施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)式開啟橋工作原理分析

李偉

摘要：施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)式開啟橋（Strauss Heel-trunnion BasculeBridge）誕生于20世紀(jì)初，目前世界范圍內(nèi)仍存在一定數(shù)量的此類橋梁。本文闡述了施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)式開啟橋的構(gòu)造特點，并對工作原理進(jìn)行了分析

關(guān)鍵詞：施特勞斯 立轉(zhuǎn) 開啟橋

1.概述

開啟橋指的是為通航需要，上部結(jié)構(gòu)能以豎旋、平旋、提升等方式開合的橋梁。當(dāng)陸地運輸不甚繁忙，河流上有船舶航行而固定式橋梁不能建造在通航凈空以上時，就需要建造開啟橋，從而以解決水陸交通。豎轉(zhuǎn)開啟橋的開啟方式主要有三種：固定軸開啟（Fixed trunnion bascule bridge）、施爾澤爾滾動式開啟（Sherzer rolling lift bridge）、施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)式開啟（Strauss heel-trunnion bascule），其中我國建設(shè)立轉(zhuǎn)式開啟橋以固定軸為主。

約瑟夫·貝爾曼·斯特勞斯（Joseph Baermann Strauss，1870-1938年）是舊金山金門大橋的設(shè)計師，也是開啟橋梁的創(chuàng)新者。他發(fā)明的施特勞斯踵軸式立轉(zhuǎn)式開啟橋核心開啟部件為平行四邊形四軸體系。受力體系較固定軸開啟橋、施爾澤爾滾動開啟橋復(fù)雜，也更為經(jīng)濟(jì)合理的，開啟及關(guān)閉更為迅速，而傳力部件采用直排齒，而非弧形齒，設(shè)計、加工、安裝及養(yǎng)護(hù)均更為方便，這都是此類橋梁的重要優(yōu)點。他成立的施特勞斯工程公司在世界范圍內(nèi)設(shè)計了400多座開啟橋。

2.橋梁構(gòu)造簡介

下圖為一座典型的施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋，具體部位介紹如下：

施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋圖示

Rocking Truss——搖擺桁架，用于固定配重塊

Cwt Trunnion——配重軸，配重塊及搖擺桁架繞此軸旋轉(zhuǎn)

Link——連桿，將配重塊及搖擺桁架的重量傳遞至開啟跨桁架

Pinion——齒輪，通過齒條工作原理與作用桿配合拉動開啟跨

Operating Strut——作用桿，用于拉動開啟跨

Main Trunnion——主軸，開啟跨桁架繞此軸旋轉(zhuǎn)

施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋傳動機(jī)理

簡化力學(xué)模型

將復(fù)雜的桁架及開啟構(gòu)造進(jìn)行模型簡化可以看到，施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋傳動機(jī)理比常規(guī)的立轉(zhuǎn)開啟橋更為復(fù)雜。常規(guī)的立轉(zhuǎn)開啟橋采用了的單軸的“單杠桿”式開啟方式，將配重塊與開啟跨固結(jié)，而施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋?qū)⑴渲貕K與開啟跨分離，在橋梁中出現(xiàn)了4個軸，其中2個軸用于連接配重塊與開啟跨桁架，剩下的2個軸就形成了配重塊與開啟跨間接傳動的“雙杠桿”式開啟方式。

3.工作原理研究

開啟跨桁架重心在A處，配重的重心在C處，開啟跨桁架重心A繞主軸B1旋轉(zhuǎn)，懸在橋面上的配重塊重心C繞配重軸B2旋轉(zhuǎn)。連桿D-E連接配重開啟跨桁架，B1-D-E-B2形成平行四邊形。在設(shè)計中通過構(gòu)件的合理布置可實現(xiàn)A-B1與B2-C平行，這樣可以使相對于B1的開啟跨桁架靜載力矩與相對于B2的配重力矩之比保持恒定。

施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋在誕生之時相比于主要競爭對手施爾澤爾開啟橋的優(yōu)勢在于環(huán)抱型耳軸設(shè)計，克服了滾動跨距變化的缺點。施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋的開啟機(jī)械是設(shè)置在固定跨上的，施爾澤爾開啟橋的開啟機(jī)械設(shè)置在開啟跨上，會隨橋梁開啟而有位置和角度上的變化。

4.受力分析

采用了Midas對施特勞斯踵軸立轉(zhuǎn)開啟橋的閉合狀態(tài)，初始開啟狀態(tài)，最大開啟狀態(tài)三個工況進(jìn)行了分析，并根據(jù)計算結(jié)果可以初步得出以下結(jié)論：

① 與普通簡支梁的支座設(shè)計不同，各個支座的受力差距較大，甚至不在一個數(shù)量級;

② 各個配重塊重量較大，且布置于橋外側(cè)，與配重側(cè)支座，主軸位置支座形成杠桿效應(yīng)，其中配重側(cè)支座作為支點，會承受甚至大于配重塊重量的力。因此該處的支座及基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)以承載力為控制因素進(jìn)行重點考慮;

③ 主軸位置支座受力變化幅值較大：關(guān)閉狀態(tài)時，主軸位置支座由于杠桿效應(yīng)，受到配重塊帶來的負(fù)反力，其受力小于開啟跨支座;開啟初始狀態(tài)，開啟跨支座脫空，整個開啟跨的重量作為一個整體荷載加到前面所述的“杠桿”一端，通過與配重塊相反的杠桿作用，主軸位置支座反力增加，配重側(cè)支座反力減小。因此主軸位置支座應(yīng)注意能夠適應(yīng)大幅度的受力變化，并應(yīng)控制不要在配重塊的作用下出現(xiàn)負(fù)反力，同時配重側(cè)支座不要再開啟跨桁架的作用下出現(xiàn)負(fù)反力。

④拉桿及與拉桿相連的搖擺桁架上的頂部受拉桿件作為將配重傳遞至開啟跨桁架的主要傳力路徑，受到最大的拉力，且拉力會隨著橋梁的開啟不斷增大，在橋梁開啟至最高點時候，拉力達(dá)到了初始開啟時的兩倍，因此拉桿的設(shè)計與橋梁的最大開啟角度有關(guān);

⑤開啟過程中配重塊的角度及開啟跨的角度都會有較大的變化，因此與四個耳軸相連的桁架在開啟過程中，內(nèi)力變化較大，尤其是與拉桿連接的開啟跨桁架，個別桿件由一個承擔(dān)橋面荷載的桁架桿件變化為傳遞配重拉力的主要路徑，在開啟前后軸力由54.3kN增至6212.4kN，這也是開啟橋設(shè)計與常規(guī)桁架橋設(shè)計的重要區(qū)別。

參考文獻(xiàn)

【1】Seabrook Strauss Bascule Bridge Floor System Replacement And Bottom Chord Rehabilitation，Gregory P. Taravella， PE James W. H. Costigan， EI

【2】Strauss Heel Trunnion Repairs Jacksonville Bridge，Geoffrey L. Forest， P. E.，Modjeski and Masters， Inc& Michael Collier， P. E. Scott Bridge Company

【3】Counterweight Trunnion Replacement，Louisiana Transportation Conference 2016 February 28-March 2， 2016 · River Center， Baton Rouge