機(jī)場(chǎng)進(jìn)近燈光橋設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題

藍(lán)浩華

【摘要】機(jī)場(chǎng)助航燈光在山地、坡地上建設(shè)時(shí)，通常會(huì)設(shè)置進(jìn)近燈塔使進(jìn)近燈能夠保持在一定的水平高度上。但進(jìn)近燈塔經(jīng)常會(huì)因建設(shè)地點(diǎn)落在懸崖、河流、市政公路等位置時(shí)無(wú)法建設(shè)，且燈塔高度較高時(shí)人工檢修非常困難。近年來(lái)進(jìn)近燈光橋因能夠跨越障礙物，且檢修方便，在部分機(jī)場(chǎng)逐漸開始普及。進(jìn)近燈光橋結(jié)構(gòu)形式為鋼桁架橋，該橋的主要功能是在橋面安裝機(jī)場(chǎng)助航燈桿并提供檢修通道。橋面寬度2.5米至3米，根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地地形，鋼橋敦高度10米至100米，橋梁跨度60米至90米，橋長(zhǎng)最大900米。現(xiàn)行民航規(guī)范中僅有進(jìn)近燈塔的相關(guān)條文，尚未有進(jìn)近燈橋的設(shè)計(jì)及驗(yàn)收條文。

本文通過(guò)某機(jī)場(chǎng)燈光橋設(shè)計(jì)案例，對(duì)進(jìn)近燈光橋不同于進(jìn)近燈塔設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】機(jī)場(chǎng)；鋼桁架；進(jìn)近燈光橋

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.101

1、工程案例概況

以某4C級(jí)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目的鋼桁架燈光橋?yàn)槔ㄔO(shè)場(chǎng)地位于山丘，本工程新增燈光帶總長(zhǎng)540米，鋼桁架燈光橋長(zhǎng)580米，平均跨度70米，鋼桁架走廊寬3米，高3米，最大鋼塔柱高度85米，最小鋼塔柱高度10米。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年，當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.35kN/m2，覆冰荷載15mm，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，場(chǎng)地類別II類，根據(jù)地勘報(bào)告建設(shè)場(chǎng)地為抗震不利地段，水平地震影響系數(shù)增大系數(shù)為1.2。

2、機(jī)場(chǎng)進(jìn)近燈光橋風(fēng)荷載的計(jì)算

現(xiàn)行民航規(guī)范中沒(méi)有關(guān)于燈光橋的內(nèi)容，《民用機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[1]MH/ T5012-2010中僅有進(jìn)近燈塔安裝工程的驗(yàn)收條文，燈光橋的設(shè)計(jì)只能參照橋梁及建構(gòu)筑物的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 靜風(fēng)荷載計(jì)算

進(jìn)近燈光橋從結(jié)構(gòu)形式上更接近于人行天橋，但功能和荷載分布形式則是用于安裝設(shè)備及檢修設(shè)備的構(gòu)筑物。取鋼塔柱高度85米斷面，風(fēng)荷載按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]GB50135-2019與按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG/T3360-01-2018進(jìn)行計(jì)算比較如下：

（1）按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]GB50135-2019計(jì)算：

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

wk=βzμzμsw0=βz*1.93*2.4*0.35*1.2（地形修正系數(shù)1.2）=βz*1.95kN/m2

桁架單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載βz*1.95*An=βz*1.4kN/m

式中：An——桁架梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度投影面積，取值0.72m2；

βz——高度z處風(fēng)振系數(shù)，為比較靜風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果暫不取值；

w0——基本風(fēng)壓=0.35kN/m2，基本風(fēng)壓地形調(diào)整系數(shù)η=1.2；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)。

（2）按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG/ T3360-01-2018計(jì)算：

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域R3，基本風(fēng)速U10=24.5m/s，

Ud=kfktkhU10=1.0*1.2*1.42*24.5=41.75m/s

等效靜陣風(fēng)速Ug=GvUd=Gv*41.75m/s

桁架單位長(zhǎng)度等效靜陣風(fēng)荷載

Fg=1/2ρUg 2CHAn=0.5*1.25*（Gv*41.75）2*1.8*0.72=Gv 2*1.41kN/m

式中：kf——抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；

kt——抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；

kh——地表類別轉(zhuǎn)換及風(fēng)速高度修正系數(shù)；

Gv——陣風(fēng)系數(shù)，為比較靜風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果暫不取值；

CH——橫向力系數(shù)；

ρ——空氣密度。

不考慮陣風(fēng)系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)時(shí)，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是基本一致的，但是考慮風(fēng)振、共振時(shí)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的計(jì)算方法上就有很大的差異，阻尼比的取值也不相同，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]阻尼比取值0.01～0.02，《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]鋼桁架取值0.005。

2.2 渦激共振

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]本案例橋梁渦激共振振幅限值如下：

（1）豎向渦激共振振幅限值

Hv<γv*0.4/fv=0.8*0.04/3.2=0.01m

（2）扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅限值

Θt <γv* 4 . 5 6 / （ B * ft） = 0 . 8 * 4 . 5 6 /（3*0.8）=1.52°

規(guī)范中給出了跨徑小于200m的實(shí)腹式橋梁渦激共振的計(jì)算公式，對(duì)圓鋼管桁架并不適用，燈光橋的渦激共振需要通過(guò)模擬風(fēng)洞試驗(yàn)才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

另外《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對(duì)風(fēng)振舒適度的控制標(biāo)準(zhǔn)，行人通行功能的橋梁抖振或渦激共振引起的豎向加速度峰值不宜超過(guò)1.1m/s2；而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]只有室內(nèi)走廊的豎向加速度峰值限值為0.15m/s2。考慮燈光橋僅作為檢修用途，通常只有檢修人員行走，當(dāng)豎向加速度峰值1.1m/s2時(shí)，應(yīng)能達(dá)到中等舒適。

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)

進(jìn)近燈光橋作為機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的重要組成部分，且體型較為復(fù)雜，建設(shè)場(chǎng)地的地形比較多樣，雖然按橋梁及構(gòu)筑物都有相應(yīng)的計(jì)算方法，靜風(fēng)工況的計(jì)算結(jié)果基本滿足實(shí)際使用的要求，但燈光橋與鋼鐵塔、人行天橋依然有很大不同，規(guī)范對(duì)該類橋沒(méi)有專門的定義，考慮風(fēng)振、共振等情況進(jìn)近燈光橋應(yīng)進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，才能得到合理的計(jì)算參數(shù)及驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，這也是符合《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的相應(yīng)說(shuō)明的。

3、機(jī)場(chǎng)進(jìn)近燈光橋溫度荷載的計(jì)算

進(jìn)近燈光橋作為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，而且長(zhǎng)期曝露在室外環(huán)境中，溫度荷載也是主要的控制荷載。

案例當(dāng)?shù)厝兆畹蜌鉁?4.5℃，最高30.5℃，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]計(jì)算：

Ts，max=41.5℃（考慮太陽(yáng)輻射影響+11℃），Ts，min=-4.5℃

T0，min取12.5℃；T0，max取17.5℃

計(jì)算升溫ΔTk=Ts，max-T0，min=41.5-12.5=29℃

計(jì)算降溫ΔTk=Ts，min-T0，max=-4.5-17.5=-22℃

3.1 支座剛接溫度作用計(jì)算

采用有限元計(jì)算，溫度作用單工況桿件軸力分布圖如圖2。

支座1與支座2承受了最大的水平反力，支座1最大水平反力498kN，支座2最大水平反力692kN。全橋溫度工況最大軸力3500kN，最大位移80.5mm。支座1與支座2的桿件應(yīng)力非常大，基礎(chǔ)需要承受巨大的水平力。

3.2 支座滑動(dòng)溫度作用計(jì)算

如在支座1和支座2設(shè)置位移50mm的滑動(dòng)支座，有限元計(jì)算溫度作用單工況桿件軸力分布如下圖3。

此時(shí)支座水平反力變得相對(duì)均勻，支座1的最大水平反力降到85kN，支座2的水平反力110kN。全橋溫度工況最大軸力600kN，最大位移90mm。

可見對(duì)燈光橋這種超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)支座的設(shè)置是非常必要的，它可以有效減小桁架橋溫度變化引起的伸縮變形產(chǎn)生的支座反力及由此產(chǎn)生的桿件應(yīng)力，使得全橋的內(nèi)力分布更均勻合理。

4、機(jī)場(chǎng)進(jìn)近燈光橋位移及撓度的控制

4.1 水平位移限值

民航規(guī)范中對(duì)進(jìn)近燈塔的水平位移并沒(méi)有明確的規(guī)定。《民用機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[1]第11.2.6條規(guī)定：組立后燈塔垂直偏差小于或等于塔身高度h的3‰，撓曲度偏差小于塔身高度h的7‰。《高聳結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[4]第5.7.6條規(guī)定：塔架整體垂直偏差：當(dāng)H小于或等于75000mm時(shí)，不得大于H/1500；當(dāng)H大于75000mm時(shí)，不得大于（50+（H-75000）/4000）mm。可見《高聳結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[4]的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于《民用機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[1]的要求。《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中規(guī)定鋼塔按線性分析的位移角限值為1/75，按非線性分析限值為1/50，實(shí)際設(shè)計(jì)中的位移角通常不到1/200。當(dāng)采用燈光橋時(shí)，因塔柱的相互約束作用，采用燈光塔時(shí)位移角更小，所以燈光橋在滿足結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的情況下，基本也能滿足燈光系統(tǒng)的使用要求。

4.2 撓度控制

燈光橋相對(duì)于燈塔增加了撓度對(duì)燈光系統(tǒng)的影響，但燈光實(shí)際安裝在易折桿上，所以只要調(diào)整易折桿的高度就能使燈光系統(tǒng)保持在設(shè)計(jì)水平標(biāo)高上。在實(shí)際施工時(shí)，可在橋梁工程完工后根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果調(diào)整易折桿的支座標(biāo)高使燈光的安裝精度更高。

5、機(jī)場(chǎng)進(jìn)近燈光橋的不均勻沉降

燈光橋?qū)艄馑M(jìn)行串聯(lián)后，不均勻沉降就成為了必須考慮的問(wèn)題。燈光橋的建設(shè)場(chǎng)地比較復(fù)雜，在山丘上時(shí)持力層通常為風(fēng)化巖，在跑道端則可能為厚填土，在遠(yuǎn)端平地可能以粘性土為主，再考慮山丘水土流失的可能性，燈光橋宜采用樁基礎(chǔ)，但地質(zhì)條件較好時(shí)也可采用淺基礎(chǔ)。本案例的淺層土層性質(zhì)差異較大，埋深各不相同，采用淺基礎(chǔ)沉降較難控制，局部需要進(jìn)行深基坑開挖，再考慮重型設(shè)備較難搬運(yùn)且施工作業(yè)面的要求較大，本工程采用了人工挖孔樁，持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖，樁長(zhǎng)約10米。人工挖孔樁需編制危大工程施工方案并進(jìn)行專項(xiàng)論證，整體施工進(jìn)度較慢，但控制不均勻沉降的效果較好，施工可行性較高。

結(jié)語(yǔ)：

以上對(duì)進(jìn)近燈橋設(shè)計(jì)的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，除此以外燈光橋的合理跨度設(shè)置、燈具及易折桿與橋體共振、施工方案、經(jīng)濟(jì)性分析都是燈光橋設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題，燈光橋相對(duì)燈光塔有更多的設(shè)計(jì)問(wèn)題及施工問(wèn)題需要研究解決。燈光橋能夠很好的解決復(fù)雜地形助航燈光系統(tǒng)的建設(shè)難題，也能使機(jī)場(chǎng)員工更輕松更安全的對(duì)助航系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)，為航路安全提供高效可靠的保障，在今后的機(jī)場(chǎng)建設(shè)中進(jìn)近燈橋的應(yīng)用會(huì)更加普及，只有考慮更全面、研究得更細(xì)致才能設(shè)計(jì)得更安全。針對(duì)進(jìn)近燈橋的行業(yè)設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范也應(yīng)盡快出版，避免實(shí)施過(guò)程中缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)。

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