王 雁,謝新連,孫人杰
(大連海事大學交通運輸管理學院,遼寧大連 116026)
由于傳統(tǒng)的鐵路輪渡棧橋長度大、寬度窄,難以適應大型船舶及對不同船型適應性差的特點,在世界各地的許多航線上鐵路輪渡運輸處于維持甚至萎縮的狀態(tài)[1]?;谶@種現(xiàn)狀,文獻[2~5]中提出了柔性連接棧橋和軌道的設計理論,目的在于提高火車渡輪的裝載量和裝卸效率,增強鐵路輪渡引橋對船型的適應性。文獻[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)運新系統(tǒng)中的應用前景。文獻[7]具體闡述了一種新型柔性軌道的構想及工作原理。以適應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棧橋的設計方案,介紹了這種新型活動棧橋的工作機理,并推導出活動棧橋移動形變過程中的主要工作參數(shù)的表達式,用于說明這種設計方案的可行性,并作為進一步研究的基礎。
折線型活動棧橋由若干橋墩、主橫梁、縱桁、橋面以及能夠使棧橋接船端發(fā)生移動的升降設備、橫移施力設備組成,見圖1。因橋墩和升降、橫移施力設備的現(xiàn)有技術完全可以支持本新型設計方案,本文主要就橋面橫移方面特征討論橋梁系的基本構造。
圖1 棧橋基本構造
活動棧橋整體分為兩大段:與渡輪相接的可動段和與岸相接的伸縮段。在垂直方向上,通過升降設備來改變接船端橋面的高度,以適應在不同水位時船舶靠泊的需要。在水平方向上,通過橫移施力設備實現(xiàn)可動段的接船端與渡輪甲板連接。當可動段轉動后實現(xiàn)與船上不同位置銜接時,由于可動段的總長度是不變的,另一端必然與岸邊產生一定的間距而不能直接銜接,伸縮段則彌補這一距離,起銜接岸與可動段橋面的作用。隨著接船端位置的移動,可動段與岸邊的間距不斷變化,伸縮段的長度也會隨之改變。
為了實現(xiàn)棧橋的運動,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、中間預留一定間隙的橫梁拼裝而成。在移動的過程中,橫梁隨著縱桁的轉動而運動,其間隙隨之發(fā)生變化,使可動段能夠靈活轉動,伸縮段實現(xiàn)長度的變化。
當船上的軌道與岸上的固定軌道在一條直線上時,柔性軌道是直的,此時棧橋處于初始的平直狀態(tài);而當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,棧橋的位置需要進行相應的調整,從而承托柔性軌道初步達到所需的位置,然后通過柔性軌道在橋面上位置的微調,最終實現(xiàn)船上和岸上的兩段平行軌道的平滑對接。整個系統(tǒng)通過橋體的移動配合柔性軌道實現(xiàn)船岸間軌道的順利銜接,以達到提高渡輪的裝卸效率、增強渡輪碼頭的兼容性、降低成本的目的。
在活動棧橋設計中,需要確定的參數(shù)主要有橋體長度、橋面寬度和橋跨數(shù)目以及可動段相鄰橫梁的間隙等。
橋體長度,是指在平直狀態(tài)下可動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。本文主要是對可動段的橋跨數(shù)目進行確定??蓜佣蜗噜彊M梁的間隙是指棧橋處于平直狀態(tài)時,可動段相鄰橫梁之間的距離。
棧橋的各參數(shù)是相互關聯(lián)的。橋跨數(shù)目對其他3個參數(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,但伸縮段的長度會有所增加,使橋體總長度也相應的增加,而橫梁的間隙則需要相應的增大,結構也相應的復雜些,會產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,本文選取邊-中-邊3個橋跨的形式,且長度之比為1∶2∶1。
棧橋基本參數(shù),是指在活動棧橋處于平直狀態(tài)時各參數(shù)的數(shù)值。在參數(shù)確定時,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的需要。在計算過程中,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 橋長的計算
活動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段的長度,同時還影響了柔性伸縮段的長度——橫向距離越大,可動段偏離中心位置就越遠,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。
棧橋長度的計算如下:
(1)根據(jù)柔性連接軌道的變形計算,當半徑Rmin及橫向距離Dmax已知時,可得
(1)
(2)
(2)柔性可動段的長度L動
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柔性可動段的總長度L邊為
L動=L中+2L邊=
(3)柔性伸縮段長度L伸縮
此時,柔性可動段在縱向方向上的投影長度L動·投影為
(6)
與平直狀態(tài)相比,棧橋的可動段投影長度縮小量Δ,即為棧橋的柔性伸縮段所需要彌補的長度差量,Δ為
Δ=L動-L動·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)活動棧橋的總長度L總為
L總=L動+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,所以要計算軌道占用橋面的寬度,關鍵是求出這一偏離量。由于可動段的每橋跨上的軌道中心線圓弧的形狀都是相同的,所以只需計算出其中一個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行計算。
則可得出柔性軌道占用的橋寬B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,需要在棧橋的兩側預留出一定的安全寬度,所以在軌道占用寬度的基礎上,兩側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)橋面實際寬度B實際
當棧橋處于極限狀態(tài)時,相鄰的橫梁之間會產生一定的錯位,使得橋面實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
則橋面的實際寬度B實際與有效寬度B有效間的關系為
B有效=B實際·cosγ(13)
其中,γ是縱梁與縱向之間的夾角。
進而可以得到橋面實際寬度B實際的表達式為
(4)橫梁的長度B橫梁
由于邊跨、中跨的縱梁偏轉的角度不同,相同的有效寬度對應實際的橋面寬度即橫梁的長度不同。因而,橫梁的長度應是邊跨和中跨兩者橋面有效寬度所需的橋面板實際寬度中較大的一個。
極限狀態(tài)時,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,則橋面板實際所需的寬度B板為
B橫梁=maxB實際·邊,B實際·中=B實際·中=
4.2.3 相鄰橫梁的間隙
在活動棧橋移動的過程中,橋面中心線與橫梁的中線產生一定的偏轉,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)
則設置橫梁的間隙不得小于ε下限。
(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暫定為0.05 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。
根據(jù)式(1)~式(23),計算得可動段的長度L動為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,可動段的相鄰橋面板間隙ε下限為0.018 795 9 m。
為便于設計、施工,對參數(shù)的計算結果進行取整,則:可動段的長度L動為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,可動段的相鄰橫梁的間隙ε下限為0.02 m。
設計了一種折線型活動棧橋構造方案,分析了影響棧橋構造設計和作業(yè)形狀的主要因素,推導了棧橋設計、工作的基本參數(shù)計算公式,包括橋跨數(shù)目、橋體長度、橋面寬度及橫梁長度等。初步分析結果表明:這種新型活動棧橋能夠更好地適應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。進一步的研究工作包括:對所提出的這一折線型活動棧橋構造做全面的力學優(yōu)化分析和試驗研究,完善工程設計。
[1] N Taylor. Dover’s smart bridge[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 1992,206:9-18.
[2] Xie Xinlian, 1997. A new design for a train ferry and ferry bridge. Conference Proceedings of IMAM, Istanbul, Turkey, November 2-9, Volume I Section 5,1-6.
[3] 謝新連,張 量,王少成.新型鐵路柔性軌道彎曲變形量計算[J].鐵道學報,2003,25(4):31-34.
[4] 謝新連,劉 濤,王少成,等.火車渡輪柔性軌道受力變形計算[J].船舶力學,2007,11(1):88-93.
[5] Xie Xinlian, Li Meng, Liu Shiyong, et al. On the flexible connection of rigid double-rail track[C]∥Proceedings of the Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA ), Volume 04. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2009:581-585.
[6] Xie Xinlian. An Integrated Sea-land Transportation Systems Model and its Theory[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2009,17(4):394-411.
[7] 謝新連,闞 穎,蔡 琦.一種新型柔性軌道設計及工作機理[J].鐵道標準設計,2011(3):18-21.
[8] 田德倉.煙大輪渡工程棧橋軌道結構設計[J].鐵道標準設計,2006(6):10-12.