殷北里，保罗·M·斯凯尔顿，罗伯特·S·摩西[作]
刘晓燕 译 （中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023）
1 开合桥概述
开合桥有很多类型和亚型，但最常见的是简易耳轴式竖旋桥、中心轴承式平旋桥和垂直升降桥。开合桥活动式桥跨的开合方式分别如下：简易耳轴式竖旋桥——围绕一根固定的横轴立转；中心轴承式平旋桥——围绕一根固定的竖轴平转；垂直升降桥——沿着一根固定的竖轴垂直升降。开合桥由于其自身特性引起了许多关注，许多文章中都有关于已建成或拟修建的开合桥（包括移动和固定桥跨的机械装置）的描述[3][4][5]。
开合桥的概念可追溯至早期的欧洲和亚洲。然而，直到1世纪后期，最早的开合桥才运用于现代意义上的交通运输[3]。美国第一座著名的垂直升降桥是位于芝加哥的南霍尔斯特德街大桥（图1）。该桥由瓦德尔博士于1892年设计，不久之后建成。该桥跨度与最大垂直净空分别达到130英尺（40m）和155英尺（47.2m）。芝加哥的范布伦街开合桥，是由美国施尔泽尔（Scherzer）桥梁公司设计的滚动式竖旋桥，于1893年完工。著名的伦敦塔桥，一座采用滚柱支座耳轴式竖旋桥，也于同时期完工，被视为现代竖旋桥的先驱。随后威利斯大道平旋桥也于1901年建成。
2 设计和建模
1988年，美国国家高速公路和交通运输协会（AASHTO）发表了《AASHTO公路开合桥标准规范》，容许应力设计法被纳入该规范中[1]，之后，美国部分州又为该规范增添了一些关于开合桥建设的补充条款。桥梁工程师需要根据具体情况决定以下几点：①开合桥的类型(平旋桥、竖旋桥或垂直桥)；②平旋桥的支承类型(平旋桥最好应是中心轴承类型)，如图1的芝加哥的南霍尔斯特德街大桥；③竖旋桥活动桁架的类型；④垂直升降桥的桥塔类型、起动机的位置以及活动式桥跨的水平调整装置；⑤应急操作系统（如果有）和备用电源系统（如果有），决定最大应力和最小应力的荷载条件和荷载组合（《AASHTO公路开合桥标准规范》中有详细的介绍），横向荷载如风力载荷和地震荷载也必须给予相应的重视，尤其是地震荷载，作为一个相对较新的议题，需引起工程师的特别关注。与《AASHTO公路开合桥标准规范》中的对应内容相比，2000年版《AASHTO荷载和抗力系数设计规范—公路开合桥设计规范》[2]在开合桥的结构类型和机械问题方面提供了更多重要信息。
图1 芝加哥南霍尔斯特德街大桥
图2 运用ADINA 软件设计的计算机模型
图3 升降桥计算机模型
开合桥可以运用三维有限元分析软件进行分析处理，如SAP或ADINA专用软件（见图2）。模型主要以梁为构件搭建，如有必要，辅以壳形构件。土体结构的相互作用采用基础弹簧和减震器进行模拟。非线性构件的建模作为开合桥分析中不可或缺的一部分是一项综合性强且耗时的工作。
图3是纽约罗斯福岛升降桥的计算机模型，该模型使用SAP2000专用软件搭建。这座桥是罗斯福岛和大陆之间的唯一的通道，最近，哈德斯蒂-汉诺威公司正在进行该桥电气和机械系统的修复设计及地震研究。
图4 新伍德罗·威尔逊竖旋桥
图5 弗吉尼亚州诺福克市的伯克利竖旋桥
图6 康涅狄格州纽黑文市新汤姆林森垂直升降桥及其施工现场
3 关于开合桥的几个独特问题
3.1 结构
3.1.1 地基和下部结构
对于开合桥来说，地基和下部结构的稳固程度对于上部结构保持长期性能的稳定性显得尤为重要，只有具备强有力的支撑，上部结构才能在更为稳固的平台上运作。由于下部结构具有较大的惯力，所以需要地基具备一定的刚度，反过来，地基受力和整体的结构性反应也在很大程度上受地基刚度影响。地基承载力和地基刚度都严重受水流冲刷影响，由于开合桥地基往往位于可通航河流或水道中，因此更易受到强水流的冲刷。大多数来自桥梁叶片和配重的水平荷载通过耳轴塔转移到地基上，因此，耳轴塔是整个结构中一个关键部位，耳轴塔出现问题则意味着整座桥梁的失败。
3.1.2 上部结构
开合桥的上部结构必须能够自由开合，因此需要采用独特的结构系统。上部结构和配重产生的垂向力和横向力通过桥体结构沿着一定的路径传导到地基上，这些传力路径需要特别关注。例如，竖旋桥从配重到地基的传力路径上的几个关键的脆弱点。开合桥的活动式桥跨为轻型结构设计，采用轻型开放式网格桥面铺装是典型的做法，也有一部分设计采用填充式网格桥面铺装或正交各向异性钢板桥面铺装。
3.1.3 开合结构
处于开启和闭合位置的开合桥结构都得到很多分析研究，但处于开、合之间的位置却分析研究得较少。公路开合桥梁的分析研究大多是在其处于封闭状态的情况下进行的。《AASHTO开合桥设计规范》和其他规范指出，开合桥开启时间若缩短10%，则其在开启状态下的地震荷载可能减少50%。
3.1.4 配重
配重是开合桥中的特殊结构，用来平衡活动式桥跨从而降低运行功率，这种结构常见于竖旋桥和升降桥，设计时要求予以重视。
3.2 机械系统和机械设备
3.2.1 桥跨驱动装置
开合桥的活动式桥跨一般由专门的桥跨驱动装置来进行开、合操作，由辅助机械设备进行固定。但有些桥梁上，活动式桥跨也可以由桥跨驱动装置来固定。桥跨驱动装置可由电气、机械和液压件组装而成。美国的大多数开合桥使用的是机电桥跨驱动装置。
传统的机电齿轮驱动是将电机的高速小扭矩输入转化为低速大扭矩输出来移动笨重的活动式桥跨。此类设备有很多种，但通常都是使用电动马达来驱动主减速器的输入轴(主减速器可能包含一个差速器，从而使输出轴的速度得以匹配输出转矩)，主减速器的输出轴连接到两个二级齿轮减速器上。每个二级减速器的输出是围绕一个小齿轮旋转，从而使桥跨叶片打开、关闭或通过驱动装置中的制动器使桥跨叶片保持静止状态。以前建造的开合桥，其齿轮传动装置部分或全部处于“开放”状态，而非封闭在机壳内。
3.2.2 辅助驱动装置
当辅助驱动装置不工作时，它们支撑着活动式桥跨使其承载活载荷。辅助驱动装置的组件通常为机电驱动，但也有液压驱动。
在开合桥桥体位置变换前后，辅助机械如锁具、楔形装置、减震器、平衡轮和对中装置等起到固定桥体结构的作用，这些机械装置的具体性能取决于设计细节及其配置。双叶竖旋桥上的辅助设备能使活动荷载在桥叶间转移，大多数锁具安装在两桥叶间，使转移垂直剪切力变得更为方便。
辅助机械设置有时还被固定在特定位置用来转移活载力矩，欧洲的一些桥梁和哈德斯蒂-汉诺威公司的最近设计中就采取此种做法。另外升降桥或单叶竖旋桥上的辅助设备还可用来协助活动式桥跨就位。平旋桥上的楔形装置或升降系统可发挥特定的活载功能从而保证活动式桥跨的有效开合。
3.3 电气系统
开合桥的电力系统由配电系统和控制系统两部分组成。电机驱动的开合桥由工业型电源或自带的发电机组（或二者结合）进行供电。电力通过商业电气元件如断路器、保险丝、变压器和电机控制中心等分配到电动机、照明面板以及控制组件上。
图7 纽约布鲁克林海洋公园路垂直升降桥
图8 铁路平旋桥
图9 原先的纽约市第三大道平旋桥和施工中的新第三大道桥
开合桥电气系统的设计主要考虑控制系统和桥跨电机控制装置。桥跨电机控制装置（也常被称作桥跨驱动器）通过一定的速度和力矩使电机进行开合桥的操作控制。以下是四种主要的桥跨电机控制装置：二次电阻控制器、主晶闸管（可控硅整流器）驱动器、再生直流驱动器和流矢量驱动器。
二次电阻控制器是一种不可调驱动系统，由交流绕线式电机和电流接触器组成；可控硅整流驱动器具有速度控制、力矩控制和反力矩的功能；直流驱动器使用与交流可控硅整流驱动器类似的锁紧力矩、反力矩控制和反馈电路，可对直流电机进行无级、可编程调速。随着流矢量驱动器在开合桥上越来越多的运用，流矢量驱动器代表了最新的变频驱动技术。
电气系统的冗余度分析通过判断哪些子系统最为关键并提供备选操作方案得出，这些子系统包括电源、桥跨驱动器、电机及其控制系统。这些子系统的冗余度为水上电力用户、公路和铁路电力用户提高了电力系统运行可靠性。2000年版《AASHTO荷载和抗力系数设计规范—公路开合桥设计规范》[2]对电气系统的各常见组件如发电机组、转换开关、变压器、电机控制中心、电机及其驱动器，其他电力配电设备以及这些组件在开合桥上的运用进行了概述。
4 竖旋桥
哈德斯蒂-汉诺威公司新设计了一座12车道的竖旋桥来取代原先的横跨华盛顿特区托马克河的伍德罗·威尔逊桥。新桥包含4个并排双叶活动式桥跨，每个桥跨的耳轴中心间距均为270英尺（82m），整体桥宽达249英尺（75.8m）。该竖旋桥桥跨支撑在V型混凝土桥墩上，整个桥跨结构包括复合混凝土桥面，抗弯距桥跨锁紧装置，桥梁叶片独立操控或成组操控装置等。该桥的设计考虑了未来的交通增长需求。
图5是弗吉尼亚州诺福克市的伯克利竖旋桥，该桥建设由弗吉尼亚运输部（VDOT）承揽，哈德斯蒂-诺威公司负责项目研究、桥体拓宽的初步设计和最终设计、以及新的双叶竖旋桥设计。该项目成功建成后可将原先的通行能力I-264提升一倍。届时大型海军舰可以轻松通过150英尺（45.72m）宽的航道。
5 升降桥
图6是新汤姆林森垂直升降桥及其施工现场，该桥由哈德斯蒂-汉诺威公司设计，位于康涅狄格州纽黑文市。
海洋公园路垂直升降桥（图7）坐落于纽约，该桥连接布鲁克林和康尼岛，是一个美丽的城市名片。
6 平旋桥
图8是一座完全通航铁路平旋桥，位于美国康涅狄格州。始建于1901年的威利斯大道平旋桥，连接纽约市曼哈顿和布朗克斯两区。平均每天有多达70000辆汽车从这座桥上经过。目前，哈德斯蒂-汉诺威公司公司正在设计一座新桥，替代旧桥。该项目总长度大约1英里（1609 m），包括主干线、罗斯福匝道及布鲁克纳大道匝道。
图9是原先的第三大道平旋桥以及由哈德斯蒂-汉诺威公司设计的新桥施工现场。
[1] AASHTO 公路开合桥标准规范[S].华盛顿,美国国家高速公路和交通运输协会,1988.
[2] AASHTO 荷载和抗力系数设计规范—公路开合桥设计规范[S].华盛顿,美国国家高速公路和交通运输协会,2000.
[3] 霍尔&凯里.活动式长跨钢桥,纽约,1943.
[4] 考格林.可开合桥梁工程,新泽西州霍波肯,2003.
[5] 沃德尔.桥梁工程.纽约,1916.
[6] 奥特布朗特,殷北里,伯斯蒂尔.开合桥的地震分析.纽约,2003.
