專利名稱：節(jié)島型自平衡式阿基米德橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種懸浮在水中的隧道，即阿基米德橋。
背景技術(shù)：
阿基米德橋自從十九世紀八十年代提出以來，作為一種新的交通概念早已經(jīng)被接 受，世界上有許多國家都投入巨資進行研究，并已經(jīng)取得大量的科研成果，當年的科學幻想 在逐漸變成現(xiàn)實。但是，由于阿基米德橋這一交通概念涉及領(lǐng)域廣泛，需要解決的問題眾 多，因此，到目前為止世界上還未建成一座實用的阿基米德橋。已經(jīng)提出的用于車輛交通問題的阿基米德橋結(jié)構(gòu)形式如下阿基米德橋的頂面位 于水面以下20-40米；主要由分段管體、管體之間連接部分、管體與兩岸的連接部分以及錨 固系統(tǒng)組成；管體通過錨固在水域(海、河、湖)底床錨樁上的纜索來約束定位。此種結(jié)構(gòu) 為保持波浪作用下橋體的穩(wěn)定性，必須確保管體浮力總是大于重力，浮重比一般在1. 2至 1. 5之間，甚至超過1. 5，造成在不利工況下負荷較大，提高了建造成本。也有提出水底立柱 支承的，立柱在管體下方，僅對管體起向上支承的作用。此種結(jié)構(gòu)管體重力大于浮力，浮重 比一般小于0. 8，同樣在不利工況下負荷較大，建造成本較高。還有完全自由式、浮筒錨固式 和浮托式的，因穩(wěn)定性較差，不適宜用于解決大流量交通運輸問題(如鐵路運輸)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是水中懸浮隧道(即阿基米德橋)的一種新的結(jié)構(gòu)形式，稱為節(jié)島型自平 衡式阿基米德橋?？傮w結(jié)構(gòu)由正橋、引橋及監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，正橋如圖1所示，由節(jié)島1、 連接橋段2、標準橋段3、輪胎式密封圈4、約束環(huán)5、隔振裝置6、橋段導軌7、約束環(huán)導軌8 及其它裝置(如安全逃生裝置等)組成。為便于橋段安裝，可在節(jié)島旁邊設(shè)輔助支墩9，并 用隔振裝置10隔離支墩與橋段之間的動力響應(yīng)。節(jié)島建筑在水底基礎(chǔ)上，設(shè)置在標準橋段的連接處，分為微型、小型、中型、大型、 特大型5種，中型以上高出水面，面積超過500平方米，形如島嶼，故稱節(jié)島。與錨索不能有效約束橋段(標準橋段或連接橋段)下沉及立柱支承不能有效約束 橋段上浮的約束特點不同，節(jié)島可同時對橋段提供除軸向外上、下、左、右四個方向的約束 力。由于節(jié)島面積大，抗彎剛度大，這種雙向約束可以確保橋段工作時的穩(wěn)定性，克服了錨 索及立柱支承為單向約束的不足。由于交通、洋流、波浪等可變因素作用在橋段上的荷載遠 小于重力及浮力，此種結(jié)構(gòu)可將橋段的浮重比控制在0. 9至1. 1甚至0. 95至1. 05之內(nèi)而 仍保持穩(wěn)定，從而可以大大降低不利工況時的負荷峰值，有利于增大跨度和降低成本。由于 標準橋段所受浮力和重力幾乎處于自相平衡的狀態(tài)，故稱之為自平衡式。因為節(jié)島面積大， 內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)的壓力大為減輕，甚至可低于無橋時的水壓。一般可使橋段浮重比大于1. 0，節(jié)島浮重比小于1. 0，將整個結(jié)構(gòu)的浮重比控制在0. 9至1. 0之間，接近自平衡狀 態(tài)。就整體來說，節(jié)島主要提供橫向約束，豎向約束的重要性有所降低，不再處于支配地位。 這樣一來，即使個別節(jié)島因意外原因失效，也不會立即導致全橋崩潰，可獲得寶貴的救援時間，減少損失。為節(jié)省成本，水深超過100米的節(jié)島，可考慮采用張力腿平臺(Tension Leg platform,TLP)技術(shù)或多柱式平臺(Cell Spar Platform)技術(shù)。此時節(jié)島懸浮在水中，為 確保對橋段下沉時提供約束，錨索向下的總張力應(yīng)大于橋段對節(jié)島最大壓力的1. 2倍。雖然同樣采用錨索結(jié)構(gòu)，但因為錨索并不直接作用在橋段上，此結(jié)構(gòu)仍可將橋段的浮重比控 制在0. 9至1. 1甚至0. 95至1. 05之內(nèi)而仍保持穩(wěn)定，只需加大節(jié)島的浮重比即可，因而與 已知技術(shù)有明顯不同，有利于增大橋段跨度或降低成本。約束環(huán)安裝在橋段上，橫截面可為方形、圓形或長圓形環(huán)，如圖2所示，兩邊有凸 緣1、內(nèi)表面接近兩端處各有多個環(huán)形密封槽2 ( 一般為3-9個)、內(nèi)表面圓弧位置對稱設(shè)置 4-8個軸向槽3 (用于安裝滑動導軌)。約束環(huán)可在監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制下沿軸向移動，使 約束環(huán)同時套住兩個橋段，凸緣進入節(jié)島上相應(yīng)的卡槽，從而實現(xiàn)橋段與橋段、橋段與節(jié)島 的聯(lián)結(jié)，分離過程則與之相反。約束環(huán)的驅(qū)動采用防水機械裝置，從橋段內(nèi)遙控，也可采用 直線電機，短初級線圈安裝在橋段上，長次級線圈安裝在約束環(huán)上(也可預埋)。增強型聚 四氟乙烯導軌有良好的防腐性能和自潤滑性能，為約束環(huán)的運動提供導向功能。輪胎式密封圈固定在橋段兩端的多個密封槽內(nèi)，可在監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制下充入 高壓氣體或液體，用于實現(xiàn)橋段與約束環(huán)之間的密封，同時傳遞約束環(huán)與橋段之間的約束 力，隔離二者之間的動力響應(yīng)。當橋段發(fā)生嚴重故障，比如出現(xiàn)破裂進水等狀況時，監(jiān)控管理系統(tǒng)及時做出反應(yīng)， 先卸去輪胎式密封圈內(nèi)壓力，使密封圈縮入橋段的密封槽內(nèi)，然后推動約束環(huán)沿軸向移動， 將出現(xiàn)故障的橋段脫離。脫離約束的橋段通過拋出壓艙重物浮出水面，以便救援或維修、更換。為便于上浮，橋段除受約束環(huán)約束外，不再直接和纜索、立柱等錨固系統(tǒng)相聯(lián)系。 橋段兩端設(shè)密封裝置，用于裝配或脫離前對橋段進行密封，防止水進入橋段內(nèi)部。隔振裝置使節(jié)島與橋段之間、橋段與橋段之間的動力響應(yīng)相互隔離，可改善結(jié)構(gòu) 在交通負載、洋流、波浪作用下的動力性能，也可將地震、海嘯、意外沖擊的損害大為降低。為節(jié)省建造成本，微型和小型節(jié)島處不設(shè)連接橋段，由約束環(huán)實現(xiàn)標準橋段之間 的聯(lián)結(jié)，可在監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)與節(jié)島的聯(lián)結(jié)和分離。微型節(jié)島由于尺寸較小，只 提供標準橋段之間的聯(lián)結(jié)裝配功能，不提供分離功能。當橋段出現(xiàn)故障浮出水面時，至少需 要兩個以上標準橋段一同浮出。這可以延緩橋段內(nèi)水位上漲，對救援有利。對小型和微型節(jié)島，即使水深不足100米，也可考慮采用張力腿平臺(Tension LegpIatform,TLP)技術(shù)或多柱式平臺(Cell Spar Platform)技術(shù)，但可以簡化結(jié)構(gòu)，縮小 規(guī)模，不必建造水面平臺。中型以上節(jié)島處的連接橋段固定安裝在節(jié)島上(但軸向并不剛性固定)，安裝在 標準橋段上的約束環(huán)在監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)與連接橋段的聯(lián)結(jié)和分離。此時標準橋 段之間不再直接相連。標準橋段一旦脫離節(jié)島和連接橋段的約束即可實現(xiàn)上浮。中型以上節(jié)島高出水面，有利于改善橋段內(nèi)的通風換氣條件。中型以上節(jié)島面積 在500平方米以上，以便常駐服務(wù)人員，提供檢修、維修、安全、救援、醫(yī)療、衛(wèi)生、科學考察 等服務(wù)。大型以上節(jié)島設(shè)車站，提供旅游、購物、停車、餐飲、休閑等服務(wù)。
特大型節(jié)島設(shè)通訊基站、碼頭、救援直升機停機坪等設(shè)施。必要時可在特大型節(jié)島 上設(shè)置彎道，以使全橋路線符合水文地質(zhì)條件的需要。無論何種節(jié)島，均不對連接橋段、標準橋段和約束環(huán)沿軸線方向的移動或伸縮提 供剛性約束，只通過安裝于節(jié)島內(nèi)部的減振裝置提供阻力和阻尼。這樣，所有正橋部分的橋 段沿軸線方向均處于半自由可伸縮的狀態(tài)，可以有效降低溫度應(yīng)力的影響。由于橋段之間 并不直接相連，軸向動力響應(yīng)也處于相互隔離的狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)圖，主要表示出了節(jié)島1、連接橋段2、標準橋段3、輪胎式 密封圈4、約束環(huán)5、隔振裝置6、橋段導軌7、約束環(huán)導軌8、輔助支墩9、隔振裝置10等組成 部分。圖2為約束環(huán)的一種具體結(jié)構(gòu)圖，橫截面為長圓形，兩邊有凸緣1、內(nèi)表面兩端各 有3-9個環(huán)形密封槽2、圓弧部分對稱分布4-8個用于安裝導軌的軸向槽3。
具體實施例方式正橋具體施工時可分四個階段進行。第一階段，在選定節(jié)島位置的海底建設(shè)基礎(chǔ)， 同時在岸邊船塢預制節(jié)島標準件；第二階段，將節(jié)島標準件運到施工位置并完成節(jié)島主體 結(jié)構(gòu)施工，同時在岸邊船塢預制標準橋段、連接橋段和約束環(huán)；第三階段，將橋段、約束環(huán)裝 配到節(jié)島上，標準橋段的裝配可按如下步驟進行先借助浮力將約束環(huán)套在橋段上并拖運 到施工位置，再灌水下沉，借助輔助橋墩橫向定位，然后排水使浮力平衡重力，在接近平衡 狀態(tài)下軸向移動定位，并將約束環(huán)沿軸向推入節(jié)島卡槽，最后向輪胎式密封圈中通入高壓 氣體或液體，完成裝配和密封；第四階段，安裝調(diào)試各種附屬設(shè)施。對大流量交通運輸情況，可采用外形尺寸寬48米、高12米的標準橋段，內(nèi)部可容 納鐵路復線及四車道公路和兩個非機動車道、人行道，此時約束環(huán)的形狀和尺寸可按圖2 制造，材料可用預應(yīng)力鋼筋混凝土，導軌用增強型聚四氟乙烯塑料。
權(quán)利要求
一種節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，由正橋、引橋及監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，正橋由節(jié)島、標準橋段、連接橋段、約束環(huán)、輪胎式密封圈、隔振裝置、安全逃生裝置等組成，其特征在于節(jié)島可同時對橋段提供上、下、左、右四個方向的約束。
2.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于標準橋段的浮重 比(浮力與重力之比)控制在0.9至1.1之內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于約束環(huán)可沿軸線 方向移動，從而實現(xiàn)橋段之間或橋段與節(jié)島之間的聯(lián)接或分離。
4.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于用輪胎式密封圈 實現(xiàn)約束環(huán)與橋段間的密封，并傳遞約束力，隔離動力響應(yīng)。
5.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于節(jié)島與約束環(huán)之 間設(shè)有隔振裝置，可隔離二者間的動力響應(yīng)。
6.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于節(jié)島并不對連接 橋段、標準橋段和約束環(huán)沿軸線方向的移動或伸縮提供剛性約束，只對軸向位移提供阻力 和阻尼。
7.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于節(jié)島采用張力腿 平臺(Tension Leg platform, TLP)技術(shù)。
8.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于節(jié)島采用多柱式 平臺(Cell Spar Platform)技術(shù)。
9.按照權(quán)利要求1所述的節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，其特征在于標準橋段除受約 束環(huán)約束外，不再直接和纜索、立柱等錨固系統(tǒng)相聯(lián)系。
全文摘要
節(jié)島型自平衡式阿基米德橋，屬于水中懸浮隧道的一種新形式，由正橋、引橋及監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，正橋由節(jié)島、連接橋段、標準橋段、輪胎式密封圈、約束環(huán)、隔振裝置、及其它裝置(如安全逃生裝置等)組成，其特征在于節(jié)島可通過約束環(huán)對橋段提供上、下、左、右四個方向的約束。此種結(jié)構(gòu)可將橋段的浮重比控制在0.9至1.1之內(nèi)而仍保持穩(wěn)定，克服了錨索及立柱支承為單向約束的不足。約束環(huán)套裝在橋段端部外面，可沿軸向移動，實現(xiàn)與節(jié)島或其它橋段之間的聯(lián)接或分離。必要時，橋段可脫離約束浮出水面，以便救援或維修、更換。輪胎式密封圈固定在橋段兩端的密封槽內(nèi)，內(nèi)部可充入高壓氣體或液體，實現(xiàn)橋段與約束環(huán)之間的密封，傳遞約束力，隔離動力響應(yīng)。
文檔編號E02B17/02GK101798818SQ20101014442
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者徐衛(wèi), 徐友良 申請人:徐友良;徐衛(wèi)