馬來西亞登嘉樓開啟橋

孔 旭 周 罡 盛朝暉 王春芳

武漢武橋交通裝備技術(shù)有限公司 武漢 430056

1 工程概述

馬來西亞登記樓開啟橋是連接瓜拉丁加奴市中心河口南岸與河口北岸的一座開啟橋，該開啟橋設(shè)計(jì)為景觀橋，是東南亞地區(qū)第一座開啟橋，全橋通車后極大地縮短了從登嘉樓各地到機(jī)場的距離。開啟橋擁有2座16層樓橋塔，設(shè)有4座景觀臺及2座人行天橋，采用了雙葉豎轉(zhuǎn)開啟方式，全橋南北岸跨度為76 m，寬度23 m，單幅開啟最大開啟角度為75.5°，如圖1所示。

圖1 馬來西亞開啟橋?qū)嵕皥D

2 開啟橋主要技術(shù)參數(shù)

該開啟橋的主要技術(shù)參數(shù)有：開啟方式為雙葉豎轉(zhuǎn)；跨度為76 m；結(jié)構(gòu)形式為鋼桁梁；活動(dòng)橋跨質(zhì)量為2×1 500 t；活動(dòng)橋跨整體尺寸為2×45 m×23 m；開啟時(shí)間（不含鎖定時(shí)間）為快速120 s，慢速240 s；開啟最大角度為75.5°；設(shè)計(jì)風(fēng)速為33.5m/s；總功率為2×200 kW＝400 kW；供電為AC415V，50Hz，三相五線制。

3 開啟橋主要構(gòu)造、功能及特點(diǎn)

如圖2所示，該開啟橋主要由鋼結(jié)構(gòu)部分、機(jī)械部分、主軸支撐系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成，鋼結(jié)構(gòu)主體采用Q370qC材質(zhì)工字鋼梁組成，主鉸點(diǎn)支座與主軸支撐系統(tǒng)連接，主軸支撐系統(tǒng)通過預(yù)埋螺栓與地基混凝土固定。鋼桁梁橋體通過3組縱梁連接座連接鉸點(diǎn)主軸，并整體置于主鉸點(diǎn)支座軸承座內(nèi)。配重及前支撐座分別設(shè)于主鉸點(diǎn)支座兩側(cè)，起配平及支撐橋梁作用。南北橋接縫主梁位置設(shè)置中部鎖定機(jī)構(gòu)，用于開啟橋關(guān)閉時(shí)的鎖緊固定。整座橋通過電氣及液壓控制，3組液壓缸同步頂推使鉸點(diǎn)主軸繞軸承座旋轉(zhuǎn)開啟，南北橋既可單獨(dú)開啟，也可同步開啟。南北岸通訊采用無線以太網(wǎng)技術(shù)，并具有多項(xiàng)防脫網(wǎng)保證措施。

圖2 馬來西亞登嘉樓開啟橋結(jié)構(gòu)圖

3.1 鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)為開啟橋的主要承力結(jié)構(gòu)，由縱梁與橫梁組成的鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)、配重結(jié)構(gòu)以及橋面鋪裝、走廊、護(hù)欄等橋梁附屬結(jié)構(gòu)組成。鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)主要由3片工字形主縱梁（2片邊縱梁OBG、1片中縱梁IBG）、12片對稱布置的工字形主橫梁組成主要框架，主縱梁與主橫梁之間采用小縱梁、小橫梁及連接斜撐連接。為了便于運(yùn)輸，主縱梁采用分段制造，節(jié)段與節(jié)段之間按與主結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度的高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)，橫梁及斜撐等其他結(jié)構(gòu)均通過高強(qiáng)螺栓與主梁連接。鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)混凝土路面，承載著車道及人群載荷，橋梁路面兩端設(shè)有護(hù)欄、人行走廊、邊部防撞、中部設(shè)鋼構(gòu)隔離帶。

配重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在橋梁后端，并置于橋塔內(nèi)，包括配重框架、混凝土配重與活動(dòng)配重。配重框架由12片橫梁（上橫梁6片，下橫梁6片），上中下3層平聯(lián)系通過螺栓連接而成主體框架，并與縱梁之間采用螺栓連接。配重框架內(nèi)部填充混凝土，為實(shí)現(xiàn)開啟橋的最終配平，混凝土配重的配比根據(jù)開啟橋的安裝進(jìn)程分多次澆筑，每次澆筑均需測算其重心位置變化，然后調(diào)整配比，以保證成橋后整橋重心始終靠近鉸點(diǎn)主軸的設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)?；顒?dòng)配重為成橋后可調(diào)整配重，便于成橋后的配重配平的微調(diào)。

配重結(jié)構(gòu)與液壓缸分別布置在主鉸點(diǎn)支座的兩側(cè)，配重結(jié)構(gòu)配平后，整橋重心應(yīng)靠近鉸點(diǎn)主軸位置，并能使開啟橋輕松開啟，同時(shí)保證在開啟橋開啟到最大角度75.5°，在最大風(fēng)壓958 Pa作業(yè)下，液壓缸能頂住不動(dòng)，確保橋梁安全。

3.2 機(jī)械部分

機(jī)械部分作為開啟橋主要傳力結(jié)構(gòu)以及開啟關(guān)鍵部件，主要由主鉸點(diǎn)支座、前支撐座、液壓缸支座以及中部鎖定機(jī)構(gòu)等組成。

圖3 馬來西亞登嘉樓開啟橋機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖

主鉸點(diǎn)支座設(shè)置于橋體主縱梁下部，單跨橋體共設(shè)置3組，主鉸點(diǎn)支座為開啟橋開啟與關(guān)閉動(dòng)作的關(guān)鍵部件，其制造及安裝精度要求很高（3組主軸表面加工精度Ra0.2 μm，單跨橋3組焦點(diǎn)主軸安裝同軸度達(dá)到0.75 mm）。主鉸點(diǎn)支座由軸承座、鉸點(diǎn)主軸及縱梁連接座組成，材料主要為鍛鑄件整體成型。軸承座與主軸支撐系統(tǒng)栓接固定，為全橋關(guān)鍵支撐點(diǎn)?？v梁連接座與鋼梁主體部分固定連接，鉸點(diǎn)主軸與縱梁連接座緊密配合并采用銷軸固定，從而使鉸點(diǎn)主軸與橋體成為一個(gè)整體。單跨橋3組鉸點(diǎn)主軸置于3組軸承座銅套內(nèi)，在鉸點(diǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)下實(shí)現(xiàn)橋體的開啟與關(guān)閉。

液壓缸支座采用ZG40Mn2材質(zhì)鑄造成型，共有2種：一種為直接與混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋件連接的下液壓缸支座；另一種為與3片主縱梁連接的上液壓缸支座，單跨橋上下液壓缸座共3組。3組液壓缸上下兩端分別與液壓缸上下支座鉸接，通過液壓系統(tǒng)控制3組液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)，使整橋鉸點(diǎn)主軸繞軸承座旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開啟橋的開啟與關(guān)閉。

前支撐座為鋼板焊接而成的組焊件，為開啟橋的前部支撐受力點(diǎn)，下部直接與混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋件連接，上表面為開啟橋閉合后的著力點(diǎn)。單跨橋該前支撐座共3組，與3組主鉸點(diǎn)支座共同組成橋體的承載平衡系統(tǒng)。

中部鎖定機(jī)構(gòu)用于開啟橋關(guān)閉時(shí)南北橋的鎖定固定，全橋共4組，分別置于南北橋接縫處的3片主縱梁上（兩邊縱梁各1組，中縱梁布置2組），通過德國RACO品牌電動(dòng)推桿推動(dòng)鎖定軸插入鎖定孔套內(nèi)進(jìn)行鎖定，鎖定軸與鎖孔之間采用高精度的過渡配合，以避免因較大間隙造成橋梁較大晃動(dòng)，從而保證南北橋鎖定后的安全平穩(wěn)通車。同時(shí)，在鎖定機(jī)構(gòu)上設(shè)有多個(gè)高精度限位檢測裝置，以確保南北橋鎖定及解鎖安全。

3.3 主軸支撐系統(tǒng)

主軸支撐系統(tǒng)為工字鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)，下部與橋塔地基混凝土固定連接，上部通過螺栓連接主鉸點(diǎn)支座，為整個(gè)開啟橋承力結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)開啟著力位置。

3.4 電氣系統(tǒng)

開啟橋電氣系統(tǒng)共2套，分別安裝于開啟橋南北兩岸，每套包含操作臺、MCC柜、控制及PLC柜、繼電器柜、液壓站現(xiàn)場控制柜、塔頂控制柜、接線箱、無線設(shè)備、限位開關(guān)、控制電纜等。2套電氣系統(tǒng)單獨(dú)供電，可對兩岸開啟橋系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立操作。

南北橋兩岸通訊采用工業(yè)無線以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)開啟同步。由于南北橋兩岸電氣系統(tǒng)之間無法敷設(shè)任何動(dòng)力、控制及通訊電纜，為了實(shí)現(xiàn)兩岸聯(lián)控及同步開啟，首次在開啟橋梁領(lǐng)域采用無線控制技術(shù)，且考慮到無線通訊的可靠性，兩岸電氣控制系統(tǒng)間通過2套無線通訊設(shè)備各自使用獨(dú)立的電源、無線設(shè)備、以太網(wǎng)光纜、饋線及天線，建立2個(gè)完全獨(dú)立的無線連接互為冗余備份。

南北岸的2套電氣系統(tǒng)間采用無線連接，在無線通訊正常的條件下，可進(jìn)行兩岸開啟橋系統(tǒng)間的無線聯(lián)控及同步控制。

開啟橋橋體采用液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)主要通過油泵電動(dòng)機(jī)、電液比例泵及電磁換向閥來控制每側(cè)各3只液壓缸的伸縮方向、速度及同步動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)開啟橋橋體的開閉操作。

此外，開啟橋電氣系統(tǒng)還包括鎖定機(jī)構(gòu)、交通門、道路交通信號、航行交通信號等輔助及交通管理系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)根據(jù)操作指令及橋體狀態(tài)，對上述各系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖協(xié)同控制。

3.5 液壓系統(tǒng)

該開啟橋的液壓系統(tǒng)是一種超大流量的電比例控制容積調(diào)速泵控系統(tǒng)，通過3只工作油口相互連通的液壓缸同步舉升或下放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開啟橋的起升和下降。通過在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器和利用電比例油泵輸出流量的二次斜坡控制，很好地解決了壓力沖擊問題，使開啟橋啟停以及整個(gè)運(yùn)行過程均十分平穩(wěn)。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

1）高精度加工及高精度安裝工法

該開啟橋?qū)崿F(xiàn)了工程上高精度大軸加工，軸的直徑達(dá)900 mm，長度為2 630 mm，表面加工精度高達(dá)Ra 0.2 μm，同時(shí)要求現(xiàn)場同側(cè)3軸安裝同軸度高達(dá)0.75 mm（橋?qū)挾?3 m）。在大型工程領(lǐng)域，如此高的加工精度及23 m寬3軸安裝的高精度在國內(nèi)尚屬首例，其成功制造及安裝為整個(gè)大型橋梁領(lǐng)域的加工及安裝提供了重要參考價(jià)值，提升了國內(nèi)大型零部件的加工精度及安裝精度。

為保證3軸0.75 mm同軸度的安裝精度，首先，采用預(yù)埋件廠內(nèi)精加工，現(xiàn)場整體胎架吊裝方案來控制預(yù)埋精度；然后，主軸支撐系統(tǒng)廠內(nèi)組裝并整體加工，現(xiàn)場采用特定整體安裝工法控制安裝精度；最后，在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制主鉸點(diǎn)支座的制造誤差，并專門設(shè)計(jì)同精度工藝軸替代主軸，廠內(nèi)將其整體組裝發(fā)運(yùn)，現(xiàn)場整體吊裝以控制整體誤差，并使所有誤差集中在主鉸點(diǎn)支座位置，通過薄墊片隨調(diào)隨測的方式進(jìn)行主鉸點(diǎn)支座整體同軸度調(diào)整，使之滿足設(shè)計(jì)要求。

2）高精度同軸度先進(jìn)測量方案

該開啟橋設(shè)計(jì)及安裝的關(guān)鍵點(diǎn)在于主鉸點(diǎn)支座，為保證23 m寬度內(nèi)3組主鉸點(diǎn)支座的同軸度≤0.75 mm，綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場實(shí)施等方面因素，最終解決了高精度問題，但仍存在大寬度范圍內(nèi)同軸度測量的問題。傳統(tǒng)的測量方式顯然難以滿足該工程的精度要求，經(jīng)分析研究，采用了特制專用激光準(zhǔn)直儀測量方案，該測量儀器測量精度高達(dá)0.001 mm，現(xiàn)場安裝實(shí)測同軸度達(dá)到0.56 mm。

3）全橋安裝工法創(chuàng)新

采用130 t履帶起重機(jī)進(jìn)行全橋整體起吊安裝，在南北岸高于橋面上分別設(shè)置履帶起重機(jī)專用行走支架及軌道，供履帶起重機(jī)行走及吊裝。吊裝難度在于第二節(jié)段主軸的準(zhǔn)確落位，采用該創(chuàng)新安裝工法替代了原起吊船安裝，極大地節(jié)省了工程成本及人力投入。

4）采用工業(yè)無線以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩岸通訊

該開啟橋?yàn)殡p葉豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，兩岸電氣系統(tǒng)間無法敷設(shè)任何動(dòng)力、控制及通訊電纜。為此，電氣控制系統(tǒng)在開啟橋領(lǐng)域首次采用了工業(yè)無線以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩岸聯(lián)控及同步開啟。

為確保無線通訊的可靠性，兩岸電氣控制系統(tǒng)間通過2套無線通訊設(shè)備，各自使用獨(dú)立的電源、無線設(shè)備、以太網(wǎng)光纜、饋線及天線，建立了2個(gè)完全獨(dú)立的無線連接，互為冗余備份。2個(gè)連接分別采用不同的無線通訊頻率和信道，并使用定向天線，可避免外部無線信號干擾和2個(gè)無線連接之間的相互干擾。

在軟件層面，兩岸電氣控制系統(tǒng)中的PLC之間同時(shí)通過2個(gè)無線連接建立通訊，并同時(shí)通過底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法實(shí)時(shí)檢測2個(gè)無線連接的連通性和可靠性。當(dāng)檢測到某個(gè)無線連接失效時(shí)，系統(tǒng)能通過另一個(gè)無線連接保持持續(xù)的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)向操作人員發(fā)出故障警示信息。當(dāng)2個(gè)無線連接同時(shí)失效時(shí)，兩岸電氣控制系統(tǒng)可在極短時(shí)間內(nèi)同時(shí)觸發(fā)緊急停止，停止兩岸所有機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，確保人身、設(shè)備及財(cái)產(chǎn)安全。

5）采用3軸同步頂推及控制開啟橋平穩(wěn)置于到橋梁支座的液壓系統(tǒng)

該開啟橋采用的是3只工作油口相互連通的液壓缸同步頂推開啟，液壓系統(tǒng)是一種超大流量的電比例控制容積調(diào)速的泵控系統(tǒng)。該開啟橋的液壓系統(tǒng)通過在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器和利用電比例油泵輸出流量的二次斜坡控制，很好地解決了壓力沖擊問題，開啟橋的啟停以及整個(gè)運(yùn)行過程均十分平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

馬來西亞開啟橋以主鉸點(diǎn)支座位置為主軸旋轉(zhuǎn)開啟及關(guān)閉的活動(dòng)點(diǎn)，主鉸點(diǎn)支座前方的前支撐座位置為開啟橋關(guān)閉落橋的著力點(diǎn)，在主鉸點(diǎn)支座與前支撐座之間的液壓缸支座位置為液壓缸頂推動(dòng)力點(diǎn)，主鉸點(diǎn)支座后方為配重部分，用于配平。通過電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的控制，液壓缸頂推，推動(dòng)開啟橋主軸旋轉(zhuǎn)開啟，開啟橋關(guān)閉落橋后，通過鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)南北橋的鎖定。

該開啟橋于2019年9月正式通車并交付使用，該橋的無線控制技術(shù)、3軸同步頂推技術(shù)以及開啟橋的高精度配合加工、高精度的安裝要求都為國內(nèi)大型工程產(chǎn)品之最，為開啟橋梁領(lǐng)域樹立了一個(gè)新的標(biāo)桿。