浮桥介绍

国外浮桥研究现状及设计理念主讲人：赵存宝高工单位：国防交通研究所报告内容一.国外浮桥的历史二.国外跨越水体障碍的设施类型三.国外现代永久性浮桥介绍四.浮桥组成及各部名称介绍五.浮桥设计和分析的要点六.浮桥设计基本方案中的考虑要点七.浮桥基本设计原理九.浮桥材质八.浮桥设计载荷十.浮桥极限状态十一.浮桥具体设计和分析建造浮桥的目的一般分为两类：一种是出于满足军事战备或抢险救灾的需要为目的。由于浮桥以浮动基础来代替复杂的水下固定基础，便于架设，便于拆除，更便于疏散隐蔽和装车运输，具有较突出的快速性和机动性。在战时能克服江河障碍，保障铁路和公路运输，平时能克服洪水灾害，进行快速抢修和救灾等，或者迅速沟通两岸以输送各种大规模建设物资，是一种短期灵活高效的应急手段，所以对此类浮桥进行理论和实验研究有着极为重大的现实意义。另一种目的主要出于经济性考虑，即当现场的水深很大或水底非常柔软时，建造传统桥墩就不太合适。而此时利用水的自然浮力，既不需要传统桥墩也不需要良好地基的浮桥就成为较好的选择。根据Lwin的研究，对于2-5m宽，30-60m水深，柔软水底厚度达到30-60m的情况，建造浮桥的成本据估计要少于建造固定桥、隧道或地道成本的五分之三。国外许多永久性浮桥的建造多出于这方面原因。一.国外浮桥的历史世界上第一座浮桥可以追溯到4000年前的舟桥。大约公元前480年，波斯薛西斯王(Xerxes)率领百万军队跨越达达尼尔海峡时，搭建了两座浮桥，每座浮桥由300只船并排组成。军用浮桥在现代是用来运送士兵、车辆和高科技原料制成的军火弹药。美国在1874年，一座124m长的可移动木制浮箱型铁路浮桥在威斯康星州的密西西比河上建成，后来几经重建，直至最后废弃。美国佛蒙特州的布氏(Brookfield)浮桥目前仍在使用，这座桥经过了7次修建，是一座98m长的木制浮桥。1912年，在伊斯坦布尔水深40m的黄金号角(GoldHorn)河上建起来一座钢质浮桥，叫加拉塔(Galata)桥，共使用50只浮箱，并逐个铰接连起来。在1992年，发生火灾加拉塔桥被完全烧毁，但是人们很快就在原始桥的旁边位置又建起来一座新桥。沉没的浮桥残骸被打捞上来并被存放在上游。二.国外跨越水体障碍的设施类型图1浮桥：a.连续浮箱型浮桥；b.分离浮箱型浮桥；c.半潜式基础；d.重力基础桥；e.长跨距分离型浮式基础浮桥由于国外关于民用永久性浮桥建筑技术比较成熟，所以下面主要讨论这类浮桥。根据空间位置，跨越水体障碍的建筑设施主要划分为如下几种类型，如表1和图1所示。表中类型1是水下隧道，如日本的多佛尔海峡隧道和Seikan隧道。类型2是一种沉没隧道，这是一种常见的形式，如日本的大阪湾和东京湾就建有此类设施。由于类型3-5是半潜式浮桥或悬浮式隧道和潜式或半潜基础的浮桥是一些新型的结构，故已建成的项目相对来说较少，如在挪威的Hfgsjord和日本北海道的火山湾有这样建筑。类型6是一种带式连续浮箱基础的浮桥，如加拉塔桥，Bergsoy桥，Northordland桥及Yumenmai桥（如图1e所示）。第一座在土耳其，第二座和第三座是在挪威，最后一座是在日本。对于类型7，是一种连续浮箱梁式桥，其中第一、二、三华盛顿湖桥和胡德运河桥就是典型的这类桥。类型8是一种很特殊的类型，大田等曾主持设计过。三.国外现代永久性浮桥介绍西雅图1940年，在西雅图建起了一座2018m长的浮桥，华盛顿湖1号桥，也叫LaceyV.Murrow桥，见图1，这座桥使用的是混凝土浮箱梁。1961年又建起了胡德运河桥，1963年的华盛顿湖2号桥，也叫EvergreenPoint桥，1989年的华盛顿湖3号桥，又叫HomerHadley桥。正如前面所提到的，最初的LaceyV.Murrow桥耗资是其他桥的5倍。图2分别给出了华盛顿湖2号桥（左边）和华盛顿湖3号桥（右边）的照片。图3给出了胡德运河桥的照片。华盛顿湖1号桥在1990年维修期间事故性沉没，于1979年重建。胡德运河桥于1979年被一场剧烈的暴风雪毁坏而沉没，于1983年重建。这些桥的风格属于表1中的类型7。图1.华盛顿湖1号桥（LaceyV.Murrow桥）图3Hood运河浮桥加拿大加拿大在Okanagan湖上建起了一座640m长的基洛纳浮桥，并于1958年通车（双车道）。采用与建华盛顿湖浮桥相似的方法，于1998年在夏威夷瓦胡岛的珍珠港建起了一座浮桥，名叫福特岛桥，如表3所示。挪威挪威是一个山区国家，具有长长的海岸线和大量海湾。而海湾带给人们一道美丽的风景。由于巨大的水深，架设普通桥存在相当的困难。由于在北海油井的开发，挪威人已经着手开发近海岸结构资源。对于近海岸结构的设计技术和经验已经被应用到浮桥技术创新方面。1992年，在克里斯蒂安附近的Bergsoyfjord架设了Bergsoyfjord浮桥，该桥水深320m，总长845m，水平弯曲曲率半径为1300m，共使用了七个混凝土浮箱基础，上面梁采用钢管桁架结构，见图4。图4Bergsoysund浮桥这种曲线梁结构可以大大缓解水流和水波对浮桥倾侧运动的影响。在上部结构使用圆形构件具有很好受力的效果,这是因为当水流由圆弧外侧过来或方向相反时，它能起到拱肋的作用或作为一种类似有效的悬链索，而且其结构刚度也远高于相同横截面的桁架。由于上部结构作为拱肋或悬链索的作用，水力负荷可以被有效且明显地转化成构件的轴向力，而且浮动部分端部的反作用力仅通过一根柔性杆连接到陆地上的桥墩上。柔性杆适当的柔性可以吸收由于潮汐变化引起的相对垂直位移。1994年，在卑尔根附近的Salhus建成第二座浮桥，叫Nordhordland(诺赫德兰)桥，水深500m。为了提供通航航道，在长1246m的浮动部分连接上一座斜拉桥。斜拉桥的长度，通航宽度和间距分别是350m，50m和32m。这座桥的基本设计理念是与Bergsoysund桥相同，如最小曲率半径为1700m，上部结构是钢箱梁，连接浮动部分与端部桥墩的柔性板代替柔性杆。柔性板传递扭矩、剪力和轴向力，并且提供柔韧性以吸收由潮汐引起的垂直位移。图5分别给出了Nordhordland桥的照片图像。英国在英国伦敦，主要在港口建成了一些人行桥，其中较大的有一座长90m的浮桥，叫西印度码头人行浮桥，它像一个巨大的溜冰场，见表3。图5诺赫德兰浮桥日本大阪在一条水道上建成了一座主跨为280m，总长400m的摆式拱形浮桥，该桥由两个中空的钢制浮箱支撑,见图6和表3。这座浮桥是Yumemai桥的一部分，该桥全长940m，用于连接两个人造岛区路网。设计中具体考虑了水波、风、地震、摆动机构和耐久性等因素。双拱肋桥有38.8m宽，提供6车道通行。这个桥可绕着梁端附近的枢轴摆动。通过在湿水面加添钛板，利用阴极保护法来防止浮箱湿面的腐蚀。锚泊系统由带有可移动边墩和橡胶防护舷的锚船桩群组成。边墩固定在桩上并插入海底。该结构设计强度和稳定性足以抵抗台风级的风和浪。浮桥的摆式系统，见图7，允许大吨位船只一年通过几次水道。摆动操作通过插入一个旋转轴而托起过渡段桥。然后，边墩由锚泊位置释放，通过拖船拖动，桥绕旋转轴旋转。在旋转后，桥被临时锚泊在开放海域。逆向操作程序，就可把浮桥复位。图6aYumemai浮桥方案图图6bYumemai浮桥计算机模拟图图7Yumemai浮桥的摆动机构图8建造中的Yumemai浮桥四.浮桥组成及各部名称介绍图9浮桥的各部名称图11浮桥锚桩各部名称图10浮桥锚链各部名称五.浮桥设计和分析的要点目的是为了说明浮桥设计和分析的程序。由于浮桥仅是桥梁的一种特殊形式，所以浮桥的设计也应该遵循通用桥梁的一般设计原则，但也需要提出一些针对浮桥的具体标准。日本防腐蚀工程学会JSCE(是TheJapanSocietyofCorrosionEngineering的英文缩写)基于性能设计格式已经出版了设计指导书。表4是根据指导书概括出主要设计程序。六.浮桥设计基本方案考虑要点路况：路况的细节，如分类、设计速度、宽度、净空界限、车道等应按道路组织规划图来设计。性能：浮桥最终性能应由在自然载荷作用下，如风、水波、流速、车辆交通等，浮桥的动力学响应特征来判断。浮桥结构：对于浮桥结构设计，应该考虑桥体结构，支撑结构，如在高潮汐、低潮汐时或在最大流速情况时水位变化和浮桥结构的运动情况。浮桥图纸：桥的设计图，如浮桥位置和类型，应遵循治理该水域的一些原则。设计图还应包括日常维护和管理要求，以确保浮桥高性能运转，同时还应有耐用结构、检查和管理设施说明书。环境：在浮桥设计过程中，通过充分观测和研究现场水位来合理地确定河床的高度。重视桥周围的环境因素，这些因素包括黄河水深度，潮汐变化，流速，风速，风向，水波，渗盐情况，地基条件，浮流物，动物和植物。浮桥的位置和类型设计应考虑区域规划，包括在自然灾难条件下的疏散路线等。如果需要设置航道通过浮桥段，需考虑航道的宽度，余隙，深度等条件。浮桥在现场环境的建筑因素也要研究，以尽可能降低其影响。这些因素包括水的流速，动植物及其他环境因素。七.浮桥基本设计原理遵循的原则：性能目标与用途，安全，耐用性，质量，易于维修和管理，与环境相和谐，经济性等指标相一致。选择结构类型：应考虑地形,地质和地理等条件.浮桥结构数量和全局系统都要满足强度,变形和稳定性等指标要求。浮桥的使用寿命对环境条件和自然载荷（如风，水波，水流，潮汐变化，湖面次波动）和腐蚀等因素非常敏感。在低循环成本条件下，浮桥的使用寿命一般期望是75-100年。按照重要性分类，浮桥分为标准型和特别重要型，也即A型浮桥和B型浮桥。表5根据其重要型分别进行了分类。表6给出了浮桥状态性能等级分类。状态性能水平为0主要是与其他性能水平1-3相比而言的。针对交通负载，暴风浪，海啸和地震等，浮桥被设计成几种性能级别。根据重要性系数，浮桥设计时应保证具有表7所列出的对应目标性能水平，如负载载荷、暴风浪、海啸及地震等。八.浮桥设计载荷设计载荷主要包括：静载荷，动载荷，冲击载荷（例如碰撞等），土压力（如锚泊系统里锚桩对浮桥的作用力），流体静压力（包括浮力），风载荷，水波因素（包括膨胀因素），地震因素（包括流体动压力），温度变化因素，水流因素，潮汐变化因素，基础变形因素，支座运动因素，雪载荷，离心荷载，海啸因素，暴风潮因素，湖面波动（次波动），船激波，海震，制动载荷，装配载荷，碰撞载荷（包括船舶碰撞），浮冰因素和浮冰压力，沿岸运输因素，漂移物体因素，水体等级因素（侵蚀和摩擦）和其他载荷。表8将这些载荷分为主要载荷P，次要载荷S，等价于主要载荷的特殊载荷PP，还有等价于次要载荷的特殊载荷PA。这些载荷中有些也许不是很重要，但主要设计载荷应包括载荷1，2，6，7，8，11，12，16，17，22和23。浮力、水波、风及重现周期浮桥设计过程中，潮汐、海啸、风暴潮等引起的水位变化是控制载荷之一。设计中应考虑风向垂直浮桥轴线情况。风吹过水面时，产生的波浪会对浮桥产生水平方向，竖直方向和扭转载荷。这些载荷取决于风速，风向，持续时间，吹程（风区长度），水道构造和水深。设计风速是指水面上空10m高度处10分钟时间内的平均速度。对于风和地震等自然载荷在许多情况下就成为关键因素。在讨论自然载荷的频率时，常使用重现周期这个概念。主导自然载荷（如风速等）的非超过数概率PN可由重现周期和期望使用寿命来得到：在许多情况下，Q或T一般假设取为0.5-1。这样，由方程1可知，非超过数概率，也就是设计载荷不出现在使用寿命期间的概率，预计为60%或略低于40%。由于100%的概率对应于事件不可避免地出现，所以从风险管理角度出发，大约50%的概率看上去比较合理。而0概率对应的是为永远不出现的事件投资额外或浪费的钱。以可靠统计记录看出和考虑到危机事件（通常假设100年一次），50年的使用寿命是合理的。Yumemai浮桥就是这种情形。另外，就建在日本的钢桥而言，平均寿命寿命是30年，然后经过尽可能修复可再使用30年。因此，钢桥总的设计寿命大约为60年。为了安全，桥上交通应根据风速进行控制。如遇上20年一遇的风暴天气