更新时间：2024-09-21 12:24
开启桥指的是为通航需要，上部结构能以竖旋、平旋、提升等方式开合的桥梁。当陆地运输不甚繁忙，河流上有船舶航行而固定式桥梁不能建造在通航净空以上时，就需要建造活动桥，从而以解决水陆交通。开启桥的活动方式一类是桥跨结构和桥面在桥轴线所在竖直平面内移位(包括水平移位和转动移位)，如伦敦塔桥二类是桥跨结构和桥面顺桥纵向轴线方向移位(包括折叠移位和伸缩移位)，如德国基尔城跨越霍恩河基尔一霍恩三段折叠人行开启桥；三类是桥跨结构和桥面在桥轴线所在水平面内旋转，如天津金汤桥；四类则是桥跨结构和桥面整体的旋转面垂直于纵向桥轴线，如英国东盖茨黑德地区盖茨黑德千禧桥。
1、概述
海河开启桥为一座跨径为76m的双页立转式开启式钢结构悬臂梁,全长98.5m。桥开启时由中间向两侧立转开启,转动半径为35m,梁端转动角度为85°。桥型在纵向分旋转塔室、悬臂梁、均衡重3部分构造;主跨悬臂部分主梁采用变截面钢箱梁,悬臂根部高4m,跨中梁高1.5m;钢箱梁全桥重1414t。在钢箱梁端设置尾端锁定装置、驱动装置及销齿轨等开启装置;在跨中设置对中锁定装置;配重采用灰口铁,全桥配重1600t。桥梁在6级风力以下的情况下开启。开启桥既是一座桥梁,同时又是一座涉及机械、电子、电器等元器件设备的重型机械设备,除了其销齿轨、轴承座、驱动齿轮等驱动装置的安装需要特殊的精密测量与安装控制外,其钢箱梁架设与合龙控制也需要有合适的方法,主要介绍该桥钢箱梁架设与合龙数字技术。
2、钢箱梁架设
2.1钢箱梁架设方案
天津海河为Ⅵ级航道,航运繁忙,钢箱梁安装占用航道,将直接对上游多家企业的生产经营带来重大影响,因此在钢箱梁安装方案比选时,既要考虑减小对海河通航的干扰,少占航道和缩短限航、封航时间,又要考虑立转式钢箱梁的受力与结构特点,以及施工安全、质量、成本控制等因素,曾提出了水中满堂支架、悬臂拼装、水中浮箱对接及半支架悬拼等多种施工方案,通过综合分析、反复比选,最后决定采用半支架悬拼方案。半支架悬拼方案将传统的桥梁支架施工法、悬臂拼装法及架桥机法有机地结合在一起。薄壁空腔内与轴承座附近的钢箱梁采用有支架施工,而在跨中部分的钢箱梁采用架桥机悬臂拼装,所有钢箱梁段均采用架桥机吊装运输;跨中梁段利用300t驳船从码头浮运至航道中央安装位置,用架桥机吊装悬臂拼装。该方案的主要优点有:
(1)全桥钢箱梁安装分2次限航和1次封航完成,每次限航期间除特大型船舶外,其余船只均可以安全通过,每次限航时间为10d,对通航影响较小;悬臂拼装阶段封航时间为1个月,周期相对较短。
(2)可以实现两侧钢箱梁的对称施工,有利于保证立转式钢箱梁线形及合龙控制,同时有利于保证对中锁定装置的对接精度。
(3)无论是轴承座,还是钢箱梁架设或悬臂拼装,均可以借助架桥机吊装运送,钢箱梁段架设安装简单方便,机械设备利用率高,能够有效节约施工成本,安全问题也容易得到控制。
(4)薄壁空腔内采用钢管支架施工方法,配重期间的相应钢箱梁为开口箱,配重安装后,配重直接作用于箱梁底板并传递给钢管支架,开口箱不受过大横向弯曲应力,可避免开口箱配重及封闭后不残留过大应力。
2.2半支架悬拼施工技术
根据实际吊装运输条件,确定将该桥钢箱梁单侧纵向分为0～5号块,共计6个钢箱梁段,全桥合计12个梁段。其中0号、3号块横向划分为A、B、C、D、E共5个部分,每部分安装定位后再焊接成整体。采用架桥机JQG180t/50m(主梁净间距560cm,净高531.2cm,前支腿高912cm,后支腿高387.5cm;起重小车起吊能力为90t)起吊。梁段均在钢构桥拼装梁场内制作完成。
1)西主墩0～3号块钢箱梁安装与试开启。销齿轨安装后,在薄壁墩腔室内搭设钢管型钢支架,支架顶部设置螺旋千斤顶;将架桥机前支腿支撑在B构件上,中支腿及后支腿支撑在引桥上,分别吊装0号块各小块,架桥机配合千斤顶调整各小块到监控方提供的标高位置后焊接成整体;再依次吊装1号、2号块,调整就位后分别与0号、1号块焊接;吊装固定于钢箱梁尾端的开启驱动装置,调整就位后与2号块焊接;航道第1次限航,在河道内搭设3号块临时支撑,将架桥机前支腿支撑到0号块上、中支腿支撑在引桥上,吊装3号块各小块,调整就位后焊接成整体并与2号块焊接;将架桥机转场至东引桥,拆除西主墩3号块临时支撑,进行0～3号块钢箱梁试开启并保持开启状态。
(2)东主墩0～3号块钢箱梁安装。采用与西主墩相同的方法安装东主墩0～3号块钢箱梁,在东主墩3号块安装时,河道第2次限航。
(3)东、西主墩4号、5号块钢箱梁安装。因西主墩0～3号钢箱梁开启顺利,东主墩3号块安装完成后,不再拆除腔室内临时钢管支撑试开启,而是直接进入航道整体封航,并恢复西主墩0～3号钢箱梁底部的钢管支架。
3、合龙数字技术
与固定式桥型合龙方式不同,海河开启桥合龙控制技术主要包括线形合龙与对中锁定合龙23号钢箱梁放平;安装两侧半桥配重箱配重块,并将配重箱顶板焊接封闭;将东、西主墩4号、5号块钢箱梁依次利用300t驳船浮运至航道中央,架桥机提吊到线形监控方提供的安装位置,精确定位后焊接成整体;5号块安装前,根据设计给定的两侧梁端跨中间隙与温度变化关系表及现场实测安装温度进行现场划线切割,确保两侧梁端跨中间隙能够满足整个运营期间的间隙要求。
L形构件混凝土浇筑。安装L形构件处的钢筋、尾销钢盒、楔块、楔块垫片等并浇注L形构件混凝土,见图5。
临时支座拆除。开动液压驱动将驱动齿轮与销齿轨啮合,此后即可拆除腔室内临时钢管支撑,并将该桥向上开启,再拆除3号块下临时钢管支撑,桥梁即可开启运转,开启桥锁定闭合状态见图4(f)。个方面。该桥线形合龙采用常规的桥梁线形控制方法,在梁段架设过程中对钢箱梁进行线形监控,通过理论与实际线形的实时跟踪控制,使东、西两侧钢箱梁在合龙时线形符合设计要求,其合龙误差控制在±1mm。而对中锁定合龙则要求开启桥在合龙状态下,其对中锁定装置能够按设计要求进行锁定闭合,实现这一目标需要采取2个方面的技术措施:在桥下进行锁定装置的精密安装控制,在桥上对合龙锁定状态进行精调。
对中锁定装置安装于5号块梁段端部的箱室内,由对中主销、对中油缸及插销组成(图6),其中,对中主销位于东5号块端部,插销和对中油缸位于西5号块端部。当桥梁在跨中锁定闭合时,对中主销在液压油缸的推动下插入西5号块的上、下对中油缸之间,上、下对中油缸夹紧对中销,随即槽形插销横向插入对中主销并将其锁定;而桥梁开启时,则将对中主销与对中油缸、横向插销分离,并收回原位。
实现对中锁定合龙的前提是线形合龙,还要求对中主销在锁定闭合时处于水平状态,且对中油缸及插销能够正常将其夹紧,因此,需要按设计要求精密安装对中锁定装置。在5号块钢箱梁段制作时,对实际梁段尺寸、对中销各部位的形位误差、尺寸误差及安装孔误差进行检测,不符合设计与规范要求时须进行修整,通过对中锁定装置的试配安装来精确控制对中油缸、插销与对中销的安装位置,确保按设计要求正常锁定闭合与开启。试配的具体方法:让对中油缸产生最大行程(油缸行程70mm),并按设计要求控制上、下对中油缸的活塞端部,将其调整到水平状态,此时对中油缸的活塞端部即为各组件或插件的控制基准面;对中主销水平布置于2个对中油缸活塞端部之间,让活塞端部与主销紧密接触,测量对中油缸底部与箱形梁安装面之间的间隙,按实际间隙装配垫片;在油缸顶紧主销状态下,装配焊接插销、插销座、油缸、油缸座,对中主销与横向插销的间隙应对称分布,装配完成后试运行,确保主销在插销之间符合设计要求运转自如。在对中锁定装置精确安装焊接后,连同5号块箱梁段一起运送吊装到桥上,并与4号块焊接。
在有支架情况下架设东、西两侧5号块钢箱梁,钢箱梁架设后还需拆除其各种临时支撑。因东、西两侧的3号块临时支撑处可能存在非对称地质条件,且钢箱梁架设过程并不是严格对称的,临时支撑拆除后会引起跨中两侧标高的非对称变化,两侧标高实际相差0.9cm,开启桥的线形合龙条件被打破,需要在桥上对合龙锁定状态进行精调。具体办法:先微量开启钢箱梁,使两侧钢箱梁按设计线形重新合龙,再通过尾销楔形块及后支座下面的钢垫板精确调整尾销楔形块或后支座的高度,使尾销与支座按设计要求正常工作,同时又能保证开启桥按设计要求的线形合龙与对中锁定合龙。
4、结论
区别于固定式桥梁施工技术,开启桥建造需要有合适的钢箱梁架设方法与跨中合龙数字技术。本文提出的半支架悬拼装方法,将架桥机、临时钢管支撑、悬臂拼装等传统桥梁施工方法结合在一起,很好地适应了开启桥施工的现场通航条件及施工过程的受力特征,钢箱梁吊运设备利用率高,缩短了施工周期,节约了施工成本,取得了良好的社会、经济效益;采取的合龙控制技术,确保了开启桥线形合龙及对中锁定合龙控制的顺利实现。海河开启桥于2009年11月顺利合龙。
桥位概述
温州瓯南大桥地处浙江省温州市平阳县与苍南县之间,横跨鳌江镇,大桥北连平阳县江镇,南接苍南县龙港镇。由于两镇经济持续发展,人流物流大幅增加,而两镇的陆上交通主要依赖上游的龙港公路大桥,该桥桥面窄、标准低,且离两镇中心较远,交通不畅已严重制约了两镇经济发展,因此急需在两镇之间修建第二通道。
方案研究时共比选了3个桥位,从上游往下游依次为:三大厂———人民路桥位,胜利路———文卫路桥位,新美州桥位。3个桥位分别位于龙港公路大桥下游约2.5km、4.5km和7km。3个桥位各有优缺点,人民路桥位最大优点是桥位位于两镇主要港口上游对航运无不利影响,且造价低,缺点是对缓解两镇下游东部交通作用有限。新美州桥位最大优点是便于两镇下游东部开发,缺点是不利于两岸人员往来,对龙港大桥分流不明显。胜利路———文卫路桥位位于上述2个桥位中间,既能有效分流龙港大桥过桥车辆,方便两镇人员货物往来,又能将两镇中心逐渐转向东部,为东部进一步开发创造条件。3个桥位远期都有可能建桥,不过从近期来看,胜利路———文卫路桥位较合适。
建设条件
地形地貌
鳌江镇、龙港两镇地处浙江省东南沿海,属海积平原,境内地势平坦,航道基本稳定,但淤积速度较快,通航能力逐年下降。桥位位于鳌江下游靠近出海口,受潮汐影响甚大(鳌江是全国三大涌潮江之一)。
水文
桥址河道条件:桥址位于鳌江下游,距鳌江河口约12.7km。桥位位于鳌江航道上下2个弯道的过渡段上,距上游弯道1100m,距鳌江主港区700m,距下游弯道1800m,距龙港主港区950m。桥位处河面宽约380m,岸线稳定,水深较浅,低潮位水深约0.8m,200t以上船舶需候潮进鳌江港。
洪潮特征:鳌江河口属半日潮河口,桥址处高潮位4.82m(黄海,下同,1992年8月30日),最低低潮位-2.32m(1972年6月12日),平均高潮位2.46m,平均低潮位-1.72m,最大潮差6.41m,最小潮差1.10m,平均潮差4.18m,落潮平均流速0.65m/s,涨潮平均流速0.8m/s。
工程地质
桥位区第四系覆盖层为全新统海积层、更新统冲洪积层及海积层,主要为淤泥、淤泥质黏土、粘土、亚粘土及圆砾土等,基岩埋深大于120m。
技术标准
桥上线路等级:城市Ⅱ级主干道。
计算行车速度:40km/h。
设计荷载:城A级。
行车道数:4车道。
桥梁宽度:正桥设机动车、非机动车和人行道,总宽24.5m;引桥仅设机动车道,桥宽17.0m。
最大纵坡:3.5%(实际最大纵坡3.3%)。
通航标准:设计通航水位+4.63m。主通航孔最小净高开启桥关闭状态为10m,开启状态为23m;主通航孔最小净宽64m。辅通航孔最小净高6.8m,最小净宽35m。主通航孔1个,辅通航孔2个,均为单向通航。
地震烈度:基本烈度6度,按7度设防。
开启桥方案提出背景
开启桥的提出
桥址上游的鳌江码头,为鳌江镇主港区,乘大潮可通行千吨级海轮,拟定桥型方案时优先选择高桥方案,桥上交通与水面交通互不干扰,经研究计算采用高桥方案时大桥总长约2km,龙港侧需上跨江湾路、龙翔路,鳌江侧需上跨江滨路、新河路和规划的滨河路。桥梁上跨的以上道路行驶的车辆,要过江均需绕行较长距离,桥梁交通功能没有得到充分发挥,同时由于龙港镇到20世纪80年代才建镇,拆迁房屋不仅使用年限较短,同时多为多层楼房和门面,拆迁费用高,政府难以接受,而做低桥方案千吨级船舶不能通航,影响港区及区域经济发展,综合考虑各种因素,桥型方案既要满足通行千吨级海轮,又要尽量减小引桥长度,方便两岸人员车辆往来,促进城镇经济协调发展,能够兼顾高桥和短引桥的桥型只有开启桥,因此将开启桥作为桥型方案的重点。
开启桥的可行性
开启桥给水上船只和桥上车辆自由通行设置了障碍,但考虑到本桥不开启时,一般300t以下船只也能自由通行,而超过300t的进出港船只每天数量有限,每天开启一次即可满足大型船舶进出港需要,同时由于鳌江镇上游来水量逐年减少,总体上呈现淤积趋势,通航能力逐年下降,鳌江镇已在下游规划有大轮码头,上游鳌江码头功能会逐渐降低,存在开启桥通车运营几年后不再开启的可能,这样从远期看,上游码头可只停靠300t以下小型船舶,大型船舶可停靠在下游后期建成的大轮码头。因此对于急需建桥而建高桥又存在较大争议的情况下,开启桥不失为一种可行选择。
开启桥方案研究
概述
开启桥是比较古老的桥型,世界上开启桥最多的国家是美国,迄今为止共有近3000座,中国建造的开启桥数量较少,属重载交通的开启桥数量更少。开启桥常见的有平旋式、竖旋式和直升式3种形式。平旋式在开启过程中两翼梁跨处于悬臂承载状态,梁部用钢量大,桥墩基础规模大,船舶通行时为避免船舶碰撞梁部,须在梁跨平面周边范围外建造防撞的围堰或护墩,增大了工程投资并阻塞航道,因平旋式造价高,技术复杂,国内外已很少采用。竖旋式开启便捷,开启时自然形成柱,有利于过往车辆安全防护,但因受平衡重的限制,开启孔梁的跨度比另2种开启桥要大,梁部结构庞大而复杂,从国内外该种桥型使用情况看,不是理想的开启桥型式,最近在国外也很少采用。直升式具有开启速度快、结构简单、受力可靠等优点,桥跨刚度好,有利于高速行车,结构细节、机电系统均较另2种形式简单,初期投资与运营维修费用也较少,因此本桥推荐采用垂直提升的开启桥。
开启桥主要部件方案
钢梁:设计比较了钢箱梁和下承式钢桁梁2种方案,钢箱梁具有结构简单,造形美观等优点,但由于钢箱梁建筑高度比钢桁梁大,因此在通航净高相同的条件下,桥面比钢桁梁高,引桥也长。经比较采用下承式钢桁梁。
主塔:主塔常见的有钢桁架和钢筋混凝土2种结构,本桥为降低桥梁开启后的结构重心,提高结构稳定性,减少由于塔墩基础的不均匀沉降对正常开启的影响,同时考虑到桥梁景观效果,主塔采用了钢筋混凝土塔。
提升设备:提升系统一般有液压提升和机械提升2种类型,方案研究时考虑到液压提升比较简捷,曾做过较深入研究,但考虑到本桥提升高度达13m,液压杆较长,对其长期运营后可靠性不放心,而一旦出现质量问题更换又困难,因此最终放弃了液压提升方案,仍采用常规的可靠性好的机械提升方案。
开启桥方案设计介绍
结构设计
开启孔钢梁
主桁结构:开启孔采用下承式钢桁梁,主桁中心距21.2m,主桁之间桥面供机动车和非机动车行驶,主桁外侧各挑2.0m宽的人行道,钢桁梁总宽度26.5m。主桁节间长6.0m,桁高8.0m
桥面系:为了降低桥面高度,桥面采用钢正交异性板,桥面板顶板厚14mm,纵向焊厚6mm的U形闭口肋,间距600mm,以及高460mm的倒T形纵梁,纵梁间距2000mm。横向焊有倒T形横梁,其间距与主桁节间相同均为6m,横梁长20.6m,两端与主桁节点栓接。
桥面铺装:主桁之间机动车和非机动车桥面铺装厚55mm的改性沥青混凝土面层,人行道面板铺装重量较轻的15mm厚防滑橡胶板。
主塔
本桥主塔为门字形钢筋混凝土结构,承台以上塔高58.389m,桥面以上塔高40.44m,它主要由塔柱、上横梁及下横梁组成。为改善横梁受力性能,增加桥梁的可视性,主塔上、下横梁的下缘底面均设计成半径为64.9m的圆曲线。上塔柱为箱形截面,壁厚0.5m,下塔柱因抗船撞需要设计成实心截面。下横梁为变高度单箱双室预应力混凝土箱梁,上横梁为等高度曲线形预应力混凝土箱梁,箱内放置开启设备、工作平台及检修桥式起重机等。塔墩每个塔柱布置12根1.2m钻孔桩,桩长83.5m,承台厚2.5m。
提升设备主要构件说明
概述
温州瓯南大桥为垂直提升式开启桥,活动桥跨长72m、宽26.5m,开启重量1003t,提升高度13m,提升速度约10m/min,开启状态通航净空23m。活动桥跨由2台提升机构操纵升降,提升机构安装在活动桥跨两端的塔楼内,每台提升机有2个卷筒,每个卷筒上绕过11根50mm钢丝绳,一端悬吊钢梁,另一端悬吊平衡重。全桥2套平衡重,分别置于两塔楼内,2套平衡重共平衡活动桥跨重量的97%,剩余的重量使桥梁能落实在支座上。同一塔楼内的两卷筒间采用机械轴刚性同步,两塔楼间的卷筒则采用交流电机变频调速同步。
开启桥的操纵台在两塔楼内各设1套,可根据需要指定任一侧为主操纵,另一侧只作为紧急停车用,两塔楼各设1台电梯以便于工作人员上下。为保证活动桥跨能顺利升降及道路航道交通安全,桥跨的两端还设有纵横向导向装置、上下锁定装置、对中装置、空气缓冲器、路栅和检修装置等。
当接到需要开启桥跨的通知后,操纵人员首先发出禁止车辆行人通过的声光信号,待活动桥跨上无车辆行人后,按如下顺序操作:①关闭两端路栅;②下锁定装置开锁;③提升机构制动器打开,提升机构提升活动桥跨至规定高度后停止;④上锁定装置闭锁。至此提升过程完成,然后发出声光信号允许桥下船只通航。关闭顺序与上述顺序相反,活动桥跨的提升和下降的过程约需120s。
提升机构
卷筒组:卷筒焊接为整体结构,外径3460mm,为钢丝绳直径的69.2倍,其表面均布11根绳槽,依靠钢丝绳与卷筒绳槽的摩擦力来传递驱动力矩。
制动器:在提升机构中使用了2种制动器,鼓式制动器作为辅助制动装置,盘形制动器作为主制动装置。
备用机构:该装置是在外部供电中断时启闭活动桥跨的应急装置,在减速机高速轴的另一出轴端设有1个齿形离合器,当主电机工作时,离合器处于脱开状态,当需要备用装置工作时,合上离合器,启动备用发电机,松开盘形制动器和块式制动器,驱动卷筒使活动桥跨开启或关闭。
平衡机构
平衡重:由平衡重箱、重晶石混凝土、铸铁调整块等组成,其总重量为486t,平衡重箱自重约69t,在泵入392t重晶石混凝土后,余下的25t为每块50kg铸铁调整块。
平衡重检修装置:桥跨在开启和闭合时钢丝绳始终处于张紧状态,检修装置能在平衡重升到位置时将其拉起,使钢丝绳松弛,以便将钢丝绳装上或拆下。
开启桥施工安装
钢桁梁安装:桥址地处潮汐河流,潮水落差较大,为规避风险,确保安全,同时为避免封航时间过长,钢梁安装时,钢梁散件通过水路吊装在已形成的混凝土T梁桥面上,先在混凝土桥面上将钢梁拼装好,同时在主跨搭设支架形成钢梁拖拉通道,待钢梁拖拉到位后将钢梁提起,主通航孔支架拆除,恢复主航道通行。
提升设备安装:主塔全部封顶后,再开始安装提升设备。4号主塔(龙港侧)提升设备安装时由于引桥已与陆地相连,因此所有提升设备均从陆地转运到混凝土桥面存放,5号主塔(鳌江侧)提升设备安装时由于要预留1孔T梁通航,主塔孤立江中不与陆地相连,所有提升设备均从水上运到主塔旁。2个主塔提升设备均利用承包商自制简易吊架,并配合电动葫芦安装。吊架支承在上横梁底板上,并可通过其下滚轴移动,设备吊到底板后再通过上横梁内的35t行车定位。
船舶安全保证措施
开启桥与一般固定式桥梁相比,需特别加强水上船舶通行安全保证措施。
成立开启桥管理中心,成员由桥梁管理、海事、船管等人员组成。其职责主要是协调各部门之间的关系,制定应急预案,发出统一指令,统一调度桥梁开启、船舶过桥和桥面交通。
设置交通监控系统,对桥面及水上交通实行有效监控,以及时发现安全隐患及事故苗头,有效控制事故的发生。
在龙港镇下埠地段建立了望台,观察桥梁进出港情况。
为加强现场巡逻检查,配备巡逻艇和摩托艇(各1艘)在大桥上下游巡逻。
为应付突发事件,考虑配备相应马力的拖轮(或与相关单位联合配置),以便紧急施救。
在桥梁上下游附近水域设置助航标志,以便引导船舶从通航孔中安全通过。
为防止船舶碰撞桥墩,桥墩需设置防撞设施。
结语
由于现代社会的快节奏要求,开启桥的功能已逐渐不适应现代交通的需要,近年来国内外建成的开启桥数量逐渐减少,但在特定条件下,开启桥仍不失为一种可选择桥型,仍具有较强生命力。瓯南大桥采用混凝土塔,最大跨度72m,最大提升重量003t,是继天津海门开启桥(钢桁塔、最大跨度64m、最大提升重量630t)后国内乃至亚洲最大跨度和最大提升重量的现代化开启桥,大桥正在建设之中,预计2007年5月通车,大桥的建成将进一步促进中国开启桥的发展。
2021年8月13日，湖北武汉首座开启桥曝光！桥面能像电梯一样升降，效果图惊艳。
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