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青州閩江大橋方案的演變及抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

   2006-09-21 中國路橋網(wǎng) 佚名 6090

一、概述
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365交通站365jt.com青州閩江大橋位于福州市馬尾區(qū)青州路及長樂縣籌東村之間,是福州長樂國際機場連接福州市區(qū)的專用通道上跨越閩江的交通工程,目前已成為同三線國道的組成部分。這一重大工程對福建省改革開放、發(fā)展經(jīng)濟、對臺交流有著巨大的促進作用。
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365交通站365jt.com今年即將建成的青州閩江大橋是一座主跨為605m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,其跨度在同類型橋梁中列世界第一。橋?qū)?9m,主梁采用工字型邊梁與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板疊合斷面。A字型橋塔高175m。空間索面、梁上索距為13.5m。
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365交通站365jt.com由于大橋地處福州沿海地區(qū),這一地區(qū)每年都會遭受到臺風(fēng)的侵襲。按照當?shù)貧庀蟛块T提供的風(fēng)速資料以及我國交通部頒發(fā)的《橋規(guī)》。福州地區(qū)基本風(fēng)速為33.4m/s,換算到橋面高度的TRANBBS設(shè)計基準風(fēng)速為46.3m/s,顫振檢驗風(fēng)速為70m/s。要求還是比較高的。因此,大橋設(shè)計方案成功與否的關(guān)鍵TRANBBS技術(shù)問題之一就是大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性能是否有保證。
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365交通站365jt.com青州閩江大橋方案的可行性研究開始于1993年。這第一輪的斜拉橋方案研究包括605m主跨、閉口鋼箱梁和分離邊鋼箱疊合梁的比選以及采用閉口鋼箱梁主梁、主跨為685m斜拉橋動力特性的分析比較。
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365交通站365jt.com第二輪斜拉橋方案的優(yōu)化設(shè)計是在1998年第一季度。針對選定的疊合梁主梁形式進行了6個斷面方案12種組合的對比試驗。
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365交通站365jt.com第三輪斜拉橋方案的設(shè)計調(diào)整是在1998年第三季度至1999年第二季度。由于有第二輪方案仔細比選的基礎(chǔ),對二次重大調(diào)整的方案進行了有目的的試驗研究。最后通過全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗再對節(jié)段模型試驗的結(jié)果進行了確認,提出了建議。
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365交通站365jt.com二、方案的演變和結(jié)構(gòu)動力特性的比較
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365交通站365jt.com這幾次設(shè)計方案的演變主要體現(xiàn)在:①主梁的斷面形式由最早的閉口鋼箱梁,漸變成帶兩個分離鋼箱的疊合梁,最后采用帶兩極工字型邊梁的疊合梁。②主梁的寬度由原先的23.5m,經(jīng)過25.5m直達29.0m。②梁上索距由原來的16m縮短到9m,再恢復(fù)到16m,最后調(diào)整為13.5m,見表1。
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365交通站365jt.com我們先后采用了線性空間有限元動力分析程序和美國AnsyS軟件公司授權(quán)的結(jié)構(gòu)分析軟件包對大橋各方案的結(jié)構(gòu)動力特性進行了計算分析。為提高分析的精度,主梁均采用了"三梁式"計算模型[1],計入了約束扭轉(zhuǎn)剛度對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率的影響。
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365交通站365jt.com表2數(shù)據(jù)表明:主梁選用不同的閉口鋼箱梁、分離邊箱疊合梁、工字型梁疊合梁斷面型式,結(jié)構(gòu)的一階對稱扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.8692Hz,0.593llHz和0.5346Hz。工字邊梁疊合梁方案的扭轉(zhuǎn)基頻比閉口鋼箱梁低了39%。可以預(yù)計與扭轉(zhuǎn)頻率密切相關(guān)的顫振臨界風(fēng)速會隨之降低,這一變化對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性能影響很大,需

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引起特別關(guān)注;一階對稱豎向頻率的變化從0.28Hz降到 0.21Hz左右,減小約 25%;由于橋?qū)挼脑黾樱浑A對稱側(cè)向彎曲頻率從0.18Hz增大到0.21Hz,增幅14%。
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365交通站365jt.com三、抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗的全過程及結(jié)果分析
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365交通站365jt.com抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗采用彈簧懸掛二元剛體節(jié)段模型先后在本實驗室TJ-1號和TJ-2號邊界層風(fēng)洞內(nèi)進行。風(fēng)洞試驗尺寸分別為1.2m(寬) X1.8m(高) X 18m(長)、3m(寬) X2.5m(高) X 15m(長)。空風(fēng)洞試驗風(fēng)速范圍分別為 0.5~32m/s和 0.5~68m/s,連續(xù)可調(diào)。選取的幾何縮尺比分別為1:65和1:50。在模型的兩端設(shè)置了二元端板,試驗裝置具有改變模型與來流之間相對攻角的變換機構(gòu)。
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365交通站365jt.com彈簧懸掛二元剛體節(jié)段模型風(fēng)洞試驗除了要求模型與實橋之間滿足幾何外形相似外,原則上還應(yīng)滿足彈性參數(shù)、慣性參數(shù)、阻尼參數(shù)三組無量綱參數(shù)的一致性條件。試驗彈性參數(shù)對成橋運營狀態(tài)模擬了一階對稱扭轉(zhuǎn)和一階對稱豎向彎曲振動。為了考慮全橋振動效應(yīng),模型的質(zhì)量系統(tǒng)采用了等效質(zhì)量和等效質(zhì)量慣性矩[2」。模型系統(tǒng)的阻尼比豎向彎曲運動為0.2%,扭轉(zhuǎn)運動力0.3%左右。
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365交通站365jt.com試驗在均勻流場中進行,攻角范圍取十3°~-3°,約束條件采用豎向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個自由度耦合的方式,抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗工況合計五十多個。試驗給出了成橋運營狀態(tài)風(fēng)速與氣動阻尼比的關(guān)系曲線。假設(shè)疊合梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為1%,由該曲線可以得到各攻角下對應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速值。各階段所有方案成橋運營狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速值匯總可以看出:
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365交通站365jt.com(1)閉口鋼箱梁斷面結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速遠高于疊合梁斷面。
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365交通站365jt.com(2)本橋采用疊合梁斷面(分離邊箱梁或工字邊梁)倘若不采取任何氣動抗風(fēng)措施,則不能滿足大橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。
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365交通站365jt.com(3)增設(shè)導(dǎo)流板的比選試驗得到明確的結(jié)論,在本橋主梁斷面(工字型邊梁疊合梁)上采用這種氣動措施效果良好,顫振臨界風(fēng)速會有很大的提高,從而改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性能。
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365交通站365jt.com(4)氣動措施的優(yōu)化試驗結(jié)果得到了全橋氣彈模型的確認,即在主梁斷面兩側(cè)增設(shè)DLI型導(dǎo)流板(寬lm,高lm)后,大橋就能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求,建議采納。
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365交通站365jt.com四、體會
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365交通站365jt.com青州閩江大橋設(shè)計方案經(jīng)過幾次重大的調(diào)整,最后主梁采用工字型邊梁疊合梁形式。通過大量的氣動措施比選和優(yōu)化試驗解決了令人擔(dān)憂的抗風(fēng)穩(wěn)定性難題。從中體會到:
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365交通站365jt.com(l)要重視方案的比選,它會帶來最大的直接的經(jīng)濟效益,本橋方案的演變經(jīng)測算大約可以節(jié)省投資6000萬人民幣。
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365交通站365jt.com(2)大跨徑疊合梁斜拉橋采用合適的氣動措施,能取得顯著的抗風(fēng)效果。主跨達605m疊合梁斜拉橋可以在臺風(fēng)頻襲的福州及福州以北沿海地區(qū)建造,其社會影響力可見一斑。
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