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1、12世界桥梁2009年第3期日本中跨2800m超大跨度悬索桥的抗风设计刘健新,崔欣,赵国辉,李加武(长安大学公路学院,陕西西安710064)摘要:抗风稳定和巨大的建设费用是建设中跨超过2000m的超大跨度悬索桥必须首先解决的重大问题。根据本世纪日本跨越海峡、海湾长大桥梁规划中超大跨度悬索桥方案的研究结果,介绍了研究方案的桥面宽度、加劲梁断面形式、气动措施及其相应的抗风性能。关键词:悬索桥;超大跨度;加劲梁;桥面板;抗风性能中图分类号:U448.25;TU311.3文献标志码:A文章编号:1671-7767(2009)03-00012-041前言全长5000m的更重视经济
2、性的悬索桥方案为研究20世纪的70年代末至90年代末,历时20年,对象。在国土交通省土木研究所的大型风洞中完成日本建成了包括20余座大跨度各种桥型在内的本了该方案各种断面形式和多种工况的风洞试验(如[2]州四国联络桥3条线路,连同以前建设的隧道和桥图2所示)。梁,从而将日本的北海道、本州、四国、九州连在了一起。但为形成日本的第二国土轴及促进各地区的共同发展,作为21世纪日本长大桥梁建设的规划,设想了图1所示的7条跨越海峡、海湾线路。线路的多数桥梁跨度超过了已建成的当今世界最大中跨1991m的明石海峡大桥而达到3000m左右。加劲梁将可能也和明石海峡大桥的桁架形式不同。桥
3、梁的颤振检验风速的目标值为80m/s,因此,确保[1]抗风性能成为十分重要的课题。图2大型风洞中的全桥气弹模型(侧向)2研究方案的断面中跨2500m和中跨2800m的方案各有多种断面形式。图3所示为中跨2500m、全长5000m、6车道方案的1种断面。梁高5m,分离箱梁中间间隔为5m,竖向中央稳定板分别伸出桥梁顶面和底面1.5m,另外还有宽度2m的4块水平稳定板安装在桥梁左右两侧的顶、底面外,基本上可以满图1日本今后的海峡跨越规划足80m/s的颤振检验风速的要求。巨大的桥梁也带来建设成本的急剧上升,因此,图4所示为中跨2800m、全长5000m方案的开发同时具有经济性和
4、抗风性的超大跨度悬索桥为1种断面,即竖直稳定板(上、下均为突出1.6m)和目的,日本在1995年设立了包括原建设省土木研究所、本州四国联络公团以及川田工业、日立造船等大型企业的研究团队,主要研究对象是中跨2500m,全长5000m、6车道的悬索桥。对其进行了多种结构形式、多种断面形式和多种气动措施的研究。1998年后提出了将桥面改为4车道、中跨2800m、图3加劲梁断面1(6车道)收稿日期:2009-02-25作者简介:刘健新(1942-),男,教授,博士生导师,1965年毕业于西安理工大学土木工程专业(E-mail:ljx@gl.chd.edu.cn)。日本中跨280
5、0m超大跨度悬索桥的抗风设计刘健新,崔欣,赵国辉,李加武13宽度2m的水平稳定板的4车道断面,取中间间隔表1模型参数S为3m、3.75m、10.5m,当S=10.5m时,断面全项目实桥参数模型模型试验值试验值(涡振检验)宽为39.5m,抗风性能良好。但是,随着中间间隔扭转/Hz0.1482.1576.348振动参数的扩大,梁的全宽也随之增加,必然带来主缆间距、竖直弯曲/Hz0.0660.9672.876振动参数比扭转/竖直弯曲2.242.232.21主塔塔柱间隔的变大,进而涉及到基础的规模。如重量/N#m-123583037.136.4惯性果中央开口部做成可行车的格栅构
6、造,梁的断面宽质量惯矩/kg#m-229932000.07330.0725扭转)0.020.02度可以减小,进而降低造价,因此研究了图5(a)所对数衰减率竖直弯曲)0.040.0示的全宽29.88m的方案。梁高取3m或4m时风速比5.471.85的颤振特性差异很小,考虑经济性选用梁高为3m。经过不同的方案比选,将竖直稳定板的上、下突出高度分别取为1.2m和0.6m(以下称断面Ñ)。在保证抗风稳定性的条件下,为了减轻横风对行车的影响,考虑在防护栏外侧设置风障,如图5(b)所示,风障高度为3m,透风率为50%,并取消了上侧水平稳定板(以下称断面Ò)。图4加劲梁断面2(4车道
7、)图6断面Ñ、Ò的振动响应(均匀流)3.2三分力和变位断面Ñ和Ò的三分力系数如图7所示。风障的设置使阻力有些增大。图5加劲梁断面33抗风性能3.1颤振模型参数如表1所示。由断面Ñ、Ò,缩尺比1/80的节段刚体模型的风洞均匀流试验结果如图6图7三分力系数(断面Ñ、Ò)所示。悬索桥中跨中央部位的扭转变形如图8(a)所2个断面在攻角A=0b、?3b时弯曲扭转耦合颤示,在风速超过94m/s后,断面Ò的跨中扭转变形振的临界风速均超过了80m/s,由于风障的设置,小于断面Ñ的,而在其它风速下,均大于断面Ñ的。A=0b、A=3b时颤振临界风速有些下降,
