大跨公路應急救援橋主結構形式與架設技術研究

張宏建， 潘大榮， 趙 棟， 趙啟林

(1.武警部隊研究院，北京 100000；2.南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167；3.南京工業大學機械工程學院，江蘇 南京 211816)

橋梁快速架設技術是公路應急救援橋順利完成任務的重要保障，公路應急救援橋尤其是大跨應急救援橋的設計一般是結構方案服從架設方案[1]。從理論上說，目前橋梁結構實現單跨千米級跨越是沒有任何問題的，之所以公路應急救援橋很難突破單跨百米級大關，主要受制于架設的便捷性與快速性要求，因此開展架設技術研究就顯得尤為重要。

1 現有大跨應急救援橋主結構形式及拼裝方式

目前國內外中小跨度的公路應急救援橋種類較多，結構形式以整體式為主，架設易于實現；但對于應急救援任務來說，很多時候需要克服的障礙跨度較大，這個時候大跨公路應急救援橋就成為了首要之選，而此類橋梁的結構形式一般為拼裝式，拼裝方法多種多樣。

1.1 國內大跨應急橋

以我國民用橋梁劃分標準來看，單跨超40 m的橋梁稱為大跨橋梁，因此我國軍用橋梁中真正意義上的大跨度橋梁只有重型支援橋、裝配式公路鋼橋與重型桁架橋3種。這3種橋梁都采用了桁架結構形式，其中重型支援橋采用了國外先進的三角桁架結構形式(圖1)，6 m一節為一個標準模塊，成功實現了應急橋梁"大跨度"和"機械化"的完美融合，使得該橋單跨架設長度達到51 m[2]。

我國的裝配式公路鋼橋是在原英制貝雷桁架橋的基礎上由交通部公路規劃設計院結合我國實際情況設計的快速組裝橋梁，源于英國曼比鋼結構公司研制的貝雷鋼橋，是一種被廣泛應用的較為完善的應急交通保障組合裝配式鋼橋。全橋由高強鋼焊接制成，主梁可分解為多片輕型桁架，桁架間用單銷連接，重量較輕，構件互換性強，運輸拆裝方便，是一種可分解的、能快速架設的制式橋梁，可根據通載要求和跨徑組裝成各型裝配式鋼橋，適用于汽車、履帶、掛車等各種荷載[3]。通過增加加強弦桿或增加桁架的排數、層數來提高單跨跨越能力(圖2)，履帶載500 kN的最大跨越能力為63 m。

圖1 重型支援橋

圖2 裝配式公路鋼橋

重型桁架橋[4]的上部單元與下部單元均采用了橋面系在上部的上承式桁架結構形式。主要承載構件單元更多，上部單元、下部單元、連接單元、楔形單元、端部座梁、橋板、跳板、緣材、加強裝置、拉桿、壓桿和各種連板等。通過不同構件的組合，可以形成單純桁架結構、帶有加強弦桿組合結構等多種結構形式(圖3)，每種結構形式的跨越能力不同。在保障履帶式荷載500 kN、輪式荷載軸壓力130 kN以下輪式荷載時，重型桁架橋可在原有模塊化桁架單元下部增加拉桿進行加強，使橋梁跨徑由30 m提高到51 m。

圖3 重型桁架橋

另外以前我軍工程兵部隊在戰備施工、科研試驗等實踐中還運用過一種橋梁：索道橋(圖4)。它沿用并分析了我國古老吊橋的構造，從實戰的觀點出發，經過工程兵部隊、院校、科研單位反復的探討、改進，最終比較完善，是一種懸索體系的大跨徑橋梁。它具有適應跨度大、對岸邊施工場地要求低等特點，單跨跨越能力可以達到200～300 m，但是由于施工周期長、通行效率低等特點，目前在軍用或應急橋梁上應用較少。

圖4 索道橋

1.2 國外大跨應急橋

外軍的大跨度軍用橋梁也以桁架式結構為主，如中型桁梁橋[5](Medium Girder Bridge ),簡稱“中桁橋”(MGB)。中型桁梁橋是英國國防部軍用車輛和工程研究中心，根據1961年10月英國軍方提出的研制中型桁梁橋的基本要求而研究設計的。1968年5月裝備英國部隊；1973年2月被美國定為制式，裝備陸軍中型桁梁橋連，每連裝備4套器材和30輛5 t自卸汽車。中桁橋為鋁結構、銷連接的上承式桁架橋，可架設多單層和雙層結構型式的橋梁(圖5)。中桁橋主要由上部桁梁結構、制式橋腳、浮舟、加強裝置及架設輔助設備等組成。不僅可架設多跨固定橋而且還可架設浮橋。目前英國對中桁橋還在不斷地進行改進，部分構件已改用非金屬復合材料，載重量由60級增加至70級。在采用加強弦桿技術后，載重輪式160 kN，單跨跨越能力可以達到49.7 m。采用機械輔助人工拼裝。

圖5 英國中型桁梁橋

美軍的重型干溝支援橋[5]為模塊式橋梁，一座42 m長的重型干溝支援橋可由8人在90 min內架完并開通(圖6)。橋梁結構也是桁架形式，可通過履帶載800 kN、輪式載960 kN軍用荷載，允許攜載M1A1坦克的重型裝備運輸車通行。橋節模塊在架橋車上裝配，并懸掛在架設導梁下推送過溝渠障礙。

圖6 HDSB重型干溝支援橋

瑞典FB48快速橋[6]屬于FB200快速橋系統中的一部分，是瑞典防務材料部和Kockums公司合作研制的。研制始于1985年，凈跨46 m的FB48快速橋可以承載各類現代化的主戰坦克，承載能力達MLC70以上。瑞典軍隊于1995年開始使用FB48快速橋。FB48快速橋系統由一座48 m長的橋梁和兩塊附加長15 m跳板組成，橋體結構材料為高強鋼。一座橋的長度24～48 m，由8 m長的橋節組成，因此整座橋的長度可以是24、32、40或48 m。可用的車轍道寬為4 m。一塊FB48橋節重5.3 t，尺寸為8×4×1.5 m，可以固定(4 m)或折疊(3 m)方式由6輛標準的普通卡車運輸(圖7)。

圖7 瑞典FB48快速橋

從前面的國內外現有應急救援橋的結構現狀可以看出，目前，由于考慮到架設便捷性與快速性，大跨應急橋梁結構以桁架形式為主，如我軍的重型支援橋、321與ZB200裝備式公路鋼橋均采用了桁架結構形式。而我軍的重型桁架橋在跨度較大的情況下，則在原有模塊化桁架單元下部增加了拉桿進行加強。英軍的BR90橋梁系統由于在原橋系統下部設置了加強橋節和加強拉桿，形成張弦式結構形式，增加了截面抵抗矩，可使橋單跨長度增至56 m。因此，以桁架作為主要承載單元、以張弦系統增強結構承載力的裝配式組合結構是大跨度應急救援橋的主要結構形式。

2 現有大跨應急橋架設技術

目前常用的應急救援橋梁架設方案主要有懸臂翻轉法(圖8)、懸臂平推法、導索或導梁懸臂推送法等[7-8]。其中采用懸臂平推或翻轉法架設大跨橋梁時需要較大平衡力或平衡力臂，對場地與車輛要求均較高，一般用于小跨度軍用橋梁，如國內常見的84式機械化橋等。而導索平推法需要兩岸有可靠錨固點，在軍用橋梁上應用較少，如我國73式輕便鋼橋，其承載能力小，且還需要到對岸進行錨固作業，因此應用范圍狹窄。而采用導梁懸臂推送法架設就成了大跨度應急救援橋的主要選擇。

圖8 懸臂翻轉式架設

2.1 導梁懸臂推送架設方法

導梁懸臂推送架設方法是在懸臂平推法基礎上發展起來、適合大跨橋梁的架設方案，即先采用懸臂平推法架設重量較輕的導梁，而后在導梁后端拼裝推送重量較大的橋梁結構。這種架設方案在重量較輕的導梁架設過程中還可利用橋梁結構作為壓重來增加平衡力臂，因而特別適合大跨度軍用橋梁。我國裝配式公路鋼橋和重型桁架橋，以及國外很多裝配式的應急救援橋梁均采用帶有導梁、人工拼裝、人工或機械懸臂推送的架設方式(圖9)[9]。

英國的中型桁梁橋采用機械輔助人工拼裝、帶有導梁懸臂推送技術進行架設(圖10)，25人在80 min可以架設完畢。

圖9 導梁懸臂推送架設方法

圖10 英國中型桁梁橋懸臂推送架設

2.2 跨騎式架設方法

在橋梁架設時，采用跨騎式架設方法首先在架橋機構上逐節連接導梁，接著將導梁推送到對岸，再逐節連接好主橋跨，而后將主橋跨騎著導梁推送到對岸，完成應急橋的架設。該架設方法的特點是導梁也為橋跨結構的一部分，在完成橋梁架設后并不撤收，導梁與橋跨一一對應，因此省去撤收導梁的時間從而節約架設時間。但采用跨騎式架設方法時，導梁上下能夠擺動的空間較小，因此在有較大高差的地方架設時，適應能力相對較差。有代表性的是德國的FFB橋、瑞典的FB48橋均采用了跨騎式的架設方法[10]，其架設示意圖如圖11所示。

圖11 跨騎式架設方法示意圖

瑞典FB48快速橋的架設方法為跨騎式推送，為此專門設計一個液壓驅動的遙控吊臂作為架橋部件，采用兩套分開的液壓系統和一套風冷式柴油發動機來提供動力，架橋部件與架設梁部件連接，逐步伸向干溝，當梁伸到對岸后，采用前端的支腿進行支撐，接著作業人員乘坐梁上滑車到達對岸。隨后按順序將橋節、跳板和其它的橋梁部件連接起來，向前沿架設臂手動推送拉桿，直到橋梁架設完畢。橋梁從溝一岸架設完畢后，可從溝的任意一岸撤收。整個架設過程由7人在6×30 m2的作業區間內架設，時間不超過75 min。

2.3 懸掛式架設方法

懸掛式架設方法是在橋梁架設時首先將用于輔助架設的導梁逐節連接并推送到對岸，導梁固定完成后，將首個橋節模塊吊在導梁下面，通過滑輪組和滑車依次連接橋節，再沿導梁向對岸推送，橋跨就位固定后，導梁必須撤收，并可用于其他橋梁的架設。該架設方法的特點是完成橋梁架設后導梁必須撤收，因此，一套導梁可用于多座橋梁架設。但由于導梁需要撤收，且作業平面較高、人工參與較多，不容易控制架設和撤收的時間，從而導致架設總用時較長。有代表性的是英國的AFB橋、BR90橋、美國的HDSB橋[11]，其架設示意圖如圖12所示。

圖12 懸掛式架設方法示意圖

3 典型大跨度應急橋介紹

英國的BR90綜合架橋系統(見圖13)采用的是懸掛式推送架設方法，橋梁系統包括近距離支援橋或架橋坦克和通用支援橋兩部分，它可以跨越9～60 m的溝壕。各種橋梁均由7種鋁合金的橋節組合而成，每個橋節的接頭都具有相同的模數。用這些橋節組成兩個相互連接的4 m寬的車行道，主梁高1 m。所有橋型的設計荷載均為70軍用荷載級，凡70 t級的輪式和履帶式車輛均適用。該系統易于操作，可靠性和維修性都體現了能在最前線使用的設計思想，因而重量輕、構筑所需人員少[12]。

圖13 英國的BR90綜合架橋系統

美軍的HDSB重型干溝支援橋為模塊式橋梁，一座42 m長的重型干溝支援橋可由8人在90 min內架完并開通(圖14)。橋梁結構也是桁架形式，可通過履帶載800 kN、輪式載960 kN軍用荷載，允許攜載M1A1坦克的重型裝備運輸車通行。重型干溝支援橋的架設系統為一根高架架設導梁，由安裝在架橋車上的起重機順序裝配并向溝渠對岸伸出， 以便在橋梁架設過程中承受橋梁重量。橋節模塊在架橋車上裝配，并懸掛在架設導梁下推送過溝渠障礙。

圖14 HDSB重型干溝支援橋

表1將國內外主要大跨度橋用材、橋長、作業時間與人員進行了對比分析。

表1 國內外大跨度應急救援橋

從表1可見，國內外大跨度軍用橋梁大多采用了桁架式或在桁架基礎上的張弦式結構；外國大跨軍用橋梁的制造材料一般為鋁合金，國內以高強鋼為主；國外架設方式以跨騎推送或懸掛推送為主，國內以導梁懸臂推送為主。由于采用材料笨重，架設難度大，國內橋梁除跨越能力與外軍相當或稍高，而承載能力與作業效率均明顯低于外軍；橋跨結構由于拼裝構件多，張弦安裝難度大，整體拼裝架設時間、單跨機械化架設時間一般在120 min以下，人工架設時間一般都超過120 min；由于推送架設過程中需要較長的直線段，因此難以適應山地環境。

4 結論

大跨公路應急救援橋主結構形式一般采用桁架結構，輔以下部張弦以提高橋跨的跨越能力和承載能力，但國內由于采用高強鋼材料較多，結構自重大，架設作業難度大、效率低。

國內外應急救援橋的架設方式均以導梁推送為主，國外以跨騎推送和懸掛推送居多，國內以懸臂推送居多，但國外架設機械化程度相對較高，架設效率一般比國內高。

國內外應急救援橋架設均需將導梁先推送到對岸，因此對導梁進行輕量化設計以避免最大懸臂狀態產生過大的傾覆力矩就顯得尤為重要。