特大跨度悬索桥概念设计

第３４卷第４期　・３１４・　２　０　０　８年２月　Ｌ【Ｊ　西　建　筑　Ｖ０１．３４　Ｎｏ．４　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨｌＴＤ　ＵＲＥ　Ｆｅｂ．　２００８　文章编号：１００９—６８２５（２００８）０４—０３１４　０２　特大跨度悬索桥概念设计　李　刚　摘要：以琼州海峡跨海工程为背景，研究了跨度达１０　０００　ｍ特大跨径悬索桥的概念设计，研究表明，采用碳纤维加劲　塑料可满足特大跨度桥梁的要求，辅助缆索在提高结构抗风性能方面作用很大，混合双悬臂体系在静力和动力方面均有　更大优势，具有很广阔的发展前景。　关键词：特大跨度悬索桥，碳纤维加劲塑料，辅助缆索，混合双悬臂体系　中图分类号：Ｕ４４２　文献标识码：Ａ　悬索桥受力性能好，跨越能力大，外型美观，抗震性能好，是　式（５）为跨径与荷载比ＺＵｓ／Ｗｃ及主缆矢跨比的相关关系。　跨越大江大河，海峡港湾的首选桥型。已经建成的悬索桥之中跨　如果将主缆的矢跨比取为较大的１／８（实际上一般桥梁的主缆矢　度最大的明石海峡大桥主跨为１　９９１　ｍ；在建的意大利墨西拿海　跨比都小于１／８），考虑主缆材料强度折减，如果活恒比分别设计　峡大桥，主跨达到３　３００　ｍ。目前，很多国家已经开始了多项跨海　为０．５或０．２５，则极限跨径分别可达５　０００　ＩＴＩ或６　０００　ＩＴＩ。　峡桥梁工程的规划和可行性研究，如直布罗陀海峡桥，日本跨越东　２材料选取　京湾口规划，我国渤海海峡桥，上海长江口大桥，琼州海峡大桥等。　以上以钢作为主缆材料，如使用新型材料，比如碳纤维加劲　琼州海峡最窄处约２０　ｋｍ，水深平均约７０　ｍ，最深处达　塑料（ＣＦＲＰ），其强度为３　５００　ＭＰａ～７　０００　ＭＰａ［５］，取中间值　１６０　ｍ。目前已有方案在可行性研究之中，其跨度在２　０００　ｍ以　内。文中以琼州海峡为背景，进行１０　０００　ｍ左右主跨悬索桥的概　５　０００　ＭＰａ，按安全系数２．５取，则　＝２　０００　ＭＰａ，极限跨径可加　倍，达到万米级，文中以下的讨论中，均以ＣＦＲＰ为主缆材料。　念设计，主要考虑抗风性能。限于技术水平，很多细节问题很难　考虑，而从结构的整体空气动力性能上把握。　３结构优化　１　基本理论　３．１主缆系统调整　１．１颤振稳定性计算公式　传统的单箱加劲梁悬索桥很难做到２　０００　ＩＴＩ跨径以上，主要　Ｈ海峡处Ｂ类场地标准高度（１０　ｍ），平均风速Ｖ】０＝　的原因为：加劲梁的刚度随跨径的增长而骤减，从而导致扭转基　４０　ｍ／ｓ，换算为Ａ类场地为４６．８　ｍ／ｓ，任意高度下平均风速为：　频大幅减小。为提高特大跨度下悬索桥加劲梁的扭转刚度，可以　『Ｈ　他　…　对主缆系统进行辅助缆索的设置，包括垂直索与水平索；也可以　一ｌ　ｊ　ｕ　进行主缆系统的调整，设置成空间缆索系统和多主缆系统。　将桥面高度Ｈ代人式（１）’得到桥面高度处的设计基准风速　。　３．２加劲梁截面改进　颤振检验风速按下式计算：　改善结构气弹稳定性的另一条重要途径是改善加劲梁的截　［　］＝１．２×／２ｆ×　（２）　面布置，研究表明，跨径越长，加劲梁截面对气动弹性的影响越　其中，　ｒ为风速脉动修正系数，取１．１９。　大。常规悬索桥采用的是单主梁布置，但越来越多的研究表明，　颤振临界风速计算公式（按照Ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｐｕｔ公式）：　加劲粱采用开槽方案可以使结构气动弹性大幅度提高。主跨　｛ｒ　１＋（ｅ＿（）．５）＼／（ｒ＿了—舌）×（——　————）—｜７—一１２　ｆ　ｏ）ｂ×ｂ　（３）　３　３００　ＩＴＩ的墨西拿海峡大桥采用的就是总宽６０　ＩＴＩ的三主梁方案，　其颤振临界风速达到８０　ｍ／ｓ。　其中，ｅ为扭弯频率比；　为桥面质量与空气的密度比；ｒ为　因此，采用开槽加劲梁方案是一个提高气动弹性的有效措　桥面的惯性半径；ｂ为桥面宽度的一半。　施。另外，加劲梁的截面形状也值得探讨，墨西拿海峡桥采用特　１．２悬索桥跨径理论极限　异型箱形截面，具有良好的流线型，还可以考虑椭圆形的箱形截　在进行概念设计之前，先探讨悬索桥的技术极限，从理论上　面，保证有较好的流线型，加劲粱的扭转刚度也较大。　估计出悬索桥的极限跨径［　。对于一个典型的悬索桥中跨，在主　４主跨１０　０００　ｎｌ悬索桥概念设计　缆线型为抛物线的假设下，其最大跨径可用以下不等式表示：　４．１初步设计　Ｌ≤　—　一　（４）　１）总体布置为三跨悬索桥３　０００　ＩＴＩ＋１０　０００　ＩＴｔ＋３　０００　ＩＴＩ，矢　￣／１＋１６　（１＋训　／ｗｅ）　跨比约为１／１２，桥塔使用钢筋混凝土，规格为Ｃ５０；主缆及吊索使　其中，　为主缆的矢跨比；　为钢缆的允许应力，实际应用取　用ＣＦＲＰ；主梁使用钢材料，规格为Ｑ－３４５Ｄ。　＝１　０００　ＭＰａ；Ａ为主缆钢丝总净截面积；Ｗｃ为每延米主缆重　２）加劲梁截面设计。考虑到桥建在琼州海峡上面，桥面风速　量，训　＝　，Ａ＝１．１×７８．５×Ａ＝８６．３５Ａ　ｋＮ／ｍ；ＺＵｓ为桥面系统　很大，因此为行车安全考虑，采用椭圆箱形截面，车辆在箱内行　每延米重量，包括加劲梁恒载及桥面铺装重量以及桥面活荷载。　走，这样既保证了行车安全，梁的整体性又好，抗扭刚度将比一般　将以上数据代人到式（４），可简化为：　形式加劲梁大。用两个箱梁通过横梁连接起来，横梁间距较小，　鱼　丝　ｒ　刚度较大，可以认为三者组成整体式断面形式，箱梁外壳大体由　￣／｜　（１＋训　／ｗ　）　两个半椭圆组成。加劲梁截面构造见图１。　收稿日期：２００７—１０—１１　作者简介：李￣１（１９８３一），男，同济大学土木工程防灾国家重点实验室硕士研究生，上海２０００９２　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　Ｏ　Ｏ　８年２月　第３４卷第４期　李刚：特大跨度悬索桥概念设｛　・３１５・　经过汁算，一般的悬索斜拉协作体系对提高颤振稳定性不是　很理想，闪为斜拉索与悬索基奉在同一个平面内，但假如在原桥　塔外再伸出“辅助塔”，然后在辅助塔上用斜拉索拉住主梁，这样　就形成了空间的索网，能很好地提高结构的抗风性能。　通过改变塔肢的长度和　水平面的角度，可以计算相应的颤　图１　加劲梁截面构造图（单位：ｍ）　振临界风速。经计算，　塔肢长度为９２５　ｍ，角度为６０。时。颤振临　界风速达最大值。在此暴础上，加上竖向交叉索，再计算其颤振　临界风速得　＝８０．１　ｍ／ｓ。虽然比前面提高ｒ不少，但仍然比　检验风速小。所以，通过加辅助索虽然有很大提高，但仍然达不　到要求，需要在结构体系上再进行改良。　３）主缆及吊索设计。设置四道主缆，问距分别为３０　ｍ，５４　ｍ，　３０　ｍ。每根主缆直径均为１．６　ｍ，采用碳纤维作材料。主缆截面　面积暂取为１．７４　ｍ２，吊索间距取为１５　ｍ，每根吊索均由１４５根　ｃｏ７　ｍｍ钢丝组成，截面面积按０．００５　５８　ｍ　计算。　４）建模。采用ＡＮＳＹＳ进行计算与分析，采用鱼骨梁式模型。　这种模型不考虑主梁约束扭转刚度的影响，考虑到本设计主梁自　由扭转刚度较大，这种考虑不会造成太大误差。　５）空气动力分析。跨中桥面高度取为１４６．８７５　Ｆｎ，根据式　４．４混合双悬臂体系　在这种体系中，桥塔两边各２　０００　ｍ的部位由斜拉悬臂承担。　由于目前这方面的资料很少，在最初设计时也很难保证斜撑受力　均衡，住本设计中如果采用常用实际材料参数，势必造成斜撑变　（１），式（２）可以计算颤振检验风速为：　［　］　１．２‘　ｒ‘　形太大。因此，建模时比较理想化地将其刚度设为足够大，弹性　模量及密度采用碳纤维材料的数据。　：１．２×１．１９×４６．８×ｌ　Ｌ　ＩＵ　ＪＩ　Ｉ¨２：９２．３　ｍ／ｓ。　在此基础上再添加竖向交叉辅助索，计算得到Ｖ＝　：９８．４　ｍ／ｓ＞　［　］＝９２．３　ｍ　，即满足了抗风要求。从这里可以看出混合双　　采用ＡＮＳＹＳ进行动力分析，得到第一阶竖弯的等效质量　ｚ　悬臂体系是特大跨度悬索桥值得考虑的一种桥梁形式。和振动频率　以及第一阶对称扭转的等效质量惯性矩，　和振动　５结语　频率　（结果从略），代入式（３）得到　＝５５．１　ｍ／ｓ，远远小于颤　文中以琼州海峡为背景，对万米级特大跨度悬索桥进行了概　念没计，总结出如下结沦：　１）材料选用。现在使用的常规材料已经无法满足建造万米　振检验风速，可见最初的设计资料无法满足抗风要求。　４．２辅助缆索加设与结果分析　经过分析，各种辅助缆索中，起主要作用的是交叉索，包括水　级跨度悬索桥的要求，通过计算表明，主缆和吊索使用碳纤维加　平和竖向交叉索，因此文中只加设交叉索。交叉索截面面积取为　劲塑料（ＣＦＩ　）时，可以满足要求。当然，还可以使用其他的新型　吊索的２倍，即０．０１１　２　ｍ２。如图２～图５所示分别加设辅助索，　材料。２）主梁截面形式。在综合考虑了截面抗扭刚度和流线型　４种情况下的动力分析数据以及颤振临界风速结果整理，并与未　两方面要求，提出ｒ使用椭圆形箱梁截面形式，既保证＿ｒ流线型，　加辅助索式进行比较。结果表明，水平交叉索在提高抗风性能方　又使主梁成为一个椭圆空腔，抗扭刚度会比较大。计算结果表　面基本没有作用；而竖向交叉索对于提高结构的颤振稳定性是很　明　这种主梁截面形式可以很好地满足特大跨度下对主梁既抗风　有帮助的。　又抗扭的要求。３）缆索悬吊系统的布置。对辅助缆索进行分析　图２　两侧两相邻主缆间交叉索　～～　图３　中间两相邻主缆问交叉索　１９９８．　和计算，计算结果表明，在主缆与主梁之间加设竖向的交叉索时，　可以很大程度地提高其抗风性能。另外，通过对新型缆索悬吊系　统的探讨发现，混合双悬臂体系的动力特性有很大优势，是建造　特大跨度悬索桥的一个比较理想的桥型。　参考文献：　ｌ　１　ｌＳｉｍｉｕ　Ｅ．＆Ｓｃａｎｌａｎ　Ｒ．风对结构的作用——风工程导论『Ｍ］、　刘尚培，项海帆，谢霁明，译、上海：同济大学出版社，２００１．　［２］李国豪．桥梁结构稳定与振动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，　［３］孙杰，孙峙华，胡容根．碳纤维复合材料在桥梁工程中的应　用及其前景［Ｊ］．公路交通，２００４（１）：５６—５７．　［４］吴海军，陆　萍，周志祥．ＣＦＲＰ在新建桥梁中的应用与展望　图４　两俱９主缆竖向交叉索　图５　中间主缆竖向交叉索　［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００４，２３（１）：９６　９７．　［５］周孟波．悬索桥手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９．　４．３悬索斜拉协作体系　Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒ－ｓｐａｎ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ＬＩＧａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｓ　ａｃｒｏ．％ｓ　Ｑｉｏｎｇｚｈｏｕ　Ｓｔｒａｉｔｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄ￣ｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ－ｓｐａｎ　ｓｕｓｐｅｒ￣ｓｉｏｎ　ｂｎｄｇ￣ｗｉｔｈ　ｎｍｉｎ　ｓｐａｎ　ｏｆ　１　０　０００　Ｉ３１　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｈｅｒｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ＣＦＲＰ　ｉｓ　ａ　ｎｉｃｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｆｏｒ　ｓｕｐｅｒ－ｓｐａｎ　ｂｒｉｄｇｅｓ．ａｎｄ　ｌｈｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｃａｂｌｅｓ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｂｅ—　ｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ—ｄｏｕｂｌｅ—ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｂｒｉｌｌｉａｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｔｈａｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｒｒｋｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ—ｓｐａｎ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅｓ，ＣＦＲＰ，ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｃａｂｌｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ—ｄｏｕｂｌｅ—ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ