美國開合橋的設計與建造

殷北里，保羅·M·斯凱爾頓，羅伯特·S·摩西[作]

劉曉燕 譯 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

1 開合橋概述

開合橋有很多類型和亞型，但最常見的是簡易耳軸式豎旋橋、中心軸承式平旋橋和垂直升降橋。開合橋活動式橋跨的開合方式分別如下：簡易耳軸式豎旋橋——圍繞一根固定的橫軸立轉；中心軸承式平旋橋——圍繞一根固定的豎軸平轉；垂直升降橋——沿著一根固定的豎軸垂直升降。開合橋由于其自身特性引起了許多關注，許多文章中都有關于已建成或擬修建的開合橋（包括移動和固定橋跨的機械裝置）的描述[3][4][5]。

開合橋的概念可追溯至早期的歐洲和亞洲。然而，直到1世紀后期，最早的開合橋才運用于現代意義上的交通運輸[3]。美國第一座著名的垂直升降橋是位于芝加哥的南霍爾斯特德街大橋（圖1）。該橋由瓦德爾博士于1892年設計，不久之后建成。該橋跨度與最大垂直凈空分別達到130英尺（40m）和155英尺（47.2m）。芝加哥的范布倫街開合橋，是由美國施爾澤爾（Scherzer）橋梁公司設計的滾動式豎旋橋，于1893年完工。著名的倫敦塔橋，一座采用滾柱支座耳軸式豎旋橋，也于同時期完工，被視為現代豎旋橋的先驅。隨后威利斯大道平旋橋也于1901年建成。

2 設計和建模

1988年，美國國家高速公路和交通運輸協會（AASHTO）發表了《AASHTO公路開合橋標準規范》，容許應力設計法被納入該規范中[1]，之后，美國部分州又為該規范增添了一些關于開合橋建設的補充條款。橋梁工程師需要根據具體情況決定以下幾點：①開合橋的類型(平旋橋、豎旋橋或垂直橋)；②平旋橋的支承類型(平旋橋最好應是中心軸承類型)，如圖1的芝加哥的南霍爾斯特德街大橋；③豎旋橋活動桁架的類型；④垂直升降橋的橋塔類型、起動機的位置以及活動式橋跨的水平調整裝置；⑤應急操作系統（如果有）和備用電源系統（如果有），決定最大應力和最小應力的荷載條件和荷載組合（《AASHTO公路開合橋標準規范》中有詳細的介紹），橫向荷載如風力載荷和地震荷載也必須給予相應的重視，尤其是地震荷載，作為一個相對較新的議題，需引起工程師的特別關注。與《AASHTO公路開合橋標準規范》中的對應內容相比，2000年版《AASHTO荷載和抗力系數設計規范—公路開合橋設計規范》[2]在開合橋的結構類型和機械問題方面提供了更多重要信息。

圖1 芝加哥南霍爾斯特德街大橋

圖2 運用ADINA 軟件設計的計算機模型

圖3 升降橋計算機模型

開合橋可以運用三維有限元分析軟件進行分析處理，如SAP或ADINA專用軟件（見圖2）。模型主要以梁為構件搭建，如有必要，輔以殼形構件。土體結構的相互作用采用基礎彈簧和減震器進行模擬。非線性構件的建模作為開合橋分析中不可或缺的一部分是一項綜合性強且耗時的工作。

圖3是紐約羅斯福島升降橋的計算機模型，該模型使用SAP2000專用軟件搭建。這座橋是羅斯福島和大陸之間的唯一的通道，最近，哈德斯蒂-漢諾威公司正在進行該橋電氣和機械系統的修復設計及地震研究。

圖4 新伍德羅·威爾遜豎旋橋

圖5 弗吉尼亞州諾福克市的伯克利豎旋橋

圖6 康涅狄格州紐黑文市新湯姆林森垂直升降橋及其施工現場

3 關于開合橋的幾個獨特問題

3.1 結構

3.1.1 地基和下部結構

對于開合橋來說，地基和下部結構的穩固程度對于上部結構保持長期性能的穩定性顯得尤為重要，只有具備強有力的支撐，上部結構才能在更為穩固的平臺上運作。由于下部結構具有較大的慣力，所以需要地基具備一定的剛度，反過來，地基受力和整體的結構性反應也在很大程度上受地基剛度影響。地基承載力和地基剛度都嚴重受水流沖刷影響，由于開合橋地基往往位于可通航河流或水道中，因此更易受到強水流的沖刷。大多數來自橋梁葉片和配重的水平荷載通過耳軸塔轉移到地基上，因此，耳軸塔是整個結構中一個關鍵部位，耳軸塔出現問題則意味著整座橋梁的失敗。

3.1.2 上部結構

開合橋的上部結構必須能夠自由開合，因此需要采用獨特的結構系統。上部結構和配重產生的垂向力和橫向力通過橋體結構沿著一定的路徑傳導到地基上，這些傳力路徑需要特別關注。例如，豎旋橋從配重到地基的傳力路徑上的幾個關鍵的脆弱點。開合橋的活動式橋跨為輕型結構設計，采用輕型開放式網格橋面鋪裝是典型的做法，也有一部分設計采用填充式網格橋面鋪裝或正交各向異性鋼板橋面鋪裝。

3.1.3 開合結構

處于開啟和閉合位置的開合橋結構都得到很多分析研究，但處于開、合之間的位置卻分析研究得較少。公路開合橋梁的分析研究大多是在其處于封閉狀態的情況下進行的。《AASHTO開合橋設計規范》和其他規范指出，開合橋開啟時間若縮短10%，則其在開啟狀態下的地震荷載可能減少50%。

3.1.4 配重

配重是開合橋中的特殊結構，用來平衡活動式橋跨從而降低運行功率，這種結構常見于豎旋橋和升降橋，設計時要求予以重視。

3.2 機械系統和機械設備

3.2.1 橋跨驅動裝置

開合橋的活動式橋跨一般由專門的橋跨驅動裝置來進行開、合操作，由輔助機械設備進行固定。但有些橋梁上，活動式橋跨也可以由橋跨驅動裝置來固定。橋跨驅動裝置可由電氣、機械和液壓件組裝而成。美國的大多數開合橋使用的是機電橋跨驅動裝置。

傳統的機電齒輪驅動是將電機的高速小扭矩輸入轉化為低速大扭矩輸出來移動笨重的活動式橋跨。此類設備有很多種，但通常都是使用電動馬達來驅動主減速器的輸入軸(主減速器可能包含一個差速器，從而使輸出軸的速度得以匹配輸出轉矩)，主減速器的輸出軸連接到兩個二級齒輪減速器上。每個二級減速器的輸出是圍繞一個小齒輪旋轉，從而使橋跨葉片打開、關閉或通過驅動裝置中的制動器使橋跨葉片保持靜止狀態。以前建造的開合橋，其齒輪傳動裝置部分或全部處于“開放”狀態，而非封閉在機殼內。

3.2.2 輔助驅動裝置

當輔助驅動裝置不工作時，它們支撐著活動式橋跨使其承載活載荷。輔助驅動裝置的組件通常為機電驅動，但也有液壓驅動。

在開合橋橋體位置變換前后，輔助機械如鎖具、楔形裝置、減震器、平衡輪和對中裝置等起到固定橋體結構的作用，這些機械裝置的具體性能取決于設計細節及其配置。雙葉豎旋橋上的輔助設備能使活動荷載在橋葉間轉移，大多數鎖具安裝在兩橋葉間，使轉移垂直剪切力變得更為方便。

輔助機械設置有時還被固定在特定位置用來轉移活載力矩，歐洲的一些橋梁和哈德斯蒂-漢諾威公司的最近設計中就采取此種做法。另外升降橋或單葉豎旋橋上的輔助設備還可用來協助活動式橋跨就位。平旋橋上的楔形裝置或升降系統可發揮特定的活載功能從而保證活動式橋跨的有效開合。

3.3 電氣系統

開合橋的電力系統由配電系統和控制系統兩部分組成。電機驅動的開合橋由工業型電源或自帶的發電機組（或二者結合）進行供電。電力通過商業電氣元件如斷路器、保險絲、變壓器和電機控制中心等分配到電動機、照明面板以及控制組件上。

圖7 紐約布魯克林海洋公園路垂直升降橋

圖8 鐵路平旋橋

圖9 原先的紐約市第三大道平旋橋和施工中的新第三大道橋

開合橋電氣系統的設計主要考慮控制系統和橋跨電機控制裝置。橋跨電機控制裝置（也常被稱作橋跨驅動器）通過一定的速度和力矩使電機進行開合橋的操作控制。以下是四種主要的橋跨電機控制裝置：二次電阻控制器、主晶閘管（可控硅整流器）驅動器、再生直流驅動器和流矢量驅動器。

二次電阻控制器是一種不可調驅動系統，由交流繞線式電機和電流接觸器組成；可控硅整流驅動器具有速度控制、力矩控制和反力矩的功能；直流驅動器使用與交流可控硅整流驅動器類似的鎖緊力矩、反力矩控制和反饋電路，可對直流電機進行無級、可編程調速。隨著流矢量驅動器在開合橋上越來越多的運用，流矢量驅動器代表了最新的變頻驅動技術。

電氣系統的冗余度分析通過判斷哪些子系統最為關鍵并提供備選操作方案得出，這些子系統包括電源、橋跨驅動器、電機及其控制系統。這些子系統的冗余度為水上電力用戶、公路和鐵路電力用戶提高了電力系統運行可靠性。2000年版《AASHTO荷載和抗力系數設計規范—公路開合橋設計規范》[2]對電氣系統的各常見組件如發電機組、轉換開關、變壓器、電機控制中心、電機及其驅動器，其他電力配電設備以及這些組件在開合橋上的運用進行了概述。

4 豎旋橋

哈德斯蒂-漢諾威公司新設計了一座12車道的豎旋橋來取代原先的橫跨華盛頓特區托馬克河的伍德羅·威爾遜橋。新橋包含4個并排雙葉活動式橋跨，每個橋跨的耳軸中心間距均為270英尺（82m），整體橋寬達249英尺（75.8m）。該豎旋橋橋跨支撐在V型混凝土橋墩上，整個橋跨結構包括復合混凝土橋面，抗彎距橋跨鎖緊裝置，橋梁葉片獨立操控或成組操控裝置等。該橋的設計考慮了未來的交通增長需求。

圖5是弗吉尼亞州諾福克市的伯克利豎旋橋，該橋建設由弗吉尼亞運輸部（VDOT）承攬，哈德斯蒂-諾威公司負責項目研究、橋體拓寬的初步設計和最終設計、以及新的雙葉豎旋橋設計。該項目成功建成后可將原先的通行能力I-264提升一倍。屆時大型海軍艦可以輕松通過150英尺（45.72m）寬的航道。

5 升降橋

圖6是新湯姆林森垂直升降橋及其施工現場，該橋由哈德斯蒂-漢諾威公司設計，位于康涅狄格州紐黑文市。

海洋公園路垂直升降橋（圖7）坐落于紐約，該橋連接布魯克林和康尼島，是一個美麗的城市名片。

6 平旋橋

圖8是一座完全通航鐵路平旋橋，位于美國康涅狄格州。始建于1901年的威利斯大道平旋橋，連接紐約市曼哈頓和布朗克斯兩區。平均每天有多達70000輛汽車從這座橋上經過。目前，哈德斯蒂-漢諾威公司公司正在設計一座新橋，替代舊橋。該項目總長度大約1英里（1609 m），包括主干線、羅斯福匝道及布魯克納大道匝道。

圖9是原先的第三大道平旋橋以及由哈德斯蒂-漢諾威公司設計的新橋施工現場。

[1] AASHTO 公路開合橋標準規范[S].華盛頓,美國國家高速公路和交通運輸協會,1988.

[2] AASHTO 荷載和抗力系數設計規范—公路開合橋設計規范[S].華盛頓,美國國家高速公路和交通運輸協會,2000.

[3] 霍爾&凱里.活動式長跨鋼橋,紐約,1943.

[4] 考格林.可開合橋梁工程,新澤西州霍波肯,2003.

[5] 沃德爾.橋梁工程.紐約,1916.

[6] 奧特布朗特,殷北里,伯斯蒂爾.開合橋的地震分析.紐約,2003.