浮桥设计及分析

浮桥设计及分析

摘要：建造浮桥的目的一般分为两类：一种是出于满足军事战备或抢险救灾的需要为目的。由于浮桥以浮动基础来代替复杂的水下固定基础，便于架设，便于拆除，更便于疏散隐蔽和装车运输，具有较突出的快速性和机动性。另一种目的主要出于经济性考虑，即当现场的水深很大或水底非常柔软时，建造传统桥墩就不太合适。而此时利用水的自然浮力，既不需要传统桥墩也不需良好地基的浮桥就成为较好的选择。

关键词：浮桥设计及分析方法

1引言

交通运输是国家的大动脉，浮桥是交通运输线上的特殊桥梁，以浮桥跨越江河完全是出于经济性或军事方面的特殊需要而修建。浮桥的历史可以追溯到公元前 4000 年左右。浮桥的种类也很多，这主要取决于陆地条件和需跨越障碍的类型。原以小木船为桥墩，木跳板为桥梁，靠小铁链锚碇，以石砌台阶随水位涨落而升降的码头为引桥桥台，遇水位暴涨则拆，水位平退则通；发展到今日的铁路浮桥、钢塔架浮墩以及永久型大水深跨海湾浮桥等。钢梁浮桥有不通航的带式浮桥，通航的高架浮桥和可转动定期通航浮桥。按用途分类有公路浮桥、铁路浮桥等等。这种历史性的发展，完全是随着文化、商业、经济、军事的发展而在交通运输上取得的成就。

2浮桥的设计荷载

在设计中，必须考虑的载荷有静载荷，动载荷，冲击载荷（例如碰撞等），土压力（如锚泊系统里锚桩对浮桥的作用力），流体静压力（包括浮力），风载荷，水波因素（包括膨胀因素），地震因素（包括流体动压力），温度变化因素，水流因素，潮汐变化因素，基础变形因素，支座运动因素，雪载荷，离心荷载，海啸因素，暴风潮因素，湖面波动（次波动），船激波，海震，制动载荷，装配载荷，碰撞载荷（包括船舶碰撞），浮冰因素和浮冰压力，沿岸运输因素，漂移物体因素，水体等级因素（侵蚀和摩擦）和其他载荷。

3浮桥的设计与分析

3.1 稳定性

和船一样，静态稳定性与浮桥的倾覆是相关的。图1给出了浮桥在小倾斜情况下的稳定性分析。由于复原力矩为W×GZ，其中W和GZ分别是指总重量和通过定倾中心（当浮体倾斜时，其浮心（B）位置亦随之改变，新的浮力作用力线与原作用力线成一夹角交会于点M，此一点称为定倾中心metacenter）的竖直线与重心G的距离，MK值越大，浮体越稳定。

无论是平常的一年一遇暴风雪天气条件还是百年一遇的极端暴风雪条件下，通行时的舒适度在设计时需要认真考虑的。因此，桥的响应加速度应在可允许值的范围内。

3.2 水动力分析和势流基本假设

假设流体是不可压，无粘和无旋。。

3.3 操纵稳定性

易操纵性是最重要的使用性能之一。

3.4 疲劳方面

要注意疲劳强度，以预防动载荷引起结构破坏，如风、水波等。评估方法采用与传统桥相同的方法。

3.5 地震因素

由于浮桥有较长的固有周期，所以需要研究长周期地震波的影响。尽管水震波对浮桥基础影响较小，但锚泊系统对地震波的抵抗能力需要分析研究，特别是系泊桩和基础。

3.6 浮桥桥体设计

一般浮桥主要考虑分离式浮箱。如前面所解释，每一个浮箱的水动力特性可单独研究，然后将得到的结果用于进行全局系统分析。实际上，在进行全局系统分析时，常采用离散方法，如有限元方法。对于这种分析方法，要考虑每个浮箱的附加质量，水动力阻尼和水动力等因素，还要输入浮箱的浮心位置。

3.8 风速和有效波高的设计

根据1991年日本政府运输部港口局的报告，图5给出了浮箱性浮桥设计风速和有效波高的适用范围。报告上指出，2.5 m的有效波高是浮箱型浮桥的一个关键点。为了保证有效波高在2.5 m以下，需要架设挡浪堤。在分析入射水波运动和水下结构受力问题时，粘性效应和势流效应是两个很重要因素。对于势流理论，主要是结构周围的水波散射和辐射效应。

3.10 浮体设计

浮体设计与传统桥的设计相差甚远。浮体设计包括：浮体类型选择，浮体防洪部分设计，防船舶撞设计，通过连接结构与陆地相连的浮体吃水深度的考虑，防蚀保护，附属设施和锚泊结构设计。在分析浮体——流体耦合作用时，一般采用刚体假设并忽略其弹性变形。

3.11 锚泊结构设计

首先要确定锚泊结构的类型、布置分布和数量。在设计时，首先要了解所处环境的各种参数，

如风速、水波和水流、地震、温度变化、海啸、湖面震荡(次波动)、长周期水波、锚桩锚泊结构设计、锚链锚泊、张力腿平台等情况以及通过两端箝拉锚泊方法。

3.12 基础设计

先确定载荷，再选择基础类型。

3.13 附属设施设计

对连接结构的选择及其设计进行描述，并对可移动支撑的平移运动和膨胀装置的净间隙的作用作具体规定，即将用于：维护和维修、检查通道和工作空间、过道、调整吃水深度、防洪、水波消散装置（如挡浪堤等）。

4结语

总之，随着近期流体——固体耦合作用理论的发展，为准确预测和分析浮桥动力学性能奠定

理论基础，同时为浮桥设计提供指导。根据最近JSCE钢结构委员会浮桥组委会出版的《DesignGuideline for Floating Bridges》，对浮桥进行分析和设计时需关注的方面如下：（1）基于边界元或其它相关方法可以在频域范围内对附加质量系数和辐射阻尼系数进行估算，并在时域内可得到记忆效应函数；（2）在利用有限元方法求解时，需在浮箱基础的浮心处输入时域内水动力特性参数，如记忆效应函数、附加质量、水动力激励载荷、浮箱基础的漂移力；（3）在分析问题时，可以容易地考虑一些非线性因素，如锚泊力和非线性漂移力等；（4）如具备有效的防腐措施，可有效地采用钢材用于浮桥的建造。

参考文献：

[1]Eiichi Watanabe, Tomoaki Utsunomiya. Analysis and design of floating bridges. Prog. Struct. Engng Mater. 2003, 5:127～144

[2]Lwin MM. 22 Floating bridges. In: Chen W F & Lian Duan (eds) Bridge. Engineering Handbook. CRC Press. 2000, 22: 1～23