01台湾海峡大桥的方案 -徐文平

墨西拿海峡
墨西拿海峡大桥
传统的竖向平行的缆索体系悬索桥结构
（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。）
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
美国塔科玛悬索桥风毁灾难
改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的措施
1.提高系统整体刚度 2.控制结构振动特性 3.改善断面气动性能
2、改善断面气动性能-----同济大学的镂空桥面技术和抗风板技术 3、控制结构振动特性-----钢丝竖向缆索承担竖向荷载
空间斜向缆索-----阻尼器缆索 电磁智能控制阻尼缆索（反振动）
（两个粗大竖向钢丝承担竖向荷载，少量的碳纤维辅助抗风） （一句话，风是小朋友，派碳纤维空间缆索关照一下，风就乖乖的）
Gordon Rose 的空间索网体系白令海峡大桥方案
台湾海峡大桥设计规划
台湾海峡是中国福建省与中国台湾地区之间连通南海、东海的海峡， 海峡以大陆棚为主，平均水深约60米，最深处水深为88米。
台湾海峡大桥北线方案125公里（福建平潭--台湾新竹） 台湾海峡大桥为公铁两用桥，铁路桥的设计时速为160km, 公路桥的设计时速为100km。 台湾海峡大桥设计风速为72 m/s（相当于18级台风）
400米缆索穹顶
400米缆索穹顶
400米缆索穹顶
中国：台湾海峡工程 渤海湾大桥 日本：津轻海峡大桥 伊势湾大桥
台湾海峡大桥 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
台湾海峡
直布罗陀海峡
5000米级直布罗陀海峡大桥
（混合双悬臂组合体系方案）
（林同炎方案）
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 ） （采用三箱流线型截面）
建筑群之间采用大跨穹顶结构技术搭建海洋平台（直升机场）
空间索网状的藤网悬索桥
空间藤网桥
马鞍抛物面（直纹面） （高斯负曲面）
马鞍抛物面的几何方程
式中： a、b为平面投影的长和宽 fx、fy为长向和横向的矢高
5000米级马鞍抛物面空间索网悬索桥
钢丝平行缆索：
承担竖向荷载
碳纤维马鞍空间索网： 提高抗扭刚度，提高抗风稳定性
创新与发明
01台湾海峡大桥的设计方案
东南大学土木工程学院 徐文平
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80万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4000～5000米跨径的海峡大桥。
日本明石海峡大桥
（主桥跨径1991米）
正在酝酿中的跨海连岛工程海峡大桥
内部采用六边形双重钢管混凝土巨柱和格栅管式双钢板混凝土剪力墙构 成的六边形筒体结构，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载；外部 采用六边形双重钢管混凝土巨柱和带有斜向支撑巨型框构成六边形框筒结 构，满足超高层建筑的采光要求。可建造2000米以上超高层建筑结构。
格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙结构
（强剪弱弯、高轴压比、高延性和薄墙厚）
借鉴体外预应力加固理念，以飞燕式钢管混凝土拱桥为主体， 自锚悬索桥设置在飞燕式钢管混凝土拱桥的上方，悬索桥桥塔 上的斜向背索锚固于飞燕式钢管混凝土拱桥的尾部横梁之中， 自锚悬索体系对桩基础的拉力与飞燕式钢管混凝土钢管混凝土 拱桥对桩基础的推力两者平衡（活荷载）。
新型组合桥梁具有施工方便、跨越能力大、经济性好、 刚度大、承载力高、外观漂亮和耐久性好等优点。
格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙
（筒中筒桥塔柱截面）
（桥塔结构）
格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙水平低周试验
（强剪弱弯、高轴压比、高延性和薄墙厚）
桁架式桥面系加劲梁（方案一）
桁架式箱梁 拱形中央扣
装配式扁平组合箱梁（方案二）
带有遇水膨胀橡胶的深水基础的装配式组合围堰
1、装配式的长短桩相结合使用 2、方便的旋转任意角度 3、调节一字钢板的长度（修正海浪施工精度误差）
台湾海峡交通通道规划
台湾海峡大桥结构的桥跨布置形式
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，进行多方案比选。
主航道桥为：3×5000米多跨马鞍抛物面空间缆索悬索桥 非主航道桥为：3×1000米多跨钢管混凝土飞燕拱与自锚悬索组合桥 海洋休息平台：修建筒中筒结构的海洋建筑群为支柱（海底观鱼）
（两组缆索：协同工作，优势互补）
5000米级台湾海峡的特大跨径悬索桥
5000米级台湾海峡的特大跨径悬索桥
5000米级特大跨径空间索网的台湾海峡悬索桥 （近景轴测图）
5000米级特大跨径空间索网的台湾海峡悬索桥 （近景鸟瞰）
5000米级特大跨径空间索网的台湾海峡悬索桥 （施工方案）
5000米级台湾海峡悬索桥桥塔抗震性能
（19级以上强台风的临时性保护抗风缆索） 地震不可以预报（硬设防），强台风天气预报（临时缆索）
5000米级台湾海峡大桥结构ANSYS有限元分析模型
平行缆索体系悬索桥有限元模型 双曲抛物面空间缆索悬索桥有限元模型
抗风颤振稳定性分析
1阶振型（0.026539Hz）
2阶振型（0.049206Hz）
11阶振型（0.095823Hz）
七分拱桥，三分缆索，协同工作，优势互补。
共享基础，无锚定，1000米级桥梁经济性最佳方案
1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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台湾海峡大桥海洋休息平台的主楼结构 （1852米海里塔楼）
采用一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，仿照蜂 窝结构，将多个六边形巨型筒体结构单元集束组合在一起，随着建筑高度 的增加，逐渐减少六边形巨型筒结构单元的数量，构成宝塔状新型超高层 结构体系。
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
1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
格栅管式C型钢组合剪力墙
格栅管式H型钢组合剪力墙 格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙（波形钢板）
格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙核心筒
第一档次：C型钢格栅管式双钢板剪力墙异形柱（250米） 新型组合短肢剪力墙的高层住宅建筑
第二档次：H 型钢格栅管式双钢板剪力墙核心筒（500米） 钢管混凝土框架柱-新型组合剪力墙的高层建筑
400米缆索穹顶
基于飞燕式桁架拱的超大跨径轮辐式弦支穹顶结构
（400米缆索穹顶）
采用飞燕式桁架拱代替单层网壳，可增强弦支穹顶结构的 承载力和稳定性，降低施工难度；采用蛛网状穹支缆索体系和 马鞍抛物面空间缆索体系，二套自平衡缆索结构体系协同工作， 优势互补，可方便地调整结构杆件的内力分布。屋面拱形支架、 桁架式檩条和花瓣形屋面壳构成花瓣状拱壳屋面，造型美观。
改良粗集料石子界面的SMA改性沥青混凝土桥面铺装
（裹浆长毛改良粗集料改良石子）
改良酸性花岗岩石子成为碱性界面 粗集料石子与沥青玛蹄脂的粘附性大幅度提高。 新型SMA沥青混凝土钢桥面铺装层使用寿命可达到30年。
5000米级超大跨径悬索桥抗风稳定性的措施
1、改变结构体系---钢丝（竖向）+碳纤维缆索（抗风） 平行钢丝缆索和空间马鞍抛物面缆索的混合缆索悬索桥 。
台湾海峡大桥休息平台的支柱结构群
（直升飞机平台）
（海底观鱼）
台湾海峡大桥休息平台的人工岛结构
（海洋景观球状观察舱）
类似海洋钻井平台和海湾桥梁深水基础施工工艺，采用打桩设备，打入大 直径钢管桩，作为海洋景观观察构筑物的结构支柱，采用重力式混凝土基础或 缆索抵抗水平力，钢管桩上焊有多个大直径球形壳结构，球壳结构作为海洋景 观观察舱，采用穹形亚克力玻璃作为海洋景观观察窗，大直径钢管桩内设置圆 形电梯，作为垂直运输工具，钢管桩顶部设置三角支撑，构筑观光休息平台。
可进行近距离的海洋生态观察，五光十色的珊瑚礁丛、珍稀的海洋动物， 迷人的景观尽收眼底，使人们像潜水员一样目睹海底神奇景观，能到达潜水观 光无法到达的地方，令人们仿佛置身于珊瑚及千百种海洋鱼类之中，享受海龙 王的快乐。
台湾海峡休息平台的建筑结构
（支柱结构：深海观鱼支柱） （楼层结构：悬带桥结构）
（屋顶结构：400米缆索穹顶）
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
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1000米级自锚悬索与飞燕式钢管混凝土拱组合桥
一种带有自锚悬索体系的超大跨径飞燕式钢管混凝土拱桥， 采用四根单叶双曲面状变截面拱形钢管拱肢，构成提篮拱状四 肢空间桁架拱肋，减少拱顶处截面尺寸，增加拱脚处截面尺寸， 减轻了跨中拱顶节段的吊装施工重量，增加了超大跨径钢管混 凝土拱桥的稳定。
第三档次：波形钢板的格栅管式双钢板剪力墙核心筒（1000米） 巨型框架--格栅管式双钢板剪力墙核心筒
第四档次：1852米蜂窝状索塔大楼（力墙核心筒
（格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙试验构件）
装配式格栅钢管混凝土剪力墙核心筒
（格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙试验构件）
（一阶正对称侧弯）
（一阶反对称侧弯）
（一阶正对称扭转）
平行缆索体系悬索桥有限元模型（颤振临界风速=28.51m/s）
1阶振型（0.027465Hz） （一阶正对称侧弯）
2阶振型（0.051054Hz） （一阶反对称侧弯）
27阶振型（0.212940Hz） （一阶正对称扭转）
双曲抛物面空间缆索悬索桥有限元模型（颤振临界风速=99.78m/s）