梁進(jìn)軍 李志剛 王廣政

（解放軍理工大學(xué) 南京 210007）

近年來我國自然災(zāi)害頻發(fā)，其中地震災(zāi)害常常造成嚴(yán)重人員傷亡，引起道路坍塌、橋梁損毀，致使交通受阻［1］。目前大多數(shù)道路橋梁搶通搶建應(yīng)急保障裝備的通載能力較強(qiáng)，但因其自重較大，在地震災(zāi)害發(fā)生后其機(jī)動性受到限制，而抗震救災(zāi)時一般急需通往災(zāi)區(qū)的物資運(yùn)輸車輛、救援裝備荷載等級較低，這就使得現(xiàn)有應(yīng)急交通保障裝備特別是橋梁保障裝備難以發(fā)揮作用［2－4］。

針對上述情況，本文設(shè)計一種適用于搶險救災(zāi)的道路橋梁應(yīng)急搶通箱式模塊，模塊為封閉式結(jié)構(gòu)，其外部橫向、縱向均設(shè)置連接器。通過連接器，模塊可以根據(jù)搶通需要快速拼組滿足特定功能要求的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。箱式模塊以拼裝為車轍式應(yīng)急橋跨越道路障礙、實施道路橋梁應(yīng)急搶通為主要用途，此外還可拼組臨時簡易橋墩、水上施工平臺和簡易浮橋，具有一物多用的功能［5］。

1 箱式模塊橋結(jié)構(gòu)

1.1 橋節(jié)單元

箱式模塊拼組車轍式箱梁橋保障災(zāi)害發(fā)生后搶險救援人員和救災(zāi)車輛第一時間能趕到現(xiàn)場，確保生命線通道的通行。根據(jù)應(yīng)急搶通工程的特點與應(yīng)用實際，確定箱式模塊拼組成車轍式箱梁橋主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計通行荷載：公路二級；單跨最大跨徑：20m。

箱式模塊重量需要控制在人力操作范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)的鋼材難以滿足設(shè)計需要。鋁合金作為一種新興材料，由于相對密度小、比強(qiáng)度高、無磁性，以及良好的加工成型性能，被廣泛應(yīng)用于各種焊接產(chǎn)品之中［6］。該模塊主體結(jié)構(gòu)選用6061－T6鋁合金材料。

根據(jù)箱式模塊的應(yīng)用實際，從模塊的制造、運(yùn)輸、拼裝等因素綜合考慮，設(shè)計其外觀尺寸為2 000mm×900mm×800mm（長×寬×高），見圖1。模塊縱向端部上下各布置3組單雙耳連接構(gòu)件，見圖2；橫向兩側(cè)上部各布置2組單雙耳連接構(gòu)件，采用單銷連接，見圖3；橫向下部采用豎向單孔結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖1 箱式模塊總體結(jié)構(gòu)

圖2 箱式模塊縱向連接件結(jié)構(gòu)

圖3 上部單雙耳橫向連接器

圖4 下部丙丁接頭橫向連接器

1.2 車轍式箱梁橋架設(shè)單元

（1）橫向連接梁。橫向連接梁是連接2個車轍的獨立單元，以提高全橋的整體性。每2個箱式模塊通過2個橫向連接梁連接成組，箱式模塊縱向相連構(gòu)成車轍。見圖5，橫向連接梁采用Q235合金鋼，上部通過單銷與箱式模塊側(cè)面的橫向連接單雙耳構(gòu)件相連，下部為丙丁接頭連接。

圖5 橫向連接梁模型圖

（2）導(dǎo)梁。導(dǎo)梁是車轍式箱梁橋的架設(shè)機(jī)構(gòu)，見圖6，每節(jié)導(dǎo)梁單元長2m，采用Q235合金鋼，上側(cè)設(shè)置槽鋼，下端兩側(cè)各設(shè)置槽鋼，呈三角結(jié)構(gòu)，導(dǎo)梁單元之間采用單銷連接。

圖6 導(dǎo)梁單元模型圖

橫向連接梁上部布置的滾輪可在導(dǎo)梁上部槽內(nèi)滾動，下側(cè)2導(dǎo)輪可沿導(dǎo)梁下側(cè)槽型構(gòu)件翼緣滾動。

1.3 橋跨拼組與架設(shè)

2個箱式模塊通過2個橫向連接梁構(gòu)成一個推送單元（見圖7），通過導(dǎo)梁實現(xiàn)推送架設(shè)，見圖8。圖9是模塊的實際架設(shè)。

圖7 推送組示意圖

圖8 架設(shè)示意圖

圖9 實地架設(shè)的箱式模塊橋

2 車轍式箱梁橋結(jié)構(gòu)性能模擬分析

在MIDAS／Civil中按照實際尺寸建立模型，利用有限元軟件進(jìn)行初步分析研究。模擬分析車轍式箱梁橋在設(shè)計荷載靜態(tài)最不利工況作用下的撓度、結(jié)構(gòu)的頻率特性，以及移動荷載作用下的動力響應(yīng)，為確定車轍式箱梁橋的安全使用條件提供參考依據(jù)。

箱式模塊主梁、次梁、橫隔板均采用梁單元建立模型，支撐端柱采用桁架單元，面板采用板單元。有限元模型中對于箱式模塊的縱向連接接頭，根據(jù)連接單耳板厚度建立實腹矩形截面梁單元，采用釋放梁端約束功能模擬鉸接，橫向連接系上部與箱式模塊的單銷連接做同樣處理，下部丙丁接頭的連接處理為釋放豎直方向的約束。整橋模型見圖10。

圖10 車轍式箱梁橋整體結(jié)構(gòu)模型

2.1 車轍式箱梁橋彈性撓度分析

模擬計算可得，整橋在設(shè)計荷載作用下，沿Z軸方向跨中最大位移為99.6mm，整橋變形形狀示意見圖11。

圖11 整橋沿Z軸方向位移示意圖

由以上分析計算可知，模擬計算得到整橋在設(shè)計荷載最不利作用位置作用下彈性撓度f＝99.6mm，在此條件下靜止活荷載產(chǎn)生的彈性撓度相對值：

對臨時和短期通行的鋼橋來說，撓度滿足要求。

2.2 車轍式箱梁橋模態(tài)分析

車轍式箱梁橋是簡支體系，將梁的兩端按兩端簡支條件施加約束。增加頻率數(shù)量可以提高結(jié)果的精確性，但所需的分析時間會很長，而且高階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)的影響不是很大，針對本設(shè)計模型考慮到前4階模態(tài)。表1列出了前4階的模態(tài)頻率，相應(yīng)的振型見圖12。

表1 車轍式箱梁橋前4階自振頻率

國內(nèi)外大量車輛振動試驗表明，重載車輛的基頻主要集中在2.5～3.5Hz之間［7］，分析得到車轍式箱梁橋第一階頻率為6.19Hz，因此，在車輛通行時，一般不會發(fā)生共振效應(yīng)使得橋梁結(jié)構(gòu)失效。

圖12 車轍式箱梁橋振型圖

車轍式箱梁橋最易發(fā)生的變形是豎直方向的彎曲，以及2車轍沿豎直方向的錯位。其中1階振型為豎直方向振動，從第2階振型開始出現(xiàn)正弦形狀的豎直方向振動，說明車轍式箱梁橋橫向剛度較好。

3 結(jié)語

鋁合金箱式模塊橋具有重量輕，架設(shè)靈活的優(yōu)點，但其承載力是關(guān)注的重點。本文通過對箱式模塊拼組的車轍式箱梁橋結(jié)構(gòu)模擬分析，得到車轍式箱梁橋在設(shè)計靜止活荷載作用下的彈性撓度，符合相關(guān)規(guī)范，通過模態(tài)分析得到車轍式箱梁橋的自振頻率特性及振型，為車轍式箱梁橋的應(yīng)用提供參考依據(jù)。分析表明，鋁合金箱式模塊橋可以通行汽－15車輛荷載，完全可以滿足一般性車輛的通行需求。

［1］楊喜凱，李聚軒，王傳義，等.災(zāi)后公路交通基礎(chǔ)設(shè)施功能快速恢復(fù)研究［J］.國防交通工程與技術(shù)，2009（1）：7－8.

［2］胡立成，趙世宜.重大地質(zhì)災(zāi)害公路軍事運(yùn)輸保障研究［J］.國防交通工程與技術(shù)，2009（4）：31－33.

［3］張孝倫，張瑜潔.汶川地震搶修與保暢主要措施［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009（3）：35－49.

［4］莊衛(wèi)林，蔣勁松.四川公路橋梁震后搶通、保通及恢復(fù)技術(shù)［J］.西南公路，2010（2）：33－35.

［5］尹永升，李志剛，李 聰.道路應(yīng)急搶通多用途箱式模塊設(shè)計構(gòu)思與應(yīng)用探究［J］.國防交通工程與技術(shù)，2013，11（4）：28－30.

［6］吳 蕓，張其林，俞寶達(dá).縱向焊接鋁合金柱構(gòu)件承載力試驗研究及數(shù)值分析［J］.力學(xué)季刊，2011（3）：418－420.

［7］宋一凡.公路橋梁動力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2000.