適應馱運架一體機及快速整體更換的橋梁上部結構分析

楊勇 王勝男 張連普 龔翔箭

1.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

2.北京市城市橋梁安全保障工程技術研究中心 100082

3.北京市城市道路養護管理中心 100069

引言

為有效解決重交通城市中心區域的橋梁維修與城市交通相互影響的難題，以SPMT 工法為基礎的馱運架一體機進行橋梁快速整體更換的技術，近年來受到國內外廣泛關注。歐美各國相繼在大型平板運輸車的基礎之上研發出自行式液壓模塊車即SPMT（Self propelled modular transporter）設備及相關施工技術。美國猶他州已將SPMT 工法列為推薦工法，并制定了以SPMT 為核心的《快速施工技術規程》和《Accelerated Bridge Construction Manual for Moving Utah Bridges using SPMTS》，逐漸形成了橋梁快速施工技術體系，經濟和社會效益明顯［1］。國外自行式模塊化運輸設備功能主要是起重和運輸，服務于大型（噸位重）構件運輸，如果應用于橋梁快速施工必須要配套大型吊裝設備，難以保證橋梁結構安全［2，3］。國內關于橋梁整體置換裝備研發和工程實踐仍處于起步階段，缺乏對相關設備系統的研究。文獻［4］顯示，2010 年開始，集起重、運輸、架設功能于一體的橋梁快速置換裝備—馱運架一體機研發制造成功，該一體機由2 臺2 縱列12 軸線自行模塊式馱橋車組成，單機全寬5050mm，兩輛車總承載能力為2000t，可根據不同的載重量加裝或者減少模塊數量，可以實現在確保梁體不變形的前提下負載橋梁爬坡，具有雙車并行、自動循跡、精確定位、姿態調整四大功能，在保證橋梁結構安全前提下實現快速建橋架橋。本文以三元橋整體置換為例分析橋梁整體置換中的關鍵技術。

1 橋梁上部結構特點分析

為滿足整體馱運及快速更換要求，新更換上部結構應具有以下特點：①結構整體性好，主梁橫向剛度大，橫向連接可靠，在運輸過程中結構的橫向變形小；②結構重量輕，結構在滿足強度及剛度的前提下自重盡量輕，滿足設備承載要求并有一定的安全儲備；③體系轉換適應性好，由于新更換上部結構在臨時預制場地、馱運過程、更換就位的過程中受力體系均不相同，這就要求結構具有較強的體系轉換適應能力和變形恢復能力。另外從施工的角度，新更換上部結構應具有廠內預制快、運輸方便、臨時場地拼裝快等特點。

1.1 主梁結構材料

混凝土和鋼材是現代橋梁工程結構兩大最主要的材料。在同樣跨度、載荷下，鋼強度高，所需截面小，鋼橋比混凝土橋自重輕，這個特點便于利用馱運架一體機快速整體運輸和安裝。結構自重輕，馱運架一體機舉升、行走負重小，行走與就位調整靈活，有助于實現快速整體置換。從施工角度，鋼結構加工簡便，制造的機械化、自動化程度高，裝配速度快、加工精度高，同時適宜工廠化制造、工業化生產和裝配式施工，符合現代橋梁建設發展趨勢。此外，鋼材回收利用率高，在環保、可持續發展及降低全壽命周期成本上更具優勢。主梁材料對比見表1。

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

選擇適應整體馱運的橋梁上部結構材料，需考慮施工、造價、受力等多項因素，同時符合項目建設的實際條件，避免在不具備條件下，強行推進一種結構材料，不必要地增加建設成本，造成安全風險隱患和經濟損失。

1.2 主梁結構體系

利用馱運架一體機設備進行橋梁快速整體更換，新更換主梁臨時支架支承、馱運設備支承和架設就位后的永久支承位于主梁同一位置是一個理想狀態。工程實際中馱運設備在馱運行走時的承載支點位置盡量靠近主梁永久支點位置，才能保證不會出現由于支承位置的變化而出現過大結構變形、開裂等問題。

美國猶他州交通部（UDOT）《橋梁快速施工手冊》僅僅適用于簡支梁橋。在馱運架設連續梁時，為保持其受力體系和模式不變，需要多臺馱運設備共同工作。見圖1。

實際工程中，由于場地條件的限制，特別是交通壓力大、需要進行快速置換的城市橋梁，橋下空間和周邊環境，諸如橋梁凈空、側向空間等均較局促，使得多臺馱運設備共同工作快速更換連續梁橋的工作條件受限。此種情況下，需根據項目實際情況，依照更換橋梁的具體條件進行主梁馱運工況設計。

圖1 美國猶他州兩跨連續梁馱運架設示意Fig.1 Schematic diagram of piggyback erection of two-span continuous beam in Utah，USA

1.3 主梁結構斷面形式

由于具有自重輕、易于裝配化施工等優點，適應整體馱運的橋梁上部結構材料為鋼材料。鋼結構橋梁上部結構主要包括鋼桁梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三大類，鋼桁梁是傳統的鋼結構形式，適應性強、結構受力明確、易于檢查維修，在特大跨徑橋梁應用時具有優勢地位，但其用鋼量較大，造價相對較高；鋼箱梁結構自重相對較輕，橫向穩定性好，但結構內部應力狀態復雜，箱梁內部檢測、維修難度較大，養護費用相對較高，鋼橋面板疲勞問題仍需要進一步研究改進；鋼混組合梁結構發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，但其結構自重較大，限制了其在特大跨徑橋梁中的應用，在中等跨徑橋梁中優勢明顯。適應馱運架一體機進行快速整體置換的橋梁主梁截面形式對比如表2 所示。

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

三大類鋼結構橋梁上部結構哪一種更適合馱運架一體機的橋梁快速整體置換，取決于馱運架一體機設備舉升能力、設備數量和位置布置。從結構本身來看，連續梁結構在臨時支架預制、馱運行走、架設就位的過程中，由于支承位置的變化，會發生結構體系不斷變化，需要在結構設計時進行逐一分析和考慮。從這方面來講，全鋼箱梁與鋼混組合梁相比，更能發揮材料強度高、韌性好、各項同性等優勢。同時，馱運架一體機多采用模塊式，即在橋梁的橫向（一體機的行走方向）需由均載橫梁保證各模塊共同承擔橋梁結構重量。這也對橋梁上部結構的橫向完整性、穩定性提出了更高要求。基于上述考慮，重量輕、橫向穩定性好的鋼箱斷面更為適合。

2 橋梁上部結構與整體馱運的適配性分析

為滿足整體馱運及快速更換要求，新更換橋梁上部結構除需要具備材料、結構、工藝上相應的特點，還要注重與整體馱運的適配性，對于新設計的橋梁上部結構應具有以下要求：①新橋梁上部結構與原橋下部結構的適配性；②新橋梁上部結構與馱運架一體機的適配性。下面以三元橋大修為例，對快速更換的橋梁上部結構與整體馱運的適配性進行分析。

2.1 三元橋大修工程概況

三元橋建于1984 年，橋梁主體結構為邊孔設鉸的三跨連續鋼筋混凝土V型墩剛架體系，橋梁上部結構為Π形主梁，橋梁下部結構中墩為V型墩，邊墩為蓋梁下設單排柱式方墩。2014 年根據相關檢測及荷載試驗，該橋上部結構已不能滿足現況荷載等級要求，需進行大修。大修主要內容為拆除現況主梁，利用馱運架一體機將現況主梁整體更換為三跨連續鋼箱梁；下部結構經過加固繼續利用。見圖2。

2.2 新橋上部結構與原橋下部結構的適配性分析

在橋梁運營過程中，上部結構直接承受車載及除冰鹽等環境作用，其受損傷程度一般遠大于橋梁下部結構。在橋梁維修過程中，當橋梁上部結構需要更換時，下部結構通常可以繼續利用或者經過結構加固后繼續利用。如果僅更換上部結構，新建的上部結構在跨徑、凈空、恒載變化、橫向支承等方面要考慮與橋梁下部結構相匹配。

1.橋梁縱向匹配

三元橋原橋為三跨連續鋼筋混凝土剛構體系，橋梁全長54.86m，橋梁跨徑13.48m +27.30m+13.48m。新更換橋梁在長度、寬度規模不做調整的前提下，原橋的中、邊支承和橋面、橋下高程要求新更換主梁長度、主梁高度、支承位置和計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構為橫向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比見圖4。

圖4 更換主梁后三元橋中支點斷面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形主梁在中支點處與V 型墩固結。為減少橋梁大修現場工作量，盡快開放交通，新橋在中支點不再采用墩梁固結形式，通過加固V型墩后頂面安放支座，中支點變為支座支承。墩柱加固前后立見圖5。

圖5 三元橋中支點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

由于橋梁中支點約束形式、支承位置的改變，新更換主梁后的橋梁力學體系和主梁的受力狀態均發生變化，在橋梁整體受力、關鍵截面的構造和邊墩負反力等方面均需進行重點設計。新更換主梁采用鋼主梁，減輕結構自重，在邊跨增加配重混凝土，同時邊墩支承處增加拉力裝置，防止出現負反力，以滿足新橋梁上部結構與原橋下部結構的適應性。橋梁主梁更換前后自重下彎矩對比如圖6 所示。從彎矩的變化看，主梁墩頂負彎矩變小，正彎矩有所增加，這是因為主橋的約束體系、上部恒載均產生了變化，從而導致主梁受力體系變化，由原來的V墩鋼構受力體系變為三跨連梁受力體系。

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

2.3 新橋梁上部結構與馱運架一體機的適配性分析

新更換上部結構除需要滿足原橋下部結構的適配要求外，更主要的是與馱運架一體機的適配性，包括主梁的縱向、橫向、馱運架設工況與設備之間的匹配性。

1.主梁縱向與馱運設備的適配性

按國外做法，3 跨連續梁需采用6 臺馱運設備共同完成，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，同時在側向受邊墩蓋梁護坡影響，不能按照4 臺或者6臺馱運設備協同工作的模式進行主梁的馱運與架設。此種情況下，根據項目實際情況，依照現有橋梁具體條件利用2 臺馱運設備完成，如圖7 所示。

2.主梁橫向與馱運設備模塊的適配性

三元橋全長54.26m，利用兩臺馱運機馱運，最大懸臂長為18m，馱運點的上緣和下緣受力是關鍵控制因素，同時需要結合施工步驟對舉升、行走、落梁整個過程的主梁受力、主梁位移進行核算。結合計算結果，三元橋新主梁在馱運點位置橫向增加一道橫梁，橫隔板間距加密為1.0m，保證新主梁結構體系在馱運過程中與“馱運架一體機”相適應的能力，斷面如圖8 所示。

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

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

3.主梁與馱運架設等工況的適配性

在工程實際中，由于支承位置的變化，不可避免地導致整體馱運置換橋梁在預制拼裝、提梁馱運和架設就位之間發生結構體系轉變，新更換主梁除了滿足就位后永久狀態的極限承載和正常使用以外，還需要滿足施工階段的各個工況受力要求。三元橋的體系轉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 結語

本文以三元橋大修為例，對適應馱運架一體機及快速整體更換的橋梁上部結構進行了分析，可為同類型橋梁的維修設計與施工提供參考。主要結論如下：

1.從材料性能、施工機械化程度、環保要求及全壽命周期成本等方面比選，適應整體馱運橋梁的上部結構材料，鋼材料明顯優于混凝土材料。

2.鋼桁梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三種截面形式在馱運架一體機的橋梁快速整體置換中有其各自的特點和適用范圍，無論哪一種截面形式，均需保證上部結構的橫向完整性、穩定性；同時需要注意結構在預制、馱運、就位等過程中的體系轉換，在前期的設計中需要逐一分析和考慮。

3.新更換上部結構除了滿足材料、結構、工藝上的要求外，還要重點考慮與原橋下部結構的適配性以及與馱運架一體機的適配性，以滿足整體馱運的車輛設備、馱運方式以及快速更換的要求。在具體工程中，應結合項目的實際情況，選擇最適合的橋梁結構型式，充分發揮結構特性，揚長避短。