1）金汤桥结构体系分析

金汤桥全长76.4m，上部结构采用下承式全铆接钢桁梁，主桁下弦杆水平，上弦杆变高呈曲线形状，建筑型式优美，如图4-2所示。

图4-2　金汤桥改建前全貌

金汤桥分为固定跨和转动跨两种桥跨。靠近西岸为一跨固定跨，跨长35.3m（净32.8m），为简支下承式钢桁架，桁架下设摇轴支座（图4-3）。靠近东岸两跨为一联，为平转开启结构转动跨，跨长分别为20.3m、20.4m（净跨都为16.85m），其中开启时为中支点双悬臂钢桁梁桥，仅承受恒载作用，闭合时为两跨一联的连续钢桁梁桥，承受恒载和人群荷载。原金汤桥采用重力式墩台，桥墩截面较大，便于安装中墩开启系统，墩台下设置木桩基础。

图4-3　固定跨摇轴支座

2）金汤桥典型节点连接方式

金汤桥主桁弦杆、竖杆和部分固定跨斜杆为多根角钢加钢板用铆钉拼接而成。弦杆为T形，竖杆多为十字形，主桁斜杆为拼接工字钢或槽钢。上下弦杆典型结点构造如图4-4～图4-6所示。

（1）上弦杆内侧典型节点。

图4-4　上弦杆内侧典型节点

（2）上弦杆外侧典型节点。

图4-5　上弦杆外侧典型节点

（3）下弦杆典型节点。

依下弦杆与斜杆的连接方式分为以下三种主要节点类型。

图4-6　下弦杆典型节点

3）桥面系

桥面系为纵横梁体系，人行道采用三角托架上加设纵梁的形式，如图4-7所示。横梁均为角钢加钢板用铆钉拼接而成，中间横梁为工字形，固定跨和转动跨的端横梁为槽形。其中，转动跨端横梁为平面弧形，转动墩处横梁为立面弧形，以满足转动跨承重需求。中央非机动车道的纵梁均为工字钢，人行道纵梁为槽钢。4）金汤桥原开启系统

图4-7　桥面系结构

据有关文献记载，金汤桥原使用电力开启。关于这一点，可供查阅的资料极少，分析认为，原金汤桥修建伊始通行电车，桥上布置电缆，桥梁的开启便使用同一直流电操作。据查证，金汤桥在20世纪30年代便失去了开启功能。

金汤桥开启跨由两跨组成，开启时，两个开启跨绕中墩水平旋转90°，受力状态呈双悬臂钢桁梁形式，开启后，通航净宽为2m×16.85m。该桥的开启系统采用的是100年前的机械传动技术，限于当时机械制造与设计水平，传动系统较为复杂庞大，且原始资料匮乏，大多数实物丢失，给复原工作带来了相当大的困难。通过现场拍照调研，总结原金汤桥开启系统原理。开启系统由转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，如图4-8所示。

图4-8　金汤桥开启跨及开启系统示意图

1—转动跨桥梁；2—桥端分离机构；3—固定跨桥墩；4—大齿圈；5—过渡系统；6—中心回转支承系统；7—转动跨桥墩；8—东岸桥墩；9—控制系统(www.daowen.com)

金汤桥转动跨为平转式开启，开启过程为：首先，行人与交通工具离开转动跨，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，转动跨两端的4个桥端分离机构向上移动，碰到限位开关停止移动。确认转动跨两端的4个桥端分离机构与桥墩分离后，启动电动机电源或转动手轮。转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°需约10～12min，电动机有五级控制。闭合过程与开启过程原理相同，各部位工作原理及存在问题分述如下。

（1）开启跨中墩支承及开启系统。

金汤桥原开启跨通过位于中墩的中轴定位，中轴上下分别连接钢主梁的弧形横梁及桥墩，中墩设置旋转支撑底座。开启时，齿轮驱动中墩旋转及支撑系统的转轮以中轴为中心，沿旋转支撑底座滑动，实现桥跨开启的同时满足转轮支撑的需要。然而，由于转轮滑动需克服较大摩擦力，对于电力供应、电机功率、转轮刚度及支撑底座的稳定等均带来不同程度的负面影响。同时，限于中轴尺寸，其刚度较小，不能保证桥梁经常性偏载时的稳定。齿轮组成采用传统方式，需克服较大摩擦力。现场未查到相应的供油润滑系统，因此，不能长期保证桥梁按照正常的频率开启。改建前的中墩旋转及支撑系统、中墩弧形横梁及滑动轮支撑、传动系统组成如图4-9～图4-11所示。

图4-9　改建前中墩旋转及支撑系统

图4-10　改建前中墩弧形横梁及滑动轮支撑

图4-11　改建前传动系统组成

根据有关文献，1970年第二次大修时，将原桥顶升抬高76cm，将已废置的开启系统进行固定改装。由于原桥被顶升抬高，滑动轮支撑已与旋转支撑底座脱开，上下游中墩位置配合桥梁顶升抬高重新施作支座，顶升加固后的支座由于受到较大荷载，已有明显变形，如图4-12所示。

图4-12　改建前开启跨中墩上下游支座

对改建前金汤桥中墩开启系统调研可知，中墩旋转支撑系统不仅承受桥梁闭合时的所有荷载，还必须为桥梁正常转动的偏载以及可能的动力过载提供保证。

原金汤桥转动跨的中心支承采用心轴定位，如图4-13所示，中心回转轴承套两侧直接采用各12个M30螺栓与转动跨弧形梁连接。经过反复现场勘查以及理论分析，原设计存在如下问题：①安装在桥墩上的心轴与中心轴承套接触位置的上下表面（图4-13中A、B部位）磨损严重，且存在咬死现象。②中心回转轴承套与弧形梁之间的连接强度不足。

图4-13　原金汤桥转动跨中心支承连接形式

1—转动跨；2—连接螺栓2—12×M30；3—中心回转轴承套；4—心轴；5—大齿圈；6—滚轮；7—驱动轮

问题①主要由于当时人们设计思想的局限性。由图4-13可知，心轴及大齿圈是固定在桥墩上的。其一，心轴的中心就是桥墩的中心；其二，转动跨的回转中心就是中心回转轴承套的中心，并由中心回转轴承套与心轴配合来保证两者一致性；其三，开启系统中的机械传动系统除大齿圈固定在桥墩上外，其余传动部分均在转动跨上，两驱动轮连接在转动跨上，机械传动系统的回转中心就是两驱动轮（转动跨上）与大齿圈（桥墩上）啮合回转中心，即大齿圈中心与两驱动轮回转中心应一致，否则就会造成两驱动轮与大齿圈的啮合顶隙、间隙不等现象。由于大齿圈与心轴之间无任何形式的连接，造成了大齿圈安装基准中心是虚拟的，无法定位，无法与设计基准一致，无法与心轴的中心即桥墩中心保持一致。由于受当时设计水平的限制，原转动跨中心支承结构无法实现机械传动系统的回转中心、转动跨的回转中心以及桥墩中心的三者设计基准与安装基准的一致性问题，这是原桥的一个致命弱点。转动跨的机械传动系统通过两驱动轮与大齿圈的啮合来驱动转动跨的旋转，则保证了机械传动系统的回转中心一致，但不能保证转动跨的回转中心与桥墩中心一致，造成了桥墩上的心轴与中心轴承套接触处表面磨损严重且存在咬死现象，以至于建成不久就不能开启。

问题②，中心回转轴承套与弧形梁之间的连接强度不足，对桥梁与转动跨旋转等构成安全隐患。螺栓连接受力分析图如图4-14所示。金汤桥转动跨开启状态为双悬臂梁，转动跨桥梁自重约200t。螺栓组受到横向力FQ和倾覆力矩M的联合作用。由螺栓组受力分析可知，原设计螺栓组的强度条件不满足要求。具体计算过程不再赘述。

图4-14　原金汤桥转动跨中心支承螺栓连接形式（单位：mm）

本次金汤桥重建过程中，引进底座主支撑机构，将金汤桥中轴定位方式进行改进，使其同时满足强度和稳定要求，并能实现安装时的精确定位，设计并成功解决了这一平转式开启桥的难题。

（2）边墩支撑机构。

原转动跨边墩通过支撑轮对结构提供支撑。对既有资料分析可知，金汤桥原开启过程中，边墩转轮滚动使得桥体旋转，同时为桥体提供支撑。在金汤桥第二次维修加固时，将已废置的开启系统进行了固定改装，边墩的转轮被倒转了180°，如图4-15所示。

图4-15　原转动跨端支撑轮

原金汤桥开启时，边墩转轮滚动使得转动跨端头存在滚动摩擦，对中墩转动中心轴产生巨大扭矩，造成动力系统设计繁复。在本次改建设计时，为消除这种摩擦的影响，拟采用桥端支撑分离机构。