施特劳斯踵轴立转式开启桥工作原理分析

李伟

摘要：施特勞斯踵轴立转式开启桥（Strauss Heel-trunnion BasculeBridge）诞生于20世纪初，目前世界范围内仍存在一定数量的此类桥梁。本文阐述了施特劳斯踵轴立转式开启桥的构造特点，并对工作原理进行了分析

关键词：施特劳斯 立转 开启桥

1.概述

开启桥指的是为通航需要，上部结构能以竖旋、平旋、提升等方式开合的桥梁。当陆地运输不甚繁忙，河流上有船舶航行而固定式桥梁不能建造在通航净空以上时，就需要建造开启桥，从而以解决水陆交通。竖转开启桥的开启方式主要有三种：固定轴开启（Fixed trunnion bascule bridge）、施尔泽尔滚动式开启（Sherzer rolling lift bridge）、施特劳斯踵轴立转式开启（Strauss heel-trunnion bascule），其中我国建设立转式开启桥以固定轴为主。

约瑟夫·贝尔曼·斯特劳斯（Joseph Baermann Strauss，1870-1938年）是旧金山金门大桥的设计师，也是开启桥梁的创新者。他发明的施特劳斯踵轴式立转式开启桥核心开启部件为平行四边形四轴体系。受力体系较固定轴开启桥、施尔泽尔滚动开启桥复杂，也更为经济合理的，开启及关闭更为迅速，而传力部件采用直排齿，而非弧形齿，设计、加工、安装及养护均更为方便，这都是此类桥梁的重要优点。他成立的施特劳斯工程公司在世界范围内设计了400多座开启桥。

2.桥梁构造简介

下图为一座典型的施特劳斯踵轴立转开启桥，具体部位介绍如下：

施特劳斯踵轴立转开启桥图示

Rocking Truss——摇摆桁架，用于固定配重块

Cwt Trunnion——配重轴，配重块及摇摆桁架绕此轴旋转

Link——连杆，将配重块及摇摆桁架的重量传递至开启跨桁架

Pinion——齿轮，通过齿条工作原理与作用杆配合拉动开启跨

Operating Strut——作用杆，用于拉动开启跨

Main Trunnion——主轴，开启跨桁架绕此轴旋转

施特劳斯踵轴立转开启桥传动机理

简化力学模型

将复杂的桁架及开启构造进行模型简化可以看到，施特劳斯踵轴立转开启桥传动机理比常规的立转开启桥更为复杂。常规的立转开启桥采用了的单轴的“单杠杆”式开启方式，将配重块与开启跨固结，而施特劳斯踵轴立转开启桥将配重块与开启跨分离，在桥梁中出现了4个轴，其中2个轴用于连接配重块与开启跨桁架，剩下的2个轴就形成了配重块与开启跨间接传动的“双杠杆”式开启方式。

3.工作原理研究

开启跨桁架重心在A处，配重的重心在C处，开启跨桁架重心A绕主轴B1旋转，悬在桥面上的配重块重心C绕配重轴B2旋转。连杆D-E连接配重开启跨桁架，B1-D-E-B2形成平行四边形。在设计中通过构件的合理布置可实现A-B1与B2-C平行，这样可以使相对于B1的开启跨桁架静载力矩与相对于B2的配重力矩之比保持恒定。

施特劳斯踵轴立转开启桥在诞生之时相比于主要竞争对手施尔泽尔开启桥的优势在于环抱型耳轴设计，克服了滚动跨距变化的缺点。施特劳斯踵轴立转开启桥的开启机械是设置在固定跨上的，施尔泽尔开启桥的开启机械设置在开启跨上，会随桥梁开启而有位置和角度上的变化。

4.受力分析

采用了Midas对施特劳斯踵轴立转开启桥的闭合状态，初始开启状态，最大开启状态三个工况进行了分析，并根据计算结果可以初步得出以下结论：

① 与普通简支梁的支座设计不同，各个支座的受力差距较大，甚至不在一个数量级;

② 各个配重块重量较大，且布置于桥外侧，与配重侧支座，主轴位置支座形成杠杆效应，其中配重侧支座作为支点，会承受甚至大于配重块重量的力。因此该处的支座及基础设计应以承载力为控制因素进行重点考虑;

③ 主轴位置支座受力变化幅值较大：关闭状态时，主轴位置支座由于杠杆效应，受到配重块带来的负反力，其受力小于开启跨支座;开启初始状态，开启跨支座脱空，整个开启跨的重量作为一个整体荷载加到前面所述的“杠杆”一端，通过与配重块相反的杠杆作用，主轴位置支座反力增加，配重侧支座反力减小。因此主轴位置支座应注意能够适应大幅度的受力变化，并应控制不要在配重块的作用下出现负反力，同时配重侧支座不要再开启跨桁架的作用下出现负反力。

④拉杆及与拉杆相连的摇摆桁架上的顶部受拉杆件作为将配重传递至开启跨桁架的主要传力路径，受到最大的拉力，且拉力会随着桥梁的开启不断增大，在桥梁开启至最高点时候，拉力达到了初始开启时的两倍，因此拉杆的设计与桥梁的最大开启角度有关;

⑤开启过程中配重块的角度及开启跨的角度都会有较大的变化，因此与四个耳轴相连的桁架在开启过程中，内力变化较大，尤其是与拉杆连接的开启跨桁架，个别杆件由一个承担桥面荷载的桁架杆件变化为传递配重拉力的主要路径，在开启前后轴力由54.3kN增至6212.4kN，这也是开启桥设计与常规桁架桥设计的重要区别。

参考文献

【1】Seabrook Strauss Bascule Bridge Floor System Replacement And Bottom Chord Rehabilitation，Gregory P. Taravella， PE James W. H. Costigan， EI

【2】Strauss Heel Trunnion Repairs Jacksonville Bridge，Geoffrey L. Forest， P. E.，Modjeski and Masters， Inc& Michael Collier， P. E. Scott Bridge Company

【3】Counterweight Trunnion Replacement，Louisiana Transportation Conference 2016 February 28-March 2， 2016 · River Center， Baton Rouge