目前，我国经济已由高速发展阶段转向高质量发展阶段。进入新时代，桥梁工程仍有一些技术难题亟待解决。只有通过不断的技术创新，才能克服困难，适应时代的要求，设计建造出高品质的桥梁。
弯梁桥的销轴式约束体系
技术创新背景
通泰大桥位于张家口市清水河北侧，是一座跨径m的钢箱梁斜跨拱桥，主梁位于半径m的平曲线上（图1），该桥于年12月建成通车。年，通泰大桥在通车5年后即出现了支座脱空、墩顶盖梁斜裂缝、限位挡块压碎等病害，主管单位召开了专家会并委托相关单位进行了裂缝修补和索力调整等工作。年7月末，在持续高温作用下，通泰大桥限位装置破坏失效，导致主梁相对支座发生了较大的横向偏移，其中一侧梁端偏移量达25cm，同时引起伸缩缝变形和车道线错位（图2），为确保安全，桥梁紧急封闭。
图1张家口市通泰大桥
图2通泰大桥主梁侧移病害
销轴式约束体系的提出
在接到张家口市城市快速路管理处的委托后，我们随即赶往现场，对通泰大桥进行了全面检测，并开展了相应的设计研究工作。通泰大桥计算分析表明，温度作用下支承约束体系水平力过大是产生病害的主要原因，过大的水平力使桥梁限位装置失效，进而引发梁体侧移、梁端伸缩缝破坏等次生病害。
弯梁由温度作用引起的变形属于弧段膨胀或收缩性质的变形，变形前后弧段圆心角不变，曲率半径增大或减小。图3表示一端采用固定支座，其余采用多向活动支座的弯梁在整体升温作用下变形图，可以看出，温度作用不仅使弯梁产生切向位移，同时还产生了径向位移。
图3弯梁在温度作用下的变形图
除整体升降温外,横向温度梯度和混凝土收缩等作用也使弯梁不可避免地产生径向位移。以往弯梁桥的设计没有充分认识到弯梁力学特性及变形规律与直线梁存在的本质差别，沿用了直线梁桥的约束体系形式,通过限制径向位移的措施来保证弯梁桥的运营安全。弯梁桥径向位移受到约束将使主梁在水平面内产生很大的次内力，特别是墩高较矮的小半径曲线梁桥,支座在长期反复较大的水平剪力作用下容易发生剪切破坏，最终导致主梁一系列的侧移病害。
基于弯梁桥温度作用下的变形特点，我们提出了一种适应弯梁桥温度变形的销轴式约束体系，该约束体系通过销轴来实现梁体按照预设的方向活动且不发生落梁，销轴提供水平约束，多向活动支座提供竖向支承。对于简支弯梁桥，梁的一端设置固定销轴，另一端设置可切向活动的单向销轴；对于多跨连续梁，在靠近桥跨中心的一个桥墩上设置可径向活动的单向销轴，梁端设置可切向活动的单向销轴，其余桥墩设置多向活动销轴。销轴式约束体系布置形式如图4所示。
图4弯梁桥销轴式约束体系布置图
销轴式约束体系通过释放弯梁桥的温度变形，减小了温度作用产生的水平约束力。同时可防止梁端错位导致的伸缩缝活动困难，及爬移位移累积过大致使的支座失效，甚至梁体突然整体滑移和翻转。该体系属于水平面内的静定结构，受力简单明确，可适用于任何跨数的弯梁桥。
通泰大桥加固应用
通泰大桥的加固方案采用了销轴式的约束体系。首先将原有桥墩帽梁上的混凝土水平限位挡块全部拆除，然后对桥墩帽梁采用外包钢板的方式进行加固，在桥墩帽梁四周安装加固钢板和钢梁，并在钢混结合面缝隙中灌注结构胶。同时将销轴的销孔装置连接到桥墩帽梁的钢结构加固装置上，使桥墩帽梁加固装置和主梁水平限位的销孔装置形成一体。最后，张拉主梁复位并将销轴与主梁连接（图5、图6）。为适应梁端转角变形，同时将伸缩缝更换成容许梁端发生较小平面内旋转变形的梳齿板伸缩缝。
图5加固后的桥墩(可转动固定端)
图6加固后的桥墩(切向活动端)
钢结构加固装置安装后极大地提高了原帽梁的承载能力和耐久性，销轴式约束体系从根本上调整并改善了整个桥梁结构的受力性能。年11月1日，通泰大桥加固完成顺利通车，目前运营良好。
关沙河大桥加固应用
关沙河大桥位于张家口市快速路西环段上，为张石高速张家口连接线工程的重要组成部分。桥梁全长.04m，全宽40.5m，分为东、西两幅，半幅宽20m。桥梁平面位于半径m的平曲线和缓和曲线上（图7），上部结构采用24-20m预应力混凝土先简支后连续先张空心板，跨径布置为：4×20+4×20+4×20+4×20+4×20+4×20＝m。
图7关沙河大桥
关沙河大桥自年建成以来已经历过两次规模较大的修复，修复后经过几年的运营，又出现了一些新的病害，其中主要病害是桥梁第四联和第五联发生了较大的顺桥向和横桥向位移，并由此带来了一系列次生病害，分析原因主要是桥梁位于平曲线上，且东半幅桥梁行车方向为下坡方向，桥梁纵坡2.02％。车辆进入平曲线经常会采取制动措施，在制动力的长期作用下，梁体产生了顺桥向和横桥向的爬移。另外，离心力作用也使梁体产生横向向外移动的趋势。原桥平面限位措施主要采用桥墩盖梁侧向挡块和梁端锚栓，挡块和锚栓均不能有效限制梁体移动，最终导致主梁相对桥墩产生较大的相对滑动。
本次张家口市城市快速路管理处委托我们对关沙河大桥进行维修加固设计，我们的设计思路仍然是采用销轴式约束体系来改变结构的水平约束形式，从而减小制动力、离心力、温度效应等对结构受力和变形的影响，以达到从根本上调整并改善桥梁结构受力体系，消除桥梁现存主要病害的效果。
本次修复在每联桥边墩设置两个顺桥向可变位销轴，中间墩设置两个横桥向可变位销轴，单联桥水平约束平面布置如图8所示。销轴与混凝土间采用植筋胶进行填充，将原有的模数式伸缩缝拆除，更换为能更好适应本桥受力和变形特点的单元式多向变位梳型板伸缩缝。
图8关沙河大桥单联水平约束平面布置图
山西太原天龙山区域旅游防火通道工程
山西太原天龙山公路全长29.5km，桥梁采用分离式双箱连续钢梁，哑铃形桥墩及框架桥墩，桥梁最小曲线半径40m，设计采用了销轴式约束体系技术，建成后的天龙山桥被称为最美“网红桥”。该桥已于年6月建成通车，目前运营良好。
弯梁桥的销轴式约束体系不仅可用于新建弯梁桥的设计，而且在旧桥维修改造中发挥了良好的技术优势。
横梁-桥面板结构桥面系拱桥加固创新
技术特点
在我国已建成的大量中下承式钢管混凝土拱桥中，桥面系仅由横梁和桥面板组成，不设纵梁的结构形式被广泛应用。该悬吊式桥面系结构具有建设施工费用低、工期短等优势，然而采用此桥面系结构的桥梁普遍存在的主要病害，就是在桥梁正常通车时振动过大，严重影响了通车的舒适性，分析病害的关键原因在于全桥整体性差，桥面系刚度不足。
针对拱桥由于桥面系整体性差和刚度不足引起的振动问题，提出了增加梁体纵向联系，增加桥面系整体性的减振加固技术。新增设的两道纵梁在材料选择、截面尺寸、布置位置、结构形式等方面需综合考虑以下因素：能够有效减小桥面振动；保证吊杆断裂后桥梁的安全，同时为更换吊杆提供支撑，避免繁琐的临时结构；重量应尽可能轻，减少对其他构件及结构的不利影响，必要时考虑在其他方面减重；考虑温度效应下结构受力满足要求；纵梁施工简单方便，不设临时支架及模板；不占用桥面净空，满足加固后通行空间要求。
工程案例
长青桥位于沈阳市东南部，跨越浑河，桥梁由主桥和南北引桥组成，主桥为三孔中承式钢管混凝土拱桥，净跨径为.m+.m+.m，南北引桥各为60.95+52.m的空腹式钢筋混凝土拱肋桥，桥梁全长.m，如图9。主跨拱肋矢跨比为1/4，由两条分离式平行拱肋组成，每条拱肋由4根φ×10mm的上下弦管和φ×10mm的竖腹杆组成空间桁架，φ钢管内灌注C50混凝土，断面尺寸高3.4m，宽1.8m，两肋中心间距18m。为提高桥梁的稳定性，两肋间设置7处横向联系，拱顶设H形横撑及两处K形横撑，拱脚处设X撑，主桥总体布置见图10。桥宽32.5m，设有6条车行道及两侧人行道，原桥断面如图11所示。
图9长青桥钢管混凝土拱桥
图10桥梁总体布置图(单位：m）
图11桥梁原结构断面图（单位：cm）
长青桥桥面系主要由横梁和桥面板组成，全桥不设纵梁，在横梁上直接铺设桥面板，桥面板在横梁处设后浇缝，设计荷载为城-A。该桥自建成后，年首次加固，至今桥梁仍处于半封闭状态，主要问题为正常通车时桥梁振动过大，行人行车舒适性极差。
经理论计算分析对比，确定采取在桥面系索区范围内设置两道宽1.2m、高2.5m的三面外包钢混凝土箱形截面纵梁的加固方案，具体布置见图12和图13。该方案技术特点为：纵梁设置于索区范围内，不影响通行空间；三面外包钢混凝土箱形截面能够提供合适的刚度减少振动，并具有足够的强度防止吊杆断裂后发生落梁；顶面不设钢板，能够减小温度效应带来的不利影响；相对钢结构或混凝土结构具有突出的适用性；施工时，先架设钢结构框架，可作为混凝土浇筑模板；纵梁形成后，可逐步更换吊杆，不需要增设临时措施。
图12加固方案桥梁横截面示意图（单位：cm）
图13加固方案纵向结构图（单位：mm）
加固效果评价
为了解桥梁的动力特性，比较加固前后的振动情况，便于对实桥加固效果进行预期，考虑空间、加载设备、桥梁实际情况、试验目的等因素，选取了长青桥最大的一跨进行缩尺模型试验，试验几何缩尺比为1:10（图14）。
图14长青桥加固模型试验
对于悬吊桥面系拱桥，增设纵梁并加大桥面板联系的加固方案，经理论计算分析和模型试验验证均具有良好的抗振效果。基于日本VG指标和ISO-1-国际标准两种舒适度评价标准，对长青桥加固效果进行评价，结果表明，两个标准的评价结论均为加固效果明显。试验结果也表明，加固前桥梁的振动较为严重，通过增设纵梁的加固，桥梁振动峰值加速度至少降低20%，最大可降低50%。另外，新设的纵梁连接原拱桥横梁，可防止吊杆断裂造成落梁，大大保证了结构运营的安全性。
黑龙江大桥顶推施工控制
工程背景
黑龙江（阿穆尔河）大桥（图15）位于黑龙江省黑河市，是中俄两国第一座合建跨江公路桥，主桥全长.5m，中方境内主桥长.25m，跨径布置为3x66.5m钢混叠合梁连续梁+(84.75+84+5x+84+84.75)m钢混叠合梁矮塔斜拉桥。
图15黑龙江（阿穆尔河）大桥主桥
全桥主梁均为钢-混凝土叠合连续梁，叠合梁由两根钢箱加劲纵梁和钢横梁组成梁格体系，与混凝土桥面板形成整体组合截面。其中，主桥矮塔斜拉桥采用塔梁固结体系，在桥墩上设置支座。主梁梁高3.3m，混凝土桥面厚0.25m，桥面板通过布置在钢纵梁及钢横梁顶的剪力钉与钢梁结合，钢梁由纵梁块体、横梁单元、风嘴单元组成，采用QqFNH耐候钢。主桥设有三座主塔，每座矮塔分5个制作块体，由下塔柱、2个中塔柱和2个塔冠组成；每座塔柱设有8对拉索，全桥共24对48根；斜拉索采用Φs15.2环氧单丝涂覆钢绞线斜拉索，锚具采用夹片式锚具，塔上为锚固端，梁上为张拉端。主桥立面图如图16所示，钢梁标准断面如图17所示，主塔构造如图18所示。
图16黑龙江大桥立面图（单位：mm）
图17钢梁标准断面构造图（单位：mm）
图18主塔构造图（单位：mm）
施工方法
黑龙江大桥施工采用主跨钢箱梁多点顶推方案，由中方、俄方同步向跨中开始顶推，在主桥中跨跨中合龙，每个主墩及临时墩上均设置必要的纵、横和竖向千斤顶装置，以及时调整钢梁的平面位置。主梁钢箱梁及主塔均在钢厂预制，现场组装焊接，在岸侧0#台～3#墩处设置顶推拼装平台，用于钢箱梁和主塔的拼接及顶推，拼装平台及导梁如图19所示。
图19拼装平台及导梁
大桥主桥采用步履式顶推的施工方法，由中俄两方主梁同步向国界线顶推至合龙。步履式千斤顶布置如图20所示，顶推设备包括顶升油缸、上下支撑架、滑移系统、水平顶推油缸、横向调整油缸等。施工过程中可完成主梁X/Y/Z三个方向的纠偏工作，单次顶推最大行程60～80cm。此方法具有墩顶受力较小，安全性高，占用空间小的特点，不仅可实现钢桁桥梁的高精度高效率施工，也提高了安全系数。主桥共经历七轮顶推施工与钢箱梁、主塔拼装施工，顶推行程共计26.5m+66.5m+80.5m+80.5m+66.5m+80m+m=.5m。
图20步履式千斤顶布置
关键技术特点
黑龙江大桥主桥的线形控制为施工监控的重点工作，包括主梁拼接阶段的线形控制、主梁顶推阶段的线形控制、主梁合龙后的线形控制等主要内容。
采用无应力状态法的原理对梁段拼接进行控制，即在施工中无论如何改变施工顺序，只要拆分单元的曲率和单元条件不变，成桥状态时结构的线形与内力便与设计值相同。利用此原理精确提供梁段的标高与平面坐标，确保主梁拼接阶段线形满足设计要求。
主梁顶推施工前后梁段的位置会发生改变，如何确定顶推后主梁位置的正确至关重要，否则后续梁段的拼接会发生偏离，造成严重后果。主梁顶推施工阶段的线形控制同样分为标高控制与平面位置控制。梁段标高控制通过调整永久墩与临时墩垫块高度来调整；梁段平面位置的控制通过每轮顶推结束时，千斤顶的平纵移动来调整。
主梁顶推到位后，依据设计要求通过千斤顶精确调整平面位置后完成梁底与支座的焊接工作，即落梁完成，此时主梁的平面位置被固定，轴线的偏位测量基本可以忽略。因此，主梁合龙后的线形控制即主梁的标高控制，主要通过斜拉索的合理索力调整。
主梁顶推阶段支承千斤顶的临时墩受力安全至关重要，黑龙江大桥通过有限元计算的理论值与应变计现场实测值对临时墩的受力状况进行实时监控，确保施工过程中临时结构的安全。
由于竖曲线的影响，拼装平台实际模拟坡度为3%左右，因此竖曲线为圆弧段的主梁无法按照预定线形拼装，需旋转某一角度后拼装。旋转角度的数值取决于：拼装尾端的最低标高、各已有结构的高度，3号墩千斤顶的初始位置（关系到到位后是否需要转换落梁）、各支墩受力情况、导梁上墩的可行性等诸多因素。经过优化后，确保拼装及顶推过程的安全性和可操作性。由于线形为圆弧线加直线，所以在顶推过程中会有强制位移，计算时需考虑每一步的线形与支撑标高的数值，计算其差值后考虑这一强制位移，整个顶推过程的有限元计算共分为个施工步骤。
由于整个施工过程处于冬季，环境日平均温度在-15℃以下，极端低温在-30℃以下，占整个冬期施工的57.2%，施工难度非常大，而江中设有临时墩，在春季开江后冰排会将临时墩冲垮，因此对施工的工期有极高的要求。工期短，施工复杂，需要对施工过程进行优化，尽量缩短顶推工期。由于顶推跨度较大，如不进行拉索的张拉则导梁前端挠度过大，无法上墩。因此需要在顶推过程中进行拉索张拉，但是受工期限制影响，应尽量减少拉索张拉数量。另外由于预应力钢绞线索有最小索力限制，并且在顶推工程中拉索的非线性效应非常显著，索力变化也很大，在经过对顶推过程的多次非线性分析后，经过优化分析确定了只张拉端部长索的部分索股，并确定了最终的最优张拉索力，以减少顶推过程中的拉索张拉时间，确保顶推施工的安全和高效。
实践是创新的源泉，每一位桥梁工程师都要勇于突破传统和经验的束缚，把每一座桥都当成一次全新的挑战，力求在实践中寻求创新。
本文刊载/《桥梁》杂志年第4期总第96期
作者/张哲姜涛谭岩斌
作者单位/大连理工大学
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