舟山連島工程西堠門大橋活動風障設計與實現

呂康凱

【摘 要】闡述了西堠門大橋獨特的地址環境和惡劣的自然環境下活動風障的設計技術要求和實現的方式，有力的保護了西堠門大橋的通車安全和大橋安全。其獨特的設計模式大大的提高安全系數。

【關鍵詞】活動風障；控制；監控；通信

0 引言

舟山大陸連島工程由岑港大橋、響礁門大橋、桃夭門大橋、西堠門大橋和金塘大橋等五座跨海大橋及接線公路組成。起于舟山本島，途經里釣島、富翅島、冊子島、金塘島，于寧波鎮海煉化廠西側登陸，按高速公路標準建設，全長約50公里，其中橋長約25公里，總投資逾百億元。

西堠門大橋是舟山大陸連島工程的第四座跨海大橋。建設中的西堠門大橋跨越西堠門水道，連接冊子島和金塘島。按照工程設計，該橋全長2948米，行車道跨度24.5米，雙向四車道， 通航等級為30000噸級，通航凈高49.5米，通航凈寬630米，主跨采用485米+1650米+578米的懸索橋方案，該跨徑在目前懸索橋建設中位居世界第二、國內第一。

西堠門大橋地處我國沿海高風速帶、受臺風影響頻繁的舟山群島，一年四季均可出現大風天氣，以冷空氣大風（俗稱季風）和熱帶氣旋（風力≥12級即為臺風）大風為主。11至次年3月和8～9月為大風最為集中的時段，占年大風日數的7成左右，其中11月至次年3月主要受冷空氣影響產生的大風， 8～9月則主要受熱帶氣旋產生的大風。風況復雜，風速大，風環境非常惡劣。工程區域基本風速為41.12米/秒。根據我國《公里橋梁抗風設計規范》（JTG/TD60-01-2004）第4.1.3條規定，橋面安全行車風速為25m/s。浙江省高速公路管理處指定的高速公路管理規定中明確規定，高速公路通行的最大風速為25m/s。為了適當提高臺風和季風盛行地區跨海橋梁的通行標準，并兼顧目前舟山地區海上渡輪的最大通航風速為10級，建議將西堠門大橋通行的最大風速提高到為27m/s，略高于10級風（24.5m/s～28.4m/s）的均值26.5m/s。

根據研究發現，橋面設置3.0m高度、5根矩形斷面（200mm×80mm）橫桿的風障后，安全行車基本風速27m/s，橋面等效風速控制為25m/s。但推薦風障結構的阻力系數CD為1.98，遠大于設計所用的CD值（1.1），大橋結構將無法承受。因此，風障必須采用活動形式。根據氣象預報，在結構允許時風障立起擋風，保障行車，提高通行能力；當結構受力將不能承受時風障放倒，降低風阻系數，確保橋梁安全。

1 設計實現

西堠門大橋活動風障控制系統設計內容包括：風障的供電方案、配電系統、控制系統、監控系統、 通信系統。

（1）供電方案

西堠門電動風障活動單元供電需求：每1個獨立動作單元包括1臺三相電機，每個獨立單元劃分為一個供電區間。每個供電區間的功率為12.0KW。每個供電區間依次輪流供電。每個供電區間內的獨立活動單元相互之間并聯。

（2）配電系統

鋼箱梁段供電設施有北錨變電站、鋼箱梁內間隔布置的地埋式變配電設施、南塔變電站。采用鋼箱梁內間隔布置的地埋式變配電設施供電，可以實現就近分段供電，減小低壓供電半徑，采用北錨和南塔變電站供電，2座站分段供電，各供半座橋。另外考慮風障主要應對惡劣臺風天氣，在需要運行時，外部供電電源受到臺風影響可能無法正常供電，為了保證風障電力，在鋼箱梁兩端分別預留發電電源連接的轉接口，當市電不能正常供電時，通過2臺50KW的移動發電機供電。

控制系統

西堠門電動風障的控制需求：在風障水平或豎直位置時，切斷電機電源，在風障轉動時，接通電機電源。風障按兩級進行控制，一級為供電區間電源的投切控制，二級為活動單元的運行控制。

1）一級控制要求：可以對所有風障發布指令，按順序各區間依次運行。在當前區間風障轉動到位后，自動切斷電源，同時開始為下區間供電，即，系統只對正在運行的區間供電；在起始亦可以選擇對某區間獨立供電。參照工藝單位提供的資料。

2）二級控制要求：每個供電區間的獨立活動單元分別獨立控制。接收到上層運行信號后，各個獨立活動單元同時動作。參照工藝單位提供的資料。

（3）監控系統

活動風障控制系統主要是對西堠門大橋鋼箱梁段的活動風障的各個活動單元、各個區間配電單元的遙信、遙控。

①單獨遙控

改變某一對象運行狀態的控制，包括活動風障單元操作（升/降/停）控制、區間電源的投入/切除等操作控制。

②模擬操作

系統支持圖形、符號、顏色的不同區分各種信號狀態。可對各活動風障單元和區間配電執行元件（交流接觸器）進行不下位模擬對位操作。并用不同符號或顏色區別于正常狀態。

③系統聯動控制方式

根據氣象站發布的氣象預報信息或西堠門大橋氣象檢測器的實測信息，進行分析判斷，當分析大風將要到來或已經過去時，發出相關告警提示信號，并實時聯動活動風障進行相關操作。

（4）通信系統

風障控制系統三層通信網絡結構：操作層、通信層、控制層。活動單元層（多回路邏輯可編程I/O單元――設于現場單元配電控制箱內）→區間單元層（邏輯可編程I/O單元――設于現場區間配電控制箱內）共同組成操作層；通行管理機→百兆交換機共同組成通信層；設于監控中心的活動風障工作站為控制層。

2 操作層

2.1 活動單元層

活動單元層通過各活動單元配電控制箱內的智能MCC測控保護裝置，遙測、遙信、遙控各個活動風障。同一配電區間內的各活動單元配電控制箱內智能MCC測控保護裝置通過光纖連接形成現場操作層的底層―活動單元層。

2.2 區間單元層

區間單元層通過各區間配電控制箱內的智能MCC測控保護裝置，遙測、遙信、遙控各個區間的配電。區間配電控制箱內的區間管理裝置具有對本區間內各個活動單元的邏輯管理控制功能，充當本區間的管理者。同一供電回路的各區間配電控制箱內區間管理裝置通過光纖連接形成現場操作層的第二層―區間單元層。

3 通信層

通信層通過各通信管理機和工業以太網交換機將操作層采集的信號上傳到監控中心的活動風障監控工作站，將風障監控工作站的控制指令下傳至操作層進行控制操作。

4 控制層

控制層通過活動風障監控工作站將操作層采集的信號、氣象預報信息、西堠門大橋氣象檢測信息進行分析，顯示風障工作狀態、下發各種控制指令。

5 結語

西堠門橋位處水文、地質、氣候條件復雜的海域，其獨特的地理環境加上及其惡劣的自然環境使得建設施工上面遭遇重重難關。但是在全體大橋建設者堅持理念創新、管理創新和科技創新，實施精細化管理，不斷攻堅克難關，活動風障是其中創舉之一。自從風障施工完畢后，根據風向和風速情況，適時的豎起和放倒風障，減少大橋振動幅度，保障了行車安全，同時也確保橋梁安全！實踐表明，該設計符合西堠門獨特地理環境和惡劣的自然環境。系統運行良好！有力的保障了大橋的安全。

【參考文獻】

[1]《工業與民用配電設計手冊》第三版，中國電力出版社.

[2]《智能建筑設計技術》第二版，同濟大學出版社.

[3]《建筑電氣安裝工程圖集》第二版，中國電力出版社.

[4]《SCADA監控與數據采集軟件系統的設計與開發》 機械工業出版社.