CN1152058A - 超长跨距悬索桥 - Google Patents

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Abstract

作为长跨距、特别是中跨距达2000米的超长跨距悬索桥的抗风暴措施，提供了一种超长跨距悬索桥，它可通过把一定质量加于一部分大梁上而提高其静态和动态抗风性能。在中跨距达2000米的悬索桥中，在加固大梁的两边各设置一最大长度为1/3中跨距的可临时载有一定量附加荷载的质量施加件，从而当该桥受到暴风雨侵袭时可把质量等于或小于大梁重量的30％的质量临时加到大梁中逆风面的质量施加件中；并且在距离该中跨距部两端内侧1/4-1/3中跨距处各设置横撑。

Description

超长跨距悬索桥
本发明涉及悬索桥，特别涉及中跨距大于2000米的超长跨距悬索桥的结构，以便在暴风雨天气提高静态和空气动力抗风稳定性。
众所周知，作为悬索桥的抗风措施，是用大桥加固大梁中的水和水泥之类附加质量要抑制大梁的垂直振动和扭转振动(例如日本专利)公告No.Sho47-44,944；日本专利申请(JPA)No.Sho 60-192,007；美国专利No.4,665,578；JPA No.Sho 63-134,701；JPA No.Hei 7-119,116；EPA No.641,888 A3和美国专利No.5,539,946。
日本专利公告No.Sho 47-44,944和JPA No.Sho 63-134,701公开的悬索桥利用预先灌入加固大梁中的水的动能吸收暴风雨天气时大梁的垂直振动和扭转振动，而JPA No.Sho 60-192,007和美国专利No.4,665,578公开的悬索桥则利用加固大梁中的一定量的固定附加荷载抑制垂直振动和扭转振动。
按照JPA No.Hei 7-119,106、  EPA No.641,888 A3和美国专利No.5,539,946，正常情况下的静载设定成与无活动荷载时一样轻，仅在暴风雨天气时临时把附加质量加到加固大梁上而提高其抗振性，从而在暴风雨天气时抑制垂直振动和扭转振动。
按照日本专利公告No.Sho 47-44,944、JPA Nos.Sho 63-134,701、Sho 60-192,007和美国专利No.4,665,578，用来抑制加固大梁的垂直振动和扭转振动的附加荷载必须在设计时就把水、水泥等作为静载加到加固大梁或塔中。
一般来说，悬索桥的设计既要考虑静载以及主要由汽车和火车之类车辆造成的活载荷对大桥作用时的正常情况，又要考虑主要受大风和静载作用的暴风雨天气，根据垂直载荷而设计的主索、镏、塔、吊索等等的自重越轻，则正常情况下的经济性越好，相反，若自重越重，则在暴风雨天气时的抗振的静态和空气动力稳定性越好。但是，把水、水泥等附加质量作为静载预先加到大梁上的抗风暴措施的缺点是，由于静载提高，根据正常情况下的垂直载荷设计主索、塔和吊索的经济性因此丧失。
对于中跨距达1500米的普通悬索桥来说，扭转振动常常是确定抗风性的主导振动因素。但对于中跨距大于2000米的超长跨距悬索桥，由弯曲和扭转合成的合成颤振则成为确定抗风性的主导因素。极为重要的是，应设法把出现合成颤振时的风速(合成颤振风速)的大小提高到所需值(速度)之上。鉴于这一合成颤振，JPA No.Hei7-119,116、EPA No.641,888 A3和美国专利No.5,539,946等等公开的在暴风雨天气把附加质量临时加到大梁上的办法已不合要求，也即，由于附加质量必须加到大梁横截面的中心部位，因此为了把合成颤振风速提高到从工程上来说极高的值，必须有极大量的附加质量。
本发明基本上遵循JPA No.Hei 7-119,116、EPA No.641,888A3和美国专利No.5,539,946的思路，即：在暴风雨天气把附加质量临时加到加固大梁上而抑制其垂直振动和扭转振动；而其正常情况下的静载设定成与没有活载荷时一样轻。
本发明的目的是解决现有技术中的该问题，即，由于临时荷载加在大梁横截面的中心部位，因此除非加上大量附加质量，超长跨距悬索桥在暴风雨时风速就无法提高到出现合成颤振的大小；从而用较少量的附加质量即可提高合成颤振速度。
为实现这一目的，本发明中跨距大于2000米的超长跨距悬索桥包括一主索、张紧该主索的锚、若干支撑该主索的塔、一承受作用在桥面上的活载荷的加固大梁以及把该加固大梁悬吊在主索下方的吊索，其特征在于，该加固大梁的两侧各有一长度等于或小于1/3中跨距、可载有一定量附加质量的临时质量施加件，从而在暴风雨天气时把重量等于或小于加固大梁的重量的30％的重量临时加到迎风面的所述质量施加件上；另一个特征在于：在距离中跨距部两端内侧1/4-1/3中跨距处各有若干横撑。
当把载荷加到位于加固大梁的中跨距部中、最大长度为中跨距长度的1/3的迎风面临时质量施加件中时，可使用质量施加箱，每一个箱在加固大梁中位于所述中跨距部两端处有一泵和一阀，从而可把水之类液体灌入该箱或从中排出。
在正常情况下，所述质量施加箱空着。当有台风预报时，经水管把水灌入两箱中的一个后关闭阀门从而施加一定量的附加荷载。当把一定量的水灌入该箱后，把水管中的剩水排到桥的端部从而只有箱中有水。台风过后，用水管排空箱内的水。
按照本发明悬索桥，加固大梁的两边各有一个最大长度等于1/3中跨距的临时质量施加件，从而在暴风雨时重量等于或小于加固大梁重量的30％的附加质量临时只施加到该桥迎风面的所述质量施加件中。而且，在距离中跨距部两端内侧1/4-1/3中跨距处各有若干横撑，从而即使对于中跨距大于2000米的悬索桥，只须施加较少量附加质量即可把因强风而出现合成颤振的风速大小提高到高达80m/sec，而Akashi海峡大桥之类的超长桥的所需风速为78m/sec。本发明可有效地解决这类超长跨距悬索桥的抗强大风暴问题。
图1为示出本发明第一实施例的悬索桥模型A的基本结构的主体图；
图2为图1所示桥的中跨距部的横向剖面图；
图3为图1所示桥的中跨距部的局部纵向剖面图；
图4示出风速与对第一实施例的模型桥A的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系；
图5示出风速与对第二实施例的模型桥B的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系；
图6示出风速与对第三实施例的模型桥C的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系；
图7示出风速与对第四实施例的模型桥D的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系；
图8示出风速与对第五实施例的模型桥E的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系；
图9示出风速与对第六实施例的模型桥F的合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系。
下面通过附图所示实施例说明本发明超长跨距悬索桥，其中，图1为第一实施例模型桥A的立体图。该桥的中跨距大于2000米，在距离中跨距部1的两端内侧1/4-1/3中跨距处各有斜撑8。中跨距部1的两边各有一临时质量施加件9，从而重量等于或小于加固大梁重量的30％的质量可加到中跨距部1中部的迎风面上。实施例1
模型桥A包括一主索3、张紧主索3的锚4、支撑主索3的若干塔5以及把加固大梁悬吊在主索3下方的吊索7，加固大梁来承受作用在桥面上的活荷载。中跨距部1长3000米，两端的边跨距部2长1000米，垂跨比为1/10(300米)，加固大梁6高7米，如图2所示。以下表示出其结构尺寸。
结构尺寸和特点重量(tf/m/Br)主索           18.0加固大梁       19.5总重           37.5极惯性矩(tf/m/Br)主索           2100加固大梁       4050总重           6150大梁劲度(m4/Br)(面积惯性矩)面内附加力矩   11.0面外附加力矩   110.0抗扭模数       22.0主索面积(m2/Br)2.0
如图2和图3所示，加固大梁6两边的临时质量施加件9中各有一沿着大桥轴线伸展、最大长度为中跨距部1的1/3(1000m)、位于中跨距部中部的质量施加箱10，该箱的容量可加入重量等于或小于大梁重量的30％(5.85tf/m)的淡水或海水之类液体载荷。
吊索7上在距离中跨距部1两端内侧1/4中跨距或离塔5约750m处后有一横撑8，该横撑的横截面积为0.0075m2。
大梁6中的箱10为由长方形橡胶或塑料板制成的细长形管，其长度和厚度设计成可存装图3所示一定量的水。在正常情况下，该箱空着而避免大梁6过重，但设计成暴风雨天气时可向里灌水，从而吸收大梁6的振动。可用分别放置在合适位置的一泵11和一阀12通过一从边跨距部2伸入的水管13灌入一定量的淡水或海水。
尽管所述实施例把长方形橡胶或塑料软板用作箱10的材料，但该箱也可用铝之类的金属制成。
在正常情况下，箱10是空的，一旦预报有台风并获知风向和最大瞬时风速之类数据，就用重量等于大梁重量的30％的液体载荷从陆地或大海经水管13灌入迎风一面的箱10中。台风过后，打开箱10的阀12，开动泵11而排走箱内的水而卸去临时附加载荷。
图4示出风速与根据模型桥A的静态特性和本身固有的振动特性所作合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系(V-δ关系)。从图中看出，当伸展在中跨距部1中部、长度为1000米的迎风面箱10加有等于30％大梁重量(5.85tf/m)的质量时，合成颤振出现时的风速(80m/sec)(合成颤振风速)超过Akashi海峡桥的规定风速78m/sec。实施例2
图5示出风速与对比比实施例2的模型桥B所作合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系(U-δ关系)。模型桥B的结构尺寸和特性与模型桥A相同，但重量等于或小于大梁重量的30％的附加质量加到该桥的迎风面的整个长度上，包括边跨距部2和中央跨距部1。
从图5可清楚看出，尽管实施例2的模型桥B的合成颤振风速提高到84m/sec从而其抗风能力大大高于设计要求，但与把同样数量的附加质量只加到中跨距部中部迎风面的模型桥A的效果并无多大区别。这就是说，无需把附加质量加到中跨距部1和边跨距部2的整个长度上。实施例3
图6示出风速与对比实施例3的模型桥C所作合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系(U-δ关系)。模型桥C的结构尺寸和特性与模型桥A相同，但重量等于或小于大梁重量的30％的附加质量加到中跨距部1中大桥横截面的中心线的1000m长度上。
从图6中可清楚看出，模型桥C的合成颤振风速提高到70m/sec，但该值小于抗风设计要求值，这表明模型桥C较之把附加质量加到中跨距部1中部的迎风面上的模型桥A效果不足。实施例4
图7示出风速与对对比实施例4的模型桥D所作合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系(U-δ关系)。模型桥D的结构尺寸和特性与模型桥A相同，但重量等于或小于大梁重量的30％的附加质量加到中跨距部1长1000米的中部的背风面上。
从图7中可清楚看出，尽管实施例4的模型桥D的合成颤振风速提高到60m/sec，但该值明显小于抗风设计要求值，这表明模型桥D的效果远远低于把该质量加到中跨距部1中部迎风面上的模型桥A。实施例5
图8示出风速与对对比实施例5的模型桥E所作合成颤振分析获得的空气动力阻尼之间的关系(U-δ关系)。模型桥E的结构尺寸和特性与模型桥A相同，但重量等于或小于大梁重量的30％的附加质量加到边跨距部2的长333米的中部的迎风面上。
从图8可清楚看出，实施例5的模型桥E的合成颤振风速为69m/sec，从而表明把附加质量加到边跨距部2上较之把附加质量加到中跨距部1中部迎风面上的效果不足。实施例6
图9示出风速与对对比实施例的模型桥F所作合成颤振分析获得的空气动力组尼之间的关系(U-δ关系)。模型桥F的结构尺寸和特性与模型桥A相同，但重量等于或小于大梁重量的30％的附加质量分别加到中跨距部1长1000米的中部的迎风面以及边跨距部2长333米的中部的迎风面上。
从图9可清楚看出，虽然实施例6的模型桥F的合成颤振风速提高到高达84m/sec，但与把附加质量加到中跨距部1中部迎风面上的模型桥A所得结果并无多大区别，从而表明无需把附加质量分别加到中跨距部1和边跨距部2上。
在同时进行的实验中，加到中跨距部1中部迎风面上的附加质量提高到大梁重量的50％、70％和90％。在附加荷载如此提高的情况下合成颤振风速确有提高，但静态扭角同时增大，从而造成不容忽视的不稳定拖拽力。因此最好把所加的附加质量的数量设定为等于或小于大梁重量的30％。
在另一个不加横撑8的实验中，在重量等于大梁重量的30％的附加质量加到中跨距部1中部迎风面上时合成颤振风速为63.5m/sec。但如图3所示，当在距离中跨距部1两端内侧1/4-1/3中跨距处各有一横撑8时，该合成颤振风速提高到80m/sec。
设置横撑8而能提高合成颤振风速的原因在于，发生合成颤振时振动方式(伴随着大梁扭转变形的横振动方式)的极惯性矩同时提高。在距离中跨距部1两端1/4-1/3中央跨距的内侧处设置一对横撑8就足够了。我们发现，增加横撑数并不能提高合成颤振风速。

Claims (3)

1.一种中跨距大于2000米的超长跨距悬索桥，包括一主索、张紧该主索的锚、若干支撑该主索的塔、一承受作用在桥面上的活载荷的加固大梁以及把该加固大梁悬吊在主索下方的吊索，其特征在于，该加固大梁的两边在该中跨距部的最大长度为1/3中跨距的中部各有一可临时施加一定量附加载荷的临时质量施加件，从而在暴风雨天气时把重量等于或小于大梁重量的30％的质量临时只加到逆风面的所述质量施加件上；而在距离中跨距部两端内侧1/4-1/3中跨距处各设置横撑。
2.按权利要求1所述的超长跨距悬索桥，其特征在于，加在迎风面上最大长度等于1/3中跨距的临时质量施加件中的载荷包括一在大梁中其两端各有一泵和一阀门的质量施加箱以及可自由灌入、存装在该箱中或从该箱中排出的水之类液体。
3.按权利要求1或2所述的超长跨距悬索桥，其特征在于，大梁中的该临时质量施加箱为一用长方形橡胶或塑料板制成的软管。
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