KR101161657B1 - 탑, 교량빔, 주/현수 케이블, 현수 바, 및 대각선 케이블스테이로 이루어진 교량 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 현수 행거 및 대각선 케이블 스테이뿐만 아니라 탑, 교량 상판, 주 현수 케이블로 이루어진 교량에 관한 것이다. 본 발명은 교량이 대각선 케이블 스테이부(4) 및 현수교부(5)의 연속 결합, 1개 이상의 중앙 주 현수 케이블로 이루어진 주 현수 케이블(2), 가로보(7) 또는 다른 지주와 연결된 2개 이상의 교량 상판 사이에 일정한 또는 변화하는 거리로 배열된 2개 이상의 분리된 상판으로 이루어진 교량 상판(6), 및 가로보 또는 다른 지주 또는 교량 상판에 고정된 대각선 케이블 스테이(8) 및 현수 행거를 포함하며, 상기 현수 행거, 주 현수 케이블, 및 가로보 또는 다른 지주가 교량의 가로의 수직면에 삼각형 구조 시스템을 형성하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020067009058
현수 케이블, 현수 바, 대각선 케이블 스테이, 현수 행거

Description

탑, 교량빔, 주/현수 케이블, 현수 바, 및 대각선 케이블 스테이로 이루어진 교량 구조{BRIDGE STRUCTURE COMPRISING TOWER, BRIDGE BEAM, MAIN/SUSPENSION CABLE, SUSPENDING BARS, AND DIAGONAL CABLE-STAYS}
본 발명은 약 500m를 초과하는 경간을 갖고 종래의 현수교 및 사장교의 대안을 구성하는 교량에 관한 것이다.
현재까지 현수교만이 1000m를 넘는 경간에 이용되어 왔고, 전세계적으로 1000-2000m 범위의 경간을 갖는 다수의 교량이 건설되어 왔다. 전형적인 현수교는 교량빔(bridge beam)과 현수 케이블 사이에 수직 현수 행거를 갖는 2개의 평행 현수 케이블로부터 매달려 있는 중앙 교량빔으로 이루어져 있다. 현수 케이블은 교량 경간의 각 단부의 탑에 의해 지지되고, 상기 탑을 통하여 연장되어 결국 암석 또는 콘크리트 기초에 고정된다. 탑은 통상 중앙으로 이어지는 교량빔의 각 측부에 지주를 갖고, 교량빔 아래 및 위의 지주 사이에 대들보를 갖는 A 또는 H형으로 설계된다.
1000m를 초과하는 경간에 대해, 바람은 구조물의 주요 하중을 이루고, 교량빔이 풍력에 견딜 수 있게 하는 구조상의 개념을 선택하는 것은 중요한 것이고, 동시에 구조물은 모든 바람 상태의 영향에 공기역학적으로 안정되어야 한다. 상기 양 상들은 결국 자재의 이용, 무게 및 비용의 범위를 결정한다.
긴 경간에 대해, 교량 구조의 사중량은 트래픽 하중과 비교하여 더 크고 현저한 정하중이 되고, 동시에 바람 기후는 교량의 동적 작용 및 공기역학적 설계에 영향을 미친다. 증가하는 경간에 의해, 종래의 현수교 구조물은 설계의 실현을 경제적으로 방해하는 사중량 및 질량에 이른다. 이것을 예시하면, 2개의 차선을 갖는 1000m의 교량에 대해서는 교량빔, 현수 케이블 및 트래픽 하중간의 하중비가 대략 60/20/20%이지만, 유사한 2000m의 교량에 대해서는 대응하는 값이 55/35/10%이다. 수반되는 전체 단위 체적의 중량은 동시에 대략 교량빔의 미터당 12톤에서 교량빔의 미터당 16톤으로 증가하게 된다.
극복할 수 없는 비용 때문에 실현되지 않았던 1000m를 초과하는 경간을 갖는 다수의 가능한 크로싱(crossing)이 있다. 상기 구조물의 비용을 감소시키는 것은 매우 이로워질 것이다. 이것은 교량의 자체 중량을 감소시킴으로써 얻어지고 동시에 공기역학적 안정성이 유지된다. 또한, 건강, 환경 및 안전의 엄밀한 요구 사항에 따르는 예상가능하고 합리적인 방식으로 구조물이 건설될 수 있는 것이 필요하다.
19세기 및 20세기에 건설된 다수의 교량은 대각선 케이블 스테이 및 현수 바의 조합을 사용하였다. 가장 널리 공지된 것은 1883년에 완공되고 486m의 경간을 갖는 Brooklyn Bridge이다. 대각선 스테이 및 현수 행거는 전체 경간에 걸쳐 오버랩되어 상당히 과다한 정적 시스템을 건설한다. 상기 구조물은 최적이 아닌 방식으로 유연성 있는 현수교 시스템과 고가의 사장교 시스템을 결합한다.
NO 107352는 대각선 스테이 및 현수 케이블의 결합을 교시하지만, 분할된 차선과 결합하는 중앙 운반 요소를 교시하지 않는다.
탑에 인접한 대각선 스테이가 경간의 중간부에서 현수교와 결합된 이른바 혼합교가 건설되어 왔다. 이 예는 알제리의 footbridges Sidi Me Cid(164m) 및 일본의 Nagisia Bridge(110m)이다.
분할된 차선 및 중심 단일 탑과 홀로 결합된 대각선 스테이는 1018m의 경간을 갖는 홍콩의 Stonecutter Bridge에 사용되지만, 대각선 스테이는 교량 상판의 외측에 배열된다. 경간이 더 길면, 상기 구조물 형태는 더욱더 고비용이 되고 건설시에 안정성 문제를 야기할 것이다.
본 발명은 사장부에 앞서는 탑에 근접한 캔틸레버식 콘크리트 교량부에 더하여, 그리고 그 다음 중앙 현수 경간 사이에 넓은 에어 갭(air gap)을 갖는 분할된 교량 상판을 이용하여 보다 견고한 교량 상판을 제공함으로써 바람의 안정성이 포함되는 문제를 해결한다. 교량 상판간의 거리는 교량의 가로 강성을 결정한다. 상기 거리는 변화될 수 있고 교량의 자재 및 크기를 저감하는데 기여한다. 상기 종류의 변화는 원칙적으로 종래의 현수교 구조에 가능하지 않다. 게다가, 중앙 탑 및 대각선 스테이와 결합하는 분할된 교량 상판, 및 경사진 현수 바를 갖는 중앙 현수 케이블은 자체에서 교량 상판의 비틀림 안정성을 증가시키는 삼각형 구조를 형성한다. 증가된 비틀림 안정성은 교량의 공기역학적 안정성을 향상시킨다.
건설시에 안전성의 요구 사항에 관하여, 일측으로부터의 캔틸레버식 교량 부분(캔틸레버식 콘크리트 교량 및 대각선 사장교)은 비지지 길이의 스퀘어와 비례하는 건설시의 안정성 문제를 증가시키는 한편, 현수교는 현수 케이블이 우선 시설내의 대기 스핀닝(aerial spinning)에 의해 배열되기 때문에, 훨씬 더 안정한 구조를 가져온다. 현수 케이블은 한쪽 탑에서 다른 쪽 탑까지 놓이고 전체 안정성에 기여하는 한편, 행거, 스테이 및 교량 거더(girder) 부분 등의 다른 요소는 동시에 케이블 스피닝에 의한 요소에 의해 신속히 조립된 요소이다.
캔틸레버식 콘크리트 구조는 탑에 가장 근접한 교량의 일부에 대하여 가장 저가의 대안이지만, 상기 방법은 홀로 매우 제한된 경간을 제공한다(비용에 의해 결정된 최대 4000m). 대각선 케이블 스테이 방법은 더 짧은 경간에 대해 어느 정도 더 고가이지만, 상당히 더 긴 경간에 이용될 수 있다(비용에 의해 결정된 최대 대략 1000-1200m). 현수교 방법은 더 짧은 경간에 대해 미터당 비교적 고가를 요구하지만, 매우 긴 경간에 이용될 수 있다. 지금까지 건설된 가장 긴 경간은 1998년의 1991m(Akashi-Kaikyo)이다. 현수교의 비용 비율은 주로 주케이블 톤수의 증가 및 바람의 안정성 문제 증가 때문에, 증가하는 경간에 의해 매우 크게 증가한다.
본 발명은 캔틸레버, 대각선 케이블 스테이 및 현수교의 연속 결합을 이용함으로써 긴 경간 교량의 구조상의 비용을 상당히 저감한다. 상기 결합은 순수 현수교 또는 대각선 사장교와 비교하여 자재를 상당히 저감한다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징부에 기재된 상기 특징들에 의해 달성된다. 다른 유리한 특징 및 특성은 종속항에 기재된다.
이하, 첨부 도면의 참조하에 본 발명의 제한되지 않는 설명 및 예들이 이어진다.
도 1은 본 발명에 의한 교량의 측면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 현수교부의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의한 대각선 사장부의 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 의한 캔틸레버식 콘크리트 부분의 단면도를 나타낸다.
도 5 및 6은 본 발명에 의한 상이한 케이블 앵커링을 갖는 교량의 사시도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 의한 2개의 단일 탑(1), 1개의 중앙 주 현수 케이블(2), 캔틸레버식 콘크리트 교량부(3), 대각선 케이블 스테이부(4) 및 현수교부(5)로 이루어지는 교량을 나타낸다. 캔틸레버식 콘크리트 교량부(3)는 예컨대, 50m에서 최대 200m까지 돌출될 수 있고, 대각선 케이블 스테이부(4)는 캔틸레버부(3) 다음에 계속되어 약 500m까지 돌출될 수 있는 한편, 현수교부(5)는 상기 일예에서 약 2000m까지 잔여 갭에 걸쳐 있다. 대략 1300m의 전체 경간을 갖는 교량에 대해서는, 각 길이는 대략 100m, 250m 및 600m(즉, 2×100m + 2×250m + 600m=1300m)로 측정될 수 있다. 2700m의 경간을 갖는 교량의 대응 값은 예컨대, 100m, 450m 및 1600m=2700m 일 수 있다. 캔틸레버식 교량부(3)는 어느 정도 더 유연성 있는 대각선 사장부(4)로 계속되는 단단한 요소를 형성하는 한편, 현수교부(5)는 대각선 케이블 스테이부(4) 사이에서 가장 유연한 부분을 형성한다. 현수교부가 저감되는 캔 틸레버식 교량, 대각선 사장교 및 현수교의 상기 결합은 주 현수 케이블을 상당히 더 가볍게 하고 더 얇아지게 하여, 교량의 전체 비용을 크게 저감한다.
도 2는 교량의 현수교부를 통해 단면이 취해지는 본 발명의 일예에 의한 교량의 단면도를 나타낸다. 2개의 교량 상판(6)은 횡거리가 변화되면서 이어지고, 교량 상판(6)의 내측의 가로보(7)에 의해 서로 연결된다. 주 현수 케이블(2)에 고정된 행거(9)는 교량 상판(6)의 내측의 가로보(7)의 각 단부 아래로 연장된다. 행거(9)[및 대각선 케이블 스테이(8)]가 교량 상판(6)의 내측에 고정되기 때문에, 길고 유연성 있는 암(arm)을 갖는 조사 차량은 암이 교량 상판(6) 아래 위치로 일정하게 끌려가고 밀려가는 것을 필요로 하는 행거(9)[또는 대각선 케이블 스테이(8)] 등의 장애물과 충돌하는 것없이 용이하게 교량 상판(7)의 아래에 접근할 수 있고, 교량 상판(6) 방향을 따라 용이하게 운송될 것이다.
도 3은 교량의 대각선 케이블 스테이부(4)를 통해 단면이 취해지는 본 발명의 일예에 의한 교량의 단면도를 나타낸다. 교량 상판(6)은 가로보(7)에 의해 연결된다. 교량 상판간의 거리는 도 2와 비교하여 증가된다. 대각선 케이블 스테이는 가로보(7)에서 단일 탑(1)까지 이어진다.
도 4는 교량의 켄틸레버부(3)을 통해 단면이 취해지는 본 발명의 일예에 의한 교량의 단면도를 나타낸다. 교량 상판(6)은 단일 탑(1)의 각 측부에 이어져야 하기 때문에 더욱더 떨어져 있다[그 높이에서 단일 탑(1)의 외부 크기에 대응하는 교량 상판(6)간의 거리]. 교량 상판(6)은 강한 가로보(7)에 의해 단일 탑에 고정된다. 본 발명에 의하면, 교량 상판(6)은 단일 탑(1)의 일측 또는 양측의 내부로 만 곡되어, 가로보(7)의 길이 및 중량을 아래로 유지한다. 게다가, 상기 성질의 설계는 미적으로 호감이 가고 품위 있는 외관을 주는데 도움이 된다.
단일 탑 대신에, 본 발명의 다른 예에 의한 대안적인 탑 설계를 이용할 수 있다. 가능한 설계는 A-탑, H-탑, X-탑 또는 V-탑이다. 게다가, 다른 탑 설계도 가능하다.
구조는 하기의 방식에 의해 행해질 수 있다.
- 변화하는 폭 및 벽 두께를 갖는 중공 박스로 형성된 탑은 슬라이딩 및/또는 상승 형태로 건축된다. 종래의 시간 및 비용 소비 가로보가 회피될 수 있다. 모든 자재 이송 및 작업자의 통로는 탑의 내측에 위치될 수 있고, 바람 및 기후 상태로부터 보호된다. 외측 탑 크레인이 필요하지 않다(이것은 탑이 1000m의 경간을 갖는 교량에 대해 약 170m 그리고 2000m의 경간을 갖는 교량에 대해 약 300m 이상이기 때문에 중요한 양상이다).
- 교각의 콘크리트 캔틸레버 부분의 건축은 올바른 높이에 도달하자마자 시작될 수 있고, 탑의 그 이상의 상승에 의해 동시에 대규모로 행해질 수 있다.
- 대각선 케이블 스테이 부분의 건축은 주 현수 케이블이 대기 스핀닝에 의해 만들어짐과 동시에 행해질 수 있다.
- H-탑의 각 측상에 배치되는 종래의 2개의 케이블보다 1개의 중앙 주 현수 케이블만을 배열시키는 것이 보다 효율적이다.
- 현수교부의 교량 상판은 미리 제조되어 큰 유닛으로 조립된다.
본 발명은 종래의 현수교를 건설하는 것보다 건설 시간을 줄이고 건설 공정 을 기후에 덜 민감하게 하여, 이것은 상당한 비용 절약을 하게 한다. 교량 상판의 내측상에서 대각선 케이블 스테이 및 행거의 연결은 교량 박스의 조사 및 유지를 위해 "교량 승강기"의 접근을 용이하게 한다. 중앙 주 현수 케이블은 케이블 및 행거의 조사 및 유지를 위해 크고 안전한 플랫폼을 제공한다.
본 발명에 의하면, 켄틸레버식 교량, 대각선 사장교 및 현수교의 연속 결합은 다양한 요소(탑에 근접하여 견고한 것부터 탑으로부터 멀리 있어 유연성 있는 것까지)간에 유리한 변화를 주고, 큰 수직 및 수평 하중을 운반하는 능력을 최적으로 하는 유연성 있고 견고한 특성의 결합을 갖는 교량 구조를 제공한다. 동시에, 각 교량 부분은 최적의 비용 절약 위치에 이용된다. 본 발명은 용이한 유지뿐만 아니라 다양한 건축상 이론간의 시너지, 최적의 구조를 얻는 것, 상당히 더 짧은 건설 시간, 상당한 저가의 비용을 제공한다.

Claims (5)

  1. 현수 행거뿐만 아니라 탑, 교량 상판, 주 현수 케이블 및 대각선 케이블 스테이로 이루어진 교량으로서:
    대각선 케이블 스테이부(4) 및 현수교부(5)의 연속 결합;
    1개 이상의 중앙 주 현수 케이블로 이루어진 주 현수 케이블(2);
    가로보(7) 또는 지주와 연결된 2개 이상의 교량 상판 사이에 일정한 또는 변화하는 거리로 배열된 2개 이상의 분리 상판으로 이루어진 교량 상판(6); 및
    상기 가로보 또는 지주 또는 교량 상판에 고정된 대각선 케이블 스테이(8) 및 현수 행거를 포함하며;
    상기 현수 행거, 주 현수 케이블, 및 가로보 또는 지주는 교량의 가로의 수직면에 삼각형 구조 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 교량.
  2. 제 1 항에 있어서,
    캔틸레버식 교량부(3)를 더 포함하고, 상기 캔틸레버식 교량부는 상기 대각선 사장부 이전의 탑(1)에 가장 근접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 교량.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탑은 중앙 단일 탑(1)을 형성하고, 상기 2개 이상의 교량 상판(6)은 중앙 단일 탑(1)의 외측에 배열되는 것을 특징으로 하는 교량.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1개 이상의 중앙 주 현수 케이블(2)은 중앙 단일 탑(1)의 측부에 걸쳐, 이 측부를 통하여, 또는 이 측부로 이어지고, 상기 현수교부(5)는 1개 이상의 중앙 주 현수 케이블에 의해 운반되는 것을 특징으로 하는 교량.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 대각선 케이블 스테이(8) 및 현수 행거(9)는 상기 교량 상판(6)의 내측에 고정되는 것을 특징으로 하는 교량.
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