1、开启桥和开闭屋顶开启系统 综述 奚 鹰 宋颖辉 （ 同济大学 机械与能源工程学院 , 上海 201804） 摘要 本文主要围绕国内外开启桥和开闭屋顶的开启系统进行论述，图文并茂地介绍了其开启形式、工作原理、传动方案等。 关键词 开启桥；开闭屋顶；开启系统；机械传动 1 引言 开启桥又名开合桥。也称活动桥。一种可将部分桥身转动或移动的桥梁。适用于陆上或水上交通不很繁忙而需通航较大船舶的河道或港口处。当船舶需要过桥时 ,暂时切断部分桥身一般在中部 ),船舶过桥后再行闭合桥身 ,恢复桥上交通。其优点是 :桥墩可以做得较低 ,减少两岸引桥和路堤的工程量 ,节省造桥费用。但开启桥操作时需要消耗较多电力
2、,还必须增加机电设备和日常养护工作 1。 开启桥提供了一种高效的交通方式 横跨水路 却 不会挡住船舶而是 能够 为其提供通道，所以开启桥 比其他固定桥梁更加 重要。而其结构失效或者暂时性中断服务很可能会造成巨大 的社会经济冲击，因此开启桥的可靠性评估和安全监控也成为值得特别关注的问题 2。 开闭屋顶是一种 可开启 的 屋盖结构 ,它的部分或整个屋盖结构可以在短时问内移动或伸缩从而使建筑物可以在屋盖敞开与关闭的两种状态下使用。 这种结构 可以在需要的情况下将屋 顶 打开 ,从而 更加有利于观察天象或者 使建筑物内外 环境 相同 而让 人 享受到自然的天空 ,光线和气流 ;同样也可以在需要的时候将
3、屋盖关闭 ,使内部的 仪器或人 免受风、雪、雨、寒流与热浪的侵袭 3。 它将一个完整的屋盖结构按一定的规律划分成几个可动和固定单元，通过特定的机械装置，使可动单元能 够按照预期的轨迹移动，达到屋面开合的目的。开合屋盖不仅赋予建筑物动态美感，更扩展了其使用功能，目前世界上已建成的开合屋盖已超过 100 个，开合屋盖的设计越来越受到人们的关注 4。 2 开启桥的开启系统 根据开启方式 ,著名桥梁专家茅以升归纳了开启桥的类型 ,并指出天津“几乎各式皆备”。解放桥、金钢桥属于“吊旋桥” ,金汤桥为“旋转桥” ,而金华桥则是“平拖桥”。本文中将开启桥分为以下几类： 垂直提升式 、立转 式 、平转 式 、
4、水平移动 式 和其他新型 式 。 2.1 垂直提升式开启桥 其特点是桥梁中 间 通航部分的一段桥身可 做 垂直升降活动 ； 可通过配重达到自身平衡，动力只需克服阻力；开启方式较常用，结构安全度高。 当船舶需要过桥时 ,通过操作将该活动 段的桥身升起 ,待船舶 通过后 ,再使该段桥身降回原位。升降桥多用于铁路桥梁 ,也可用于公铁两用的双层桥梁 ,当船舶过桥要求的桥下净空不大时 ,可将位于下层的铁路桥面提升至上层的公路桥面处 ,使桥上的公路交通不必中断。 由于垂直提升式开启桥开启方式较为简单，结构安全可靠，在国内外有着广泛的应用。 世界上最早的升降桥是 1894 年建成的跨度 40 米的美国芝加哥
5、的一座城市桥，名叫南霍尔斯特德街桥。目前，跨度最大的升降桥是美国纽约 州斯塔滕岛和新泽西州伊丽莎白之间的奥瑟基尔桥，跨度 170 米，为单线铁路桥，建于 1959年 。 2.1.1 葛洲坝提升式活动桥 如图 1 所示， 该桥 在我国是首次采用 ,是由我国工程技术人员自己设计、制造和安装的。从 1980 年建成投运以来 ,满足了大江截流和水轮发电机组重件运输的要求 ,同时为船闸通航和坝顶车辆通行提供了便利条件 5。 活动桥由桥跨、提升主机、钢丝绳、平衡重系统、辅助设备和提升塔楼等组成。桥跨采用上承式栓焊结构 ,跨中高度 4.385 m,活动部分设计重量为200 t,建成后实际重量约为 193 t
6、。桥跨的 4 个提升吊点布置在桥架端梁外伸臂上 ,吊点纵向间距 35 m,横向间距 11m,提升高度 19.435 m。采用 2 台双卷筒摩擦提升机起吊桥跨 ,2 台提升机分别布置在船闸上闸首航道两岸的钢筋混凝土塔楼上 ,每台提升机的两个摩擦卷筒分别绕有 6 根提升钢丝绳 ,六者的一端通过吊梁与桥跨的 1 个吊点相联 ,六者的另一端与一套平衡重相联 (桥架升降时 ,平衡重在塔楼内的平衡重井中上下运动 )。此外 ,还设置了桥跨升降的纵横向导承、上下锁定装置、对中装置、缓冲器及路栅等辅助设备 5。 2.1.2 天津塘沽海门大桥 如图 2 所示， 该桥是 1985 年 11 月在天津塘沽区海河上建成
7、 的 我国最大的城市公路开启桥。它的中间一孔钢梁长 64米 , 重 632吨 , 能垂直提升 24米 , 5000 吨级海轮可从梁下通过。无大船通过时钢梁下放 , 桥面与普通公路一样平直。驱动钢梁升降的是安装在两座钢塔楼上的提升机 , 它的性能特点是低速、重载、运行平稳 6。 开启桥机电系统由提升机、平衡机构、辅助机械和电气控制个部分组成。提升机共分两组 , 分别置于活动孔桥跨两端塔楼顶层 , 每组提升机有两个卷筒 , 每个卷简吊一个吊点 , 提升跨有个吊点 , 分别由 图 2 海门大桥 图 1 葛洲坝水利枢纽活动桥 个卷筒起吊。同一组提升机的两个卷筒保持机械同步 ,而电气系统又使桥跨两端提升
8、保持同步电轴同步。每组提升机由拖动电机、同步电机即电轴电机、制动器、减速器、中间轴、卷筒组、手动装置及机座等组成。为了保证开启桥顺利升降和车辆行人安全通行 , 在桥上设有纵横向导承、上下锁定机械、对中装置、缓冲 器、路栅以及检修等设备。提升机房分别设在桥跨两端的提升塔楼顶部 , 操纵室集中在桥跨一端 , 拖动电机、制动器、上下锁定、路栅以及陆上、水上信号均实行电气连锁 , 以防止操作失误。控制台设有高度及高差指示器 , 能随时反映桥跨两端同步情况 , 当桥跨斜度超过度时 , 拖动电机自动断电 , 调平后再升降 , 为确保开启桥电源 , 桥上机电系统用电按一级供电设计 7。 2.1.3 天津梅江
9、南环岛开启桥 如图 3 所示， 该桥 是一座新型的垂直提升式开启桥，结构形式为四塔柱独立的，提升方式为四吊点 独立提升。这种新颖造型的实现，是由于采用了计算机控制四吊点同步提升，为国内首例，实现了先进的控制技术和桥梁景观的完美结合，为城市景观增添光彩 8。 活动桥跨由 4 组独立的卷扬设备进行提升，卷扬设备采用常规交流异步电机拖动。桥跨提升过程除要保证能平稳变速运行，还必须保证四吊点精确同步，开启桥作为南环岛区景观，结构紧凑，机电设备安装及线路通道空间十分有限。按总体规划方案，对开启桥提升运行要求实现安全可靠的自动化控制；有完善的系统监控功能；具有手动、分动、独立等多种控制操作模式；两岸操作室
10、均能进行提桥操作 ；在设备现场能独立进行操作监控 9。 2.1.4 浙江温州瓯南大桥 如图 4 所示， 该桥是亚洲跨径最大的钢桁开启大桥，全长 881 米，开启跨径达 75 米，主通航孔关闭状态时净高 10 米，开启时可上升到 23 米，方便大型船只通过。 温州瓯南大桥活动桥跨长 72 m、宽 26. 5 m ,开启重量 1 003 t ,提升高度 13m ,提升速度约 10 m/ min ,开启状态通航净空 23 m。活动桥跨由 2 台提升机构操纵升降 ,提升机构安装在活动桥跨两端的塔楼内 ,每台提升机有 2 个卷筒 ,每个卷筒上绕过11 根直径 50 mm 钢丝绳 ,一端悬吊钢梁 ,另一端
11、悬吊平衡重。全桥 2 套平衡重 ,分别置于两塔楼内 ,2 套平衡重共平衡活动桥跨重量的 97 %,剩余的重量使桥梁能落实在支座上。同一塔楼内的两卷筒间采用机械轴刚性同步 ,两塔楼间的卷筒则采用交流电机变频调速同步 10。 图 3 梅江南桥 图 4 瓯南大 桥 2.1.5 其他 此外，还有 广东中山 的 岐江开启桥 ， 粤海铁路栈桥 ， 法国鲁昂塞纳河升降开启桥 ， 法国福楼拜桥 等。其中粤海铁路栈桥一端是浮动的，与渡船相连能随渡船的升降而随动 11；法国福楼拜桥是世界上最大的可升降桥 12。 文献 13介绍了从 19 世纪末到 20 世纪初近 50 年中，欧洲和美国的垂直提升式开启桥。 2.2
12、 平转式 其特点是 ,将中间通航部分的一段桥身做成可以绕一根竖轴旋转的活动桥 ， 可达到自身平衡，动力只需克服阻力 ， 悬臂部分的挠度控制是设计的难点 。 在河道中设置直径较大的圆形桥墩 ,用十支承旋转机构。通过操作 ,当该段桥身作水平旋转 90 度时 ,桥身被切断 ,船舶就可通过。世界上最有名的平转开启桥位于埃及的苏伊士运河上 ,该桥中间两跨桥身可作水平旋转 ,其开启部分宽达 320 米 1。 2.2.1 天津金汤桥 如图 5 所示，该桥建于 1906 年，位于海河上游市区中心，是国内唯一的一座平转式开启桥。桥梁分三孔，全长 76 4 米，由固定跨和活动跨组成，其中较大孔径为固定跨，另两孔为
13、平转式开启活动跨，长 40 米，有手动和电动开启两种方式 14，并于 2004 年底修复。 开启系统由活动跨两端桥端分离机构、中心回转支承系统、大齿圈、机械传动系统、电气控制系统、过渡系统、电动集中供油系统、制动系统及限位开关等构成。首先，行人与交通工具离开活动跨后，启动电动集中供油系统对各个主要支承部位加润滑脂润滑其次，活动跨两端的四个桥端分离机构向上移动，碰到限位开关停止移动当确认活动跨两端的四个桥端分离机构与桥墩分离时，方可启动电动机电源或转动手轮，活动跨则在中心回转支承系统支承下随之平转式旋转开启，单程开启 90 度时，约 10 12 min，电动机有五级控制 15。 2.2.2 日本
14、梦舞大桥 如图 6 所示， 该桥为开启式浮拱桥 ,全桥长 940 m。跨海部分主桥长 410 m, 拱跨 280 m, 由 2 个平底船支承。桥面最宽处为 38. 8 m( 6 车道 + 2 侧人行道 ) , 梁下净空高 26 m, 平时航道宽 135 m, 非常时航道宽 200 m。梦舞大图 5 金汤桥 图 6 梦舞大桥 桥是 世界首座开启式浮拱桥 16。 文献 17和 18详细介绍了梦舞大桥的设计和构造等。 2.2.3 其他 西雅图 开启桥是 迄今开启重量最大 ,跨度最长的平旋开启桥 19。另外我国湖北的沦河浮桥是和日本梦舞大桥一样的平旋浮桥 2021。 文献 22论述了 18 世纪末到
15、20 世纪初一百多年的时间里美国平旋桥的设计和建造。 2.3 立转 式 是开启桥中使用较普遍的一种 ， 其特点是 ,将桥身中间一段做成在立面上可以旋转开合 ，可通过配重达到自身平衡，动力只需克服阻力， 悬臂部分的挠度控制是设计的难点 ，不同开启角度下受力状态有较大差异 。在活动部位设有铰 ,并设有平衡重量装置和机电设备 ,开合迅速 ,操作简便。按开合时的单向或对向可分为单向式和双向式两种。前者为活动的桥身部分只有一块桥面板 ,并作单向开启。 我国最初早有木制的此类开启桥 23， 位于美国密歇根州和安大略州之间的苏圣玛丽铁路桥是目前世界上开启宽度超过 百 米 (该桥为 102 米 )的双向式立转
16、开启桥。 2.3.1 台湾大鹏湾开启 桥 如图 7 所示， 该开启桥为台湾地区首座开启桥 ,是台湾与大陆首次进行合作的桥梁工程。 开启桥主要由开启桥体、油缸支承机构、平衡重机构、对中装置、止端锁固机、主轴承及枢轴装配、电气系统及液压系统等部分组成 24。 2.3.2 天津响螺湾海河开启桥 如图 8 所示， 海河开启桥西起坨场南道，东至永太路，全长 868.8 米，为双向四车道。主桥结构设计新颖，为立转式钢结构悬臂梁，净跨 68 米，转动半径 38 米，梁端最大转动角度 85 度，是亚洲同类开启桥梁中，规模和跨径最大的双叶立转式开启桥之一 25。 2.3.3 其他 此外，还有 解放桥 26，伦敦
17、塔桥， 西班牙巴塞罗那德酉欧帕港开合桥 27， 荷兰鹿特丹市伊雷斯缪斯斜拉桥及开启桥 28， 新西兰哈提亚河河口桥 等都属于立转式开启桥 ，吕戈登桥虽然造型独特，但也属此类 。 图 7 大鹏湾开启桥 图 8 天津响螺湾海河开启桥 2.4 水平移动式 目前知道的只有天津梅江南水平移动桥， 梅江南开启桥由二个活动跨组成，单个活动跨宽度为 6.4M，长度约 31M，桥重 99.2t,亭子重 21.12t,单侧活动跨总重为 120.22t。两侧活动跨总长约 62M。单侧活动跨开启宽度为 9M，两侧活动跨开启总宽度为 18M。 闭合时 开启时 图 9梅江南水平 开启桥 加图说明 - 2.5 新型开启桥
18、著名的有伦敦卷桥和伦敦千禧桥（也叫眨眼桥），如下图 10、 11 所示。 3 开闭屋顶的开启系统 根据文献 29，开闭屋顶的开启方式 如表 1 所示几种形式。 图 11 伦敦千禧桥 图 10 伦敦卷桥 表 1 开闭屋顶的开启方式 文献 30中 云南天文台 采用的是水平移动方式，文献 31中上海旗忠森林体育城网球中心采用的是组合移动方式 ， 文献 32中 日本小松弯顶的移动屋顶 采用的是空间移动方式，文献 33中国家网球馆采用的也是组合移动方式 。文献 3介绍了国内外许多开闭屋顶，文献 34从机械的角度出发，分析了开闭屋顶可能用到的机械结构，文献 35阐述了国内外的各个体育场馆开闭屋顶的开启系统
19、和开闭方式 。 参考文献 1 田木 . 开启桥 J. 交通与运输 , 1997, 5: 036. 2 Quaranta G, Marano G C, Trentadue F, et al. Numerical study on the optimal sensor placement for historic swing bridge dynamic monitoringJ. Structure and Infrastructure Engineering, 2014, 10(1): 57-68. 3 罗尧治 , 许贤 , 毛德灿 . 可开启屋盖结构 AJ. 第四届全国现代结构工程学术研讨会论
20、文集 , 2004. 4 周良金 , 顾大强 . 屋盖开合机械装置设计 J. 起重运输机械 , 2010 (7): 8-13. 5 彭定中 , 杨逢尧 . 葛洲坝水利枢纽活动桥设计研究 J. 人民长江 , 1998, 1. 6 陈洪钺 . 天津海门大桥 (开启桥 ) 提升机 J. 起重运输机械 , 1987, 10: 006. 7 吴皋声 , 叶启洪 . 天津塘沽海河开启桥总体设计 J. 桥梁建设 , 1985, 3: 001. 8 王丽荣 , 白繁义 , 管学敏 . 新型开启桥为城市景观添彩 国内首座四点提升式开启桥C/第十八届全国桥梁学术会议论文集 (上册 ). 2008. 9 涂光骞 .
21、 天津梅江南环岛开启桥提升控制系统 J. 桥梁建设 , 2006 (B06): 131-134. 10 梅新咏 . 温州瓯南大桥开启桥方案构思 J. 桥梁建设 , 2007 (A02): 90-93. 11 周义 , 陆传菁 . 粤海通道铁路栈桥结构技术特点 J. 世界桥梁 , 2006 (3): 28-31. 12 常丁 , 杨根杰 , 李东毅 . 世界上最大的可升降桥福楼拜桥的设计与施工 J. 预应力技术 , 2009 (3): 21-23. 13 Griggs Jr F E. Development of the vertical lift bridge: Squire Whipple
22、to JAL Waddell, 18721917J. Journal of Bridge Engineering, 2006, 11(5): 642-654. 14 奚鹰 , 宋木生 , 张炳安 , 等 . 平转式开启桥的传动机构复原与改进研究 J. 机械设计 , 2005 (z1): 111-112. 15 奚鹰 , 宋木生 , 陈华 , 等 . 金汤桥开启系统的复原与改进 J. 同济大学学报 : 自然科学版 , 2006, 34(10): 1378-1382. 16 刘海燕 . 世界首座开启式浮拱桥 梦舞大桥 J. 国外桥梁 , 2001, 4: 004. 17 宁贵霞 , 田琪 , 李春
23、梅 . 日本梦舞大桥的设计与施工 J. 世界桥梁 , 2004 (2): 1-4. 18 Watanabe E, Maruyama T, Tanaka H, et al. Design and construction of a floating swing bridge in OsakaJ. Marine structures, 2000, 13(4): 437-458. 19 陈炳坤 . 美国西雅图建造一座平旋开启桥 J. 中外公路 , 1992, 6: 007. 20 江义声 . 一种新型浮桥的研究 J. 武汉城市建设学院学报 , 1987, 2: 003. 21 江义声 . 横向开合式
24、浮桥的探讨 C/中国土木工程学会市政工程专业委员会第一次城市桥梁学术会议论文集 . 1987. 22 Griggs Jr F E. American Swing Bridges 1797 to 1907J. Practice Periodical on Structural Design and Construction, 2011, 16(4): 170-185. 23 杨内春 . 简易开启木桥 J. 公路 , 1959, 12: 019. 24 胡启丽 . 大鹏湾活动开启桥结构及设计特性 J. 企业技术开发 : 下 , 2009 (7): 23-23. 25 谢宝来 , 张洪海 , 曹景
25、. 海河开启桥 设计概况 J. 城市道桥与防洪 , 2012 (8): 58-60. 26 崔莉莉 . 解放桥耄耋之年 “重焕活力” J. 天津建设科技 , 2006, 15(6): 34-35. 27 李进州 , 李传习 . 西班牙巴塞罗那德酉欧帕港开合桥 J. 国外桥梁 , 2001 (4): 1-3. 28 龚志刚 . 荷兰鹿特丹市伊雷斯缪斯斜拉桥及开启桥 J. 世界桥梁 , 1996, 4: 008. 29 管军 , 顾大强 , 段福斌 . 移动屋盖开合机械的设计方法 J. 机械设计与研究 , 2004, 20(5): 77-80. 30 冷圣泉 . 屋顶开启的机械传动设计介绍 J.
26、云南天文台台刊 , 1983, 1: 011. 31 魏敦山 , 赵晨 . 上海旗忠森林体育城网球中心 J. 建筑学报 , 2006 (8): 68-71. 32 管军 , 顾大强 , 余永辉 . 移动屋顶驱动与行走系统 J. 起重运输机械 , 2005 (3): 42-44. 33 彭翼 , 范重 , 栾海强 , 等 . 国家网球馆 “钻石球场” 开合屋盖结构设计 J. 建筑结构 , 2013 (4): 10-18. 34 周良金 , 顾大强 . 屋盖开合机械装置设计 J. 起重运输机械 , 2010 (7): 8-13. 35 关富玲 , 徐旭东 , 杨超辉 , 等 . 开合屋盖结构的设计 奥运体育馆场 J. 力学与实践 , 2008, 30(3): 15-23.
