浮橋設(shè)計(jì)及分析要點(diǎn)

1、浮橋設(shè)計(jì)與分析要點(diǎn)一.浮橋設(shè)計(jì)和分析的要點(diǎn) 目的是為了說(shuō)明浮橋設(shè)計(jì)和分析的程序。 由于浮橋僅是橋梁的一種特殊形式，所以浮橋的設(shè)計(jì)也應(yīng)該遵循通用橋梁的一般設(shè)計(jì)原則，但也需要提出一些針對(duì)浮橋的具體標(biāo)準(zhǔn)。 日本防腐蝕工程學(xué)會(huì)JSCE(是The Japan Society of Corrosion Engineering的英文縮寫)基于性能設(shè)計(jì)格式已經(jīng)出版了設(shè)計(jì)指導(dǎo)書。 表4是根據(jù)指導(dǎo)書概括出主要設(shè)計(jì)程序。 二.浮橋設(shè)計(jì)基本方案考慮要點(diǎn)路況： 路況的細(xì)節(jié)，如分類、設(shè)計(jì)速度、寬度、凈空界限、車道等應(yīng)按道路組織規(guī)劃圖來(lái)設(shè)計(jì)。 性能： 浮橋最終性能應(yīng)由在自然載荷作用下，如風(fēng)、水波、流速、車輛交通等，浮橋的動(dòng)

2、力學(xué)響應(yīng)特征來(lái)判斷。 浮橋結(jié)構(gòu)： 對(duì)于浮橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮橋體結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)，如在高潮汐、低潮汐時(shí)或在最大流速情況時(shí)水位變化和浮橋結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。 浮橋圖紙： 橋的設(shè)計(jì)圖，如浮橋位置和類型，應(yīng)遵循治理該水域的一些原則。設(shè)計(jì)圖還應(yīng)包括日常維護(hù)和管理要求，以確保浮橋高性能運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還應(yīng)有耐用結(jié)構(gòu)、檢查和管理設(shè)施說(shuō)明書。環(huán)境： 在浮橋設(shè)計(jì)過程中，通過充分觀測(cè)和研究現(xiàn)場(chǎng)水位來(lái)合理地確定河床的高度。重視橋周圍的環(huán)境因素，這些因素包括黃河水深度，潮汐變化，流速，風(fēng)速，風(fēng)向，水波，滲鹽情況，地基條件，浮流物，動(dòng)物和植物。浮橋的位置和類型設(shè)計(jì)應(yīng)考慮區(qū)域規(guī)劃，包括在自然災(zāi)難條件下的疏散路線等。如果需要設(shè)置航道

3、通過浮橋段，需考慮航道的寬度，余隙，深度等條件。浮橋在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的建筑因素也要研究，以盡可能降低其影響。這些因素包括水的流速，動(dòng)植物及其他環(huán)境因素。三.浮橋基本設(shè)計(jì)原理遵循的原則：性能目標(biāo)與用途，安全，耐用性，質(zhì)量，易于維修和管理，與環(huán)境相和諧，經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)相一致。選擇結(jié)構(gòu)類型：應(yīng)考慮地形,地質(zhì)和地理等條件.浮橋結(jié)構(gòu)數(shù)量和全局系統(tǒng)都要滿足強(qiáng)度,變形和穩(wěn)定性等指標(biāo)要求。浮橋的使用壽命對(duì)環(huán)境條件和自然載荷（如風(fēng)，水波，水流，潮汐變化，湖面次波動(dòng)）和腐蝕等因素非常敏感。在低循環(huán)成本條件下，浮橋的使用壽命一般期望是75-100年。按照重要性分類，浮橋分為標(biāo)準(zhǔn)型和特別重要型，也即A型浮橋和B型浮橋。表5根

4、據(jù)其重要型分別進(jìn)行了分類。 表6 給出了浮橋狀態(tài)性能等級(jí)分類。狀態(tài)性能水平為0主要是與其他性能水平1-3相比而言的。針對(duì)交通負(fù)載，暴風(fēng)浪，海嘯和地震等，浮橋被設(shè)計(jì)成幾種性能級(jí)別。 根據(jù)重要性系數(shù)，浮橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證具有表7所列出的對(duì)應(yīng)目標(biāo)性能水平，如負(fù)載載荷、暴風(fēng)浪、海嘯及地震等。四.浮橋設(shè)計(jì)載荷 設(shè)計(jì)載荷 主要包括：靜載荷，動(dòng)載荷，沖擊載荷（例如碰撞等），土壓力（如錨泊系統(tǒng)里錨樁對(duì)浮橋的作用力），流體靜壓力（包括浮力），風(fēng)載荷，水波因素（包括膨脹因素），地震因素（包括流體動(dòng)壓力），溫度變化因素，水流因素，潮汐變化因素，基礎(chǔ)變形因素，支座運(yùn)動(dòng)因素，雪載荷，離心荷載，海嘯因素，暴風(fēng)潮因素，湖面波動(dòng)

5、（次波動(dòng)），船激波，海震，制動(dòng)載荷，裝配載荷，碰撞載荷（包括船舶碰撞），浮冰因素和浮冰壓力，沿岸運(yùn)輸因素，漂移物體因素，水體等級(jí)因素（侵蝕和摩擦）和其他載荷。 表8將這些載荷分為主要載荷P，次要載荷S，等價(jià)于主要載荷的特殊載荷PP，還有等價(jià)于次要載荷的特殊載荷PA。這些載荷中有些也許不是很重要，但主要設(shè)計(jì)載荷應(yīng)包括載荷1，2，6，7，8，11，12，16，17，22和23。 浮力、水波、風(fēng)及重現(xiàn)周期浮橋設(shè)計(jì)過程中，潮汐、海嘯、風(fēng)暴潮等引起的水位變化是控制載荷之一。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)向垂直浮橋軸線情況。風(fēng)吹過水面時(shí)，產(chǎn)生的波浪會(huì)對(duì)浮橋產(chǎn)生水平方向，豎直方向和扭轉(zhuǎn)載荷。這些載荷取決于風(fēng)速，風(fēng)向，持續(xù)時(shí)

6、間，吹程（風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度），水道構(gòu)造和水深。設(shè)計(jì)風(fēng)速是指水面上空10m高度處10分鐘時(shí)間內(nèi)的平均速度。對(duì)于風(fēng)和地震等自然載荷在許多情況下就成為關(guān)鍵因素。 在討論自然載荷的頻率時(shí)，常使用重現(xiàn)周期這個(gè)概念。主導(dǎo)自然載荷（如風(fēng)速等）的非超過數(shù)概率PN可由重現(xiàn)周期和期望使用壽命 來(lái)得到： 在許多情況下，Q或T 一般假設(shè)取為0.5-1。這樣，由方程1可知，非超過數(shù)概率，也就是設(shè)計(jì)載荷不出現(xiàn)在使用壽命期間的概率，預(yù)計(jì)為60%或略低于40%。由于100%的概率對(duì)應(yīng)于事件不可避免地出現(xiàn)，所以從風(fēng)險(xiǎn)管理角度出發(fā)，大約50%的概率看上去比較合理。而0概率對(duì)應(yīng)的是為永遠(yuǎn)不出現(xiàn)的事件投資額外或浪費(fèi)的錢。以可靠統(tǒng)計(jì)記錄看出和

7、考慮到危機(jī)事件（通常假設(shè)100年一次），50年的使用壽命是合理的。Yumemai浮橋就是這種情形。另外，就建在日本的鋼橋而言，平均壽命壽命是30年，然后經(jīng)過盡可能修復(fù)可再使用30年。因此，鋼橋總的設(shè)計(jì)壽命大約為60年。 為了安全，橋上交通應(yīng)根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行控制。如遇上20年一遇的風(fēng)暴天氣，為了安全和公眾舒適度通常需考慮是否關(guān)閉交通。這個(gè)值應(yīng)根據(jù)浮橋的特性、附近的設(shè)施和地區(qū)災(zāi)難保護(hù)計(jì)劃等因素來(lái)確定。例如，風(fēng)速為20m/s時(shí)，規(guī)章就要求上報(bào)。 不規(guī)則水波 通常情況下水波是非常不規(guī)則的。它們是由許多種頻率成分的規(guī)則水波組成。 由于浮橋的固有周期遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)橋,因此含有長(zhǎng)周期的水波作用影響較大. 就頻率而言

8、,波譜代表了水波能量分布。當(dāng)風(fēng)從一定水平距離吹過來(lái)時(shí)，水波不斷傳播。但經(jīng)過一定時(shí)間后，水波停止逐步增強(qiáng)而變得穩(wěn)定。 組合式載荷 組合式載荷會(huì)對(duì)浮橋產(chǎn)生不利的效應(yīng)，如表9所示，所使用符號(hào)如表8中。 潮汐等級(jí)被分為以下幾類： 地震期間: 在H.W.L.(high water level)和L.W.L.(low water level)之間； 暴風(fēng)雪期間：在H.H.W.L.(highest H.W.L.)和L.W.L.之間或者在H.H.W.L.和L.L.W.L.(lowest L.W.L.)之間； 使用條件：在H.W.L.和L.W.L.之間； 因此，在海嘯期間，不論在H.W.L.和L.W.L.之間的

9、極端潮汐變化還是升高和降低水位，不會(huì)出現(xiàn)致命損害。其中，表示在正常工況下的次要載荷,有 表示在極端工況下的次要載荷，；表示特殊載荷。五 .浮橋材質(zhì)常用材質(zhì)有鋼材和混凝土。一般來(lái)說(shuō)，首先要考慮浮橋結(jié)構(gòu)的腐蝕問題。由于混凝土的水密性很重要，所以制造浮橋一般選用水密混凝土或海上混凝土。其中中等熔次的波特蘭水泥，波特蘭鼓風(fēng)爐熔渣水泥，波特蘭飛塵水泥都可用于制造浮橋。僅當(dāng)浮箱干燥時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)的蠕動(dòng)和收縮效應(yīng)，因此，一旦浮箱下水就不用考慮上述效應(yīng)。飛塵和硅石粉等高性能混凝土最適合用來(lái)制造浮箱。 表10給出了推薦的加強(qiáng)鋼材最小混凝土覆蓋層厚度。 錨泊系統(tǒng)所使用的材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，環(huán)境，耐用性和經(jīng)濟(jì)性等因

10、素進(jìn)行選擇。由于處于易腐蝕環(huán)境，防腐是必須的，特別是在平均水位以下部分，M.L.W.L,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的局部腐蝕。對(duì)于這樣的部位，一般采用陰極保護(hù)法；對(duì)于在L.W.L.下一般采用表層處理方法。表層處理方法包括上漆，加有機(jī)材料表層，礦脂表層，無(wú)機(jī)材料表層等。無(wú)機(jī)表層處理包括金屬涂層，如鈦涂層，不銹鋼表層，渡鋅、鋁、鋁合金等。水深對(duì)腐蝕速度的影響取決于環(huán)境。圖11給出了沿水深變化情況對(duì)腐蝕速度分布影響的示意圖。浪濺處腐蝕是最嚴(yán)重的，根據(jù)結(jié)構(gòu)的安裝情況可以確定它的上限區(qū)。圖11 鋼鐵腐蝕速度分布潮漲潮落區(qū)是一個(gè)最嚴(yán)峻環(huán)境，腐蝕速度隨深度變化極大；在鹽水區(qū)，環(huán)境變得適度一些；但是對(duì)于某些情況，如水流和增加

11、海運(yùn)會(huì)加速腐蝕。對(duì)于海底以下的泥土層環(huán)境取決于鹽的密度、污染程度和氣候條件，但相對(duì)來(lái)說(shuō)是腐蝕速度變化是平穩(wěn)的。注：與固定結(jié)構(gòu)相比，由于浮橋隨著水面變化而變化，所以潮漲潮落區(qū)區(qū)是不存在的。六 .浮橋極限狀態(tài)建造的浮橋應(yīng)該具備足夠的能力來(lái)面對(duì)外界帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)，如船舶、殘骸、木頭、洪水、錨泊索繩失效、橋體橫向或斜向折斷后完全分離等情況。 雖然水為浮橋提供了浮力，但如果水漏進(jìn)浮橋內(nèi)部會(huì)造成浮橋的逐步損毀，最后導(dǎo)致橋的沉沒。這是目前浮橋所面臨的研究難題。七 .浮橋具體設(shè)計(jì)和分析 穩(wěn)性(Stability): 是指船舶受外力作用發(fā)生傾斜，當(dāng)外力消失后能夠自行回復(fù)到原來(lái)平衡位置的能力。 三種平衡狀態(tài):1)

12、穩(wěn)定平衡：G在M之下，傾斜后重力和浮力形成穩(wěn)性力矩。2)不穩(wěn)定平衡：G在M之上，傾斜后重力和浮力形成傾覆力矩。 3)隨遇平衡：G與M重合，傾斜后重力和浮力作用在同一垂線上，不產(chǎn)生力矩。穩(wěn)性大小和船舶航行的關(guān)系 ： 1)穩(wěn)性過大，船舶搖擺劇烈，造成人員不適、航海儀器使用不便、船體結(jié)構(gòu)容易受損、艙內(nèi)貨物容易移位以致危及船舶安全。 2)穩(wěn)性過小，船舶抗傾覆能力較差，容易出現(xiàn)較大的傾角，回復(fù)緩慢，船舶長(zhǎng)時(shí)間斜置于水面，航行不力。 和船一樣，浮橋的傾覆與其靜態(tài)穩(wěn)定性是相關(guān)的。 為了研究動(dòng)力穩(wěn)定性需研究浮橋的可傾斜范圍。如圖13所示，給出了外部?jī)A覆力矩與恢復(fù)力矩的對(duì)比情況。浮橋動(dòng)力穩(wěn)定性條件可由以下不等式

13、給出，其中 :圖13 浮橋動(dòng)力穩(wěn)定性：傾斜范圍 設(shè)計(jì)浮橋過程中,需要考慮的最重要的幾個(gè)物理量: 垂直位移和水平位移和傾斜程度。 無(wú)論是平常的一年一遇暴風(fēng)雪天氣條件還是百年一遇的極端暴風(fēng)雪條件下，通行時(shí)的舒適度在設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真考慮。因此，橋的響應(yīng)加速度應(yīng)在可忍受值的范圍內(nèi)。 表12給出了挪威的Bergsoysund浮橋和美國(guó)境內(nèi)浮橋在平常的暴風(fēng)雪條件下（一年一遇）和在動(dòng)載荷作用下，平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度容許極限值。 操縱穩(wěn)定性：易操縱性是最重要的使用性能之一。表13給出了針對(duì)通常暴風(fēng)雪條件下（一年一遇）的運(yùn)動(dòng)限度。 疲勞方面：要預(yù)防動(dòng)載荷引起結(jié)構(gòu)破壞,如風(fēng),水波等。評(píng)估方法采用與傳統(tǒng)橋相同的方法。

14、地震因素：由于浮橋有較長(zhǎng)的固有周期，所以需要研究長(zhǎng)周期地震波的影響。盡管浮橋天生基礎(chǔ)孤立，但錨泊系統(tǒng)對(duì)地震的抵抗能力需要驗(yàn)證，特別是系泊樁和基礎(chǔ)。 浮橋橋體設(shè)計(jì)：浮橋橋體的定義如圖8所示。一般浮橋主要考慮分離式浮箱。如前面所解釋，每一個(gè)浮箱的水動(dòng)力特性可單獨(dú)研究，然后將得到的結(jié)果用于進(jìn)行全局系統(tǒng)分析。實(shí)際上，在進(jìn)行全局系統(tǒng)分析時(shí)，常采用離散方法，如有限元方法。對(duì)于這種分析方法，要考慮每個(gè)浮箱的附加質(zhì)量，水動(dòng)力阻尼和水動(dòng)力等因素，還要輸入浮箱的浮心位置。 風(fēng)速和有效波高的設(shè)計(jì)：根據(jù)1991年日本政府運(yùn)輸部港口局的報(bào)告，圖16給出了浮箱性浮橋設(shè)計(jì)風(fēng)速和有效波高的適用范圍。可以看出，2.5m的有效波

15、高是浮箱型浮橋的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為了保證有效波高在2.5m以下，需要架設(shè)擋浪堤。在分析入射水波運(yùn)動(dòng)和水下結(jié)構(gòu)受力問題時(shí)，粘性效應(yīng)和勢(shì)流效應(yīng)是兩個(gè)很重要因素。對(duì)于勢(shì)流理論，主要是結(jié)構(gòu)周圍的水波散射和輻射效應(yīng)。圖16浮箱型浮橋的適用范圍圖17質(zhì)量力，粘性阻力和散射力的對(duì)比圖17給出了位于水底豎直放置并穿出自由水面的圓柱體受到水平水波力作用時(shí)粘性效應(yīng)和勢(shì)流效應(yīng)所起的作用。圖17看出，水波散射是最重要的。因此，在這個(gè)區(qū)域，應(yīng)用水波散射理論分析問題是非常合理的。 事實(shí)上，雖然自由表面流體勢(shì)流理論是基于流體不可壓、無(wú)旋、無(wú)粘等假設(shè)，但其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很好的一致性。這就是為什么基于線性勢(shì)流理論的水波散射

16、理論常被應(yīng)用于設(shè)計(jì)分析原因 。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要包括結(jié)構(gòu)類型選擇，結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)和防腐等內(nèi)容。 浮體設(shè)計(jì)：浮體設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)橋的設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)。浮體設(shè)計(jì)包括：浮體類型選擇，浮體防洪部分設(shè)計(jì)，防船撞設(shè)計(jì)，過渡連接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防蝕保護(hù)，附屬設(shè)施和錨泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 錨泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定錨泊結(jié)構(gòu)的類型、布置分布和數(shù)量。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解所處環(huán)境的各種參數(shù)，如風(fēng)速、水波和水流、地震、溫度變化、海嘯、湖面震蕩（次波動(dòng)）、長(zhǎng)周期水波、錨樁錨泊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、錨鏈錨泊、張力腿平臺(tái)等情況以及通過兩端箝拉錨泊方法。 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)通常包括：確定載荷，選擇基礎(chǔ)類型。 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)：連接結(jié)構(gòu)的選擇及其設(shè)計(jì)。八 .結(jié)束語(yǔ) 隨著近期流體-固體耦合作用理論的發(fā)展，為準(zhǔn)確預(yù)