CN101798818A - 节岛型自平衡式阿基米德桥 - Google Patents

Abstract

节岛型自平衡式阿基米德桥，属于水中悬浮隧道的一种新形式，由正桥、引桥及监控管理系统组成，正桥由节岛、连接桥段、标准桥段、轮胎式密封圈、约束环、隔振装置、及其它装置(如安全逃生装置等)组成，其特征在于节岛可通过约束环对桥段提供上、下、左、右四个方向的约束。此种结构可将桥段的浮重比控制在0.9至1.1之内而仍保持稳定，克服了锚索及立柱支承为单向约束的不足。约束环套装在桥段端部外面，可沿轴向移动，实现与节岛或其它桥段之间的联接或分离。必要时，桥段可脱离约束浮出水面，以便救援或维修、更换。轮胎式密封圈固定在桥段两端的密封槽内，内部可充入高压气体或液体，实现桥段与约束环之间的密封，传递约束力，隔离动力响应。

Description

节岛型自平衡式阿基米德桥

技术领域

本发明涉及一种悬浮在水中的隧道，即阿基米德桥。

背景技术

阿基米德桥自从十九世纪八十年代提出以来，作为一种新的交通概念早已经被接受，世界上有许多国家都投入巨资进行研究，并已经取得大量的科研成果，当年的科学幻想在逐渐变成现实。但是，由于阿基米德桥这一交通概念涉及领域广泛，需要解决的问题众多，因此，到目前为止世界上还未建成一座实用的阿基米德桥。

已经提出的用于车辆交通问题的阿基米德桥结构形式如下：阿基米德桥的顶面位于水面以下20-40米；主要由分段管体、管体之间连接部分、管体与两岸的连接部分以及锚固系统组成；管体通过锚固在水域(海、河、湖)底床锚桩上的缆索来约束定位。此种结构为保持波浪作用下桥体的稳定性，必须确保管体浮力总是大于重力，浮重比一般在1.2至1.5之间，甚至超过1.5，造成在不利工况下负荷较大，提高了建造成本。也有提出水底立柱支承的，立柱在管体下方，仅对管体起向上支承的作用。此种结构管体重力大于浮力，浮重比一般小于0.8，同样在不利工况下负荷较大，建造成本较高。还有完全自由式、浮筒锚固式和浮托式的，因稳定性较差，不适宜用于解决大流量交通运输问题(如铁路运输)。

发明内容

本发明是水中悬浮隧道(即阿基米德桥)的一种新的结构形式，称为节岛型自平衡式阿基米德桥。总体结构由正桥、引桥及监控管理系统组成，正桥如图1所示，由节岛1、连接桥段2、标准桥段3、轮胎式密封圈4、约束环5、隔振装置6、桥段导轨7、约束环导轨8及其它装置(如安全逃生装置等)组成。为便于桥段安装，可在节岛旁边设辅助支墩9，并用隔振装置10隔离支墩与桥段之间的动力响应。

节岛建筑在水底基础上，设置在标准桥段的连接处，分为微型、小型、中型、大型、特大型5种，中型以上高出水面，面积超过500平方米，形如岛屿，故称节岛。

与锚索不能有效约束桥段(标准桥段或连接桥段)下沉及立柱支承不能有效约束桥段上浮的约束特点不同，节岛可同时对桥段提供除轴向外上、下、左、右四个方向的约束力。由于节岛面积大，抗弯刚度大，这种双向约束可以确保桥段工作时的稳定性，克服了锚索及立柱支承为单向约束的不足。由于交通、洋流、波浪等可变因素作用在桥段上的荷载远小于重力及浮力，此种结构可将桥段的浮重比控制在0.9至1.1甚至0.95至1.05之内而仍保持稳定，从而可以大大降低不利工况时的负荷峰值，有利于增大跨度和降低成本。由于标准桥段所受浮力和重力几乎处于自相平衡的状态，故称之为自平衡式。因为节岛面积大，内部为空心结构，对基础的压力大为减轻，甚至可低于无桥时的水压。一般可使桥段浮重比大于1.0，节岛浮重比小于1.0，将整个结构的浮重比控制在0.9至1.0之间，接近自平衡状态。就整体来说，节岛主要提供横向约束，竖向约束的重要性有所降低，不再处于支配地位。这样一来，即使个别节岛因意外原因失效，也不会立即导致全桥崩溃，可获得宝贵的救援时间，减少损失。

为节省成本，水深超过100米的节岛，可考虑采用张力腿平台(Tension Leg platform，TLP)技术或多柱式平台(Cell Spar Platform)技术。此时节岛悬浮在水中，为确保对桥段下沉时提供约束，锚索向下的总张力应大于桥段对节岛最大压力的1.2倍。虽然同样采用锚索结构，但因为锚索并不直接作用在桥段上，此结构仍可将桥段的浮重比控制在0.9至1.1甚至0.95至1.05之内而仍保持稳定，只需加大节岛的浮重比即可，因而与已知技术有明显不同，有利于增大桥段跨度或降低成本。

约束环安装在桥段上，横截面可为方形、圆形或长圆形环，如图2所示，两边有凸缘1、内表面接近两端处各有多个环形密封槽2(一般为3-9个)、内表面圆弧位置对称设置4-8个轴向槽3(用于安装滑动导轨)。约束环可在监控管理系统的控制下沿轴向移动，使约束环同时套住两个桥段，凸缘进入节岛上相应的卡槽，从而实现桥段与桥段、桥段与节岛的联结，分离过程则与之相反。约束环的驱动采用防水机械装置，从桥段内遥控，也可采用直线电机，短初级线圈安装在桥段上，长次级线圈安装在约束环上(也可预埋)。增强型聚四氟乙烯导轨有良好的防腐性能和自润滑性能，为约束环的运动提供导向功能。

轮胎式密封圈固定在桥段两端的多个密封槽内，可在监控管理系统的控制下充入高压气体或液体，用于实现桥段与约束环之间的密封，同时传递约束环与桥段之间的约束力，隔离二者之间的动力响应。

当桥段发生严重故障，比如出现破裂进水等状况时，监控管理系统及时做出反应，先卸去轮胎式密封圈内压力，使密封圈缩入桥段的密封槽内，然后推动约束环沿轴向移动，将出现故障的桥段脱离。脱离约束的桥段通过抛出压舱重物浮出水面，以便救援或维修、更换。

为便于上浮，桥段除受约束环约束外，不再直接和缆索、立柱等锚固系统相联系。桥段两端设密封装置，用于装配或脱离前对桥段进行密封，防止水进入桥段内部。

隔振装置使节岛与桥段之间、桥段与桥段之间的动力响应相互隔离，可改善结构在交通负载、洋流、波浪作用下的动力性能，也可将地震、海啸、意外冲击的损害大为降低。

为节省建造成本，微型和小型节岛处不设连接桥段，由约束环实现标准桥段之间的联结，可在监控管理系统的控制下实现与节岛的联结和分离。微型节岛由于尺寸较小，只提供标准桥段之间的联结装配功能，不提供分离功能。当桥段出现故障浮出水面时，至少需要两个以上标准桥段一同浮出。这可以延缓桥段内水位上涨，对救援有利。

对小型和微型节岛，即使水深不足100米，也可考虑采用张力腿平台(Tension Legplatform，TLP)技术或多柱式平台(Cell Spar Platform)技术，但可以简化结构，缩小规模，不必建造水面平台。

中型以上节岛处的连接桥段固定安装在节岛上(但轴向并不刚性固定)，安装在标准桥段上的约束环在监控管理系统的控制下实现与连接桥段的联结和分离。此时标准桥段之间不再直接相连。标准桥段一旦脱离节岛和连接桥段的约束即可实现上浮。

中型以上节岛高出水面，有利于改善桥段内的通风换气条件。中型以上节岛面积在500平方米以上，以便常驻服务人员，提供检修、维修、安全、救援、医疗、卫生、科学考察等服务。

大型以上节岛设车站，提供旅游、购物、停车、餐饮、休闲等服务。

特大型节岛设通讯基站、码头、救援直升机停机坪等设施。必要时可在特大型节岛上设置弯道，以使全桥路线符合水文地质条件的需要。

无论何种节岛，均不对连接桥段、标准桥段和约束环沿轴线方向的移动或伸缩提供刚性约束，只通过安装于节岛内部的减振装置提供阻力和阻尼。这样，所有正桥部分的桥段沿轴线方向均处于半自由可伸缩的状态，可以有效降低温度应力的影响。由于桥段之间并不直接相连，轴向动力响应也处于相互隔离的状态。

附图说明

图1为本发明的主体结构图，主要表示出了节岛1、连接桥段2、标准桥段3、轮胎式密封圈4、约束环5、隔振装置6、桥段导轨7、约束环导轨8、辅助支墩9、隔振装置10等组成部分。

图2为约束环的一种具体结构图，横截面为长圆形，两边有凸缘1、内表面两端各有3-9个环形密封槽2、圆弧部分对称分布4-8个用于安装导轨的轴向槽3。

具体实施方式

正桥具体施工时可分四个阶段进行。第一阶段，在选定节岛位置的海底建设基础，同时在岸边船坞预制节岛标准件；第二阶段，将节岛标准件运到施工位置并完成节岛主体结构施工，同时在岸边船坞预制标准桥段、连接桥段和约束环；第三阶段，将桥段、约束环装配到节岛上，标准桥段的装配可按如下步骤进行：先借助浮力将约束环套在桥段上并拖运到施工位置，再灌水下沉，借助辅助桥墩横向定位，然后排水使浮力平衡重力，在接近平衡状态下轴向移动定位，并将约束环沿轴向推入节岛卡槽，最后向轮胎式密封圈中通入高压气体或液体，完成装配和密封；第四阶段，安装调试各种附属设施。

对大流量交通运输情况，可采用外形尺寸宽48米、高12米的标准桥段，内部可容纳铁路复线及四车道公路和两个非机动车道、人行道，此时约束环的形状和尺寸可按图2制造，材料可用预应力钢筋混凝土，导轨用增强型聚四氟乙烯塑料。

Claims (9)

1.一种节岛型自平衡式阿基米德桥，由正桥、引桥及监控管理系统组成，正桥由节岛、标准桥段、连接桥段、约束环、轮胎式密封圈、隔振装置、安全逃生装置等组成，其特征在于：节岛可同时对桥段提供上、下、左、右四个方向的约束。

2.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：标准桥段的浮重比(浮力与重力之比)控制在0.9至1.1之内。

3.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：约束环可沿轴线方向移动，从而实现桥段之间或桥段与节岛之间的联接或分离。

4.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：用轮胎式密封圈实现约束环与桥段间的密封，并传递约束力，隔离动力响应。

5.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：节岛与约束环之间设有隔振装置，可隔离二者间的动力响应。

6.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：节岛并不对连接桥段、标准桥段和约束环沿轴线方向的移动或伸缩提供刚性约束，只对轴向位移提供阻力和阻尼。

7.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：节岛采用张力腿平台(Tension Leg platform，TLP)技术。

8.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：节岛采用多柱式平台(Cell Spar Platform)技术。

9.按照权利要求1所述的节岛型自平衡式阿基米德桥，其特征在于：标准桥段除受约束环约束外，不再直接和缆索、立柱等锚固系统相联系。

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