大跨徑預(yù)應(yīng)力裝配式鋼橋架設(shè)過程技術(shù)研究

陳小峰，邵 飛，徐 倩，白林越，高 岳

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件。橋梁事業(yè)的發(fā)展是確保社會(huì)生產(chǎn)和生活正常化的基本條件之一。架設(shè)大跨徑橋梁在抗震救災(zāi)等工程保障活動(dòng)中起著先行作用，它是實(shí)現(xiàn)成功搶險(xiǎn)救災(zāi)的必要條件，直接為救災(zāi)人員和物資的輸送、被困人員的安全轉(zhuǎn)移服務(wù)，是作戰(zhàn)工程保障的重要組成部分。因此，架設(shè)大跨度橋梁的任務(wù)特別是在地震、特大洪水、泥石流、冰雪等惡劣條件下的正常通車顯得尤為重要。研究如何快速架設(shè)大跨徑預(yù)應(yīng)力裝配式鋼橋?qū)焖贀岆U(xiǎn)救災(zāi)行動(dòng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

“ZB-200 型裝配式公路鋼橋”是依據(jù)交通部交通戰(zhàn)備辦公室交戰(zhàn)備字[2002]22 號文下達(dá)的科研任務(wù)書研制的新型裝配式公路鋼橋，是我國本世紀(jì)國防交通戰(zhàn)備基本的制式橋梁器材。ZB-200 型鋼橋是一種可拆裝的下承式橋梁，由單銷將若干桁架單元連接成橋梁的承重主梁，用橫梁和橋板組裝成橋面結(jié)構(gòu)。該器材標(biāo)準(zhǔn)化程度高、互換性強(qiáng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活、拆裝方便、載重量大、適應(yīng)性好、全部構(gòu)件采用普通汽車運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[1]。該器材結(jié)合國內(nèi)、外近年來在裝配式橋梁領(lǐng)域的最新發(fā)展和研究成果，按照我國交通戰(zhàn)備發(fā)展的實(shí)際需求，體現(xiàn)了“平戰(zhàn)結(jié)合，軍民兼用”的設(shè)計(jì)思想，較好地解決了我國原321 鋼橋雙層架設(shè)不方便、車行道寬度偏小、承載能力不足等問題。ZB-200 型鋼橋采用的接頭燕尾形抗疲勞結(jié)構(gòu)、橋板降載剪力銷、螺母套固定技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，明顯提高了橋梁的疲勞壽命，優(yōu)化了橋面結(jié)構(gòu)，方便了橋板固定，提高了承載能力。朱永焯等人[2]為解決321 型裝配式公路鋼橋承載力不足、橋面較窄、疲勞壽命較低等問題，對ZB-200 型裝配式公路鋼橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。陳雙聰?shù)热薣3]以搶通毀于汶川地震的徹底關(guān)大橋?yàn)楸尘埃槍?21 鋼橋和ZB-200 型鋼橋架設(shè)跨徑過小問題，提出對ZB-200 型裝配式公路鋼橋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力技術(shù)改造，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的預(yù)應(yīng)索、撐桿和錨箱。黃海棠等人[4]在介紹貝雷梁錯(cuò)孔撓度現(xiàn)有計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了基于幾何學(xué)的貝雷梁錯(cuò)孔撓度計(jì)算新方法，并用算例驗(yàn)證了新方法的可靠性。

1 架設(shè)方案設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)任務(wù)：障礙寬度80m，快速架設(shè)臨時(shí)性橋梁，保障履帶式荷載50t，輪式軸壓力13t 以下的裝備和車輛迅速克服河川、斷橋、溝谷等障礙，以實(shí)現(xiàn)道路的搶通。

1.1 導(dǎo)梁總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)將采用懸臂推送法架設(shè)，架設(shè)的關(guān)鍵在于導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)，通過改變導(dǎo)梁橫截面的形式，實(shí)現(xiàn)橋梁的架通。采用的桁架截面形式主要包括以下幾種形式，即單排單層（SS）、單排單層加強(qiáng)型（SSR）、雙排單層加強(qiáng)型（DSR）、三排單層加強(qiáng)型（TSR）、三排雙層加強(qiáng)型（TDR，如圖1 所示）[5-6]。

圖1 三排雙層加強(qiáng)型（TDR）

根據(jù)桁架不同截面的容許彎矩[M]和容許剪力[Q]進(jìn)行試算，并運(yùn)用MIDAS 軟件進(jìn)行有限元分析，確定懸臂推送法架設(shè)所用導(dǎo)梁形式為：8 節(jié)單排單層（SS），6 節(jié)單排單層加強(qiáng)型（SSR），5 節(jié)雙排單層加強(qiáng)型（DSR），4 節(jié)三排單層加強(qiáng)型（TSR），4 節(jié)三排雙層加強(qiáng)型（TDR）。導(dǎo)梁總體方案如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)梁總體設(shè)計(jì)方案

1.2 架設(shè)方案計(jì)算說明

本設(shè)計(jì)采用邊拼裝邊推送的方法進(jìn)行，需要對懸臂推送架設(shè)過程中桁架推出穩(wěn)定校核進(jìn)行計(jì)算，本設(shè)計(jì)將導(dǎo)梁的計(jì)算分為兩個(gè)階段進(jìn)行。表1、表2 為計(jì)算中涉及的相關(guān)參數(shù)表。

表1 桁架容許內(nèi)力（半邊橋）

表2 ZB-200 型裝配式橋每橋節(jié)（3.048m）重量P

1.3 導(dǎo)梁未達(dá)到對岸搖滾階段（見圖3）

圖3 導(dǎo)梁未達(dá)到對岸搖滾階段

1.3.1 桁架變截面處彎矩、剪力驗(yàn)算

SS-SSR 截面彎矩M1，剪力Q1；SSR-DSR 截面彎矩M2，剪力Q2。

DSR-TSR 截面彎矩M3，剪力Q3；TSR-TDR 截面彎矩M4，剪力Q4，具體參數(shù)見表3。

表3 桁架變截面處彎矩、剪力驗(yàn)算

1.3.2 橋跨懸出端穩(wěn)定性驗(yàn)算以我岸搖滾為矩心，橋跨懸出端靜載產(chǎn)生傾覆力矩（M傾），搖滾之后拼裝的橋跨靜載所產(chǎn)生穩(wěn)定力矩（M穩(wěn)）。不致傾覆，須滿足M穩(wěn)>1.3M傾，見表4。

表4 橋跨懸出端穩(wěn)定性驗(yàn)算

1.3.3 主桁下弦桿受局部彎曲的強(qiáng)度驗(yàn)算

采用懸臂推送法架設(shè)時(shí)，由于導(dǎo)梁和橋跨不斷向前推出，搖滾支撐位置不斷發(fā)生變化，橋跨承受的支反力和計(jì)算彎矩都不斷變化，下弦桿受到搖滾的集中反力產(chǎn)生局部彎矩和懸出端的負(fù)彎矩的作用，下弦桿有可能發(fā)生局部失穩(wěn)。驗(yàn)算時(shí)，就下弦桿而言，當(dāng)懸出端將到達(dá)對岸，但尚未搭上對岸搖滾時(shí)，此時(shí)，懸出端跨度最大且我岸搖滾正好在主桁下弦節(jié)點(diǎn)之間，下弦桿件受局部彎矩最大，最有可能發(fā)生失穩(wěn)。

假設(shè)每岸設(shè)置4 個(gè)搖滾，通過軟件計(jì)算可得我岸每個(gè)搖滾的最大支反力R=452.64kN，顯然每個(gè)搖滾支反力大于其承載力250kN。故需要設(shè)置平衡梁組件以減小每個(gè)搖滾的支反力。所以分擔(dān)到每個(gè)搖滾的反力R=226.32kN，而一個(gè)搖滾上有3 個(gè)滾輪，則每個(gè)滾輪上承受的力為1/3R，即75.44kN。

由圖4 得，滾輪的作用力不在下弦桿兩節(jié)點(diǎn)的中心處，但計(jì)算時(shí)將其看做在中心處，使弦桿偏安全。

圖4 我岸搖滾平衡梁組件示意圖

查表得弦桿2-[10 得：Wx=79.4cm3，A2=25.48cm2，Ix=396.6cm4，示意圖見圖5。

圖5 加強(qiáng)弦桿慣性矩示意圖

所以，下弦桿的局部彎矩滿足要求。

式中：N-弦桿軸向壓力；l-弦桿節(jié)點(diǎn)間距；h-主桁高度；M-支反力產(chǎn)生的局部彎矩；M0-支反力產(chǎn)生的簡支梁的最大彎矩。

1.3.4 橋跨懸出端的撓度計(jì)算

用懸臂推送法架設(shè)時(shí)，由于導(dǎo)梁自身的重量，橋跨懸出端產(chǎn)生彈性撓度f彈和非彈性撓度f非彈。假定懸臂端在我岸搖滾處為固定端，則：

通過計(jì)算得：TSR-TDR 截面因非彈性撓度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為4θ=9.36×10-4rad。

通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求得：TSR-TDR 截面因彈性撓度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為0.00286rad。

式中：θ-連接銷轉(zhuǎn)角；L-每節(jié)桁架長度；lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lT－DRL－SS、SSR、DSR、TSR、TDR 型桁架長度；q-桁架每縱長米等效靜載；lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lTDR-SS、SSR、DSR、TSR、TDR型桁架截面的慣性矩；Δ-銷孔間隙，取0.5mm。

1.3.5 架設(shè)連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算

由于導(dǎo)梁自重產(chǎn)生的撓度和對岸可能高于我岸，使導(dǎo)梁低于對岸搖滾，無法搭接上，因此必須在導(dǎo)梁下適當(dāng)位置安裝架設(shè)連桿，使導(dǎo)梁前端翹起獲得一定抬高，以保證順利搭接對岸搖滾。架設(shè)前首先平整場地，盡量使使兩岸的高差為0。我岸搖滾的高度為754mm，對岸搖滾的高度為346mm，懸出端的撓度為3.16m。

每個(gè)架設(shè)連桿前最多可接四節(jié)桁架。所以，為使懸出端能順利搭接對岸搖滾，需使導(dǎo)梁前四節(jié)翹起的高度h滿足：h>3.16-（0.754-0.346）=2.752m，參數(shù)見表5。

表5 架設(shè)連桿位置及前端翹起高度

設(shè)計(jì)中，分別在第一節(jié)與第二節(jié)、第三節(jié)與第四節(jié)之間、第四節(jié)與第五節(jié)之間設(shè)置架設(shè)連桿。導(dǎo)梁的架設(shè)連桿設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 架設(shè)連桿設(shè)計(jì)

則翹起高度為：h=2.72+0.4=3.12m>2.752m。所以，架設(shè)連桿設(shè)計(jì)符合要求。

1.4 導(dǎo)梁接觸對岸搖滾推送階段

當(dāng)導(dǎo)梁搭接到對岸時(shí)，為減小對岸搖滾的支反力同時(shí)考慮架設(shè)場地的限制，采用每推出一段拆掉一段導(dǎo)梁的方法進(jìn)行架設(shè)。通過初步試算可知，當(dāng)TDR 搭接對岸時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)對對岸每個(gè)支座產(chǎn)生的壓力最大，最大值為443.81kN，設(shè)置兩個(gè)搖滾，每個(gè)搖滾分擔(dān)的支反力為221.91kN，小于其允許承載力250kN，所以，對岸一共設(shè)置4 個(gè)搖滾滿足要求（每半邊橋設(shè)置2 個(gè)）。

滾輪的作用力不在下弦桿兩節(jié)點(diǎn)的中心處，但計(jì)算時(shí)假定滾輪作用于桿件中心處，使弦桿偏安全。

具體示意圖及驗(yàn)算見表6、圖7。

表6 導(dǎo)梁接觸對岸搖滾推送階段驗(yàn)算

圖7 對岸搖滾作用位置示意圖

2 橋梁架設(shè)作業(yè)

2.1 架設(shè)流程

如圖8 所示。

圖8 架設(shè)流程

2.2 滾座布置

滾座分為搖滾和平滾兩種，根據(jù)勘測時(shí)的選線來確定搖滾和平滾的位置，進(jìn)行滾座的安裝。搖滾安置在我岸與對岸的岸邊，我岸的搖滾也稱為架設(shè)滾用于橋梁的推出；對岸的搖滾也稱為落地滾用于橋梁的上岸。通過計(jì)算，確定我岸為帶平衡梁搖滾，對岸為不帶平衡梁的搖滾。平滾安置在我岸搖滾之后，用于支承橋梁和減小橋梁在推出過程中的阻力。滾座的設(shè)置如圖9-11 所示。

圖9 平滾布置

圖10 我岸帶平衡梁的搖滾布置

圖11 對岸不帶平衡梁的搖滾布置圖

2.3 單排橋梁拼裝

第1、2 橋節(jié)拼裝分別如圖12、13 所示。

圖12 第1 橋節(jié)拼裝

圖13 第2 橋節(jié)拼裝

2.4 多排橋梁拼裝

DSR 結(jié)構(gòu)的拼裝分別如圖14-16 所示。

圖14 DSR 結(jié)構(gòu)第1 橋節(jié)拼裝

圖15 DSR 結(jié)構(gòu)第2 橋節(jié)拼裝（一）

圖16 DSR 結(jié)構(gòu)第2 橋節(jié)拼裝（二）

2.5 橋梁落橋

橋梁落橋如圖17 所示。

圖17 落橋示意圖

3 結(jié)論

本研究主要探討了利用ZB-200 型裝配式公路鋼橋架設(shè)跨徑大于80m 的預(yù)應(yīng)力橋梁過程的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。進(jìn)行了架設(shè)大跨徑橋梁的總體方案設(shè)計(jì)計(jì)算；采用懸臂推送法架設(shè)，區(qū)分導(dǎo)梁懸出狀態(tài)的兩個(gè)階段，對桁架結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、懸出端穩(wěn)定性、下弦桿的局部彎曲強(qiáng)度、懸出端的撓度進(jìn)行了驗(yàn)算；設(shè)計(jì)了大跨徑橋梁架設(shè)的作業(yè)方法與組織，繪制了架設(shè)作業(yè)圖紙。對于擴(kuò)大現(xiàn)有裝備的使用范圍，提高大跨度江河應(yīng)急保障能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義。