CN102312448A - 自平衡式阿基米德桥 - Google Patents

Abstract

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，正桥由约束平台、桥段、约束环、隔振装置、轮胎式密封圈、及其它装置组成，其特征在于约束平台可通过约束环对桥段提供上、下、左、右四个方向的约束，克服了锚索及立柱支承为单向约束的不足，因而可将桥段的浮重比控制在0.9至1.1之内而仍保持稳定。约束环套装在桥段两端外部，可沿轴向移动，通过其上的凸缘与约束平台上的卡槽配合来实现桥段与平台之间的联接或分离。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

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

一、要解决的技术问题：

1、在桥段所受浮力和重力接近平衡的情况下，保证桥段在动力载荷作用下的稳定性。

2、出现意外事故时，方便逃生和救援。

3、损坏或性能下降时便于维修和更换零部件。

二、采用的技术方案：

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，由于浮力与重力接近相等，故称为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，由约束平台1、桥段2、约束环3、轮胎式密封圈4、隔振装置5及其它装置(如安全逃生装置等)组成。为便于桥段安装，约束平台上设有辅助支墩6，并用隔振装置7隔离支墩与桥段之间的动力响应。

该技术方案的主要特征是：

1、每两个桥段的连接处设有一个能提供上、下、左、右四个方向刚性约束的约束平台。

2、约束平台与桥段之间通过约束环连接。

3、约束平台上设有两个以上约束卡槽8。

4、约束环上设有两个以上凸缘9，这些凸缘可插入约束平台上的卡槽内。

5、约束平台的卡槽内装有隔振装置。

6、桥段两端各有3至9个环形槽10，槽内装有轮胎式密封圈。

7、约束平台可采用钢筋混凝土空心结构，用绷紧索锚固于水底或岸边。如图2。

8、约束平台可采用钢筋混凝土空心结构，用建造于水底的钢筋混凝土桁架结构支撑。如图3。

9、约束平台可采用直接建筑在水底基础上的钢筋混凝土空心结构。如图4。

三、有益效果：

1、降低成本。

2、提高安全性能。

3、提高维修性能。

四、对该技术方案如何解决技术问题及实现有益效果的说明：

与锚索不能有效约束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，约束平台可通过约束卡槽同时对桥段提供除轴向外上、下、左、右四个方向的约束力。由于约束平台体积大，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。由于保证了稳定性，设计桥段时就可在接近于1的范围内确定浮重比。这样设计的桥段浮力和重力接近平衡，可以大大降低不利工况时的负荷峰值，从而可以降低成本、增加跨距。而跨距的增加，不但可以进一步降低成本，还可以减少对水底交通的影响，减少撞击事故等。

因为约束平台面积大，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，约束平台浮重比小于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，约束平台主要提供横向约束，竖向约束的重要性有所降低，不再处于支配地位。这样一来，即使个别约束平台因意外原因失效，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。

约束环套装在桥段上，内孔与桥段外形相适应，外形可为方形、圆形或长圆形，两边有凸缘。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，凸缘进入约束平台上相应的约束卡槽，从而实现桥段与桥段、桥段与约束平台的联结，分离过程则与之相反。

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。

隔振装置使约束平台与桥段之间、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。

约束平台可有微型、小型、中型、大型、特大型五种类型。

中型以上约束平台高出水面，有利于改善桥段内的通风换气条件。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。

大型以上约束平台设车站，提供旅游、购物、停车、餐饮、休闲等服务。

特大型约束平台设通讯基站、码头、救援直升机停机坪等设施。必要时可设置弯道，以使全桥路线符合水文地质条件的需要。

附图说明

图1为本发明的主体结构图。正桥由约束平台1、桥段2、约束环3、轮胎式密封圈4、隔振装置5及其它装置组成。约束平台上有辅助支墩6，隔振装置7，约束卡槽8。约束环上有凸缘9，桥段两端有环形槽10。

图2为用绷紧索锚固的约束平台结构图。由平台主体1、主支墩2、约束卡槽3、辅助支墩4、锚固索5组成。

图3为用桁架结构支撑的约束平台结构图。

图4为直接建造在水底基础上的约束平台结构图。

具体实施方式

该发明具体实施时，可先制造标准件，然后按图1所示的结构进行装配。其中约束平台、约束环、桥段、减振装置、轮胎式密封圈都可以制成标准件。

实施例：对要求双线铁路、6车道公路的大规模交通运输要求，标准桥段可采用图1所示的形状，外形高12米、宽48米、长420米，采用钢骨钢筋混凝土薄壁加肋结构。约束环、约束平台的尺寸则与之相适应。在水深70米以上地方，采用图2所示约束平台，50到70米的地方采用图3所示的约束平台，50米以下则采用图4所示的约束平台。

正桥具体施工时可分四个阶段进行。第一阶段，在选定约束平台位置的海底建设基础，同时在岸边船坞预制约束平台标准件；第二阶段，将约束平台标准件组装后运到施工位置，安装定位后完成锚固施工，同时在岸边船坞预制标准桥段、约束环；第三阶段，将桥段、约束环装配到约束平台上，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，借助辅助支墩横向定位，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约束平台上的约束卡槽内，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。

Claims (9)

1.一种阿基米德桥，由正桥、引桥及监控管理系统组成，正桥由约束平台、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：每两个桥段的连接处设有一个能提供上、下、左、右四个方向刚性约束的约束平台。

2.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台与桥段之间通过约束环连接。

3.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台上设有两个以上约束卡槽。

4.按照权利要求3所述的阿基米德桥，其特征在于：约束环上设有两个以上凸缘，这些凸缘可插入约束平台上的卡槽内。

5.按照权利要求3所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台的卡槽内装有隔振装置。

6.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：桥段两端各有3至9个环形槽，槽内装有轮胎式密封圈。

7.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台为钢筋混凝土空心结构，用绷紧索锚固于水底或岸边。

8.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台为钢筋混凝土空心结构，用建造于水底的钢筋混凝土桁架结构支撑。

9.按照权利要求1所述的阿基米德桥，其特征在于：约束平台为直接建筑在水底基础上的钢筋混凝土空心结构。

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