王 雁,謝新連,孫人杰

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸管理學(xué)院,遼寧大連 116026)

1 概述

由于傳統(tǒng)的鐵路輪渡棧橋長度大、寬度窄,難以適應(yīng)大型船舶及對不同船型適應(yīng)性差的特點(diǎn),在世界各地的許多航線上鐵路輪渡運(yùn)輸處于維持甚至萎縮的狀態(tài)[1]?；谶@種現(xiàn)狀,文獻(xiàn)[2～5]中提出了柔性連接棧橋和軌道的設(shè)計(jì)理論,目的在于提高火車渡輪的裝載量和裝卸效率,增強(qiáng)鐵路輪渡引橋?qū)Υ偷倪m應(yīng)性。文獻(xiàn)[6]則系統(tǒng)論述了其中柔性軌道工作原理及其在未來海鐵聯(lián)運(yùn)新系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[7]具體闡述了一種新型柔性軌道的構(gòu)想及工作原理。以適應(yīng)大型滾裝船裝卸和柔性軌道連接船岸特性為目的,提出一種折線型活動(dòng)棧橋的設(shè)計(jì)方案,介紹了這種新型活動(dòng)棧橋的工作機(jī)理,并推導(dǎo)出活動(dòng)棧橋移動(dòng)形變過程中的主要工作參數(shù)的表達(dá)式,用于說明這種設(shè)計(jì)方案的可行性,并作為進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。

2 活動(dòng)棧橋的基本構(gòu)造

折線型活動(dòng)棧橋由若干橋墩、主橫梁、縱桁、橋面以及能夠使棧橋接船端發(fā)生移動(dòng)的升降設(shè)備、橫移施力設(shè)備組成,見圖1。因橋墩和升降、橫移施力設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)完全可以支持本新型設(shè)計(jì)方案,本文主要就橋面橫移方面特征討論橋梁系的基本構(gòu)造。

圖1 棧橋基本構(gòu)造

3 活動(dòng)棧橋的工作機(jī)理

活動(dòng)棧橋整體分為兩大段：與渡輪相接的可動(dòng)段和與岸相接的伸縮段。在垂直方向上,通過升降設(shè)備來改變接船端橋面的高度,以適應(yīng)在不同水位時(shí)船舶靠泊的需要。在水平方向上,通過橫移施力設(shè)備實(shí)現(xiàn)可動(dòng)段的接船端與渡輪甲板連接。當(dāng)可動(dòng)段轉(zhuǎn)動(dòng)后實(shí)現(xiàn)與船上不同位置銜接時(shí),由于可動(dòng)段的總長度是不變的,另一端必然與岸邊產(chǎn)生一定的間距而不能直接銜接,伸縮段則彌補(bǔ)這一距離,起銜接岸與可動(dòng)段橋面的作用。隨著接船端位置的移動(dòng),可動(dòng)段與岸邊的間距不斷變化,伸縮段的長度也會(huì)隨之改變。

為了實(shí)現(xiàn)棧橋的運(yùn)動(dòng),橋面與普通的固定式棧橋的橋面有所不同,是由許多大小相同、有一定寬度、中間預(yù)留一定間隙的橫梁拼裝而成。在移動(dòng)的過程中,橫梁隨著縱桁的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),其間隙隨之發(fā)生變化,使可動(dòng)段能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng),伸縮段實(shí)現(xiàn)長度的變化。

當(dāng)船上的軌道與岸上的固定軌道在一條直線上時(shí),柔性軌道是直的,此時(shí)棧橋處于初始的平直狀態(tài)；而當(dāng)船上的軌道與岸上的固定軌道平行且有一定的橫向距離時(shí),棧橋的位置需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,從而承托柔性軌道初步達(dá)到所需的位置,然后通過柔性軌道在橋面上位置的微調(diào),最終實(shí)現(xiàn)船上和岸上的兩段平行軌道的平滑對接。整個(gè)系統(tǒng)通過橋體的移動(dòng)配合柔性軌道實(shí)現(xiàn)船岸間軌道的順利銜接,以達(dá)到提高渡輪的裝卸效率、增強(qiáng)渡輪碼頭的兼容性、降低成本的目的。

4 主要形變控制參數(shù)關(guān)系

4.1 形變參數(shù)的表達(dá)與定義

在活動(dòng)棧橋設(shè)計(jì)中,需要確定的參數(shù)主要有橋體長度、橋面寬度和橋跨數(shù)目以及可動(dòng)段相鄰橫梁的間隙等。

橋體長度,是指在平直狀態(tài)下可動(dòng)段和伸縮段的長度之和。橋面寬度是指組成橋面的橫梁的長度。橋跨的布置,亦稱為橋梁分孔或者叫墩位選擇。本文主要是對可動(dòng)段的橋跨數(shù)目進(jìn)行確定?？蓜?dòng)段相鄰橫梁的間隙是指棧橋處于平直狀態(tài)時(shí),可動(dòng)段相鄰橫梁之間的距離。

棧橋的各參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。橋跨數(shù)目對其他3個(gè)參數(shù)的確定都有影響：數(shù)目越多,則棧橋的柔性越大,越能適應(yīng)軌道的形狀變化,所需的橋面寬度也越小,但伸縮段的長度會(huì)有所增加,使橋體總長度也相應(yīng)的增加,而橫梁的間隙則需要相應(yīng)的增大,結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的復(fù)雜些,會(huì)產(chǎn)生更高的建造成本并給施工帶來困難。所以,橋跨的數(shù)目要在一定的合理取值范圍內(nèi),本文選取邊-中-邊3個(gè)橋跨的形式,且長度之比為1∶2∶1。

4.2 形變參數(shù)關(guān)系式

棧橋基本參數(shù),是指在活動(dòng)棧橋處于平直狀態(tài)時(shí)各參數(shù)的數(shù)值。在參數(shù)確定時(shí),需要考慮柔性軌道的極限狀態(tài)——船、岸的固定軌道間橫向距離最大時(shí)的需要。在計(jì)算過程中,為了簡化步驟,用軌道中心線來表示具體的軌道。

圖2 極限狀態(tài)的軌道及橋面

4.2.1 橋長的計(jì)算

活動(dòng)棧橋的長度取決于柔性軌道的長度。而從形變的角度,柔性軌道的長度主要是由接船端與岸上固定軌道的最大橫向距離及柔性軌道所允許的最小曲率半徑共同決定的。所以,在限定軌道最小曲率半徑的情況下,棧橋長度主要取決于船、岸間軌道中心線的最大橫向距離。他不僅影響著柔性可動(dòng)段的長度,同時(shí)還影響了柔性伸縮段的長度——橫向距離越大,可動(dòng)段偏離中心位置就越遠(yuǎn),其與陸上固定軌道間需要銜接的距離就越大,則所需要的伸縮段就越長；反之,則越短。

棧橋長度的計(jì)算如下：

(1)根據(jù)柔性連接軌道的變形計(jì)算,當(dāng)半徑Rmin及橫向距離Dmax已知時(shí),可得

(1)

(2)

(2)柔性可動(dòng)段的長度L動(dòng)

①邊跨的長度L邊,即弦CD的長度為

②中間橋跨的長度L中為

③柔性可動(dòng)段的總長度L邊為

L動(dòng)=L中+2L邊=

(3)柔性伸縮段長度L伸縮

此時(shí),柔性可動(dòng)段在縱向方向上的投影長度L動(dòng)·投影為

(6)

與平直狀態(tài)相比,棧橋的可動(dòng)段投影長度縮小量Δ,即為棧橋的柔性伸縮段所需要彌補(bǔ)的長度差量,Δ為

Δ=L動(dòng)-L動(dòng)·投影=

再根據(jù)伸縮段單位長度的最大可伸縮量α,即可確定柔性伸縮段的長度,記為L伸縮：

(4)活動(dòng)棧橋的總長度L總為

L總=L動(dòng)+L伸縮=

4.2.2 橋面寬度

(1)柔性軌道占用寬度B軌·占

由于橋面中線與軌道中心線圓弧的弦重合,可知柔性軌道在橋面上并不是關(guān)于橋面中線對稱的,而是有一定的偏離量,這一偏離量就是該段橋跨上軌道中心線圓弧的高度。軌道所需占用的橋面寬度是由軌間距和每跨橋面上軌道中心線圓弧偏離橋面中線的最大距離共同決定的。軌間距是固定的,所以要計(jì)算軌道占用橋面的寬度,關(guān)鍵是求出這一偏離量。由于可動(dòng)段的每橋跨上的軌道中心線圓弧的形狀都是相同的,所以只需計(jì)算出其中一個(gè)橋跨上的軌道中心線圓弧的高度,記為H。本文選取接船端的邊跨部分進(jìn)行計(jì)算。

則可得出柔性軌道占用的橋?qū)払軌·占為

B軌·占=H+S0=Rmin-

其中,S0表示軌間距,為1.435 m。

(2)橋面有效寬度B有效

由于車廂的寬度要比軌間距要大一些,需要在棧橋的兩側(cè)預(yù)留出一定的安全寬度,所以在軌道占用寬度的基礎(chǔ)上,兩側(cè)各自加上一定的安全寬度,記為b。則橋面所需的有效寬度B有效為

B有效=B軌·占+2b=Rmin-

(3)橋面實(shí)際寬度B實(shí)際

當(dāng)棧橋處于極限狀態(tài)時(shí),相鄰的橫梁之間會(huì)產(chǎn)生一定的錯(cuò)位,使得橋面實(shí)際可用的寬度即有效寬度小于橫梁的長度,如圖3所示。

圖3 橋面

則橋面的實(shí)際寬度B實(shí)際與有效寬度B有效間的關(guān)系為

B有效=B實(shí)際·cosγ(13)

其中,γ是縱梁與縱向之間的夾角。

進(jìn)而可以得到橋面實(shí)際寬度B實(shí)際的表達(dá)式為

(4)橫梁的長度B橫梁

由于邊跨、中跨的縱梁偏轉(zhuǎn)的角度不同,相同的有效寬度對應(yīng)實(shí)際的橋面寬度即橫梁的長度不同。因而,橫梁的長度應(yīng)是邊跨和中跨兩者橋面有效寬度所需的橋面板實(shí)際寬度中較大的一個(gè)。

極限狀態(tài)時(shí),邊跨的縱梁偏離縱向方向的角度為φ,中跨的記為φ,則

(15)

由于Ψ<Φ<π/2,則橋面板實(shí)際所需的寬度B板為

B橫梁=maxB實(shí)際·邊,B實(shí)際·中=B實(shí)際·中=

4.2.3 相鄰橫梁的間隙

在活動(dòng)棧橋移動(dòng)的過程中,橋面中心線與橫梁的中線產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),使得相鄰橋面板間的間隙縮小,縮小量為

ε=C(1-cosγ)(20)

其中,C是橫梁的寬度。

由于中跨和邊跨與縱向間的最大的夾角不相同,則其兩段上的橋面板間隙縮小量也不同。

ε邊=C(1-cosθ)(22)

則設(shè)置橫梁的間隙不得小于ε下限。

5 算例分析

5.1 假設(shè)條件

(1)船岸間軌道中心線的最大橫向位移量Dmax=12 m；(2)按照現(xiàn)階段的慣例,柔性軌道的最小曲率半徑Rmin=180 m[8]；(3)柔性伸縮段的單位長度的伸縮量α?xí)憾?.05 m；(4)軌距為：S0=1.435 m；(5)考慮到車廂寬度及行車安全,軌道兩邊分別預(yù)留出的距離：b=1 m；(6)橋面板的長度即橫梁的寬度為：C=1 m。

5.2 參數(shù)計(jì)算

根據(jù)式(1)～式(23),計(jì)算得可動(dòng)段的長度L動(dòng)為93.146 67 m,最大伸縮量為0.927 9 m,伸縮段的長度L伸縮為19.458 m,橋面寬度B板為3.885 m,可動(dòng)段的相鄰橋面板間隙ε下限為0.018 795 9 m。

為便于設(shè)計(jì)、施工,對參數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整,則：可動(dòng)段的長度L動(dòng)為100 m,伸縮段的長度L伸縮為20 m,棧橋的總長度L總為120 m,橫梁長度B橫梁為4 m,可動(dòng)段的相鄰橫梁的間隙ε下限為0.02 m。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種折線型活動(dòng)棧橋構(gòu)造方案,分析了影響棧橋構(gòu)造設(shè)計(jì)和作業(yè)形狀的主要因素,推導(dǎo)了棧橋設(shè)計(jì)、工作的基本參數(shù)計(jì)算公式,包括橋跨數(shù)目、橋體長度、橋面寬度及橫梁長度等。初步分析結(jié)果表明：這種新型活動(dòng)棧橋能夠更好地適應(yīng)大型滾裝船裝卸和火車渡輪柔性軌道連接船岸的需要,具有工程可行性。進(jìn)一步的研究工作包括：對所提出的這一折線型活動(dòng)棧橋構(gòu)造做全面的力學(xué)優(yōu)化分析和試驗(yàn)研究,完善工程設(shè)計(jì)。

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