长江三峡水利枢纽升船机活动桥设计研究

毛明令 杨 立 丁正忠 袁 铌

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

1 工程概况

长江三峡水利枢纽是治理和开发长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运等巨大综合效益。

三峡升船机是客货轮和特种船舶的快速过坝通道，布置在枢纽左岸，位于双线五级船闸右侧、左岸7#、8#非溢流坝段之间，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成，从上游口门至下游口门全线总长约5.00km。与双线五级船闸联合运行，加大枢纽的航运通过能力和保障枢纽通航的质量［1］。

三峡升船机的过船规模为3 000t级，最大提升高度113.00m，上游通航水位变幅30.00m，下游通航水位变幅11.80m，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位变幅大和下游水位变化速率快的特点，是目前世界上技术难度和规模最大的升船机。

2 活动桥的布置与组成

2.1 活动桥的布置

三峡升船机活动桥布置在上闸首挡水门槽下游，为单叶立转桥，用于连接上闸首航槽两岸的交通，活动桥为双向单车道公路桥。活动桥等级按照公路II级设计，桥体结构全长27.30m，支承跨度22.50m，桥面宽9.00m，其中双向单车道宽7.00m，每边人行道宽1.00m，支铰跨度为6.00m。

水利工程通航建筑物上的活动桥型式主要以垂直升降式和绕水平轴转动的立转式应用较多，三峡升船机项目中的活动桥经多方案对比，最终确定为单叶立转式活动桥，该方案的特点是桥梁下方不必预留固定的通航净空，而当需要通航时，将航道上方的活动桥开启，让出通航净空以满足通航要求。

三峡升船机过船时，活动桥绕一端的支铰向上开启约60°，满足水面以上18.00m净空的通航要求。当坝顶需要交通时，关闭活动桥，桥面高程与坝面齐平，车辆、行人可通过。活动桥布置如图1所示。

图1 三峡升船机活动桥立面图

2.2 活动桥的组成

活动桥主要由活动桥、固定桥、桥体支铰座、固定支座、平衡重、缓冲装置、液压启闭机及液压泵站、开启位置的锁定装置、电气控制与检测设备和设备埋件等组成。

活动桥的旋转支铰座设在航槽左侧，固定支座与关桥缓冲装置布置在航槽右侧。为使活动桥闭合时与路面顺利衔接，在活动桥左侧设置桥宽3.35m的固定桥。铸钢平衡重块悬挂在活动桥体左侧尾部，以平衡部分桥体自重，减小启闭力。在固定桥下方为平衡重留有足够空间，以避免桥体启闭时平衡重摆动而引起的碰撞。桥体由2×1 000kN双吊点液压启闭机操作，启闭机驱动点设在航槽侧距支铰座4.00m处，通过油缸伸缩使桥体启、闭。活动桥在开启状态由液压锁定装置锁定，以承受风荷载和防止桥体自行下落，锁定装置装设在桥体的尾端。

液压启闭机和锁定装置由液压泵站集中操作，液压泵站及其电气控制设备布置在闸顶下方的泵房内。

3 设计条件与主要技术参数

三峡升船机活动桥的主要技术特性［2］。见表3-1。

表3-1 活动桥主要技术特性表

4 活动桥的设计

4.1 设计荷载的选取

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG60-2004）的规定，公路桥涵设计的作用荷载分永久作用、可变作用和偶然作用三类。结合工程实际条件，三峡升船机活动桥设计的荷载选取两类，第一类为永久作用荷载，第二类为可变作用荷载。由于桥面不考虑后期路面铺设，所以永久作用荷载选取桥体的自重；可变作用荷载选取的有：车辆荷载、车道荷载、人群荷载、汽车制动力、汽车冲击力以及风荷载。

4.2 桥体结构设计

桥体的主体结构采用实腹式板梁结构，主梁高度为2.114m。由两根工字型主纵梁、多根工字型主横梁、多根u型小纵梁以及桥面铺板组成。桥体总宽为9.00m，考虑到两边各预留人行通道，主纵梁的间距设为6.00m，同时主梁采用了坡度为1：30的变截面形式，这样即减轻了桥体的自重，也使得桥体的结构重心尽量偏向支铰中心，减小了桥体开启时自重产生的挠曲变形和启闭阻力距。

桥体结构的计算采用了许用应力法，对主纵梁、主横梁、小纵梁以及桥面板等主要承载构件进行了应力、刚度以及局部稳定的计算和校核。通过计算和分析，对桥体局部受集中应力的部位进行了结构加强，如桥体和支铰座连接处，桥体与油缸连接处以及锁定装置固定处等等。

4.3 桥面铺装的选择

对于活动桥的桥面铺装，设计时比较了沥青混凝土和花纹钢板两种材料。由于桥体在关闭和开启过程中，桥面将产生交变应力，而沥青混凝土没有足够的抗拉强度来适应这种交变应力，容易导致沥青混凝土破裂和剥落现象，另外，铺装沥青混凝土的重量较大，对桥体的结构稳定不利，还需要增大活动桥的配重和启闭机容量，投资成本也较高，故选用了花纹钢板铺装

4.4 桥体支铰座

桥体支铰座由铰链、铰套、轴承、支铰轴、密封及其附件等组成。由于铰链和铰套的结构比较复杂，所以采用铸钢件，材料均为ZG310-570。经过比较和计算，支铰座的轴承采用的是调心自润滑滑动轴承，该轴承可以沿径向中心摆动一定的角度，以适应制造加工和安装过程的误差。支铰轴材料为40Cr。考虑调心自润滑滑动轴承的防尘以及防腐蚀，在轴承两侧设置了J型橡胶密封圈，通过密封压盖固定。

4.5 启闭机械和锁定装置设计

启闭活动桥的液压启闭机的布置如图1，液压泵站布置在坝体预留的泵房内，油缸的上吊头与主纵梁上的吊耳连接，下吊头与闸墩上支铰连接，均采用自润滑关节轴承，以适应活动桥的制造、安装误差以及运行过程中的变位。通过计算，液压启闭机的启桥力和闭桥力均选用2x1 000kN。

为使活动桥避免风吹的影响，在活动桥端部设置了锁定装置。锁定装置采用的是液压油缸驱动锁定销轴的方式。锁定液压油缸的启闭力均为20kN。当活动桥需要开启时，开启60°后，液压油缸将锁定销轴推进闸墩上设置的锁定轴套，当活动桥需要关闭时，先由液压缸将锁定销轴拉出，然后完成活动桥的关闭。

4.6 平衡重设计

配置平衡重的主要目的是减小启闭机械的启闭力。平衡重的配置与启闭机械的布置、桥体结构的布置以及车辆通行有密切的关系。理想的设计应该是桥体自重产生的力矩由平衡重完全克服，启闭机械仅克服摩阻力和风阻力，由于没有设置桥体关闭时的锁定装置，同时为了保证车辆荷载在某一特定位置作用下不使桥体反转和颤动，本工程在设计平衡重时，按车辆通过时，活动桥远端支铰的支座反力始终大于5%的桥体自重进行设计。

三峡升船机活动桥的平衡重采用了6块铸钢件，6块平衡重块通过两根吊杆串联起来，悬挂于活动桥桥体尾部的吊耳上。为满足平衡重在桥体启闭过程的自由摆动，吊杆与活动桥尾吊耳的连接采用了类似十字铰的结构形式，具体结构见图2。

5 设计要点

活动桥不同于普通的固定式桥，活动桥能否顺利启闭和平稳运行对航道的正常通航起着决定性作用。结合活动桥的组成结构，在设计过程中应注意以下设计要点：

①固定桥是为活动桥与路面的顺利衔接而设置的，由于活动桥的端部在固定桥的下面，活动桥启闭时应注意固定桥的结构不应与活动桥发生干涉。

②活动桥的启闭是通过两套液压油缸进行操作的，双缸的同步可以通过活动桥本身的刚度来实现。但是为了保证活动桥平稳运行，设计时双缸的同步应通过液压系统的纠偏回路以及电气同步的措施来实现。

图2 平衡重布置图

③由于活动桥在开启到一定的角度后，风力吹向桥体开启的方向时，油缸可能需要持住力，因此设计时应考虑相应措施以保证桥体的平稳启闭。

④活动桥的桥体支铰座采用的是调心自润滑滑动轴承，这样使得桥体在运行过程可能发生整体向一侧偏移的现象，因此在桥体缓冲装置一端的水工开槽应考虑桥体偏移的情况，否则将会发生桥体与水工干涉的现象。

⑤活动桥的平衡重悬挂于桥体端部，随着桥体的启闭，平衡重将会产生一定的摆动，为了防止平衡重的摆动对悬挂装置造成一定的损坏，设计时应采取可以满足平衡重四个方向摆动的措施。

⑥由于液压启闭机和锁定装置的液压泵站布置在坝体内的启闭机室内，设计时应考虑启闭机室的消防、通风、防潮等问题。

⑦活动桥的布置以及设备选型应从通航要求、荷载标准、运行环境和条件、经济合理性以及制造和安装等方面进行考虑。

6 结束语

三峡升船机活动桥目前已安装调试完成并投入运行，该活动桥运行平稳可靠、自动化程度高、易于操作，满足了设计和工程的需要。活动桥的安全平稳运行对航槽两岸的交通起到决定性的作用，本文结合对三峡升船机活动桥的设计提出了一些设计思路，希望对航道活动桥的设计提供参考和借鉴。

［1］JTG60-2004.公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］杨逢尧，魏文炜.水工金属结构［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.