机场进近灯光桥设计的若干问题

蓝浩华

【摘要】機场助航灯光在山地、坡地上建设时，通常会设置进近灯塔使进近灯能够保持在一定的水平高度上。但进近灯塔经常会因建设地点落在悬崖、河流、市政公路等位置时无法建设，且灯塔高度较高时人工检修非常困难。近年来进近灯光桥因能够跨越障碍物，且检修方便，在部分机场逐渐开始普及。进近灯光桥结构形式为钢桁架桥，该桥的主要功能是在桥面安装机场助航灯杆并提供检修通道。桥面宽度2.5米至3米，根据建设场地地形，钢桥敦高度10米至100米，桥梁跨度60米至90米，桥长最大900米。现行民航规范中仅有进近灯塔的相关条文，尚未有进近灯桥的设计及验收条文。

本文通过某机场灯光桥设计案例，对进近灯光桥不同于进近灯塔设计的几个问题进行分析探讨。

【关键词】机场；钢桁架；进近灯光桥

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.101

1、工程案例概况

以某4C级机场扩建项目的钢桁架灯光桥为例，建设场地位于山丘，本工程新增灯光带总长540米，钢桁架灯光桥长580米，平均跨度70米，钢桁架走廊宽3米，高3米，最大钢塔柱高度85米，最小钢塔柱高度10米。结构安全等级二级，设计使用年限50年，当地基本风压0.35kN/m2，覆冰荷载15mm，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.20g，场地类别II类，根据地勘报告建设场地为抗震不利地段，水平地震影响系数增大系数为1.2。

2、机场进近灯光桥风荷载的计算

现行民航规范中没有关于灯光桥的内容，《民用机场目视助航设施施工质量验收规范》[1]MH/ T5012-2010中仅有进近灯塔安装工程的验收条文，灯光桥的设计只能参照桥梁及建构筑物的相关规范进行设计。

2.1 静风荷载计算

进近灯光桥从结构形式上更接近于人行天桥，但功能和荷载分布形式则是用于安装设备及检修设备的构筑物。取钢塔柱高度85米断面，风荷载按《高耸结构设计标准》[3]GB50135-2019与按《公路桥梁抗风设计规范》[2]JTG/T3360-01-2018进行计算比较如下：

（1）按《高耸结构设计标准》[3]GB50135-2019计算：

风荷载标准值

wk=βzμzμsw0=βz*1.93*2.4*0.35*1.2（地形修正系数1.2）=βz*1.95kN/m2

桁架单位长度风荷载βz*1.95*An=βz*1.4kN/m

式中：An——桁架梁单位长度投影面积，取值0.72m2；

βz——高度z处风振系数，为比较静风荷载计算结果暂不取值；

w0——基本风压=0.35kN/m2，基本风压地形调整系数η=1.2；

μz——风压高度变化系数；

μs——风荷载体型系数。

（2）按《公路桥梁抗风设计规范》[2]JTG/ T3360-01-2018计算：

风险区域R3，基本风速U10=24.5m/s，

Ud=kfktkhU10=1.0*1.2*1.42*24.5=41.75m/s

等效静阵风速Ug=GvUd=Gv*41.75m/s

桁架单位长度等效静阵风荷载

Fg=1/2ρUg 2CHAn=0.5*1.25*（Gv*41.75）2*1.8*0.72=Gv 2*1.41kN/m

式中：kf——抗风风险系数；

kt——抗风风险系数；

kh——地表类别转换及风速高度修正系数；

Gv——阵风系数，为比较静风荷载计算结果暂不取值；

CH——横向力系数；

ρ——空气密度。

不考虑阵风系数、风振系数时，两种计算方法的计算结果是基本一致的，但是考虑风振、共振时《高耸结构设计规范》[3]与《公路桥梁抗风设计规范》[2]的计算方法上就有很大的差异，阻尼比的取值也不相同，《高耸结构设计规范》[3]阻尼比取值0.01～0.02，《公路桥梁抗风设计规范》[2]钢桁架取值0.005。

2.2 涡激共振

根据《公路桥梁抗风设计规范》[2]本案例桥梁涡激共振振幅限值如下：

（1）竖向涡激共振振幅限值

Hv<γv*0.4/fv=0.8*0.04/3.2=0.01m

（2）扭转涡激共振振幅限值

Θt <γv* 4 . 5 6 / （ B * ft） = 0 . 8 * 4 . 5 6 /（3*0.8）=1.52°

规范中给出了跨径小于200m的实腹式桥梁涡激共振的计算公式，对圆钢管桁架并不适用，灯光桥的涡激共振需要通过模拟风洞试验才能得到准确的数据。

另外《公路桥梁抗风设计规范》[2]对风振舒适度的控制标准，行人通行功能的桥梁抖振或涡激共振引起的竖向加速度峰值不宜超过1.1m/s2；而《高层建筑混凝土结构技术规程》[6]只有室内走廊的竖向加速度峰值限值为0.15m/s2。考虑灯光桥仅作为检修用途，通常只有检修人员行走，当竖向加速度峰值1.1m/s2时，应能达到中等舒适。

2.3 风洞试验

进近灯光桥作为机场运行的重要组成部分，且体型较为复杂，建设场地的地形比较多样，虽然按桥梁及构筑物都有相应的计算方法，静风工况的计算结果基本满足实际使用的要求，但灯光桥与钢铁塔、人行天桥依然有很大不同，规范对该类桥没有专门的定义，考虑风振、共振等情况进近灯光桥应进行模拟风洞试验，才能得到合理的计算参数及验证计算结果，这也是符合《高耸结构设计规范》[3]与《公路桥梁抗风设计规范》[2]的相应说明的。

3、机场进近灯光桥温度荷载的计算

进近灯光桥作为超长结构，而且长期曝露在室外环境中，温度荷载也是主要的控制荷载。

案例当地日最低气温-4.5℃，最高30.5℃，按《建筑结构荷载规范》[5]计算：

Ts，max=41.5℃（考虑太阳辐射影响+11℃），Ts，min=-4.5℃

T0，min取12.5℃；T0，max取17.5℃

计算升温ΔTk=Ts，max-T0，min=41.5-12.5=29℃

计算降温ΔTk=Ts，min-T0，max=-4.5-17.5=-22℃

3.1 支座刚接温度作用计算

采用有限元计算，温度作用单工况杆件轴力分布图如图2。

支座1与支座2承受了最大的水平反力，支座1最大水平反力498kN，支座2最大水平反力692kN。全桥温度工况最大轴力3500kN，最大位移80.5mm。支座1与支座2的杆件应力非常大，基础需要承受巨大的水平力。

3.2 支座滑动温度作用计算

如在支座1和支座2设置位移50mm的滑动支座，有限元计算温度作用单工况杆件轴力分布如下图3。

此时支座水平反力变得相对均匀，支座1的最大水平反力降到85kN，支座2的水平反力110kN。全桥温度工况最大轴力600kN，最大位移90mm。

可见对灯光桥这种超长结构，滑动支座的设置是非常必要的，它可以有效减小桁架桥温度变化引起的伸缩变形产生的支座反力及由此产生的杆件应力，使得全桥的内力分布更均匀合理。

4、机场进近灯光桥位移及挠度的控制

4.1 水平位移限值

民航规范中对进近灯塔的水平位移并没有明确的规定。《民用机场目视助航设施施工质量验收规范》[1]第11.2.6条规定：组立后灯塔垂直偏差小于或等于塔身高度h的3‰，挠曲度偏差小于塔身高度h的7‰。《高耸结构工程施工质量验收规范》[4]第5.7.6条规定：塔架整体垂直偏差：当H小于或等于75000mm时，不得大于H/1500；当H大于75000mm时，不得大于（50+（H-75000）/4000）mm。可见《高耸结构工程施工质量验收规范》[4]的验收标准远高于《民用机场目视助航设施施工质量验收规范》[1]的要求。《高耸结构设计标准》[3]中规定钢塔按线性分析的位移角限值为1/75，按非线性分析限值为1/50，实际设计中的位移角通常不到1/200。当采用灯光桥时，因塔柱的相互约束作用，采用灯光塔时位移角更小，所以灯光桥在满足结构相关规范的情况下，基本也能满足灯光系统的使用要求。

4.2 挠度控制

灯光桥相对于灯塔增加了挠度对灯光系统的影响，但灯光实际安装在易折杆上，所以只要调整易折杆的高度就能使灯光系统保持在设计水平标高上。在实际施工时，可在桥梁工程完工后根据实际测量结果调整易折杆的支座标高使灯光的安装精度更高。

5、机场进近灯光桥的不均匀沉降

灯光桥将灯光塔进行串联后，不均匀沉降就成为了必须考虑的问题。灯光桥的建设场地比较复杂，在山丘上时持力层通常为风化岩，在跑道端则可能为厚填土，在远端平地可能以粘性土为主，再考虑山丘水土流失的可能性，灯光桥宜采用桩基础，但地质条件较好时也可采用浅基础。本案例的浅层土层性质差异较大，埋深各不相同，采用浅基础沉降较难控制，局部需要进行深基坑开挖，再考虑重型设备较难搬运且施工作业面的要求较大，本工程采用了人工挖孔桩，持力层为强风化岩，桩长约10米。人工挖孔桩需编制危大工程施工方案并进行专项论证，整体施工进度较慢，但控制不均匀沉降的效果较好，施工可行性较高。

结语：

以上对进近灯桥设计的几个重点问题进行了分析，除此以外灯光桥的合理跨度设置、灯具及易折杆与桥体共振、施工方案、经济性分析都是灯光桥设计需要考虑的问题，灯光桥相对灯光塔有更多的设计问题及施工问题需要研究解决。灯光桥能够很好的解决复杂地形助航灯光系统的建设难题，也能使机场员工更轻松更安全的对助航系统进行日常维护，为航路安全提供高效可靠的保障，在今后的机场建设中进近灯桥的应用会更加普及，只有考虑更全面、研究得更细致才能设计得更安全。针对进近灯桥的行业设计及验收规范也应尽快出版，避免實施过程中缺乏明确的标准及依据。

参考文献：

[1]中华人民共和国民用航空行业标准：《民用机场目视助航设施施工质量验收规范》MH/ T5012-2010[S].北京：中国民用航空局，2010.

[2]中华人民共和国行业推荐性标准：《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T3360-01-2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[3]中华人民共和国国家标准：《高耸结构设计标准》GB50135-2019[S].北京：中国计划出版社，2019.

[4]中华人民共和国国家标准：《高耸结构工程施工质量验收规范》GB51203-2016[S].北京：中国计划出版社，2016.

[5]中华人民共和国国家标准：《建筑结构荷载规范》GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6]中华人民共和国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.