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(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3.南京工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

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

1 現(xiàn)有大跨應(yīng)急救援橋主結(jié)構(gòu)形式及拼裝方式

目前國內(nèi)外中小跨度的公路應(yīng)急救援橋種類較多，結(jié)構(gòu)形式以整體式為主，架設(shè)易于實現(xiàn)；但對于應(yīng)急救援任務(wù)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(yīng)急救援橋就成為了首要之選，而此類橋梁的結(jié)構(gòu)形式一般為拼裝式，拼裝方法多種多樣。

1.1 國內(nèi)大跨應(yīng)急橋

以我國民用橋梁劃分標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)形式，其中重型支援橋采用了國外先進的三角桁架結(jié)構(gòu)形式(圖1)，6 m一節(jié)為一個標(biāo)準(zhǔn)模塊，成功實現(xiàn)了應(yīng)急橋梁"大跨度"和"機械化"的完美融合，使得該橋單跨架設(shè)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(chǔ)上由交通部公路規(guī)劃設(shè)計院結(jié)合我國實際情況設(shè)計的快速組裝橋梁，源于英國曼比鋼結(jié)構(gòu)公司研制的貝雷鋼橋，是一種被廣泛應(yīng)用的較為完善的應(yīng)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(gòu)件互換性強，運輸拆裝方便，是一種可分解的、能快速架設(shè)的制式橋梁，可根據(jù)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(shù)、層數(shù)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(jié)構(gòu)形式。主要承載構(gòu)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(gòu)件的組合，可以形成單純桁架結(jié)構(gòu)、帶有加強弦桿組合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式(圖3)，每種結(jié)構(gòu)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(zhàn)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(gòu)造，從實戰(zhàn)的觀點出發(fā)，經(jīng)過工程兵部隊、院校、科研單位反復(fù)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(yīng)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(yīng)急橋梁上應(yīng)用較少。

圖4 索道橋

1.2 國外大跨應(yīng)急橋

外軍的大跨度軍用橋梁也以桁架式結(jié)構(gòu)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(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)、銷連接的上承式桁架橋，可架設(shè)多單層和雙層結(jié)構(gòu)型式的橋梁(圖5)。中桁橋主要由上部桁梁結(jié)構(gòu)、制式橋腳、浮舟、加強裝置及架設(shè)輔助設(shè)備等組成。不僅可架設(shè)多跨固定橋而且還可架設(shè)浮橋。目前英國對中桁橋還在不斷地進行改進，部分構(gòu)件已改用非金屬復(fù)合材料，載重量由60級增加至70級。在采用加強弦桿技術(shù)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(nèi)架完并開通(圖6)。橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)模塊在架橋車上裝配，并懸掛在架設(shè)導(dǎo)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(tǒng)中的一部分，是瑞典防務(wù)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(xiàn)代化的主戰(zhàn)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(tǒng)由一座48 m長的橋梁和兩塊附加長15 m跳板組成，橋體結(jié)構(gòu)材料為高強鋼。一座橋的長度24～48 m，由8 m長的橋節(jié)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)的普通卡車運輸(圖7)。

圖7 瑞典FB48快速橋

從前面的國內(nèi)外現(xiàn)有應(yīng)急救援橋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀可以看出，目前，由于考慮到架設(shè)便捷性與快速性，大跨應(yīng)急橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)由于在原橋系統(tǒng)下部設(shè)置了加強橋節(jié)和加強拉桿，形成張弦式結(jié)構(gòu)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(tǒng)增強結(jié)構(gòu)承載力的裝配式組合結(jié)構(gòu)是大跨度應(yīng)急救援橋的主要結(jié)構(gòu)形式。

2 現(xiàn)有大跨應(yīng)急橋架設(shè)技術(shù)

目前常用的應(yīng)急救援橋梁架設(shè)方案主要有懸臂翻轉(zhuǎn)法(圖8)、懸臂平推法、導(dǎo)索或?qū)Я簯冶弁扑头ǖ萚7-8]。其中采用懸臂平推或翻轉(zhuǎn)法架設(shè)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(nèi)常見的84式機械化橋等。而導(dǎo)索平推法需要兩岸有可靠錨固點，在軍用橋梁上應(yīng)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(yè)，因此應(yīng)用范圍狹窄。而采用導(dǎo)梁懸臂推送法架設(shè)就成了大跨度應(yīng)急救援橋的主要選擇。

圖8 懸臂翻轉(zhuǎn)式架設(shè)

2.1 導(dǎo)梁懸臂推送架設(shè)方法

導(dǎo)梁懸臂推送架設(shè)方法是在懸臂平推法基礎(chǔ)上發(fā)展起來、適合大跨橋梁的架設(shè)方案，即先采用懸臂平推法架設(shè)重量較輕的導(dǎo)梁，而后在導(dǎo)梁后端拼裝推送重量較大的橋梁結(jié)構(gòu)。這種架設(shè)方案在重量較輕的導(dǎo)梁架設(shè)過程中還可利用橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)急救援橋梁均采用帶有導(dǎo)梁、人工拼裝、人工或機械懸臂推送的架設(shè)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(dǎo)梁懸臂推送技術(shù)進行架設(shè)(圖10)，25人在80 min可以架設(shè)完畢。

圖9 導(dǎo)梁懸臂推送架設(shè)方法

圖10 英國中型桁梁橋懸臂推送架設(shè)

2.2 跨騎式架設(shè)方法

在橋梁架設(shè)時，采用跨騎式架設(shè)方法首先在架橋機構(gòu)上逐節(jié)連接導(dǎo)梁，接著將導(dǎo)梁推送到對岸，再逐節(jié)連接好主橋跨，而后將主橋跨騎著導(dǎo)梁推送到對岸，完成應(yīng)急橋的架設(shè)。該架設(shè)方法的特點是導(dǎo)梁也為橋跨結(jié)構(gòu)的一部分，在完成橋梁架設(shè)后并不撤收，導(dǎo)梁與橋跨一一對應(yīng)，因此省去撤收導(dǎo)梁的時間從而節(jié)約架設(shè)時間。但采用跨騎式架設(shè)方法時，導(dǎo)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(shè)時，適應(yīng)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(shè)方法[10]，其架設(shè)示意圖如圖11所示。

圖11 跨騎式架設(shè)方法示意圖

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

2.3 懸掛式架設(shè)方法

懸掛式架設(shè)方法是在橋梁架設(shè)時首先將用于輔助架設(shè)的導(dǎo)梁逐節(jié)連接并推送到對岸，導(dǎo)梁固定完成后，將首個橋節(jié)模塊吊在導(dǎo)梁下面，通過滑輪組和滑車依次連接橋節(jié)，再沿導(dǎo)梁向?qū)Π锻扑停瑯蚩缇臀还潭ê?，?dǎo)梁必須撤收，并可用于其他橋梁的架設(shè)。該架設(shè)方法的特點是完成橋梁架設(shè)后導(dǎo)梁必須撤收，因此，一套導(dǎo)梁可用于多座橋梁架設(shè)。但由于導(dǎo)梁需要撤收，且作業(yè)平面較高、人工參與較多，不容易控制架設(shè)和撤收的時間，從而導(dǎo)致架設(shè)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(shè)示意圖如圖12所示。

圖12 懸掛式架設(shè)方法示意圖

3 典型大跨度應(yīng)急橋介紹

英國的BR90綜合架橋系統(tǒng)(見圖13)采用的是懸掛式推送架設(shè)方法，橋梁系統(tǒng)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(jié)組合而成，每個橋節(jié)的接頭都具有相同的模數(shù)。用這些橋節(jié)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(shè)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(tǒng)易于操作，可靠性和維修性都體現(xiàn)了能在最前線使用的設(shè)計思想，因而重量輕、構(gòu)筑所需人員少[12]。

圖13 英國的BR90綜合架橋系統(tǒng)

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(nèi)架完并開通(圖14)。橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)系統(tǒng)為一根高架架設(shè)導(dǎo)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(shè)過程中承受橋梁重量。橋節(jié)模塊在架橋車上裝配，并懸掛在架設(shè)導(dǎo)梁下推送過溝渠障礙。

圖14 HDSB重型干溝支援橋

表1將國內(nèi)外主要大跨度橋用材、橋長、作業(yè)時間與人員進行了對比分析。

表1 國內(nèi)外大跨度應(yīng)急救援橋

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

4 結(jié)論

大跨公路應(yīng)急救援橋主結(jié)構(gòu)形式一般采用桁架結(jié)構(gòu)，輔以下部張弦以提高橋跨的跨越能力和承載能力，但國內(nèi)由于采用高強鋼材料較多，結(jié)構(gòu)自重大，架設(shè)作業(yè)難度大、效率低。

國內(nèi)外應(yīng)急救援橋的架設(shè)方式均以導(dǎo)梁推送為主，國外以跨騎推送和懸掛推送居多，國內(nèi)以懸臂推送居多，但國外架設(shè)機械化程度相對較高，架設(shè)效率一般比國內(nèi)高。

國內(nèi)外應(yīng)急救援橋架設(shè)均需將導(dǎo)梁先推送到對岸，因此對導(dǎo)梁進行輕量化設(shè)計以避免最大懸臂狀態(tài)產(chǎn)生過大的傾覆力矩就顯得尤為重要。