長江三峽水利樞紐升船機(jī)活動橋設(shè)計(jì)研究

毛明令 楊 立 丁正忠 袁 鈮

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

1 工程概況

長江三峽水利樞紐是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等巨大綜合效益。

三峽升船機(jī)是客貨輪和特種船舶的快速過壩通道，布置在樞紐左岸，位于雙線五級船閘右側(cè)、左岸7#、8#非溢流壩段之間，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等部分組成，從上游口門至下游口門全線總長約5.00km。與雙線五級船閘聯(lián)合運(yùn)行，加大樞紐的航運(yùn)通過能力和保障樞紐通航的質(zhì)量［1］。

三峽升船機(jī)的過船規(guī)模為3 000t級，最大提升高度113.00m，上游通航水位變幅30.00m，下游通航水位變幅11.80m，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快的特點(diǎn)，是目前世界上技術(shù)難度和規(guī)模最大的升船機(jī)。

2 活動橋的布置與組成

2.1 活動橋的布置

三峽升船機(jī)活動橋布置在上閘首擋水門槽下游，為單葉立轉(zhuǎn)橋，用于連接上閘首航槽兩岸的交通，活動橋?yàn)殡p向單車道公路橋?；顒訕虻燃壈凑展稩I級設(shè)計(jì)，橋體結(jié)構(gòu)全長27.30m，支承跨度22.50m，橋面寬9.00m，其中雙向單車道寬7.00m，每邊人行道寬1.00m，支鉸跨度為6.00m。

水利工程通航建筑物上的活動橋型式主要以垂直升降式和繞水平軸轉(zhuǎn)動的立轉(zhuǎn)式應(yīng)用較多，三峽升船機(jī)項(xiàng)目中的活動橋經(jīng)多方案對比，最終確定為單葉立轉(zhuǎn)式活動橋，該方案的特點(diǎn)是橋梁下方不必預(yù)留固定的通航凈空，而當(dāng)需要通航時(shí)，將航道上方的活動橋開啟，讓出通航凈空以滿足通航要求。

三峽升船機(jī)過船時(shí)，活動橋繞一端的支鉸向上開啟約60°，滿足水面以上18.00m凈空的通航要求。當(dāng)壩頂需要交通時(shí)，關(guān)閉活動橋，橋面高程與壩面齊平，車輛、行人可通過?；顒訕虿贾萌鐖D1所示。

圖1 三峽升船機(jī)活動橋立面圖

2.2 活動橋的組成

活動橋主要由活動橋、固定橋、橋體支鉸座、固定支座、平衡重、緩沖裝置、液壓啟閉機(jī)及液壓泵站、開啟位置的鎖定裝置、電氣控制與檢測設(shè)備和設(shè)備埋件等組成。

活動橋的旋轉(zhuǎn)支鉸座設(shè)在航槽左側(cè)，固定支座與關(guān)橋緩沖裝置布置在航槽右側(cè)。為使活動橋閉合時(shí)與路面順利銜接，在活動橋左側(cè)設(shè)置橋?qū)?.35m的固定橋。鑄鋼平衡重塊懸掛在活動橋體左側(cè)尾部，以平衡部分橋體自重，減小啟閉力。在固定橋下方為平衡重留有足夠空間，以避免橋體啟閉時(shí)平衡重?cái)[動而引起的碰撞。橋體由2×1 000kN雙吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)驅(qū)動點(diǎn)設(shè)在航槽側(cè)距支鉸座4.00m處，通過油缸伸縮使橋體啟、閉?；顒訕蛟陂_啟狀態(tài)由液壓鎖定裝置鎖定，以承受風(fēng)荷載和防止橋體自行下落，鎖定裝置裝設(shè)在橋體的尾端。

液壓啟閉機(jī)和鎖定裝置由液壓泵站集中操作，液壓泵站及其電氣控制設(shè)備布置在閘頂下方的泵房內(nèi)。

3 設(shè)計(jì)條件與主要技術(shù)參數(shù)

三峽升船機(jī)活動橋的主要技術(shù)特性［2］。見表3-1。

表3-1 活動橋主要技術(shù)特性表

4 活動橋的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)荷載的選取

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG60-2004）的規(guī)定，公路橋涵設(shè)計(jì)的作用荷載分永久作用、可變作用和偶然作用三類。結(jié)合工程實(shí)際條件，三峽升船機(jī)活動橋設(shè)計(jì)的荷載選取兩類，第一類為永久作用荷載，第二類為可變作用荷載。由于橋面不考慮后期路面鋪設(shè)，所以永久作用荷載選取橋體的自重；可變作用荷載選取的有：車輛荷載、車道荷載、人群荷載、汽車制動力、汽車沖擊力以及風(fēng)荷載。

4.2 橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋體的主體結(jié)構(gòu)采用實(shí)腹式板梁結(jié)構(gòu)，主梁高度為2.114m。由兩根工字型主縱梁、多根工字型主橫梁、多根u型小縱梁以及橋面鋪板組成。橋體總寬為9.00m，考慮到兩邊各預(yù)留人行通道，主縱梁的間距設(shè)為6.00m，同時(shí)主梁采用了坡度為1：30的變截面形式，這樣即減輕了橋體的自重，也使得橋體的結(jié)構(gòu)重心盡量偏向支鉸中心，減小了橋體開啟時(shí)自重產(chǎn)生的撓曲變形和啟閉阻力距。

橋體結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用了許用應(yīng)力法，對主縱梁、主橫梁、小縱梁以及橋面板等主要承載構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力、剛度以及局部穩(wěn)定的計(jì)算和校核。通過計(jì)算和分析，對橋體局部受集中應(yīng)力的部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，如橋體和支鉸座連接處，橋體與油缸連接處以及鎖定裝置固定處等等。

4.3 橋面鋪裝的選擇

對于活動橋的橋面鋪裝，設(shè)計(jì)時(shí)比較了瀝青混凝土和花紋鋼板兩種材料。由于橋體在關(guān)閉和開啟過程中，橋面將產(chǎn)生交變應(yīng)力，而瀝青混凝土沒有足夠的抗拉強(qiáng)度來適應(yīng)這種交變應(yīng)力，容易導(dǎo)致瀝青混凝土破裂和剝落現(xiàn)象，另外，鋪裝瀝青混凝土的重量較大，對橋體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，還需要增大活動橋的配重和啟閉機(jī)容量，投資成本也較高，故選用了花紋鋼板鋪裝

4.4 橋體支鉸座

橋體支鉸座由鉸鏈、鉸套、軸承、支鉸軸、密封及其附件等組成。由于鉸鏈和鉸套的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用鑄鋼件，材料均為ZG310-570。經(jīng)過比較和計(jì)算，支鉸座的軸承采用的是調(diào)心自潤滑滑動軸承，該軸承可以沿徑向中心擺動一定的角度，以適應(yīng)制造加工和安裝過程的誤差。支鉸軸材料為40Cr。考慮調(diào)心自潤滑滑動軸承的防塵以及防腐蝕，在軸承兩側(cè)設(shè)置了J型橡膠密封圈，通過密封壓蓋固定。

4.5 啟閉機(jī)械和鎖定裝置設(shè)計(jì)

啟閉活動橋的液壓啟閉機(jī)的布置如圖1，液壓泵站布置在壩體預(yù)留的泵房內(nèi)，油缸的上吊頭與主縱梁上的吊耳連接，下吊頭與閘墩上支鉸連接，均采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)活動橋的制造、安裝誤差以及運(yùn)行過程中的變位。通過計(jì)算，液壓啟閉機(jī)的啟橋力和閉橋力均選用2x1 000kN。

為使活動橋避免風(fēng)吹的影響，在活動橋端部設(shè)置了鎖定裝置。鎖定裝置采用的是液壓油缸驅(qū)動鎖定銷軸的方式。鎖定液壓油缸的啟閉力均為20kN。當(dāng)活動橋需要開啟時(shí)，開啟60°后，液壓油缸將鎖定銷軸推進(jìn)閘墩上設(shè)置的鎖定軸套，當(dāng)活動橋需要關(guān)閉時(shí)，先由液壓缸將鎖定銷軸拉出，然后完成活動橋的關(guān)閉。

4.6 平衡重設(shè)計(jì)

配置平衡重的主要目的是減小啟閉機(jī)械的啟閉力。平衡重的配置與啟閉機(jī)械的布置、橋體結(jié)構(gòu)的布置以及車輛通行有密切的關(guān)系。理想的設(shè)計(jì)應(yīng)該是橋體自重產(chǎn)生的力矩由平衡重完全克服，啟閉機(jī)械僅克服摩阻力和風(fēng)阻力，由于沒有設(shè)置橋體關(guān)閉時(shí)的鎖定裝置，同時(shí)為了保證車輛荷載在某一特定位置作用下不使橋體反轉(zhuǎn)和顫動，本工程在設(shè)計(jì)平衡重時(shí)，按車輛通過時(shí)，活動橋遠(yuǎn)端支鉸的支座反力始終大于5%的橋體自重進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三峽升船機(jī)活動橋的平衡重采用了6塊鑄鋼件，6塊平衡重塊通過兩根吊桿串聯(lián)起來，懸掛于活動橋橋體尾部的吊耳上。為滿足平衡重在橋體啟閉過程的自由擺動，吊桿與活動橋尾吊耳的連接采用了類似十字鉸的結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

活動橋不同于普通的固定式橋，活動橋能否順利啟閉和平穩(wěn)運(yùn)行對航道的正常通航起著決定性作用。結(jié)合活動橋的組成結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

①固定橋是為活動橋與路面的順利銜接而設(shè)置的，由于活動橋的端部在固定橋的下面，活動橋啟閉時(shí)應(yīng)注意固定橋的結(jié)構(gòu)不應(yīng)與活動橋發(fā)生干涉。

②活動橋的啟閉是通過兩套液壓油缸進(jìn)行操作的，雙缸的同步可以通過活動橋本身的剛度來實(shí)現(xiàn)。但是為了保證活動橋平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)雙缸的同步應(yīng)通過液壓系統(tǒng)的糾偏回路以及電氣同步的措施來實(shí)現(xiàn)。

圖2 平衡重布置圖

③由于活動橋在開啟到一定的角度后，風(fēng)力吹向橋體開啟的方向時(shí)，油缸可能需要持住力，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)措施以保證橋體的平穩(wěn)啟閉。

④活動橋的橋體支鉸座采用的是調(diào)心自潤滑滑動軸承，這樣使得橋體在運(yùn)行過程可能發(fā)生整體向一側(cè)偏移的現(xiàn)象，因此在橋體緩沖裝置一端的水工開槽應(yīng)考慮橋體偏移的情況，否則將會發(fā)生橋體與水工干涉的現(xiàn)象。

⑤活動橋的平衡重懸掛于橋體端部，隨著橋體的啟閉，平衡重將會產(chǎn)生一定的擺動，為了防止平衡重的擺動對懸掛裝置造成一定的損壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取可以滿足平衡重四個(gè)方向擺動的措施。

⑥由于液壓啟閉機(jī)和鎖定裝置的液壓泵站布置在壩體內(nèi)的啟閉機(jī)室內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮啟閉機(jī)室的消防、通風(fēng)、防潮等問題。

⑦活動橋的布置以及設(shè)備選型應(yīng)從通航要求、荷載標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行環(huán)境和條件、經(jīng)濟(jì)合理性以及制造和安裝等方面進(jìn)行考慮。

6 結(jié)束語

三峽升船機(jī)活動橋目前已安裝調(diào)試完成并投入運(yùn)行，該活動橋運(yùn)行平穩(wěn)可靠、自動化程度高、易于操作，滿足了設(shè)計(jì)和工程的需要。活動橋的安全平穩(wěn)運(yùn)行對航槽兩岸的交通起到?jīng)Q定性的作用，本文結(jié)合對三峽升船機(jī)活動橋的設(shè)計(jì)提出了一些設(shè)計(jì)思路，希望對航道活動橋的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

［1］JTG60-2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］楊逢堯，魏文煒.水工金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.