浮橋設計與分析要點

1、浮橋設計與分析要點一.浮橋設計和分析的要點 目的是為了說明浮橋設計和分析的程序。 由于浮橋僅是橋梁的一種特殊形式，所以浮橋的設計也應該遵循通用橋梁的一般設計原則，但也需要提出一些針對浮橋的具體標準。 日本防腐蝕工程學會JSCE(是The Japan Society of Corrosion Engineering的英文縮寫)基于性能設計格式已經(jīng)出版了設計指導書。 表4是根據(jù)指導書概括出主要設計程序。 二.浮橋設計基本方案考慮要點路況： 路況的細節(jié)，如分類、設計速度、寬度、凈空界限、車道等應按道路組織規(guī)劃圖來設計。 性能： 浮橋最終性能應由在自然載荷作用下，如風、水波、流速、車輛交通等，浮橋的動

2、力學響應特征來判斷。 浮橋結(jié)構(gòu)： 對于浮橋結(jié)構(gòu)設計，應該考慮橋體結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)，如在高潮汐、低潮汐時或在最大流速情況時水位變化和浮橋結(jié)構(gòu)的運動情況。 浮橋圖紙： 橋的設計圖，如浮橋位置和類型，應遵循治理該水域的一些原則。設計圖還應包括日常維護和管理要求，以確保浮橋高性能運轉(zhuǎn)，同時還應有耐用結(jié)構(gòu)、檢查和管理設施說明書。環(huán)境： 在浮橋設計過程中，通過充分觀測和研究現(xiàn)場水位來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，風速，風向，水波，滲鹽情況，地基條件，浮流物，動物和植物。浮橋的位置和類型設計應考慮區(qū)域規(guī)劃，包括在自然災難條件下的疏散路線等。如果需要設置航道

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，動植物及其他環(huán)境因素。三.浮橋基本設計原理遵循的原則：性能目標與用途，安全，耐用性，質(zhì)量，易于維修和管理，與環(huán)境相和諧，經(jīng)濟性等指標相一致。選擇結(jié)構(gòu)類型：應考慮地形,地質(zhì)和地理等條件.浮橋結(jié)構(gòu)數(shù)量和全局系統(tǒng)都要滿足強度,變形和穩(wěn)定性等指標要求。浮橋的使用壽命對環(huán)境條件和自然載荷（如風，水波，水流，潮汐變化，湖面次波動）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，浮橋分為標準型和特別重要型，也即A型浮橋和B型浮橋。表5根

4、據(jù)其重要型分別進行了分類。 表6 給出了浮橋狀態(tài)性能等級分類。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。針對交通負載，暴風浪，海嘯和地震等，浮橋被設計成幾種性能級別。 根據(jù)重要性系數(shù)，浮橋設計時應保證具有表7所列出的對應目標性能水平，如負載載荷、暴風浪、海嘯及地震等。四.浮橋設計載荷 設計載荷 主要包括：靜載荷，動載荷，沖擊載荷（例如碰撞等），土壓力（如錨泊系統(tǒng)里錨樁對浮橋的作用力），流體靜壓力（包括浮力），風載荷，水波因素（包括膨脹因素），地震因素（包括流體動壓力），溫度變化因素，水流因素，潮汐變化因素，基礎變形因素，支座運動因素，雪載荷，離心荷載，海嘯因素，暴風潮因素，湖面波動

5、（次波動），船激波，海震，制動載荷，裝配載荷，碰撞載荷（包括船舶碰撞），浮冰因素和浮冰壓力，沿岸運輸因素，漂移物體因素，水體等級因素（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，等價于主要載荷的特殊載荷PP，還有等價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，但主要設計載荷應包括載荷1，2，6，7，8，11，12，16，17，22和23。 浮力、水波、風及重現(xiàn)周期浮橋設計過程中，潮汐、海嘯、風暴潮等引起的水位變化是控制載荷之一。設計中應考慮風向垂直浮橋軸線情況。風吹過水面時，產(chǎn)生的波浪會對浮橋產(chǎn)生水平方向，豎直方向和扭轉(zhuǎn)載荷。這些載荷取決于風速，風向，持續(xù)時

6、間，吹程（風區(qū)長度），水道構(gòu)造和水深。設計風速是指水面上空10m高度處10分鐘時間內(nèi)的平均速度。對于風和地震等自然載荷在許多情況下就成為關鍵因素。 在討論自然載荷的頻率時，常使用重現(xiàn)周期這個概念。主導自然載荷（如風速等）的非超過數(shù)概率PN可由重現(xiàn)周期和期望使用壽命 來得到： 在許多情況下，Q或T 一般假設取為0.5-1。這樣，由方程1可知，非超過數(shù)概率，也就是設計載荷不出現(xiàn)在使用壽命期間的概率，預計為60%或略低于40%。由于100%的概率對應于事件不可避免地出現(xiàn)，所以從風險管理角度出發(fā)，大約50%的概率看上去比較合理。而0概率對應的是為永遠不出現(xiàn)的事件投資額外或浪費的錢。以可靠統(tǒng)計記錄看出和

7、考慮到危機事件（通常假設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)過盡可能修復可再使用30年。因此，鋼橋總的設計壽命大約為60年。 為了安全，橋上交通應根據(jù)風速進行控制。如遇上20年一遇的風暴天氣，為了安全和公眾舒適度通常需考慮是否關閉交通。這個值應根據(jù)浮橋的特性、附近的設施和地區(qū)災難保護計劃等因素來確定。例如，風速為20m/s時，規(guī)章就要求上報。 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大于傳統(tǒng)橋,因此含有長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。當風從一定水平距離吹過來時，水波不斷傳播。但經(jīng)過一定時間后，水波停止逐步增強而變得穩(wěn)定。 組合式載荷 組合式載荷會對浮橋產(chǎn)生不利的效應，如表9所示，所使用符號如表8中。 潮汐等級被分為以下幾類： 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。一般來說，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，波特蘭鼓風爐熔渣水泥，波特蘭飛塵水泥都可用于制造浮橋。僅當浮箱干燥時，需考慮結(jié)構(gòu)的蠕動和收縮效應，因此，一旦浮箱下水就不用考慮上述效應。飛塵和硅石粉等高性能混凝土最適合用來制造浮箱。 表10給出了推薦的加強鋼材最小混凝土覆蓋層厚度。 錨泊系統(tǒng)所使用的材料應根據(jù)設計目標，環(huán)境，耐用性和經(jīng)濟性等因

10、素進行選擇。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,會出現(xiàn)嚴重的局部腐蝕。對于這樣的部位，一般采用陰極保護法；對于在L.W.L.下一般采用表層處理方法。表層處理方法包括上漆，加有機材料表層，礦脂表層，無機材料表層等。無機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腐蝕速度分布影響的示意圖。浪濺處腐蝕是最嚴重的，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)是一個最嚴峻環(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；但是對于某些情況，如水流和增加

11、海運會加速腐蝕。對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，但相對來說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)建造的浮橋應該具備足夠的能力來面對外界帶來的潛在危險，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，但如果水漏進浮橋內(nèi)部會造成浮橋的逐步損毀，最后導致橋的沉沒。這是目前浮橋所面臨的研究難題。七 .浮橋具體設計和分析 穩(wěn)性(Stability): 是指船舶受外力作用發(fā)生傾斜，當外力消失后能夠自行回復到原來平衡位置的能力。 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，回復緩慢，船舶長時間斜置于水面，航行不力。 和船一樣，浮橋的傾覆與其靜態(tài)穩(wěn)定性是相關的。 為了研究動力穩(wěn)定性需研究浮橋的可傾斜范圍。如圖13所示，給出了外部傾覆力矩與恢復力矩的對比情況。浮橋動力穩(wěn)定性條件可由以下不等式

13、給出，其中 :圖13 浮橋動力穩(wěn)定性：傾斜范圍 設計浮橋過程中,需要考慮的最重要的幾個物理量: 垂直位移和水平位移和傾斜程度。 無論是平常的一年一遇暴風雪天氣條件還是百年一遇的極端暴風雪條件下，通行時的舒適度在設計時需要認真考慮。因此，橋的響應加速度應在可忍受值的范圍內(nèi)。 表12給出了挪威的Bergsoysund浮橋和美國境內(nèi)浮橋在平常的暴風雪條件下（一年一遇）和在動載荷作用下，平移和轉(zhuǎn)動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給出了針對通常暴風雪條件下（一年一遇）的運動限度。 疲勞方面：要預防動載荷引起結(jié)構(gòu)破壞,如風,水波等。評估方法采用與傳統(tǒng)橋相同的方法。

14、地震因素：由于浮橋有較長的固有周期，所以需要研究長周期地震波的影響。盡管浮橋天生基礎孤立，但錨泊系統(tǒng)對地震的抵抗能力需要驗證，特別是系泊樁和基礎。 浮橋橋體設計：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，每一個浮箱的水動力特性可單獨研究，然后將得到的結(jié)果用于進行全局系統(tǒng)分析。實際上，在進行全局系統(tǒng)分析時，常采用離散方法，如有限元方法。對于這種分析方法，要考慮每個浮箱的附加質(zhì)量，水動力阻尼和水動力等因素，還要輸入浮箱的浮心位置。 風速和有效波高的設計：根據(jù)1991年日本政府運輸部港口局的報告，圖16給出了浮箱性浮橋設計風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關鍵點。為了保證有效波高在2.5m以下，需要架設擋浪堤。在分析入射水波運動和水下結(jié)構(gòu)受力問題時，粘性效應和勢流效應是兩個很重要因素。對于勢流理論，主要是結(jié)構(gòu)周圍的水波散射和輻射效應。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粘性效應和勢流效應所起的作用。圖17看出，水波散射是最重要的。因此，在這個區(qū)域，應用水波散射理論分析問題是非常合理的。 事實上，雖然自由表面流體勢流理論是基于流體不可壓、無旋、無粘等假設，但其預測結(jié)果與實驗結(jié)果存在很好的一致性。這就是為什么基于線性勢流理論的水波散射

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