適應(yīng)馱運(yùn)架一體機(jī)及快速整體更換的橋梁上部結(jié)構(gòu)分析

楊勇 王勝男 張連普 龔翔箭

1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

2.北京市城市橋梁安全保障工程技術(shù)研究中心 100082

3.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心 100069

引言

為有效解決重交通城市中心區(qū)域的橋梁維修與城市交通相互影響的難題，以SPMT 工法為基礎(chǔ)的馱運(yùn)架一體機(jī)進(jìn)行橋梁快速整體更換的技術(shù)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。歐美各國(guó)相繼在大型平板運(yùn)輸車的基礎(chǔ)之上研發(fā)出自行式液壓模塊車即SPMT（Self propelled modular transporter）設(shè)備及相關(guān)施工技術(shù)。美國(guó)猶他州已將SPMT 工法列為推薦工法，并制定了以SPMT 為核心的《快速施工技術(shù)規(guī)程》和《Accelerated Bridge Construction Manual for Moving Utah Bridges using SPMTS》，逐漸形成了橋梁快速施工技術(shù)體系，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯［1］。國(guó)外自行式模塊化運(yùn)輸設(shè)備功能主要是起重和運(yùn)輸，服務(wù)于大型（噸位重）構(gòu)件運(yùn)輸，如果應(yīng)用于橋梁快速施工必須要配套大型吊裝設(shè)備，難以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全［2，3］。國(guó)內(nèi)關(guān)于橋梁整體置換裝備研發(fā)和工程實(shí)踐仍處于起步階段，缺乏對(duì)相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)［4］顯示，2010 年開始，集起重、運(yùn)輸、架設(shè)功能于一體的橋梁快速置換裝備—馱運(yùn)架一體機(jī)研發(fā)制造成功，該一體機(jī)由2 臺(tái)2 縱列12 軸線自行模塊式馱橋車組成，單機(jī)全寬5050mm，兩輛車總承載能力為2000t，可根據(jù)不同的載重量加裝或者減少模塊數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)在確保梁體不變形的前提下負(fù)載橋梁爬坡，具有雙車并行、自動(dòng)循跡、精確定位、姿態(tài)調(diào)整四大功能，在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全前提下實(shí)現(xiàn)快速建橋架橋。本文以三元橋整體置換為例分析橋梁整體置換中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 橋梁上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

為滿足整體馱運(yùn)及快速更換要求，新更換上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)整體性好，主梁橫向剛度大，橫向連接可靠，在運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)的橫向變形?。虎诮Y(jié)構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度及剛度的前提下自重盡量輕，滿足設(shè)備承載要求并有一定的安全儲(chǔ)備；③體系轉(zhuǎn)換適應(yīng)性好，由于新更換上部結(jié)構(gòu)在臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)地、馱運(yùn)過程、更換就位的過程中受力體系均不相同，這就要求結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的體系轉(zhuǎn)換適應(yīng)能力和變形恢復(fù)能力。另外從施工的角度，新更換上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有廠內(nèi)預(yù)制快、運(yùn)輸方便、臨時(shí)場(chǎng)地拼裝快等特點(diǎn)。

1.1 主梁結(jié)構(gòu)材料

混凝土和鋼材是現(xiàn)代橋梁工程結(jié)構(gòu)兩大最主要的材料。在同樣跨度、載荷下，鋼強(qiáng)度高，所需截面小，鋼橋比混凝土橋自重輕，這個(gè)特點(diǎn)便于利用馱運(yùn)架一體機(jī)快速整體運(yùn)輸和安裝。結(jié)構(gòu)自重輕，馱運(yùn)架一體機(jī)舉升、行走負(fù)重小，行走與就位調(diào)整靈活，有助于實(shí)現(xiàn)快速整體置換。從施工角度，鋼結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)便，制造的機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，裝配速度快、加工精度高，同時(shí)適宜工廠化制造、工業(yè)化生產(chǎn)和裝配式施工，符合現(xiàn)代橋梁建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)。此外，鋼材回收利用率高，在環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展及降低全壽命周期成本上更具優(yōu)勢(shì)。主梁材料對(duì)比見表1。

表1 滿足整體馱運(yùn)及快速更換的主梁材料對(duì)比Tab.1 The main beam material comparison table meeting the overall piggyback and rapid replacement

選擇適應(yīng)整體馱運(yùn)的橋梁上部結(jié)構(gòu)材料，需考慮施工、造價(jià)、受力等多項(xiàng)因素，同時(shí)符合項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際條件，避免在不具備條件下，強(qiáng)行推進(jìn)一種結(jié)構(gòu)材料，不必要地增加建設(shè)成本，造成安全風(fēng)險(xiǎn)隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 主梁結(jié)構(gòu)體系

利用馱運(yùn)架一體機(jī)設(shè)備進(jìn)行橋梁快速整體更換，新更換主梁臨時(shí)支架支承、馱運(yùn)設(shè)備支承和架設(shè)就位后的永久支承位于主梁同一位置是一個(gè)理想狀態(tài)。工程實(shí)際中馱運(yùn)設(shè)備在馱運(yùn)行走時(shí)的承載支點(diǎn)位置盡量靠近主梁永久支點(diǎn)位置，才能保證不會(huì)出現(xiàn)由于支承位置的變化而出現(xiàn)過大結(jié)構(gòu)變形、開裂等問題。

美國(guó)猶他州交通部（UDOT）《橋梁快速施工手冊(cè)》僅僅適用于簡(jiǎn)支梁橋。在馱運(yùn)架設(shè)連續(xù)梁時(shí)，為保持其受力體系和模式不變，需要多臺(tái)馱運(yùn)設(shè)備共同工作。見圖1。

實(shí)際工程中，由于場(chǎng)地條件的限制，特別是交通壓力大、需要進(jìn)行快速置換的城市橋梁，橋下空間和周邊環(huán)境，諸如橋梁凈空、側(cè)向空間等均較局促，使得多臺(tái)馱運(yùn)設(shè)備共同工作快速更換連續(xù)梁橋的工作條件受限。此種情況下，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，依照更換橋梁的具體條件進(jìn)行主梁馱運(yùn)工況設(shè)計(jì)。

圖1 美國(guó)猶他州兩跨連續(xù)梁馱運(yùn)架設(shè)示意Fig.1 Schematic diagram of piggyback erection of two-span continuous beam in Utah，USA

1.3 主梁結(jié)構(gòu)斷面形式

由于具有自重輕、易于裝配化施工等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)整體馱運(yùn)的橋梁上部結(jié)構(gòu)材料為鋼材料。鋼結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)主要包括鋼桁梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三大類，鋼桁梁是傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)受力明確、易于檢查維修，在特大跨徑橋梁應(yīng)用時(shí)具有優(yōu)勢(shì)地位，但其用鋼量較大，造價(jià)相對(duì)較高；鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較輕，橫向穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，箱梁內(nèi)部檢測(cè)、維修難度較大，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高，鋼橋面板疲勞問題仍需要進(jìn)一步研究改進(jìn)；鋼混組合梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮了混凝土材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，回避了鋼橋面鋪裝的疲勞問題，但其結(jié)構(gòu)自重較大，限制了其在特大跨徑橋梁中的應(yīng)用，在中等跨徑橋梁中優(yōu)勢(shì)明顯。適應(yīng)馱運(yùn)架一體機(jī)進(jìn)行快速整體置換的橋梁主梁截面形式對(duì)比如表2 所示。

表2 滿足整體馱運(yùn)及快速更換的主梁截面形式對(duì)比Tab.2 The main beam section comparison meeting overall piggyback and rapid replacement

三大類鋼結(jié)構(gòu)橋梁上部結(jié)構(gòu)哪一種更適合馱運(yùn)架一體機(jī)的橋梁快速整體置換，取決于馱運(yùn)架一體機(jī)設(shè)備舉升能力、設(shè)備數(shù)量和位置布置。從結(jié)構(gòu)本身來(lái)看，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在臨時(shí)支架預(yù)制、馱運(yùn)行走、架設(shè)就位的過程中，由于支承位置的變化，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系不斷變化，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行逐一分析和考慮。從這方面來(lái)講，全鋼箱梁與鋼混組合梁相比，更能發(fā)揮材料強(qiáng)度高、韌性好、各項(xiàng)同性等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，馱運(yùn)架一體機(jī)多采用模塊式，即在橋梁的橫向（一體機(jī)的行走方向）需由均載橫梁保證各模塊共同承擔(dān)橋梁結(jié)構(gòu)重量。這也對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫向完整性、穩(wěn)定性提出了更高要求?；谏鲜隹紤]，重量輕、橫向穩(wěn)定性好的鋼箱斷面更為適合。

2 橋梁上部結(jié)構(gòu)與整體馱運(yùn)的適配性分析

為滿足整體馱運(yùn)及快速更換要求，新更換橋梁上部結(jié)構(gòu)除需要具備材料、結(jié)構(gòu)、工藝上相應(yīng)的特點(diǎn)，還要注重與整體馱運(yùn)的適配性，對(duì)于新設(shè)計(jì)的橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下要求：①新橋梁上部結(jié)構(gòu)與原橋下部結(jié)構(gòu)的適配性；②新橋梁上部結(jié)構(gòu)與馱運(yùn)架一體機(jī)的適配性。下面以三元橋大修為例，對(duì)快速更換的橋梁上部結(jié)構(gòu)與整體馱運(yùn)的適配性進(jìn)行分析。

2.1 三元橋大修工程概況

三元橋建于1984 年，橋梁主體結(jié)構(gòu)為邊孔設(shè)鉸的三跨連續(xù)鋼筋混凝土V型墩剛架體系，橋梁上部結(jié)構(gòu)為Π形主梁，橋梁下部結(jié)構(gòu)中墩為V型墩，邊墩為蓋梁下設(shè)單排柱式方墩。2014 年根據(jù)相關(guān)檢測(cè)及荷載試驗(yàn)，該橋上部結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)況荷載等級(jí)要求，需進(jìn)行大修。大修主要內(nèi)容為拆除現(xiàn)況主梁，利用馱運(yùn)架一體機(jī)將現(xiàn)況主梁整體更換為三跨連續(xù)鋼箱梁；下部結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固繼續(xù)利用。見圖2。

2.2 新橋上部結(jié)構(gòu)與原橋下部結(jié)構(gòu)的適配性分析

在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，上部結(jié)構(gòu)直接承受車載及除冰鹽等環(huán)境作用，其受損傷程度一般遠(yuǎn)大于橋梁下部結(jié)構(gòu)。在橋梁維修過程中，當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)需要更換時(shí)，下部結(jié)構(gòu)通?？梢岳^續(xù)利用或者經(jīng)過結(jié)構(gòu)加固后繼續(xù)利用。如果僅更換上部結(jié)構(gòu)，新建的上部結(jié)構(gòu)在跨徑、凈空、恒載變化、橫向支承等方面要考慮與橋梁下部結(jié)構(gòu)相匹配。

1.橋梁縱向匹配

三元橋原橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼筋混凝土剛構(gòu)體系，橋梁全長(zhǎng)54.86m，橋梁跨徑13.48m +27.30m+13.48m。新更換橋梁在長(zhǎng)度、寬度規(guī)模不做調(diào)整的前提下，原橋的中、邊支承和橋面、橋下高程要求新更換主梁長(zhǎng)度、主梁高度、支承位置和計(jì)算跨徑等與原橋保持一致。三元橋加固后立面如圖3 所示。

圖2 三元橋大修方案Fig.2 The overhaul plan of Sanyuan Bridge

圖3 三元橋改造后立面示意Fig.3 The elevation diagram of Sanyuan Bridge after reconstruction

2.橋梁橫向匹配

橫斷面上原橋上部結(jié)構(gòu)為橫向9 片普通鋼筋混凝土Π 形主梁，新更換主梁為9 片鋼箱梁，梁高與原橋Π 形主梁同高，均為1.1m。三元橋加固后橫斷面對(duì)比見圖4。

圖4 更換主梁后三元橋中支點(diǎn)斷面Fig.4 The fulcrum section of Sanyuan Bridge after replacing main beam

3.支承體系的局部改造

三元橋原橋普通鋼筋混凝土Π形主梁在中支點(diǎn)處與V 型墩固結(jié)。為減少橋梁大修現(xiàn)場(chǎng)工作量，盡快開放交通，新橋在中支點(diǎn)不再采用墩梁固結(jié)形式，通過加固V型墩后頂面安放支座，中支點(diǎn)變?yōu)橹ёС小６罩庸糖昂罅⒁妶D5。

圖5 三元橋中支點(diǎn)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.受力體系變化分析

由于橋梁中支點(diǎn)約束形式、支承位置的改變，新更換主梁后的橋梁力學(xué)體系和主梁的受力狀態(tài)均發(fā)生變化，在橋梁整體受力、關(guān)鍵截面的構(gòu)造和邊墩負(fù)反力等方面均需進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。新更換主梁采用鋼主梁，減輕結(jié)構(gòu)自重，在邊跨增加配重混凝土，同時(shí)邊墩支承處增加拉力裝置，防止出現(xiàn)負(fù)反力，以滿足新橋梁上部結(jié)構(gòu)與原橋下部結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。橋梁主梁更換前后自重下彎矩對(duì)比如圖6 所示。從彎矩的變化看，主梁墩頂負(fù)彎矩變小，正彎矩有所增加，這是因?yàn)橹鳂虻募s束體系、上部恒載均產(chǎn)生了變化，從而導(dǎo)致主梁受力體系變化，由原來(lái)的V墩鋼構(gòu)受力體系變?yōu)槿邕B梁受力體系。

圖6 主梁自重下彎矩對(duì)比（單位： kN·m）Fig.6 Comparison of bending moment of main girder under dead weight of Sanyuan Bridge（unit：kN·m）

2.3 新橋梁上部結(jié)構(gòu)與馱運(yùn)架一體機(jī)的適配性分析

新更換上部結(jié)構(gòu)除需要滿足原橋下部結(jié)構(gòu)的適配要求外，更主要的是與馱運(yùn)架一體機(jī)的適配性，包括主梁的縱向、橫向、馱運(yùn)架設(shè)工況與設(shè)備之間的匹配性。

1.主梁縱向與馱運(yùn)設(shè)備的適配性

按國(guó)外做法，3 跨連續(xù)梁需采用6 臺(tái)馱運(yùn)設(shè)備共同完成，三元橋橋下空間尤其是邊跨輔路空間局促，輔路橋下凈空僅為3.5m，同時(shí)在側(cè)向受邊墩蓋梁護(hù)坡影響，不能按照4 臺(tái)或者6臺(tái)馱運(yùn)設(shè)備協(xié)同工作的模式進(jìn)行主梁的馱運(yùn)與架設(shè)。此種情況下，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，依照現(xiàn)有橋梁具體條件利用2 臺(tái)馱運(yùn)設(shè)備完成，如圖7 所示。

2.主梁橫向與馱運(yùn)設(shè)備模塊的適配性

三元橋全長(zhǎng)54.26m，利用兩臺(tái)馱運(yùn)機(jī)馱運(yùn)，最大懸臂長(zhǎng)為18m，馱運(yùn)點(diǎn)的上緣和下緣受力是關(guān)鍵控制因素，同時(shí)需要結(jié)合施工步驟對(duì)舉升、行走、落梁整個(gè)過程的主梁受力、主梁位移進(jìn)行核算。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，三元橋新主梁在馱運(yùn)點(diǎn)位置橫向增加一道橫梁，橫隔板間距加密為1.0m，保證新主梁結(jié)構(gòu)體系在馱運(yùn)過程中與“馱運(yùn)架一體機(jī)”相適應(yīng)的能力，斷面如圖8 所示。

圖7 三元橋新主梁馱運(yùn)前臨時(shí)支墩處立面示意Fig.7 The elevation diagram of temporary pier of Sanyuan Bridge before loading new main girder

圖8 三元橋新主梁馱運(yùn)支點(diǎn)處橫斷面示意Fig.8 The cross-sectional diagram of the piggyback fulcrum of the new main beam of Sanyuan Bridge

3.主梁與馱運(yùn)架設(shè)等工況的適配性

在工程實(shí)際中，由于支承位置的變化，不可避免地導(dǎo)致整體馱運(yùn)置換橋梁在預(yù)制拼裝、提梁馱運(yùn)和架設(shè)就位之間發(fā)生結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變，新更換主梁除了滿足就位后永久狀態(tài)的極限承載和正常使用以外，還需要滿足施工階段的各個(gè)工況受力要求。三元橋的體系轉(zhuǎn)換示意及過程中的自重彎矩見圖9、圖10。

圖9 三元橋的體系轉(zhuǎn)換示意Fig.9 The system transformation diagram of Sanyuan Bridge

圖10 三元橋體系中自重彎矩Fig.10 The diagram of internal force of bending moment in Sanyuan Bridge system

3 結(jié)語(yǔ)

本文以三元橋大修為例，對(duì)適應(yīng)馱運(yùn)架一體機(jī)及快速整體更換的橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，可為同類型橋梁的維修設(shè)計(jì)與施工提供參考。主要結(jié)論如下：

1.從材料性能、施工機(jī)械化程度、環(huán)保要求及全壽命周期成本等方面比選，適應(yīng)整體馱運(yùn)橋梁的上部結(jié)構(gòu)材料，鋼材料明顯優(yōu)于混凝土材料。

2.鋼桁梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三種截面形式在馱運(yùn)架一體機(jī)的橋梁快速整體置換中有其各自的特點(diǎn)和適用范圍，無(wú)論哪一種截面形式，均需保證上部結(jié)構(gòu)的橫向完整性、穩(wěn)定性；同時(shí)需要注意結(jié)構(gòu)在預(yù)制、馱運(yùn)、就位等過程中的體系轉(zhuǎn)換，在前期的設(shè)計(jì)中需要逐一分析和考慮。

3.新更換上部結(jié)構(gòu)除了滿足材料、結(jié)構(gòu)、工藝上的要求外，還要重點(diǎn)考慮與原橋下部結(jié)構(gòu)的適配性以及與馱運(yùn)架一體機(jī)的適配性，以滿足整體馱運(yùn)的車輛設(shè)備、馱運(yùn)方式以及快速更換的要求。在具體工程中，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，選擇最適合的橋梁結(jié)構(gòu)型式，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)特性，揚(yáng)長(zhǎng)避短。