5000米级空间缆索琼州海峡悬索桥科研报告(东南大学徐文平)

5000米单叶双曲面空间缆索悬索桥研究徐文平东南大学土木工程学院（江苏自然科学基金：BK2012755）2016年12月20日本明石海峡大桥目前，世界上掀起了一股跨海连岛大桥的建设热潮，为了满足2艘50万吨级的轮船通航要求，为了避免修建花费巨大的深海深水基础，需修建3000～5000米跨径的海峡大桥。（主桥跨径1991米）直布罗陀海峡正在酝酿中的跨海连岛工程海峡大桥中国：琼州海峡大桥渤海湾大桥台湾海峡工程日本：津轻海峡大桥伊势湾大桥纪淡海峡大桥丰予海峡大桥东京湾大桥世界：直布罗陀海峡大桥墨西拿海峡大桥白令海峡工程琼州海峡（林同炎方案）5000米级直布罗陀海峡大桥（混合双悬臂组合体系方案）墨西拿海峡3300米级意大利墨西拿海峡大桥方案（双主缆公路铁路两用桥）墨西拿海峡大桥（采用三箱流线型截面）美国塔科玛悬索桥风毁灾难传统的竖向平行的缆索体系悬索桥结构竖向：采用高强钢丝，可达到6000米跨径水平：主缆异向抖动，抗风稳定性差（随着悬索桥跨径的不断增大，结构更趋于轻柔）（结构空间刚度差，对风的作用更加敏感。）GordonRose的空间索网体系白令海峡大桥方案改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的措施2.控制结构振动特性3.改善断面气动性能1.提高系统整体刚度Menn提出的空间斜拉索面斜拉--悬索体系带面外斜拉索塔的斜拉--悬索组合体系该体系中传统框架式桥塔由带面外斜拉索塔的倒Y形塔柱代替，中央塔柱通过斜拉索支撑面外斜拉索塔，面外斜拉索塔再通过斜拉索支撑加劲梁。中央塔柱、面外斜拉索塔和加劲梁通过斜拉索相连，组成了一个稳定的空间体系。单叶双曲面直纹曲面单叶双曲面广州电视塔单叶双曲面是典型的二次直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成，二次直纹曲面在建筑上有着重要应用价值。常常用它来构成建筑物的骨架，应用直纹曲面建造的建筑物，具有优良的力学性能，施工工艺简单。单叶双曲面方程：空间索网状的藤网悬索桥西藏墨脱县藤网桥单叶双曲面空间索网桥的想法起源于西藏墨脱县藤网桥，藤网桥通常以8～12根环状排列的藤索为主索，以等间距排列的藤环为主藤环，再以细藤缠绕成一根巨大的空心藤桶。张拉集成体系桥TorVergata张拉集成体系桥张力集成体系具有预应力提供刚度、形成应力回路、自平衡、自锁和自支承、自适应等特点。张拉集成体系桥的刚度是拉索和压杆单元之间自应力平衡的结果，大大提高了桥梁的气动性能和抗震性能。索网桥梁概念可能是桥梁工程的一次突破，也给桥梁设计、施工带来巨大挑战。5000米级琼州海峡大桥结构设计方案基于张拉集成结构体系的设计理念，借鉴西藏墨脱藤网桥，利用单叶双曲面的直纹性，改革传统悬索桥的竖向平行缆索体系，将粗重的集中缆索，改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，配置椭圆形钢结构加强环圈梁，形成单叶双曲面空间缆索体系悬索桥。（单叶双曲面空间缆索体系悬索桥）（2012年江苏省自然基金项目BK2012755）单叶双曲面空间索网体系悬索桥研究内容研究内容：1、制作15米单叶双曲面空间缆索悬索桥的试验模型2、进行竖向堆载试验、水平荷载试验、移动荷载试验和模态试验3、单叶双曲面空间索网悬索桥结构受力特性的有限元分析研究5、单叶双曲面空间缆索悬索桥静风稳定性和动风颤振稳定性研究4.进行5000米级琼州海峡空间缆索悬索桥方案设计以5000m跨径的琼州海峡大桥为背景，拟采用试验研究和有限元计算相结合的手段，深入开展单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的静动力结构特性、抗风稳定性和经济适用性等的研究。1、提出单叶双曲面空间缆索大跨径悬索桥的新桥型2、开展单叶双曲面空间缆索悬索桥抗风稳定分析性究3.进行4000～5000米跨径空间缆索体系公铁两用悬索桥可行性研究创新点：6、关于CFRP空间缆索体系悬索桥有限元模型的分析研究7、关于跨中区域设置刚性中央扣的分析讨论。对比试验单叶双曲面空间缆索体系悬索桥平行缆索悬索桥5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法单叶双曲面空间缆索三角形布索的24索方案（空间扭转角120°，外端与中腰椭圆的直径比为1:0.5）三角形布索方法是利用椭圆内接外切三角形方法多次来回布置缆索，可以是6的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意)5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法单叶双曲面空间缆索的五角星形布索的20索方案（空间扭转角144°，外端与中腰椭圆的直径比为1:）五角星布索方法是利用椭圆内接外切五角星方法多次来回布置缆索，可以是10的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意)5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法单叶双曲面空间缆索的八角星形布索的16索方案（扭转角135°，外端与中腰椭圆的直径比为1:）八角星布索方法是利用椭圆内接外切八角星方法多次来回布置缆索，可以是8的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意)单叶双曲面空间索网体系悬索桥静动载试验堆载试验单叶双曲面空间索网体系悬索桥静动载试验水平向加载试验单叶双曲面空间索网体系悬索桥静动载试验模态试验移动车辆试验（1）通过竖向堆载试验，随着荷载的增大，每级加载下的竖向位移逐渐减小，存在重力刚度现象。（2）试验表明，随着荷载增加，主缆索钢丝应力线性增加，空间悬索桥索力分配基本均匀，空间悬索桥具有良好的协同工作能力。（3）竖向偏载试验表明，单叶双曲面空间索形悬索桥较平面索形悬索桥的抗扭性能会有很大程度的提高。（4）水平荷载试验表明，由于主缆水平分力的影响，单叶双曲面空间索形悬索桥较平行缆索悬索桥的横向刚度有较大的提高。（5）移动车辆荷载的对比试验表明，单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的桥面位移波动幅度较小，桥梁阻尼大，振动收敛快。（6）横向模态试验，单叶双曲面空间缆索悬索桥同平行缆索悬索桥一样横向第一阶振型均为一阶正对称侧弯，但是前者的基本频率比后者有较大的提高，提高幅度在20%左右。（7）分析表明，相比于平行缆索悬索桥，单叶双曲面空间缆索悬索桥竖向刚度略有提高，横向刚度提高较大，而其抗扭转刚度得到了很大提高，表明新型空间悬索桥将具有良好的抗风稳定性能。15米空间悬索桥模型试验研究结论试验模型的ANSYS有限元仿真分析（1）竖向荷载：满布荷载作用下，空间悬索桥竖向刚度略有提高偏心荷载作用下，空间悬索桥抗扭刚度很大提高半跨荷载作用下，空间悬索桥加筋梁的跨中扭转角小（2）竖向荷载：空间缆索内力的水平分力参与工作，较大的提高了水平向抗侧刚度（3）移动荷载：空间缆索体系悬索桥的整体性好和阻尼较大，桥面加筋梁起伏变形小（4）模态分析：空间悬索桥的扭转振型出现较晚，扭转频率高，对抗风稳定性有利。（5）增加主缆面积：大幅度提高竖向刚度，水平刚度和抗扭刚度提高不是很显著（思考题：24根主缆，其中4根竖向主缆为粗大钢丝绳，其余20缆索为碳纤维）索（6）圆形钢环梁的空间缆索悬索桥的刚度有一定程度的提高，但空间刚度提高不多琼州海峡平面呈腰鼓形，东西长度约80.3km,南北向平均宽29.5km,其中最狭处19.4km，两端出口扩大至30～40km。琼州海峡平均水深44m，局部最大深度160m，海峡东西入海口处水深较浅,但东部亦有65m,西部有45m。（采取西线建桥方案较为合理）琼州海峡大桥设计方案琼州海峡公铁两用大桥规划琼州海峡大桥为公铁两用桥，桥面两侧为单向3车道公路，桥面中间部分为双轨铁路，铁路桥的设计时速为160km,公路桥的设计时速为120km。琼州海峡大桥设计颤振检验风速为80m/s（相当于18级台风）琼州海峡大桥结构的桥跨布置形式琼州海峡大桥的桥跨布置方案综合考虑航运要求、地貌和地层构造、深水基础造价和中间桥塔刚度等因素，进行方案二和方案六比选，选择方案六。5000米级琼州海峡大桥，通航净高为100m，主缆垂跨比为1/11。从塔柱底部（+20.0）到塔顶处（+620），塔总高为600m。采用高强钢丝主缆,钢箱加劲梁,主塔为格栅式钢管混凝土组合结构。5000米级琼州海峡大桥效果图单叶双曲面空间缆索体系新型悬索桥具有跨越能力强、空间结构刚度大、换索方便和抗风稳定性好等优点，从根本上解决大跨径悬索桥抗风稳定性问题，建造3000～5000米的特大跨径海峡悬索桥。5000米级琼州海峡大桥加劲梁桥面系（采用三箱流线型截面钢箱梁）琼州海峡大桥采用三箱流线型截面，其中2箱供机动车通行，1箱供火车通行。公路桥部分为单向3车道(2条行车道+1条紧急通行道)，铁路桥部分铺设双轨，并在两侧分别设有人行道。琼州大桥结构中采用的流线型截面，并且中央开槽措施，将具有理想的气动性能。5000米级琼州海峡大桥结构的主要设计参数桥塔为4腿式人字形门柱式桥塔，桥塔总高为580米，塔总宽为100米，中设置6道刚性横梁，桥塔为格栅钢管混凝土组合结构，塔柱为30×20米矩形截面。桥塔基础为2个大型圆形的地下连续墙结构。锚碇采用大体积混凝土的棱柱体形巨型锚碇塔顶钢环梁采用椭圆形，长轴尺寸为150米，短轴尺寸为90米。悬索桥主缆采用单叶双曲面空间缆索体系，钢丝缆索空间交叉布置，筒网状空间主缆的钢丝缆索锚固于塔顶钢环梁中，椭圆锥形背拉索锚固于锚碇之中。本桥筒网状空间主缆由48根缆索组成，采用八角星形布索方法多次来回布置缆索，缆索预制平行索股法（PPWS法）工艺，采用1800MPa的φ5.2mm成品钢丝索股。吊杆为两组预应力钢丝吊杆，吊杆间距为40米，共计2×125根吊杆。加劲梁为采用三箱流线型截面钢箱梁，梁宽为60米，梁高为12米。刚性中央扣为门式钢结构框架，每个5000米跨径内设置5道。钢圈梁由一系列大小不一的椭圆形钢结构圈梁组成，以便固定单叶双曲面空间缆索结构体系，间距40米，共计125个。中间腰圈梁的长轴尺寸为57.4米，短轴尺寸为34.5米。琼州海峡大桥的筒网状空间主缆钢丝总用量为48根×91索股×127丝，每根缆索的折算直径为560mm，共计48根。5000米级琼州海峡大桥结构有限元分析以5000米跨径的琼州海峡大桥为背景，建立三维有限元分析模型，采用与平行缆索体系对比分析手段，证实单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的静动力结构的优良特性，进行抗风稳定性分析研究。5000米级空间缆索体系悬索桥有限元模型1、成桥线性分析研究（线性控制、自重应力、预拱度）2、活荷载内力位移分析（满跨荷载、半跨荷载、偏心荷载）3、风荷载作用效应分析（水平位移、吊杆内力、缆索应力）4、移动车辆分析研究（行车舒适性、车桥共振、火车动力响应分析）5、模态分析（振型、频率、阻尼）6、静风稳定性分析研究（侧倾失稳、扭转失稳）7、动风颤振稳定性分析研究（颤振稳定性指数、颤振临界风速）8、碳纤维空间悬索桥分析（竖向应力储备、抗风性能、钢丝碳纤维混合空间缆索）9、刚性中央扣的布置方案（悬索桥空间整体性、抗风效果、行车舒适性）5000米级琼州海峡大桥结构振型分析空间缆索体系悬索桥的横向振型和扭转振型晚于平行缆索悬索桥，对应的频率较之后者也较大，扭转频率和扭弯频率比具有很大的提高，有利于新型悬索桥的抗风稳定性。(a)一阶正对称侧弯(b)一阶反对称竖弯(c)一阶反对称侧弯(d)一阶正对称竖弯(e)二阶反对称竖弯(f)二阶正对称竖弯超大跨径空间悬索桥静风稳定性分析研究(2)扭转发散风速(1)侧倾失稳风速分析结论：4000米级扭转发散临界风速：空间悬索桥为266m/s,平行悬索桥为75m/s5000米级扭转发散临界风速：空间悬索桥为175m/s,平行悬索桥为50m/S超大跨径空间悬索桥动风颤振稳定性分析研究(1)颤振稳定临界风速分析结论：4000米级颤振稳定临界风速：空间悬索桥为167m/s,平行悬索桥为30m/s5000米级颤振稳定临界风速：空间悬索桥为101m/s,平行悬索桥为18m/S综上所述，单叶双曲面空间缆索体系悬索桥较内敛式空间缆索体系悬索桥和平行缆索体系悬索桥在动风稳定性上有大幅的提高，该新型的空间索网悬索桥有可能成为未来建造3000~5000m级超大跨径海峡悬索桥的一种可行方案。单叶双曲面空间悬索桥研究成果推广计划1.单叶双曲面人行天桥2.江湖峡谷施工临时桥3.双塔楼过街楼临时支撑桥近期的试点工程项目计划全文总结如何保证超大跨径悬索桥结构具有足够的横向刚度和良好的抗风稳定性，是今后悬索桥发展面临的两大