公路应急钢便桥技术论证分析

李聚轩，张 雷，张云红

(1.军事交通学院国防交通系，天津 300161；2.军事交通学院研究生管理大队，天津 300161)

桥梁是公路交通网络的咽喉，在大规模自然灾害破坏时易毁难修，因而严重制约着抢险救灾应急救援行动进程。基于以上事实，各国对于公路桥梁抢修抢建研究投入大量的时间和财力，我国从五十年代起便展开针了战时公路桥梁抢修抢建技术的研究。几十年来发展出多种型号的装配式公路钢桥和军用机械化桥梁装备，这些制式装备器材在历次应急应战行动中发挥了重要作用。但同时也存在制式装备器材储备数量少、仓库分布不均等问题[1]。2008年四川汶川抗震救灾行动中需要从广东、山东、河南、浙江等地仓库调运装配式公路钢桥，影响了交通抢修抢建的快速完成[2]。随着我国工业化水平的不断提高，城镇及其交通沿线的型钢、集装箱、涵管等现代工业器材(产品)越来越普遍，本文探讨利用这些工业器材实施应急桥梁保障的必要性以及可行性，同时针对就便器材应急桥梁的架设时机、承载能力、桥梁跨度、架设时限等性能指标进行了论证分析。通过实验和理论分析，表明公路应急钢便桥技术可以作为制式应急桥梁技术的重要补充，可以作为桥梁破坏后的保障手段。

1 就便器材应急桥梁技术应用现状

制式应急桥梁是按照一定技术要求设计，在工厂中专业化、标准化制造的应急桥梁装备，它可以快速架设快速撤收，重复使用。装配式公路钢桥就是一种典型的制式应急桥梁。就便器材应急桥梁是使用普通工农业材料(产品)按照一定的技术规程和施工方法架设的应急桥梁。

1.1 “以木代钢”架设就便器材桥梁

解放战争后期和抗美援朝战争中，我军拥有的日本制式桥梁和苏联制式桥梁，成为桥梁抢修的重要技术手段。在战争中发现其数量远远不能满足要求，除了部分铁路桥梁抢修使用制式器材，绝大部分公路桥梁抢修采用就便器材[2]。在当时的社会条件下，社会上木材的拥有量远远大于钢材拥有量，铁道兵使用木材成功架设了很多铁路和公路桥梁。抗美援朝战争以后，铁道兵组织力量开展了使用木材架设桥梁的规范化研究，先后完成了一系列课题，对我国主要树种架设桥梁的关键技术进行了研究，编写了架设手册。美军工程兵在利用木材进行桥梁架设方面有许多成果，应用较多[3]。但由于木材的承载能力低，材料性能差异较大等特点，架设的木结构应急桥梁存在架设周期长，维护难度大，通过能力小等不足。

1.2 多种材料并举架设“混合结构”就便器材桥梁

随着我国建设事业的发展，特别是交通建设的发展，社会钢材保有量较高，在交通沿线存放有一定数量的枕木、型钢、钢轨，这些材料成为新的抢修桥梁的就便器材，铁道兵和交通战备系统开发了使用多种就便器材的“混合结构”就便桥梁技术。较为成熟的是木结构桥墩与型钢梁的组合运用。

进入新世纪以后，我国工业化和城市化快速发展，社会资源非常丰富，但军队架设就便器材桥梁依然是“以木代钢”、“钢木混合结构”的阶段，并且由于没有技术研究、技术方案、技术手册的保证，就便器材桥梁的通过能力很低。在“512汶川地震”中我军只能以涵管加部分钢材搭建简易的公路桥梁(如图1)，而显然此类桥梁是不能满足抢险救灾的运输需求，更加不能满足战时军事运输的需求[2]。

图1 以涵管加部分钢材搭建简易的公路桥梁Fig.1 Simple highway bridge constructed with pipeculvert and steel

2 公路应急刚便桥技术的必要性和可行性分析

针对现有制式应急桥梁装备在数量和时间不能满足保障要求的问题，有必要而且完全可能利用社会上存在的大量型钢、集装箱等工业就便器材，开发新型应急桥梁保障技术。

2.1 研究公路应急钢便桥技术的必要性

我国针对战时桥梁保障任务(同时满足抢险救灾、国民经济建设要求)研制并储备了一定量制式应急桥梁装备，在应对各类突发状况下的应急交通保障中发挥了重要作用，并且将继续发挥重要作用。但由于灾害(包括战争)发生突然，时间和地点都难以预有准备，临时调集或生产该型器材，时效方面与应急要求存在差距。抗美援朝、抗美援越、河北唐山抗震救灾、四川汶川抗震救灾等实践证明在应急情况下必须使用大量的就便器材来完成桥梁保障[1]。

就便器材架设应急桥梁的技术和施工难度要高于制式应急桥梁装备架设桥梁。制式应急桥梁装备的构件标准化程度高，部分装备采用的完全机械化架设方式，大大降低了现场组织的复杂程度，在安全性、稳定性和承载能力等方面有较好的保证。就便器材架设应急桥梁存在征集到的材料规格性能不统一、需要现场加工满足连接要求、构件数量种类多、设计复杂、施工难度大等问题。这些问题必须依靠严格的结构设计手册和施工指南来规范。如果没有事先论证、理论分析和试验验证形成的手册和指南，并在现场施工时严格执行，该类应急桥梁便不具备使用价值[3]。

2.2 公路应急刚便桥技术运用可行性

首先从材料数量上分析。据中国钢铁协会统计，2011年全国钢产量达到1.67亿吨，其中以型钢为主的钢材占钢产量的45%.全国26个主要钢材市场库存量1 789万吨，加上钢厂库存和使用单位库存，钢材社会保有量达到3 000万吨[4]。估计型钢的社会保有量约900万吨，低于木材的自然保有量，高于木材的社会保有量。鉴于社会木材保有量多数属于中小企业或者个人，型钢保有量多属于大型企业，其应急应战动员能力是不可低估的，能够取代木材成为就便器材抢修桥梁的主要原材料。

其次从性能上分析。钢材具有更加均匀的材料性质，在应急情况下能够提供相对木材均匀、可靠、安全的性能，加工性能也更好。在战时征集的木材既有树种之分，又有干湿之别，其承载能力差别很大，在应急情况下还很难对其内部缺陷进行评价。而钢材作为工厂按照国家标准生产的产品，其性能离散性较小，使用钢材按照一定规范架设的便桥，其承载能力、可靠性和安全性能可以够得到保障。而且钢材的加工性要优于木材，其切割、钻孔等基本工艺成熟，废品率低。

在应急桥梁结构中，桥墩的复杂性非常突出。应急桥墩成为应急桥梁的瓶颈。而集装箱桥墩施工快速、安全可靠。集装箱随着铁路运输、水路运输、公路运输进入城市、乡村。常见的标准集装箱有20′和40′两种，这两种型号都可以满足应急桥梁基础和应急桥墩要求，考虑到运输方便性，主要采用20′集装箱作为应急桥梁基础和应急桥墩的基本构件。

3 公路应急刚便桥性能设计

公路应急钢便桥应当满足应急运输的通过性要求，这些要求也是公路应急刚便桥设计的战术技术指标。

3.1 应用时机

桥梁破坏后，为争取时间，以免发生意外，或者引起桥梁进一步破坏，一般会立即封桥。待分析情况，做出破坏评估后，再采取措施。破坏轻微者排除障碍后恢复交通[5]。桥梁破坏达到严重破坏时，需要在原桥址上下游适当地点设置应急便桥。

应急便桥的使用包括破坏发生后的数小时内的抢通阶段、破坏发生后数天的紧急通行阶段。在破坏发生的数天内，应急通行量大、车辆种类多、次生破坏和二次破坏的可能性存在，在公路应急钢便桥设计时要考虑这些因素[2]。为加强应急应战的适应性，考虑风荷载、地震荷载等偶然荷载。临时桥梁不同于永久桥梁，车辆通过时还应考虑限速限载措施，减轻车辆荷载和冲击荷载。

3.2 架设时限

架设时限是衡量应急便桥是否合格的关键指标。在实际抢修活动中，由于材料、机具和人员活动缺乏标准化作业程序，很难统计出桥梁准确的抢修时间。在桥梁抢修器材设计和平时演练时均采用“准备好后的拼组时间”，其含义为“现场满足架设要求，器材已到达现场，必要的预拼装工作已完成，所有机具均已展开的条件下进行拼组。”表1为现有抢修技术完成时限[1]。

表1 现有抢修技术完成时限Tab.1 The time-consuming of existing rush repair technology

架设时限是评估一个便桥能否满足应急应战桥梁保障任务的关键。无论是战时或者自然灾害时，人员和物资的运输都是争分夺秒。架设时间与多种因素有关，除了和技术复杂程度、施工难易程度有关外，准备是否充分也非常重要。在表1中架设桥梁浅基础、桥梁深基础、架设军用墩时间相对较快，就是建立在预有准备的基础上。前面几种抢修方式时间均在1 d以上，是由于起算时间是从桥梁遭到破坏开始的。在使用钢材为主体材料的前提下根据应用时机，确定公路应急钢便桥的架设时限1～3 d.在预有准备的情况下，架设时限为1 d.公路应急钢便桥采用集装箱桥墩可以加快施工进度，对比日本、中国台湾和铁道兵使用技术，能够满足时限要求[6]。

3.3 桥梁跨度

桥梁跨度是指桥梁中相邻两墩支座之间的距离。大桥、特大桥受到破坏后，抢修困难，一般使用应急桥梁技术，减小跨度进行抢修。装配式公路钢桥和ZB200型装配式公路钢桥的抢修最大跨度可以达到69 m以上。考虑到就地征集钢材的品质以及数量等不可控因素，公路应急钢便桥的抢修跨度范围定义在中小桥梁，跨度在40 m以下。规划为12 m、18 m、20 m、28 m、40 m，对于较宽的河流及障碍，必要时可以通过增加桥墩的办法来缩小跨度，能够满足克服大、中型河流的需要。

3.4 通过能力

《公路桥涵设计通用规范》(2004)规定桥梁荷载由车道荷载和车辆荷载两部分组成。与桥梁上部结构、桥墩结构承载能力密切相关的是车道荷载(车辆荷载作为验算荷载，和基础关系较大)，其值与跨度有关，见表2.我国目前使用的装配式公路钢桥的汽车总荷载是200 kN，在应急使用时采取的技术措施是“限速减载”。“减载”就是车辆在通过应急桥梁前，卸下部分物资，分几次通过桥梁，通过桥梁的时间将会大大延长，并且会使部分大件物资无法通过桥梁。考虑到应急应战对后勤保障快速性的要求，公路应急钢便桥采用的“限速不减载”的通过方法。台湾目前实行的应急桥梁标准为365 kN，证明提高应急桥梁的承载能力是可行的[6]。在确定公路应急钢便桥的设计荷载时，既要考虑到现在交通的发展和技术进步，也要考虑临时结构的特点和战时、抢险救灾时快速性要求，以及体现先进性要求，初步确定为汽车总荷载365 kN.

表2 公路桥梁设计荷载对比Tab.2 Comparison of design load of highway bridge

3.5 行车速度

车辆以一定速度过桥时，由于动力影响，桥梁实际产生的活载应力和变形大于按静载重计算所得的结果，这种动力效应常称为冲击作用。由于临时结构本身的特殊性，车辆的冲击作用比较大。车辆通过应急桥梁时一般采取限速措施。在钢结构临时桥梁上，行使速度带来的冲击荷载较大，对桥面板、主梁和桥墩、基础的影响较大，会造成临时桥梁施工复杂、周期长，不能满足军事要求[7]。

我国三级公路设计速度为30 m，四级为20 m，现行的公路桥梁抢修抢建设计速度一般不超过15 km/h(2008年汶川抗震救灾时架设的公路应急桥梁即限速15 km/h)，装配式公路钢桥设计速度为30 km/h.综合以上分析公路应急钢便桥的设计通行速度为25 km/h.

3.6 桥面宽度

在行车速度小于40 km/h时，公路桥涵设计通用规范确定的行车道宽度为3.5 m，考虑两侧人行道时为5.0 m，双车道时桥面宽度分别为7.0 m(四级公路)、9.0 m(3级公路)。公路应急钢便桥桥面宽度确定为5.5 m最小宽度。考虑到应急应战后勤保障时车流、人流混杂，增加7.5 m、9.5 m两种规格，以满足双车道、附加人行道的要求。

3.7 桥墩高度

汶川抗震救灾实践证明，即使在抢通阶段和紧急通行阶段，也应该考虑泄洪问题。当时架设的应急便桥桥面标高很低，甚至只有0.3 m，泄洪能力很小，一方面桥梁随时面临冲毁的威胁，另一方面由于水位抬高，应急桥梁的接近路也需要不断加固垫高，这就严重影响了应急救灾活动的进行。2009年台湾在“八八水灾”救灾时修通的第二阶段(紧急通行阶段)桥梁，其桥面标高为3 m.满足了该阶段以及以后1个多月的交通需求[6]。公路应急钢便桥主要考虑紧急通行阶段使用环境，其桥面标高确定为3 m，为满足更多需求，增加6 m、12 m两种标高。

3.8 公路应急钢便桥性能指标总结

经过前述论证，公路应急钢便桥战术技术指标总结见表3.

表3 公路应急钢便桥战术技术指标总结Tab.3 The summary of technologic index of steel temporary highway bridge

4 关键技术分析与试验验证

应急公路钢便桥结构复杂，技术综合程度高。涉及到多项技术运用。其中钢桁架梁技术、钢框架墩技术、钢桥面技术、木桥面技术、钢筋混凝土桥面技术属于成熟技术运用。其中H型钢组合梁技术、H型钢墩技术、钢筋混凝土板基础技术在工民建结构中属于常用结构。由于其承载能力低、容易发生锈蚀等原因在桥梁结构中应用较少，属于改进开发。集装箱在结构上均按照包装运输产品设计，除了集装箱底板有一定承载能力要求外，侧面和顶端的承压能力不明确，难以满足桥梁工程设计需要。使用集装箱作为承载结构是新技术，为此本项目将集装箱桥墩、集装箱桥台列为关键技术。

4.1 集装箱桥墩台结构分析

集装箱框架结构承载能力较大，其四周角件可以起到约束横向移动的作用。根据《集装箱检验标准》，在场地堆码时集装箱可以堆码6层，在集装箱运输船上堆码时集装箱可以堆码7层，为了安全起见，桥墩高度不超过3层集装箱高度，即不大于7.8 m.

集装箱桥墩底层集装箱个数与应急桥梁承载能力、桥梁自重和河床的土壤承载力有关，见表4.集装箱桥台底层集装箱个数见表5.

表4 集装箱桥墩底层集装箱个数Tab.4 The amount of containers in the bottom of container pier

表5 集装箱桥台底层集装箱个数Tab.5 The amount of containers in the bottom of container bank pier

表6 安全性及使用方便性评价结论Tab.6 The valuation of safety and applicability

4.2 关键技术试验验证

为了评价集装箱桥墩的架设方便性，测定集装箱桥墩的承载能力、不同地基情况的沉陷量，评价该型桥墩是否满足使用要求，2012年12月3日至2012年12月14日，在中铁18局集团公司京津高铁津滨延长线工地进行了关键技术试验。结合整个试验全过程进行观察、记录，对关键操作程序进行专门测试，具体参照GJB891-94第5.3和5.5条的内容进行检查评价。安全性与使用方便性评价结果见表6.

试验针对桥墩承载能力和桥台抗测压能力进行了评价。试验中对分级加载的每个阶段均进行全过程观察、记录，倾斜角是由不同测点沉陷数据计算得到的。通过分析可以看出，两种地基情况下，通载10次以后桥墩基本处于稳定状态，可见集装箱桥墩对地基情况的适应性是非常好，在使用过程中基本没有明显倾斜和下沉。

通过分析和试验可以看出，合理利用就便器材抢修假设应急钢便桥可满足平时应急战时应战的交通保障任务。

5 总结

借鉴国外应急桥梁技术的发展经验，提高应急桥墩稳定性与高度、增大应急桥梁通过能力，开发全钢结构的新型就便器材应急桥梁技术，是解决应急桥梁保障需求的有效途径。通过分析公路应急钢便桥性能设计问题，以及对关键技术进行的分析和试验，基于型钢和集装箱等器材的公路应急钢便桥技术方案是合理可行的。下一步工作应该开展公路应急钢便桥技术手册和施工指南编制。在编制手册和指南时，主要工作是详细的工程设计和施工工艺设计，也需要进一步的理论分析、工程计算和样桥试验。

参考文献：

[1] 李聚轩，沈昌礼.交通保障学[M].北京：军事科学出版社，2009.

[2] 李聚轩.汶川地震公路设施快速抢修技术指南[R].国家交通战备办公室，2008.

[3] 李聚轩，程万里.复合材料用于战时钢筋混凝土桥梁抢修加固技术研究[R].北京：国家交通战备办公室，2011.

[4] 中国钢铁年鉴编辑委员会.中国2011年钢铁工业年鉴[Z].北京：中国钢铁工业协会，2012.

[5] 张静，李聚轩，谢远堃.战时桥梁损伤等级的初步评定[J].国防交通工程与术，2007，3：38-40.

[6] 陈正诚，张光甫.灾后临时桥梁施工技术之研发与手册之制定[R].台北：财团法人台湾营建研究院，2003.

[7] 周勇军，赵煜.钢构-连续组合桥梁冲击系数因素灵敏度分析[J].振动与冲击，2013，31(3)：97-101.