超大跨度悬索桥的动力性能与抗风挑战

8009全国结构动力学学术研讨会安徽省安庆市，2009.10.28-31中国振动工程学会结构动力学专业委员会超大跨度悬索桥的动力性能与抗风挑战葛耀君土木工程防灾国家重点实验室，同济大学桥梁工程系，上海200092摘要悬索桥是跨越能力最大的桥型，在10座世界最大跨度的悬索桥中，有5座曾经遇到过抗风问题，其中4座是桥梁颤振问题。本文通过对润杨长江大桥和舟山西堠门大桥颤振控制研究的介绍，揭示了传统单主跨悬索桥的动力特性和抗风特定，并总结了其跨径的抗风上限在1500m左右，任何逼近或超过这一上限跨径的悬索桥就必须考虑采取抗风控制措施；在对更大跨径悬索桥需求分析的基础上，预测了悬索桥跨径的抗风下限可以达到5000m，并论证了采用宽开槽分体箱梁或窄开槽带稳定板分体箱梁可以满足良好的动力特性要求和足够高的颤振检验风速要求；为了实现超长距离的连续跨越，多主跨悬索桥作为一种新的桥型已经崛起，以泰州长江大桥和马鞍山长江大桥为工程背景，揭示中塔纵向弯曲刚度是双主跨悬索桥结构受力关键，并比较了双主跨悬索桥和单主跨悬索桥的动力性能和抗风性能。关键词悬索桥超大跨度动力特性颤振跨径极限抗风挑战双主跨1前言我国自从改革开放以来，国民经济以平均9%的国民生产总值年增长率高速发展了30年，由此对交通基础设施，特别是公路交通基础设施的建设提出了巨大的需求。为了适应这一需求，1988年建成了国内第一条高速公路。1989年，我国启动了国道干线公路系统30年发展计划，这个系统主要包括五纵七横共12条干线公路，总里程19万公里，该计划提前到2007年完成。2004年，国务院又批准实施国家高速公路网计划，主要包括7条始于北京的辐射线路以及9条南北纵向道路和18条东西横向道路，简称“7918”工程，总里程约8.5万公里，计划在2020年建成。干线公路和高速公路建设离不开桥梁，随着这两项计划的加速实施和其它公路建设项目的积极推进，公路桥梁建设取得了空前的发展，1978年我国的公路桥梁总数为12.8万座或3,300公里，到2008年底，公路桥梁已经达到59.4万座或25,200公里，分别是30年前的4.6倍或7.6倍[1]。在数量巨大的公路桥梁中出现了许多大跨度桥梁，其中，建成于1991年的上海南浦大桥（图1a）是第一座进入世界先进行列的中国桥梁，423m的主跨在世界斜拉桥中排列第三。在此后的近20年中，我国相继建成了跨径超过400m的大跨度桥梁54座，其中包括8座拱桥、30座斜拉桥和16座悬索桥（表1）。其中，重庆朝天门大桥（图1b）以552m主跨超越上海卢浦大桥再次创造了拱桥跨度的世界记录；而斜拉桥主跨猛增到1088m，苏通长江大桥成为世界最大跨度斜拉桥（图1c）；舟山西堠门大桥（图1d）的主跨达到1650m，是跨度最大的钢箱梁悬索桥，仅次于钢桁梁的日本明石海峡大桥[2]。随着桥梁跨径的不断增大，桥梁结构日趋轻柔化，结构动力特性问题以及抗风问题日益突出，特别是超大跨度悬索桥的颤振稳定问题已经成为直接影响跨度进一步增长的关键因素。本文将首先简要介绍我国近期建成的几座大跨度悬索桥的动力特性和颤振稳定性问题及其所采用的控制方法，然后介绍基于悬索桥跨径增长需求的主跨5000m悬索桥的结构动力特性和颤振控制研究的最新进展，最后对于新近崛起的为了适应长距离连续跨越的多主跨悬索桥的技术挑战，包括动力性能和抗风性能的分析对比。9表1中国主跨超过400m的悬索桥编号桥名主跨建成年份编号桥名主跨建成年份1西藏达孜大桥500m19849四川鹅公岩大桥600m20002汕头海湾大桥452m199510四川忠县长江大桥560m20013湖北西陵长江大桥900m199611湖北宜昌长江大桥960m20014四川丰都长江大桥450m199712四川万县长江二桥580m20045广东虎门大桥888m199713江苏润扬长江大桥1490m20056香港青马大桥1377m199714湖北阳逻长江大桥1280m20077厦门海沧大桥648m199915广东黄埔大桥1108m20088江苏江阴长江大桥1385m199916舟山西堠门大桥1650m2009(a)上海南浦大桥(b)重庆朝天门大桥(c)江苏苏通大桥(d)舟山西堠门大桥图1中国最大跨径桥梁2现有大跨度悬索桥实践2.1悬索桥抗风问题在过去的一个多世纪里，大跨度悬索桥建设取得了飞速的发展。悬索桥跨径从美国布鲁克林大桥(1883年)的483m跃升到人类历史上第一座跨1000m的乔治⋅华盛顿大桥(1931年)用了不到50年的时间，跨径的增大因子为2.2倍；在随后的又一个50年中，相继诞生了破纪录的1280m跨径的美国金门大桥（1937年）和1410m跨径的英国亨伯大桥（1981年），跨径的增大因子是1.3倍；1998年建成的日本明石海峡大桥，以1991m的跨径带来了又一个1.4倍的悬索桥跨径增长因子，但这次仅仅用了1710年的时间。悬索桥跨径快速增长举世瞩目。表2列出了全世界已经建成的10座最大跨度的悬索桥，其中有5座在中国、2座在美国，日本、丹麦和英国各有1座[3]。表2中不仅列出了悬索桥的跨径、国家、建成年份等总体信息，而且收集了桥梁抗风性能方面的主要信息，包括主梁形式、风振问题及采取的控制措施。其中，前4座悬索桥和香港青马大桥均存在抗风问题，除了丹麦大海带桥之外，主要都是颤振稳定性问题，需要采用有效的抗风控制措施来改善桥梁的气动稳定性，例如，润扬长江大桥采用了中央稳定板，舟山西堠门大桥采用了分体双箱梁。下面将主要介绍这两座中国大陆悬索桥的抗风研究成果和颤振控制方法[2]。表2全世界10座最大跨径悬索桥跨径排序桥名主跨主梁形式抗风问题控制措施国家建成年份1明石海峡大桥1991m桁梁颤振开槽/稳定板日本19982西堠门大桥1650m箱梁颤振开槽中国20083大海带桥1624m箱梁涡振导流板丹麦19984润扬长江大桥1490m箱梁颤振稳定板中国20055亨伯大桥1410m箱梁无无英国19816江阴长江大桥1385m箱梁无无中国19997青马大桥1377m箱梁颤振开槽中国香港19978维拉扎诺大桥1298m桁梁无无美国19649金门大桥1280m桁梁无无美国193710阳逻长江大桥1280m箱梁无无中国20072.2中央稳定板颤振控制建成于2005年的江苏润扬长江大桥是中国第二、世界第四大跨径悬索桥。该桥位于中国东部江苏省境内，跨越长江连接镇江市和扬州市，为典型的一跨简支悬索桥，跨径布置为510m+1490m+510m，如图2所示。加劲梁断面为传统的闭口钢箱梁，梁高3m、宽36.3m。桥面双向各3个车道，每个车道宽3.75m，桥面两侧各留出一道3.5m宽的紧急停车带，如图3所示。为了改善气动性能和美学效果，箱梁两边安装了风嘴[4]。图2润扬长江大桥立面图（单位：m）图3润扬长江大桥主梁横断面图（单位：m）根据文献[4]提供的润扬大桥结构信息，对原桥动力特性进行了有限元分析，计算获得了侧向弯曲振动、竖向弯曲振动和扭转振动的对称及反对称基频，并与大海带大桥和舟山西堠门大桥进行了比较，如表3所示。三座最大跨度钢箱梁悬索桥基频比较结果表明，润扬长江大桥的竖弯和侧弯基频基本合理，11但是扭转基频特别是对称扭转基频小于其他两座跨径更大的悬索桥，相对偏低，究其原因主要是由于主梁梁高较低。为了研究润扬长江大桥的气动稳定性，特别是较低扭转频率对颤振临界风速的影响，在同济大学TJ-1边界层风洞中进行了缩尺节段模型风洞试验，几何相似比为1:70，该风洞试验段宽1.8m，高1.8m，长15m。通过第一阶段试验发现，原结构颤振临界风速仅仅为50.8m/s，无法满足54m/s颤振检验风速的抗风设计要求。为了提高结构的颤振稳定性，决定采取气动控制措施，在进一步的节段模型风洞试验中，在主梁断面中心线上增设了不同高度的中央稳定板（见图3）。为了确认节段模型风洞试验的结果，又在同济大学TJ-3风洞中进行了全桥气弹模型风洞试验，该风洞试验段宽15m、高2m、长14m。节段模型试验(SM)和全桥气弹模型试验(FM)所获得的颤振临界风速如表4所示[4]。表3钢箱梁悬索桥的基频比较侧弯频率(Hz)竖弯频率(Hz)扭转频率(Hz)桥名跨径(m)对称反对称对称反对称对称反对称江苏润扬14900.04890.12290.12410.08840.23080.2698GreatBelt16240.05210.11800.08390.09980.27800.3830西堠门16500.04840.10860.10000.07910.23230.2380表4润扬长江大桥颤振临界风速颤振临界风速(m/s)检验风速箱梁构造外形SMat0°SMat+3°FMat0°FMat+3°(m/s)不加稳定板箱梁结构64.450.864.352.554附加0.65m高稳定板的箱梁58.169.553.854附加0.88m高稳定板的箱梁64.972.155.154附加1.10m高稳定板的箱梁67.47556.454通过比较可以发现，附加稳定板的钢箱梁悬索桥的全桥气弹模型风洞试验确定的颤振临界风速稍低于节段模型风洞试验结果，起控制作用；基于全桥气弹模型风洞试验结果的0.88m高的中央稳定板就能有效地将颤振临界风速提高到颤振检验风速之上。图4给出了安装上中央稳定板后的润杨长江大桥。图4润扬长江大桥的中央稳定板2.3分体双箱梁颤振控制舟山西堠门大桥作为浙江省舟山大陆连岛工程的主体工程，是跨越西堠门水道、连接金塘岛和册子12岛的一座特大跨度桥梁。桥址选在册子岛和金塘岛之间水面最窄的地方，约2200m宽，在靠近册子岛处有一处海礁，称为老虎礁，可以布置一个缆索承重桥梁的桥塔。如果将单主跨跨悬索桥的一个桥塔建在老虎礁上，那么另一个桥塔就要落在金塘岛的岸坡上。为了确定桥塔在金塘岛上的位置，进行了多种跨径方案的比选，例如，选择1310m跨径时的桥塔基础水深将达到35m，1520m跨径时的桥塔基础水深仍有20m，只有当跨径为1650m时才能保证桥塔基础在水面以上。为了避免深水基础施工，西堠门大桥设计方案最终确定为两跨连续悬索桥，主跨1650m，如图5所示[7]。西堠门大桥是我国最大跨度的悬索桥，也是世界上最大跨度的钢箱梁悬索桥，仅次于钢桁梁的日本明石海峡桥[5]。图5西堠门大桥立面图（单位：m）主跨1490m润扬长江大桥的颤振临界风速是50.8m/s，主跨1624m丹麦大海带桥的颤振临界风速是65m/s，根据这些已有大跨度钢箱梁悬索桥的经验来推断，1650m跨径的悬索桥将会遇到气动稳定性问题的挑战，何况西堠门大桥地处我国东南沿海台风频发地区，其颤振检验风速更为严格，高达78.4m/s。为此，在初步设计阶段，提出了3组比选的钢箱梁断面，进行了系统的节段模型风洞试验。除传统的单箱主梁外，另外两种主梁断面形式分别为附加中央稳定板单箱梁（图6a所示3种稳定板高度）和分体双箱梁（图6b所示的槽宽6m和图6c所示的槽宽10.6m）。(a)单箱梁(b)中央开槽宽6m的双箱梁(c)中央开槽宽10.6m的双箱梁(d)最终方案图6西堠门大桥钢箱梁断面比选方案（单位：m）13表5西堠门大桥的颤振临界风速颤振临界风速(m/s)检验风速箱梁外形−3°0°+3°最小值(m/s)单箱梁50.746.248.746.278.4附加1.2m高稳定板的单箱梁89.389.337.737.778.4附加1.7m高稳定板的单箱梁88.089.343.443.478.4附件2.2m高稳定板的单箱梁89.389.388.088.078.4中央开槽6m宽的双箱梁88.489.389.388.478.4中央开槽10.6m宽的双箱梁89.389.389.389.378.43组6种节段模型风洞试验结果表明：单箱梁以及单箱梁附加1.2m或1.7m高度中央稳定板的颤振临界风速无法达到颤振检验风速的要求，附加2.2m高稳定板的单箱梁和两种分体双箱梁均能满足颤振稳定性的要求，具体试验结果详见表5。最终选用了中央开槽宽6m的分体箱梁断面，并经进一步优化成如图6d所示的结构形式[6]