米級單葉雙曲面空間纜索瓊州海峽懸索橋科研報告東南大學(xué)徐文平

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(jì)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目前一頁\總數(shù)三十一頁\編于七點（林同炎方案）5000米級直布羅陀海峽大橋（混合雙懸臂組合體系方案）

目前二頁\總數(shù)三十一頁\編于七點墨西拿海峽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）目前三頁\總數(shù)三十一頁\編于七點美國塔科瑪懸索橋風(fēng)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(fēng)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(fēng)的作用更加敏感。）

目前四頁\總數(shù)三十一頁\編于七點GordonRose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(fēng)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)整體剛度目前五頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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--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。目前六頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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(xué)性能，施工工藝簡單。單葉雙曲面方程：目前七頁\總數(shù)三十一頁\編于七點空間索網(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8～12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(xì)藤纏繞成一根巨大的空心藤桶。目前八頁\總數(shù)三十一頁\編于七點張拉集成體系橋TorVergata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、施工帶來巨大挑戰(zhàn)。目前九頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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）目前十頁\總數(shù)三十一頁\編于七點（2012年江蘇省自然基金項目BK2012755）單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋研究內(nèi)容研究內(nèi)容：1、制作15米單葉雙曲面空間纜索懸索橋的試驗?zāi)Ｐ?/p>

2、進行豎向堆載試驗、水平荷載試驗、移動荷載試驗和模態(tài)試驗3、單葉雙曲面空間索網(wǎng)懸索橋結(jié)構(gòu)受力特性的有限元分析研究5、單葉雙曲面空間纜索懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性和動風(fēng)顫振穩(wěn)定性研究4.進行5000米級瓊州海峽空間纜索懸索橋方案設(shè)計

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(fēng)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(fēng)穩(wěn)定分析性究3.進行4000～5000米跨徑空間纜索體系公鐵兩用懸索橋可行性研究創(chuàng)新點：6、關(guān)于CFRP空間纜索體系懸索橋有限元模型的分析研究7、關(guān)于跨中區(qū)域設(shè)置剛性中央扣的分析討論。目前十一頁\總數(shù)三十一頁\編于七點

對比試驗

單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋平行纜索懸索橋目前十二頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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)目前十三頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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)目前十四頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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)目前十五頁\總數(shù)三十一頁\編于七點單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋靜動載試驗堆載試驗?zāi)壳笆揬總數(shù)三十一頁\編于七點單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋靜動載試驗水平向加載試驗?zāi)壳笆唔揬總數(shù)三十一頁\編于七點單葉雙曲面空間索網(wǎng)體系懸索橋靜動載試驗?zāi)B(tài)試驗移動車輛試驗?zāi)壳笆隧揬總數(shù)三十一頁\編于七點

（1）通過豎向堆載試驗，隨著荷載的增大，每級加載下的豎向位移逐漸減小，存在重力剛度現(xiàn)象。（2）試驗表明，隨著荷載增加，主纜索鋼絲應(yīng)力線性增加，空間懸索橋索力分配基本均勻，空間懸索橋具有良好的協(xié)同工作能力。

（3）豎向偏載試驗表明，單葉雙曲面空間索形懸索橋較平面索形懸索橋的抗扭性能會有很大程度的提高。

（4）水平荷載試驗表明，由于主纜水平分力的影響，單葉雙曲面空間索形懸索橋較平行纜索懸索橋的橫向剛度有較大的提高。

（5）移動車輛荷載的對比試驗表明，單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋的橋面位移波動幅度較小，橋梁阻尼大，振動收斂快。

（6）橫向模態(tài)試驗，單葉雙曲面空間纜索懸索橋同平行纜索懸索橋一樣橫向第一階振型均為一階正對稱側(cè)彎，但是前者的基本頻率比后者有較大的提高，提高幅度在20%左右。

（7）分析表明，相比于平行纜索懸索橋，單葉雙曲面空間纜索懸索橋豎向剛度略有提高，橫向剛度提高較大，而其抗扭轉(zhuǎn)剛度得到了很大提高，表明新型空間懸索橋?qū)⒕哂辛己玫目癸L(fēng)穩(wěn)定性能。15米空間懸索橋模型試驗研究結(jié)論目前十九頁\總數(shù)三十一頁\編于七點試驗?zāi)Ｐ偷腁NSYS有限元仿真分析（1）豎向荷載：滿布荷載作用下，空間懸索橋豎向剛度略有提高

偏心荷載作用下，空間懸索橋抗扭剛度很大提高半跨荷載作用下，空間懸索橋加筋梁的跨中扭轉(zhuǎn)角小

（2）豎向荷載：空間纜索內(nèi)力的水平分力參與工作，較大的提高了水平向抗側(cè)剛度（3）移動荷載：空間纜索體系懸索橋的整體性好和阻尼較大，橋面加筋梁起伏變形?。?）模態(tài)分析：空間懸索橋的扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)較晚，扭轉(zhuǎn)頻率高，對抗風(fēng)穩(wěn)定性有利。（5）增加主纜面積：大幅度提高豎向剛度，水平剛度和抗扭剛度提高不是很顯著（思考題：24根主纜，其中4根豎向主纜為粗大鋼絲繩，其余20纜索為碳纖維）索（6）圓形鋼環(huán)梁的空間纜索懸索橋的剛度有一定程度的提高，但空間剛度提高不多目前二十頁\總數(shù)三十一頁\編于七點

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30～40km。

瓊州海峽平均水深44m，局部最大深度160m，海峽東西入海口處水深較淺,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)計方案瓊州海峽公鐵兩用大橋規(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，鐵路橋的設(shè)計時速為160km,公路橋的設(shè)計時速為120km。瓊州海峽大橋設(shè)計顫振檢驗風(fēng)速為80m/s（相當(dāng)于18級臺風(fēng)）目前二十一頁\總數(shù)三十一頁\編于七點瓊州海峽大橋結(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,主塔為格柵式鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)。目前二十二頁\總數(shù)三十一頁\編于七點5000米級瓊州海峽大橋效果圖

單葉雙曲面空間纜索體系新型懸索橋具有跨越能力強、空間結(jié)構(gòu)剛度大、換索方便和抗風(fēng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，從根本上解決大跨徑懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性問題，建造3000～5000米的特大跨徑海峽懸索橋。目前二十三頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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。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。目前二十四頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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4腿式人字形門柱式橋塔，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30×20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φ5.2mm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2×125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絲，每根纜索的折算直徑為560mm，共計48根。目前二十五頁\總數(shù)三十一頁\編于七點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(fēng)穩(wěn)定性分析研究。5000米級空間纜索體系懸索橋有限元模型1、成橋線性分析研究（線性控制、自重應(yīng)力、預(yù)拱度）2、活荷載內(nèi)力位移分析（滿跨荷載、半跨荷載、偏心荷載）3、風(fēng)荷載作用效應(yīng)分析（水平位移、吊桿內(nèi)力、纜索應(yīng)力）4、移動車輛分析研究（行車舒適性、車橋共振、火車動力響應(yīng)分析）5、模態(tài)分析（振型、頻率、阻尼）6、靜風(fēng)穩(wěn)定性分析研究（側(cè)傾失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)）7、動風(fēng)顫振穩(wěn)定性分析研究（顫振穩(wěn)定性指數(shù)、顫振臨界風(fēng)速）8、碳纖維空間懸索橋分析（豎向應(yīng)力儲備、抗風(fēng)性能、鋼絲碳纖維混合空間纜索）9、剛性中央扣的布置方案（懸索橋空間整體性、抗風(fēng)效果、行車舒適性）目前二十六頁\總數(shù)三十一頁\編于七點5000米級瓊州海峽大橋結(jié)構(gòu)振型分析空間纜索體系懸索橋的橫向振型和扭轉(zhuǎn)振型晚于平行纜索懸索橋，對應(yīng)的頻率較之后者也較大，扭轉(zhuǎn)頻率和扭彎頻率比具有很大的提高，有利于新型懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性。(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

(f)二階正對稱豎彎

目前二十七頁\總數(shù)三十一頁\編于七點超大跨徑空間懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性分析研究

(2)扭轉(zhuǎn)發(fā)散風(fēng)速

(1)側(cè)傾失穩(wěn)風(fēng)速

分析結(jié)論：

4000米級扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速：空間懸索橋為266m/s,平行懸索橋為75m/s

5000米級扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速：空間懸索橋為175m/s,平行懸索橋為50m/S目前二十八頁\總數(shù)三十一頁\編于七點超大跨徑空間懸索橋動風(fēng)顫振穩(wěn)定性分析研究

(1)顫振穩(wěn)定臨界風(fēng)速

分析結(jié)論：

4000米級顫振穩(wěn)定臨界風(fēng)速：空間懸索橋為167m/s,平行懸索橋為30m/s

5000米級顫振穩(wěn)定臨界風(fēng)速：空間懸索橋為101m/s,平行懸索橋為18m/S

綜上所述，單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋較內(nèi)斂式空間纜索體系懸索橋和平行纜索體系懸索橋在動風(fēng)穩(wěn)定性上有大幅的提高，該新型的空間索網(wǎng)懸索橋有可能成為未來建造3000~5000m級超大跨徑海峽懸索橋的一種可行方案。目前二十九頁\總數(shù)三十一頁\編于七點單葉雙曲面空間懸索橋研究成果推廣計劃1.單葉雙曲面人行天橋2.江湖峽谷施工臨時橋3.雙塔樓過街樓臨時支撐橋近期的試點工程項目計劃目前三十頁\總數(shù)三十一頁\編于七點全文總結(jié)

如何保證超大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)具有足夠的橫向剛度和良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性，是今后懸索橋發(fā)展面臨的兩大難題。為了改善大跨度懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性能，課題組提出了單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋，采用模型試驗與有限元分析相結(jié)合的方法開展了靜動力特性分析研究，驗證單葉雙曲面空間纜索懸索橋相比傳統(tǒng)平行纜索懸索橋的優(yōu)越性。

（1）制作了15m的單葉雙曲面空