公路應(yīng)急鋼便橋技術(shù)論證分析

李聚軒，張 雷，張云紅

(1.軍事交通學(xué)院國防交通系，天津 300161；2.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊，天津 300161)

橋梁是公路交通網(wǎng)絡(luò)的咽喉，在大規(guī)模自然災(zāi)害破壞時易毀難修，因而嚴(yán)重制約著搶險救災(zāi)應(yīng)急救援行動進程?；谝陨鲜聦?，各國對于公路橋梁搶修搶建研究投入大量的時間和財力，我國從五十年代起便展開針了戰(zhàn)時公路橋梁搶修搶建技術(shù)的研究。幾十年來發(fā)展出多種型號的裝配式公路鋼橋和軍用機械化橋梁裝備，這些制式裝備器材在歷次應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)行動中發(fā)揮了重要作用。但同時也存在制式裝備器材儲備數(shù)量少、倉庫分布不均等問題[1]。2008年四川汶川抗震救災(zāi)行動中需要從廣東、山東、河南、浙江等地倉庫調(diào)運裝配式公路鋼橋，影響了交通搶修搶建的快速完成[2]。隨著我國工業(yè)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)及其交通沿線的型鋼、集裝箱、涵管等現(xiàn)代工業(yè)器材(產(chǎn)品)越來越普遍，本文探討利用這些工業(yè)器材實施應(yīng)急橋梁保障的必要性以及可行性，同時針對就便器材應(yīng)急橋梁的架設(shè)時機、承載能力、橋梁跨度、架設(shè)時限等性能指標(biāo)進行了論證分析。通過實驗和理論分析，表明公路應(yīng)急鋼便橋技術(shù)可以作為制式應(yīng)急橋梁技術(shù)的重要補充，可以作為橋梁破壞后的保障手段。

1 就便器材應(yīng)急橋梁技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

制式應(yīng)急橋梁是按照一定技術(shù)要求設(shè)計，在工廠中專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化制造的應(yīng)急橋梁裝備，它可以快速架設(shè)快速撤收，重復(fù)使用。裝配式公路鋼橋就是一種典型的制式應(yīng)急橋梁。就便器材應(yīng)急橋梁是使用普通工農(nóng)業(yè)材料(產(chǎn)品)按照一定的技術(shù)規(guī)程和施工方法架設(shè)的應(yīng)急橋梁。

1.1 “以木代鋼”架設(shè)就便器材橋梁

解放戰(zhàn)爭后期和抗美援朝戰(zhàn)爭中，我軍擁有的日本制式橋梁和蘇聯(lián)制式橋梁，成為橋梁搶修的重要技術(shù)手段。在戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)其數(shù)量遠遠不能滿足要求，除了部分鐵路橋梁搶修使用制式器材，絕大部分公路橋梁搶修采用就便器材[2]。在當(dāng)時的社會條件下，社會上木材的擁有量遠遠大于鋼材擁有量，鐵道兵使用木材成功架設(shè)了很多鐵路和公路橋梁。抗美援朝戰(zhàn)爭以后，鐵道兵組織力量開展了使用木材架設(shè)橋梁的規(guī)范化研究，先后完成了一系列課題，對我國主要樹種架設(shè)橋梁的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，編寫了架設(shè)手冊。美軍工程兵在利用木材進行橋梁架設(shè)方面有許多成果，應(yīng)用較多[3]。但由于木材的承載能力低，材料性能差異較大等特點，架設(shè)的木結(jié)構(gòu)應(yīng)急橋梁存在架設(shè)周期長，維護難度大，通過能力小等不足。

1.2 多種材料并舉架設(shè)“混合結(jié)構(gòu)”就便器材橋梁

隨著我國建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，特別是交通建設(shè)的發(fā)展，社會鋼材保有量較高，在交通沿線存放有一定數(shù)量的枕木、型鋼、鋼軌，這些材料成為新的搶修橋梁的就便器材，鐵道兵和交通戰(zhàn)備系統(tǒng)開發(fā)了使用多種就便器材的“混合結(jié)構(gòu)”就便橋梁技術(shù)。較為成熟的是木結(jié)構(gòu)橋墩與型鋼梁的組合運用。

進入新世紀(jì)以后，我國工業(yè)化和城市化快速發(fā)展，社會資源非常豐富，但軍隊架設(shè)就便器材橋梁依然是“以木代鋼”、“鋼木混合結(jié)構(gòu)”的階段，并且由于沒有技術(shù)研究、技術(shù)方案、技術(shù)手冊的保證，就便器材橋梁的通過能力很低。在“512汶川地震”中我軍只能以涵管加部分鋼材搭建簡易的公路橋梁(如圖1)，而顯然此類橋梁是不能滿足搶險救災(zāi)的運輸需求，更加不能滿足戰(zhàn)時軍事運輸?shù)男枨骩2]。

圖1 以涵管加部分鋼材搭建簡易的公路橋梁Fig.1 Simple highway bridge constructed with pipeculvert and steel

2 公路應(yīng)急剛便橋技術(shù)的必要性和可行性分析

針對現(xiàn)有制式應(yīng)急橋梁裝備在數(shù)量和時間不能滿足保障要求的問題，有必要而且完全可能利用社會上存在的大量型鋼、集裝箱等工業(yè)就便器材，開發(fā)新型應(yīng)急橋梁保障技術(shù)。

2.1 研究公路應(yīng)急鋼便橋技術(shù)的必要性

我國針對戰(zhàn)時橋梁保障任務(wù)(同時滿足搶險救災(zāi)、國民經(jīng)濟建設(shè)要求)研制并儲備了一定量制式應(yīng)急橋梁裝備，在應(yīng)對各類突發(fā)狀況下的應(yīng)急交通保障中發(fā)揮了重要作用，并且將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。但由于災(zāi)害(包括戰(zhàn)爭)發(fā)生突然，時間和地點都難以預(yù)有準(zhǔn)備，臨時調(diào)集或生產(chǎn)該型器材，時效方面與應(yīng)急要求存在差距?？姑涝?、抗美援越、河北唐山抗震救災(zāi)、四川汶川抗震救災(zāi)等實踐證明在應(yīng)急情況下必須使用大量的就便器材來完成橋梁保障[1]。

就便器材架設(shè)應(yīng)急橋梁的技術(shù)和施工難度要高于制式應(yīng)急橋梁裝備架設(shè)橋梁。制式應(yīng)急橋梁裝備的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，部分裝備采用的完全機械化架設(shè)方式，大大降低了現(xiàn)場組織的復(fù)雜程度，在安全性、穩(wěn)定性和承載能力等方面有較好的保證。就便器材架設(shè)應(yīng)急橋梁存在征集到的材料規(guī)格性能不統(tǒng)一、需要現(xiàn)場加工滿足連接要求、構(gòu)件數(shù)量種類多、設(shè)計復(fù)雜、施工難度大等問題。這些問題必須依靠嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊和施工指南來規(guī)范。如果沒有事先論證、理論分析和試驗驗證形成的手冊和指南，并在現(xiàn)場施工時嚴(yán)格執(zhí)行，該類應(yīng)急橋梁便不具備使用價值[3]。

2.2 公路應(yīng)急剛便橋技術(shù)運用可行性

首先從材料數(shù)量上分析。據(jù)中國鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計，2011年全國鋼產(chǎn)量達到1.67億噸，其中以型鋼為主的鋼材占鋼產(chǎn)量的45%.全國26個主要鋼材市場庫存量1 789萬噸，加上鋼廠庫存和使用單位庫存，鋼材社會保有量達到3 000萬噸[4]。估計型鋼的社會保有量約900萬噸，低于木材的自然保有量，高于木材的社會保有量。鑒于社會木材保有量多數(shù)屬于中小企業(yè)或者個人，型鋼保有量多屬于大型企業(yè)，其應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)動員能力是不可低估的，能夠取代木材成為就便器材搶修橋梁的主要原材料。

其次從性能上分析。鋼材具有更加均勻的材料性質(zhì)，在應(yīng)急情況下能夠提供相對木材均勻、可靠、安全的性能，加工性能也更好。在戰(zhàn)時征集的木材既有樹種之分，又有干濕之別，其承載能力差別很大，在應(yīng)急情況下還很難對其內(nèi)部缺陷進行評價。而鋼材作為工廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品，其性能離散性較小，使用鋼材按照一定規(guī)范架設(shè)的便橋，其承載能力、可靠性和安全性能可以夠得到保障。而且鋼材的加工性要優(yōu)于木材，其切割、鉆孔等基本工藝成熟，廢品率低。

在應(yīng)急橋梁結(jié)構(gòu)中，橋墩的復(fù)雜性非常突出。應(yīng)急橋墩成為應(yīng)急橋梁的瓶頸。而集裝箱橋墩施工快速、安全可靠。集裝箱隨著鐵路運輸、水路運輸、公路運輸進入城市、鄉(xiāng)村。常見的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱有20′和40′兩種，這兩種型號都可以滿足應(yīng)急橋梁基礎(chǔ)和應(yīng)急橋墩要求，考慮到運輸方便性，主要采用20′集裝箱作為應(yīng)急橋梁基礎(chǔ)和應(yīng)急橋墩的基本構(gòu)件。

3 公路應(yīng)急剛便橋性能設(shè)計

公路應(yīng)急鋼便橋應(yīng)當(dāng)滿足應(yīng)急運輸?shù)耐ㄟ^性要求，這些要求也是公路應(yīng)急剛便橋設(shè)計的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。

3.1 應(yīng)用時機

橋梁破壞后，為爭取時間，以免發(fā)生意外，或者引起橋梁進一步破壞，一般會立即封橋。待分析情況，做出破壞評估后，再采取措施。破壞輕微者排除障礙后恢復(fù)交通[5]。橋梁破壞達到嚴(yán)重破壞時，需要在原橋址上下游適當(dāng)?shù)攸c設(shè)置應(yīng)急便橋。

應(yīng)急便橋的使用包括破壞發(fā)生后的數(shù)小時內(nèi)的搶通階段、破壞發(fā)生后數(shù)天的緊急通行階段。在破壞發(fā)生的數(shù)天內(nèi)，應(yīng)急通行量大、車輛種類多、次生破壞和二次破壞的可能性存在，在公路應(yīng)急鋼便橋設(shè)計時要考慮這些因素[2]。為加強應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)的適應(yīng)性，考慮風(fēng)荷載、地震荷載等偶然荷載。臨時橋梁不同于永久橋梁，車輛通過時還應(yīng)考慮限速限載措施，減輕車輛荷載和沖擊荷載。

3.2 架設(shè)時限

架設(shè)時限是衡量應(yīng)急便橋是否合格的關(guān)鍵指標(biāo)。在實際搶修活動中，由于材料、機具和人員活動缺乏標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，很難統(tǒng)計出橋梁準(zhǔn)確的搶修時間。在橋梁搶修器材設(shè)計和平時演練時均采用“準(zhǔn)備好后的拼組時間”，其含義為“現(xiàn)場滿足架設(shè)要求，器材已到達現(xiàn)場，必要的預(yù)拼裝工作已完成，所有機具均已展開的條件下進行拼組?！北?為現(xiàn)有搶修技術(shù)完成時限[1]。

表1 現(xiàn)有搶修技術(shù)完成時限Tab.1 The time-consuming of existing rush repair technology

架設(shè)時限是評估一個便橋能否滿足應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)橋梁保障任務(wù)的關(guān)鍵。無論是戰(zhàn)時或者自然災(zāi)害時，人員和物資的運輸都是爭分奪秒。架設(shè)時間與多種因素有關(guān)，除了和技術(shù)復(fù)雜程度、施工難易程度有關(guān)外，準(zhǔn)備是否充分也非常重要。在表1中架設(shè)橋梁淺基礎(chǔ)、橋梁深基礎(chǔ)、架設(shè)軍用墩時間相對較快，就是建立在預(yù)有準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上。前面幾種搶修方式時間均在1 d以上，是由于起算時間是從橋梁遭到破壞開始的。在使用鋼材為主體材料的前提下根據(jù)應(yīng)用時機，確定公路應(yīng)急鋼便橋的架設(shè)時限1～3 d.在預(yù)有準(zhǔn)備的情況下，架設(shè)時限為1 d.公路應(yīng)急鋼便橋采用集裝箱橋墩可以加快施工進度，對比日本、中國臺灣和鐵道兵使用技術(shù)，能夠滿足時限要求[6]。

3.3 橋梁跨度

橋梁跨度是指橋梁中相鄰兩墩支座之間的距離。大橋、特大橋受到破壞后，搶修困難，一般使用應(yīng)急橋梁技術(shù)，減小跨度進行搶修。裝配式公路鋼橋和ZB200型裝配式公路鋼橋的搶修最大跨度可以達到69 m以上。考慮到就地征集鋼材的品質(zhì)以及數(shù)量等不可控因素，公路應(yīng)急鋼便橋的搶修跨度范圍定義在中小橋梁，跨度在40 m以下。規(guī)劃為12 m、18 m、20 m、28 m、40 m，對于較寬的河流及障礙，必要時可以通過增加橋墩的辦法來縮小跨度，能夠滿足克服大、中型河流的需要。

3.4 通過能力

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(2004)規(guī)定橋梁荷載由車道荷載和車輛荷載兩部分組成。與橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋墩結(jié)構(gòu)承載能力密切相關(guān)的是車道荷載(車輛荷載作為驗算荷載，和基礎(chǔ)關(guān)系較大)，其值與跨度有關(guān)，見表2.我國目前使用的裝配式公路鋼橋的汽車總荷載是200 kN，在應(yīng)急使用時采取的技術(shù)措施是“限速減載”?！皽p載”就是車輛在通過應(yīng)急橋梁前，卸下部分物資，分幾次通過橋梁，通過橋梁的時間將會大大延長，并且會使部分大件物資無法通過橋梁?？紤]到應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)對后勤保障快速性的要求，公路應(yīng)急鋼便橋采用的“限速不減載”的通過方法。臺灣目前實行的應(yīng)急橋梁標(biāo)準(zhǔn)為365 kN，證明提高應(yīng)急橋梁的承載能力是可行的[6]。在確定公路應(yīng)急鋼便橋的設(shè)計荷載時，既要考慮到現(xiàn)在交通的發(fā)展和技術(shù)進步，也要考慮臨時結(jié)構(gòu)的特點和戰(zhàn)時、搶險救災(zāi)時快速性要求，以及體現(xiàn)先進性要求，初步確定為汽車總荷載365 kN.

表2 公路橋梁設(shè)計荷載對比Tab.2 Comparison of design load of highway bridge

3.5 行車速度

車輛以一定速度過橋時，由于動力影響，橋梁實際產(chǎn)生的活載應(yīng)力和變形大于按靜載重計算所得的結(jié)果，這種動力效應(yīng)常稱為沖擊作用。由于臨時結(jié)構(gòu)本身的特殊性，車輛的沖擊作用比較大。車輛通過應(yīng)急橋梁時一般采取限速措施。在鋼結(jié)構(gòu)臨時橋梁上，行使速度帶來的沖擊荷載較大，對橋面板、主梁和橋墩、基礎(chǔ)的影響較大，會造成臨時橋梁施工復(fù)雜、周期長，不能滿足軍事要求[7]。

我國三級公路設(shè)計速度為30 m，四級為20 m，現(xiàn)行的公路橋梁搶修搶建設(shè)計速度一般不超過15 km/h(2008年汶川抗震救災(zāi)時架設(shè)的公路應(yīng)急橋梁即限速15 km/h)，裝配式公路鋼橋設(shè)計速度為30 km/h.綜合以上分析公路應(yīng)急鋼便橋的設(shè)計通行速度為25 km/h.

3.6 橋面寬度

在行車速度小于40 km/h時，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范確定的行車道寬度為3.5 m，考慮兩側(cè)人行道時為5.0 m，雙車道時橋面寬度分別為7.0 m(四級公路)、9.0 m(3級公路)。公路應(yīng)急鋼便橋橋面寬度確定為5.5 m最小寬度?？紤]到應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)后勤保障時車流、人流混雜，增加7.5 m、9.5 m兩種規(guī)格，以滿足雙車道、附加人行道的要求。

3.7 橋墩高度

汶川抗震救災(zāi)實踐證明，即使在搶通階段和緊急通行階段，也應(yīng)該考慮泄洪問題。當(dāng)時架設(shè)的應(yīng)急便橋橋面標(biāo)高很低，甚至只有0.3 m，泄洪能力很小，一方面橋梁隨時面臨沖毀的威脅，另一方面由于水位抬高，應(yīng)急橋梁的接近路也需要不斷加固墊高，這就嚴(yán)重影響了應(yīng)急救災(zāi)活動的進行。2009年臺灣在“八八水災(zāi)”救災(zāi)時修通的第二階段(緊急通行階段)橋梁，其橋面標(biāo)高為3 m.滿足了該階段以及以后1個多月的交通需求[6]。公路應(yīng)急鋼便橋主要考慮緊急通行階段使用環(huán)境，其橋面標(biāo)高確定為3 m，為滿足更多需求，增加6 m、12 m兩種標(biāo)高。

3.8 公路應(yīng)急鋼便橋性能指標(biāo)總結(jié)

經(jīng)過前述論證，公路應(yīng)急鋼便橋戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)總結(jié)見表3.

表3 公路應(yīng)急鋼便橋戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)總結(jié)Tab.3 The summary of technologic index of steel temporary highway bridge

4 關(guān)鍵技術(shù)分析與試驗驗證

應(yīng)急公路鋼便橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)綜合程度高。涉及到多項技術(shù)運用。其中鋼桁架梁技術(shù)、鋼框架墩技術(shù)、鋼橋面技術(shù)、木橋面技術(shù)、鋼筋混凝土橋面技術(shù)屬于成熟技術(shù)運用。其中H型鋼組合梁技術(shù)、H型鋼墩技術(shù)、鋼筋混凝土板基礎(chǔ)技術(shù)在工民建結(jié)構(gòu)中屬于常用結(jié)構(gòu)。由于其承載能力低、容易發(fā)生銹蝕等原因在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少，屬于改進開發(fā)。集裝箱在結(jié)構(gòu)上均按照包裝運輸產(chǎn)品設(shè)計，除了集裝箱底板有一定承載能力要求外，側(cè)面和頂端的承壓能力不明確，難以滿足橋梁工程設(shè)計需要。使用集裝箱作為承載結(jié)構(gòu)是新技術(shù)，為此本項目將集裝箱橋墩、集裝箱橋臺列為關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 集裝箱橋墩臺結(jié)構(gòu)分析

集裝箱框架結(jié)構(gòu)承載能力較大，其四周角件可以起到約束橫向移動的作用。根據(jù)《集裝箱檢驗標(biāo)準(zhǔn)》，在場地堆碼時集裝箱可以堆碼6層，在集裝箱運輸船上堆碼時集裝箱可以堆碼7層，為了安全起見，橋墩高度不超過3層集裝箱高度，即不大于7.8 m.

集裝箱橋墩底層集裝箱個數(shù)與應(yīng)急橋梁承載能力、橋梁自重和河床的土壤承載力有關(guān)，見表4.集裝箱橋臺底層集裝箱個數(shù)見表5.

表4 集裝箱橋墩底層集裝箱個數(shù)Tab.4 The amount of containers in the bottom of container pier

表5 集裝箱橋臺底層集裝箱個數(shù)Tab.5 The amount of containers in the bottom of container bank pier

表6 安全性及使用方便性評價結(jié)論Tab.6 The valuation of safety and applicability

4.2 關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證

為了評價集裝箱橋墩的架設(shè)方便性，測定集裝箱橋墩的承載能力、不同地基情況的沉陷量，評價該型橋墩是否滿足使用要求，2012年12月3日至2012年12月14日，在中鐵18局集團公司京津高鐵津濱延長線工地進行了關(guān)鍵技術(shù)試驗。結(jié)合整個試驗全過程進行觀察、記錄，對關(guān)鍵操作程序進行專門測試，具體參照GJB891-94第5.3和5.5條的內(nèi)容進行檢查評價。安全性與使用方便性評價結(jié)果見表6.

試驗針對橋墩承載能力和橋臺抗測壓能力進行了評價。試驗中對分級加載的每個階段均進行全過程觀察、記錄，傾斜角是由不同測點沉陷數(shù)據(jù)計算得到的。通過分析可以看出，兩種地基情況下，通載10次以后橋墩基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可見集裝箱橋墩對地基情況的適應(yīng)性是非常好，在使用過程中基本沒有明顯傾斜和下沉。

通過分析和試驗可以看出，合理利用就便器材搶修假設(shè)應(yīng)急鋼便橋可滿足平時應(yīng)急戰(zhàn)時應(yīng)戰(zhàn)的交通保障任務(wù)。

5 總結(jié)

借鑒國外應(yīng)急橋梁技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗，提高應(yīng)急橋墩穩(wěn)定性與高度、增大應(yīng)急橋梁通過能力，開發(fā)全鋼結(jié)構(gòu)的新型就便器材應(yīng)急橋梁技術(shù)，是解決應(yīng)急橋梁保障需求的有效途徑。通過分析公路應(yīng)急鋼便橋性能設(shè)計問題，以及對關(guān)鍵技術(shù)進行的分析和試驗，基于型鋼和集裝箱等器材的公路應(yīng)急鋼便橋技術(shù)方案是合理可行的。下一步工作應(yīng)該開展公路應(yīng)急鋼便橋技術(shù)手冊和施工指南編制。在編制手冊和指南時，主要工作是詳細的工程設(shè)計和施工工藝設(shè)計，也需要進一步的理論分析、工程計算和樣橋試驗。

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