超大跨度悬索桥的动力性能与抗风挑战

009 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 [1] 公里，分别是 30 年前的 4.6 倍或 7.6 倍 。 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） [2] 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 。 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。
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表 1 中国主跨超过 400m 的悬索桥
编号 1 2 3 4 5 6 7 8
桥
名
主
跨
建成年份 1984 1995 1996 1997 1997 1997 1999 1999
编号 9 10 11 12 13 14 15 16
桥
名
主
跨
建成年份 2000 2001 2001 2004 2005 2007 2008 2009
西藏达孜大桥 汕头海湾大桥 湖北西陵长江大桥 四川丰都长江大桥 广东虎门大桥 香港青马大桥 厦门海沧大桥 江苏江阴长江大桥
500m 452m 900m 450m 888m 1377m 648m 1385m
四川鹅公岩大桥 四川忠县长江大桥 湖北宜昌长江大桥 四川万县长江二桥 江苏润扬长江大桥 湖北阳逻长江大桥 广东黄埔大桥 舟山西堠门大桥
600m 560m 960m 580m 1490m 1280m 1108m 1650m
(a) 上海南浦大桥
(b) 重庆朝天门大桥
(c) 江苏苏通大桥 图 1 中国最大跨径桥梁
(d) 舟山西堠门大桥
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 17
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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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
桥名 明石海峡大桥 西堠门大桥 大海带桥 润扬长江大桥 亨伯大桥 江阴长江大桥 青马大桥 维拉扎诺大桥 金门大桥 阳逻长江大桥
主跨 1991m 1650m 1624m 1490m 1410m 1385m 1377m 1298m 1280m 1280m
主梁形式 桁梁 箱梁 箱梁 箱梁 箱梁 箱梁 箱梁 桁梁 桁梁 箱梁
抗风问题 颤振 颤振 涡振 颤振 无 无 颤振 无 无 无
控制措施 开槽/稳定板 开槽 导流板 稳定板 无 无 开槽 无 无 无
国家 日本 中国 丹麦 中国 英国 中国 中国香港 美国 美国 中国
建成年份 1998 2008 1998 2005 1981 1999 1997 1964 1937 2007
2.2 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，
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