5000米級瓊州海峽大橋構(gòu)思_解析課件

1、5000米級瓊州海峽大橋構(gòu)思 徐 文 平 東南大學土木工程學院（單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋方案）（國家發(fā)明專利：ZL201310027622.9） 日本明石海峽大橋 目前，世界上掀起了一股跨海連島大橋的建設(shè)熱潮，為了滿足2艘50萬噸級的輪船通航要求，為了避免修建花費巨大的深海深水基礎(chǔ)，需修建30005000米跨徑的海峽大橋。（主橋跨徑1991米） 直布羅陀海峽正在醞釀中的跨海連島工程海峽大橋 中國：瓊州海峽大橋 渤海灣大橋 臺灣海峽工程日本：津輕海峽大橋 伊勢灣大橋 紀淡海峽大橋 豐予海峽大橋 東京灣大橋 世界：直布羅陀海峽大橋 墨西拿海峽大橋 白令海峽工程瓊州海峽（林同炎方案）5000米級

2、直布羅陀海峽大橋（混合雙懸臂組合體系方案） 墨西拿海峽3300米級意大利墨西拿海峽大橋方案（雙主纜公路鐵路兩用橋 ） 墨西拿海峽大橋（采用三箱流線型截面）美國塔科瑪懸索橋風毀災(zāi)難 傳統(tǒng)的豎向平行的纜索體系懸索橋結(jié)構(gòu) 豎向：采用高強鋼絲，可達到6000米跨徑 水平：主纜異向抖動，抗風穩(wěn)定性差（隨著懸索橋跨徑的不斷增大，結(jié)構(gòu)更趨于輕柔） （結(jié)構(gòu)空間剛度差，對風的作用更加敏感。） Gordon Rose 的空間索網(wǎng)體系白令海峽大橋方案 改善大跨度懸索橋抗風穩(wěn)定性能的措施 2.控制結(jié)構(gòu)振動特性 3.改善斷面氣動性能 1.提高系統(tǒng)整體剛度Menn 提出的空間斜拉索面斜拉-懸索體系 帶面外斜拉索塔的斜拉-

3、懸索組合體系 該體系中傳統(tǒng)框架式橋塔由帶面外斜拉索塔的倒Y 形塔柱代替，中央塔柱通過斜拉索支撐面外斜拉索塔，面外斜拉索塔再通過斜拉索支撐加勁梁。 中央塔柱、面外斜拉索塔和加勁梁通過斜拉索相連，組成了一個穩(wěn)定的空間體系。 瓊州海峽平面呈腰鼓形，東西長度約80.3km,南北向平均寬29.5km,其中最狹處19.4km，兩端出口擴大至3040km。 瓊州海峽平均水深44m，局部最大深度160 m，海峽東西入?？谔幩钶^淺,但東部亦有65m,西部有45m。（采取西線建橋方案較為合理）瓊州海峽大橋設(shè)計規(guī)劃瓊州海峽交通通道規(guī)劃 瓊州海峽大橋為公鐵兩用橋，橋面兩側(cè)為單向3車道公路，橋面中間部分為雙軌鐵路，鐵

4、路橋的設(shè)計時速為160km,公路橋的設(shè)計時速為100km。瓊州海峽大橋設(shè)計顫振檢驗風速為80 m/s（相當于18級臺風）瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)的橋跨布置形式瓊州海峽大橋的橋跨布置方案 綜合考慮航運要求、地貌和地層構(gòu)造、深水基礎(chǔ)造價和中間橋塔剛度等因素，進行方案二和方案六比選，選擇方案六。 5000米級瓊州海峽大橋，通航凈高為100m，主纜垂跨比為1/11。 從塔柱底部（+20.0）到塔頂處（+620），塔總高為600m。 采用高強鋼絲主纜,鋼箱加勁梁,主塔為格柵鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)。單葉雙曲面直紋曲面單葉雙曲面廣州電視塔 單葉雙曲面是典型的二次直紋曲面，其曲面可以由兩族直線構(gòu)成，二次直紋曲面在建筑上有

5、著重要應(yīng)用價值。 常常用它來構(gòu)成建筑物的骨架，應(yīng)用直紋曲面建造的建筑物，具有優(yōu)良的力學性能，施工工藝簡單。單葉雙曲面方程：空間索網(wǎng)狀的藤網(wǎng)懸索橋西藏墨脫縣藤網(wǎng)橋 單葉雙曲面空間索網(wǎng)橋的想法起源于西藏墨脫縣藤網(wǎng)橋，藤網(wǎng)橋通常以812根環(huán)狀排列的藤索為主索，以等間距排列的藤環(huán)為主藤環(huán)，再以細藤纏繞成一根巨大的空心藤桶。 張拉集成體系橋Tor Vergata張拉集成體系橋 張力集成體系具有預(yù)應(yīng)力提供剛度、形成應(yīng)力回路、自平衡、自鎖和自支承、自適應(yīng)等特點。 張拉集成體系橋的剛度是拉索和壓桿單元之間自應(yīng)力平衡的結(jié)果，大大提高了橋梁的氣動性能和抗震性能。 索網(wǎng)橋梁概念可能是橋梁工程的一次突破，也給橋梁設(shè)計

6、、施工帶來巨大挑戰(zhàn)。 5000米級瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 基于張拉集成結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計理念，借鑒西藏墨脫藤網(wǎng)橋，利用單葉雙曲面的直紋性，改革傳統(tǒng)懸索橋的豎向平行纜索體系，將粗重的集中纜索，改為分散的空間鋼絲纜索，多股鋼絲纜索空間交叉布置，配置橢圓形鋼結(jié)構(gòu)加強環(huán)圈梁，形成單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋。（單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋）5000米級瓊州海峽大橋空間纜索布置方法 單葉雙曲面空間纜索三角形布索的24索方案 （空間扭轉(zhuǎn)角120，外端與中腰橢圓的直徑比為1:0.5） 三角形布索方法是利用橢圓內(nèi)接外切三角形方法多次來回布置纜索，可以是6的倍數(shù)布置纜索。 (橢圓離心率可任意)5000米級瓊州海峽

7、大橋空間纜索布置方法單葉雙曲面空間纜索的五角星形布索的20索方案 （空間扭轉(zhuǎn)角144，外端與中腰橢圓的直徑比為1: ） 五角星布索方法是利用橢圓內(nèi)接外切五角星方法多次來回布置纜索，可以是10的倍數(shù)布置纜索。(橢圓離心率可任意)5000米級瓊州海峽大橋空間纜索布置方法單葉雙曲面空間纜索的八角星形布索的16索方案 （扭轉(zhuǎn)角135，外端與中腰橢圓的直徑比為1: ） 八角星布索方法是利用橢圓內(nèi)接外切八角星方法多次來回布置纜索，可以是8的倍數(shù)布置纜索。(橢圓離心率可任意)5000米級瓊州海峽大橋加勁梁橋面系（采用三箱流線型截面鋼箱梁） 瓊州海峽大橋采用三箱流線型截面，其中2箱供機動車通行，1箱供火車通行

8、。公路橋部分為單向3車道(2條行車道+1條緊急通行道)，鐵路橋部分鋪設(shè)雙軌，并在兩側(cè)分別設(shè)有人行道。 瓊州大橋結(jié)構(gòu)中采用的流線型截面，并且中央開槽措施，將具有理想的氣動性能。 5000米級瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù) 橋塔為門柱式橋塔，橋塔總高為580米，塔總寬為100米，中設(shè)置6道剛性橫梁，橋塔為格柵鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，塔柱為3020米矩形截面。橋塔基礎(chǔ)為2個大型圓形的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。錨碇采用大體積混凝土的棱柱體形巨型錨碇 塔頂鋼環(huán)梁采用橢圓形，長軸尺寸為150米，短軸尺寸為90米。 懸索橋主纜采用單葉雙曲面空間纜索體系，鋼絲纜索空間交叉布置，筒網(wǎng)狀空間主纜的鋼絲纜索錨固于塔頂鋼環(huán)梁中，橢

9、圓錐形背拉索錨固于錨碇之中。本橋筒網(wǎng)狀空間主纜由48根纜索組成，采用八角星形布索方法多次來回布置纜索，纜索預(yù)制平行索股法（PPWS法）工藝，采用1800MPa的5.2mm成品鋼絲索股。吊桿為兩組預(yù)應(yīng)力鋼絲吊桿，吊桿間距為40米，共計2125根吊桿。 加勁梁為采用三箱流線型截面鋼箱梁，梁寬為60米，梁高為12米。 剛性中央扣為門式鋼結(jié)構(gòu)框架，每個5000米跨徑內(nèi)設(shè)置5道。 鋼圈梁由一系列大小不一的橢圓形鋼結(jié)構(gòu)圈梁組成，以便固定單葉雙曲面空間纜索結(jié)構(gòu)體系，間距40米，共計125個。中間腰圈梁的長軸尺寸為57.4米，短軸尺寸為34.5米。 瓊州海峽大橋的筒網(wǎng)狀空間主纜鋼絲總用量為48根91索股127

10、絲，每根纜索的折算直徑為560mm，共計48根。 5000米級瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)有限元分析 以5000米跨徑的瓊州海峽大橋為背景，建立三維有限元分析模型，采用與平行纜索體系對比分析手段，證實單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋的靜動力結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，進行抗風穩(wěn)定性分析研究。空間纜索體系懸索橋有限元模型平行纜索體系懸索橋有限元模型5000米級瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)振型分析 依據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，運用橋梁結(jié)構(gòu)多模態(tài)顫振分析方法，分析得知：靜風穩(wěn)定性的臨界風速大于95m/s，顫振臨界風速大于80m/s。(a) 一階正對稱側(cè)彎 (b) 一階反對稱豎彎(c) 一階反對稱側(cè)彎 (d) 一階正對稱豎彎 (e) 二階反對稱豎彎

11、(f) 二階正對稱豎彎 （2012年江蘇省自然基金項目BK2012755）單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋靜動載試驗研究內(nèi)容：1、單葉雙曲面空間索網(wǎng)懸索橋靜、動力特性的有限元分析研究 2、單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋縮尺模型靜動載試驗研究3、單葉雙曲面空間纜索懸索橋靜風穩(wěn)定性分析研究4、單葉雙曲面空間纜索懸索橋顫振穩(wěn)定性研究5. 進行5000米級瓊州海峽空間纜索懸索橋可行性分析研究 以5000m跨徑的瓊州海峽大橋為背景，擬采用試驗研究和有限元計算相結(jié)合的手段，深入開展單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋的靜動力結(jié)構(gòu)特性、抗風穩(wěn)定性和經(jīng)濟適用性等的研究。1、提出單葉雙曲面空間纜索大跨徑懸索橋的新橋型2、開展單葉雙曲面空間纜索懸索橋抗風穩(wěn)定分析性究3. 進行3