城市桥梁上部结构智能化更换装备的设计

高文柱 彩 友 王 磊
苏州大方特种车股份有限公司 苏州 215151

1 研究背景
当前城市桥梁上部结构快速更换的主要方法有机械或爆破拆除+ 模块化现场拼装技术、预制桥梁推拉更换法、专有化设备驼运更换法等。其中，机械或爆破拆除+ 模块化现场拼装技术不仅有安全风险，且整个施工期间仍会较长时间封闭交通，经济性和适用性较差；预制桥梁推拉更换法对桥侧施工空间有一定要求，且新桥建设期间对交通影响大，经济性一般，适应性较差；专有化设备驼运更换法的设备专有化程度太高，适应性和智能化程度较差，同时现场机械拆除桥梁的方式对交通有较大影响。

为解决上述问题，针对既有城市桥梁（单孔跨径≤ 50 m、桥下净空4 ～ 10 m 的跨线、跨河桥梁）更换作业空间狭窄受限、环境复杂、技术难度高、交通影响大等特点，又突破国内现有桥梁更换技术的局限性、适应性和装备在模块化、通用化、智能化等方面的不足，宝钢工程苏州大方特种车股份有限公司通过系统调研、理论分析、数值模拟、试验研究及工程示范，设计并制造了城市桥梁上部结构智能化更换装备。

2 设计方案
城市桥梁快速更换装备基于自动导航技术的整体承重能力≥ 3 000 t、多套装备行走同步误差≤ 15 mm 的模块化运输装置；建立了适合于快速更换的模块化城市桥梁构造体系及其设计方法；形成了城市桥梁上部构造快速拆除、模块化结构快速安装及其智能控制技术；实现了低交通影响下既有城市桥梁快速更换，保证桥梁结构、交通、施工、环境的安全与工程质量。

城市桥梁上部结构智能化更换装备根据支撑方式分为桥梁顶升和提升两种设计方案。
1）桥梁顶升方案在SPMT 模块车上设计专门的支撑支架，通过SPMT 自身顶升系统或液压千斤顶在桥梁底部（底板外侧）的支撑位置将梁体顶高移开的方法；
2）桥梁提升方案在SPMT 模块车上设计专门的支撑支架，并在支架顶部设置专门提升横梁，将横梁通过SPMT 模块车移动至桥面上方，并通过精轧螺纹钢或钢绞线等方式将梁体与横梁连接，通过SPMT 自身顶升系统或液压千斤顶将提升横梁与梁体顶起移开的方法。

3 结构形式
采用模块化设计，自行式模块车由动力模块单元（PPU）、4 轴线模块单元、6 轴线模块单元等组成，各单元可方便、快捷拼接，根据运输需要，可组合成不同的车组，各模块间均采用方便、快捷的联接，使组合车辆就像搭积木一样方便。

每个动力模块单元（PPU）均配遥控盒，用于远距离操作模块车。发动机机油压力、机油油温、水温，高压过滤器状态、出油和回油过滤器状态、液压油温度等均有显示。模块车设液晶显示器，显示车速、悬挂液压缸压力等参数。设有控制单元箱，各种控制元件均在控制箱内。动力模块单元结构如图1 所示。

4 轴线模块单元和6 轴线模块单元结构和功能基本相同。4 轴线模块单元结构如图2 所示，6 轴线模块单元结构如图3 所示。

轴线模块单元具有平台升降调平功能；承载方式，可自由切换成三点支承状态或四点支承状态；升降作业时，既可进行任意单支承点的升降，亦可进行整车的平升平降。

图 1 动力模块单元结构

图 2 4 轴线模块单元结构

转向系统采用液压比例阀控制齿条液压缸驱动方式，使转向更加灵活、平稳；转向采用微电控制，要求防震、防磁、防潮和-20℃～ +50℃下工作稳定性。

车辆具有直行、斜行、横行、八字转向、中心回转、摆转等转向模式, 单车和多车并车转向模式相同。预设多个单元模块车并车接口（最多300 轴线），多个单元模块车可软、硬联接并车使用，既可以多模块车通过连接架硬连接在一起，作为一台车辆使用；亦可以各个车辆不作任何机械连接，仅用并车电缆线将各车连在一起，作为一台车辆使用。

用无线遥控器控制并车操作，主遥控器按下并车权按钮，即可对各台并在一起的车辆进行各种操作。

图3 6 轴线模块单元结构

4 设计验证试验
4.1 搭建导航试验模型
以一个框架模拟桥梁，采用标准SPMT 模块车为试验车，即1 个PPU+1 个4 轴线+1 个6 轴线，长：18200 mm，寛 2 430 mm, 平台高度 1 180 ～ 1 880 mm。将多模式转向功能锁闭，转向模式为八字转向。

4.2 试验场地与循环路径
在试车场圈定一片区域进行试验，实行半封闭管理。在自动导航试验中，无关人员禁止进入试验场地。在试车场标定循环线路如图4 所示。

图 4 循环线路

4.3 模拟桥梁拆除
AGV 起始位置01 开始启动，检测行驶高度，自动调整至行驶位置高度，自动巡航至升降点02；AGV 自动下降至最低位置，下降到位后继续自动巡航至框架停放点03，扫描框架位置，调整姿态钻框架，检测进入框架合适位置，AGV 自动上升至行驶位置并提取框架；切换挡位为后退挡，自动巡航后退至起始点01；切换挡位为前进挡，自动巡航分别经线路巡航点04、05、06，回到起始点01。视觉传感器影像数据如图5 所示。

图 5 视觉传感器影像数据

4.4 模拟桥梁架设
AGV 起始位置01 开始启动，自动巡航至框架停放点03；AGV 自动下降至最低位置，将框架准确的放置在框架停放点03；切换挡位为后退挡，自动巡航后退至升降点02，AGV 自动上升至行驶位置；继续自动巡航后退至起始点01；切换挡位为前进挡，自动巡航分别经线路巡航点04、05、06，回到起始点01。多线激光雷达实时纠偏如图6 所示。

图6 多线激光雷达实时纠偏

5 应用案例
5.1 上海 S26 入城段北翟路高架桥
上海S26 入城段北翟路高架桥（3 跨连续梁）的移运方案，完成了3 跨连续梁分成3 个梁段的运输工作。其中最重的梁端达3 050 t，采用132 轴线模块车和12个PPU 通过硬联接并车与软联接并车的混合并车模式，整个过程封闭交通时间仅80 min，移运时间仅40 min。

5.2 深圳市岗厦北综合交通枢纽上深南彩田立交桥
深圳市岗厦北综合交通枢纽上深南彩田立交桥位于深圳市福田区，是地铁10 号线、11 号线、14 号线换乘车站，立交桥上跨深南大道，桥下为待建的岗厦北交通枢纽。主要采用8 台SPMT 模块车进行支撑切割运输拆除，拆除顺序由北向南、由东向西。提前5 d 完成桥面设施拆除、钻孔、设备准备等工作；深南大道南北两侧交替封道4 晚，彩田立交上部结构计划10 d 完成拆除。

5.3 福州青口互通立交桥跨沈海高速部分
青口互通既有桥梁拆除是福建省规模最大、影响范围最大的高速桥梁拆除工程，得益于新设备和新技术的投入应用，青口互通立交桥上跨沈海高速部分的拆除工期，从40 多天缩短为3 d，跨324 国道部分桥梁拆除工期，从60 多天缩短为4 d，极大地减小了对南北交通动脉的通行影响。

6 结束语
城市桥梁上部结构智能化更换装备是一种安全可靠、全新的拆、架桥手段，发挥了巨大的社会效益，对于城市桥梁预制、快速架设、快速拆除的新发展具有重要的里程碑意义。

参 考 文 献
[1] 杨冰，杨文忠，宣鹏，等. 自行式模块化运梁车桥梁整体安装技术的应用研究 [C]. 第六届中国公路科技创新高层论坛论文集（下册），2013.