪力、悬出端稳定性、下弦杆的局部弯曲强度、悬出端的挠度进行了验算；设计了大跨径桥梁架设的作业方法与组织，绘制了架设作业图纸。对于扩大现有装备的使用范围，提高大跨度江河应急保障能力具有重要现实意义。