5000米级琼州海峡大桥构思-徐文平

5000米级琼州海峡大桥构思,徐文平,东南大学土木工程学院,（单叶双曲面空间缆索体系悬索桥方案）,（国家发明专利：ZL201310027622.9）,日本明石海峡大桥,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50万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30005000米跨径的海峡大桥。,（主桥跨径1991米）,直布罗陀海峡,正在酝酿中的跨海连岛工程海峡大桥,中国：琼州海峡大桥渤海湾大桥台湾海峡工程,日本：津轻海峡大桥伊势湾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,琼州海峡,（林同炎方案）,5000米级直布罗陀海峡大桥,（混合双悬臂组合体系方案）,墨西拿海峡,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）,墨西拿海峡大桥,（采用三箱流线型截面）,美国塔科玛悬索桥风毁灾难,传统的竖向平行的缆索体系悬索桥结构,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,（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。）,GordonRose的空间索网体系白令海峡大桥方案,改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的措施,2.控制结构振动特性,3.改善断面气动性能,1.提高系统整体刚度,Menn提出的空间斜拉索面斜拉-悬索体系,带面外斜拉索塔的斜拉-悬索组合体系,该体系中传统框架式桥塔由带面外斜拉索塔的倒Y形塔柱代替，中央塔柱通过斜拉索支撑面外斜拉索塔，面外斜拉索塔再通过斜拉索支撑加劲梁。,中央塔柱、面外斜拉索塔和加劲梁通过斜拉索相连，组成了一个稳定的空间体系。,琼州海峡平面呈腰鼓形，东西长度约80.3km,南北向平均宽29.5km,其中最狭处19.4km，两端出口扩大至3040km。,琼州海峡平均水深44m，局部最大深度160m，海峡东西入海口处水深较浅,但东部亦有65m,西部有45m。（采取西线建桥方案较为合理）,琼州海峡大桥设计规划,琼州海峡交通通道规划,琼州海峡大桥为公铁两用桥，桥面两侧为单向3车道公路，桥面中间部分为双轨铁路，铁路桥的设计时速为160km,公路桥的设计时速为100km。,琼州海峡大桥设计颤振检验风速为80m/s（相当于18级台风）,琼州海峡大桥结构的桥跨布置形式,琼州海峡大桥的桥跨布置方案,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，进行方案二和方案六比选，选择方案六。,5000米级琼州海峡大桥，通航净高为100m，主缆垂跨比为1/11。从塔柱底部（+20.0）到塔顶处（+620），塔总高为600m。采用高强钢丝主缆,钢箱加劲梁,主塔为格栅钢管混凝土组合结构。,单叶双曲面直纹曲面,单叶双曲面,广州电视塔,单叶双曲面是典型的二次直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成，二次直纹曲面在建筑上有着重要应用价值。常常用它来构成建筑物的骨架，应用直纹曲面建造的建筑物，具有优良的力学性能，施工工艺简单。,单叶双曲面方程：,空间索网状的藤网悬索桥,西藏墨脱县藤网桥,单叶双曲面空间索网桥的想法起源于西藏墨脱县藤网桥，藤网桥通常以812根环状排列的藤索为主索，以等间距排列的藤环为主藤环，再以细藤缠绕成一根巨大的空心藤桶。,张拉集成体系桥,TorVergata张拉集成体系桥,张力集成体系具有预应力提供刚度、形成应力回路、自平衡、自锁和自支承、自适应等特点。张拉集成体系桥的刚度是拉索和压杆单元之间自应力平衡的结果，大大提高了桥梁的气动性能和抗震性能。索网桥梁概念可能是桥梁工程的一次突破，也给桥梁设计、施工带来巨大挑战。,5000米级琼州海峡大桥结构设计方案,基于张拉集成结构体系的设计理念，借鉴西藏墨脱藤网桥，利用单叶双曲面的直纹性，改革传统悬索桥的竖向平行缆索体系，将粗重的集中缆索，改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，配置椭圆形钢结构加强环圈梁，形成单叶双曲面空间缆索体系悬索桥。,（单叶双曲面空间缆索体系悬索桥）,5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法,单叶双曲面空间缆索三角形布索的24索方案（空间扭转角120，外端与中腰椭圆的直径比为1:0.5）,三角形布索方法是利用椭圆内接外切三角形方法多次来回布置缆索，可以是6的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意),5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法,单叶双曲面空间缆索的五角星形布索的20索方案（空间扭转角144，外端与中腰椭圆的直径比为1:）,五角星布索方法是利用椭圆内接外切五角星方法多次来回布置缆索，可以是10的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意),5000米级琼州海峡大桥空间缆索布置方法,单叶双曲面空间缆索的八角星形布索的16索方案（扭转角135，外端与中腰椭圆的直径比为1:）,八角星布索方法是利用椭圆内接外切八角星方法多次来回布置缆索，可以是8的倍数布置缆索。(椭圆离心率可任意),5000米级琼州海峡大桥加劲梁桥面系,（采用三箱流线型截面钢箱梁）,琼州海峡大桥采用三箱流线型截面，其中2箱供机动车通行，1箱供火车通行。公路桥部分为单向3车道(2条行车道+1条紧急通行道)，铁路桥部分铺设双轨，并在两侧分别设有人行道。琼州大桥结构中采用的流线型截面，并且中央开槽措施，将具有理想的气动性能。,5000米级琼州海峡大桥结构的主要设计参数,桥塔为门柱式桥塔，桥塔总高为580米，塔总宽为100米，中设置6道刚性横梁，桥塔为格栅钢管混凝土组合结构，塔柱为3020米矩形截面。,桥塔基础为2个大型圆形的地下连续墙结构。锚碇采用大体积混凝土的棱柱体形巨型锚碇,塔顶钢环梁采用椭圆形，长轴尺寸为150米，短轴尺寸为90米。,悬索桥主缆采用单叶双曲面空间缆索体系，钢丝缆索空间交叉布置，筒网状空间主缆的钢丝缆索锚固于塔顶钢环梁中，椭圆锥形背拉索锚固于锚碇之中。本桥筒网状空间主缆由48根缆索组成，采用八角星形布索方法多次来回布置缆索，缆索预制平行索股法（PPWS法）工艺，采用1800MPa的5.2mm成品钢丝索股。,吊杆为两组预应力钢丝吊杆，吊杆间距为40米，共计2125根吊杆。,加劲梁为采用三箱流线型截面钢箱梁，梁宽为60米，梁高为12米。,刚性中央扣为门式钢结构框架，每个5000米跨径内设置5道。,钢圈梁由一系列大小不一的椭圆形钢结构圈梁组成，以便固定单叶双曲面空间缆索结构体系，间距40米，共计125个。中间腰圈梁的长轴尺寸为57.4米，短轴尺寸为34.5米。,琼州海峡大桥的筒网状空间主缆钢丝总用量为48根91索股127丝，每根缆索的折算直径为560mm，共计48根。,5000米级琼州海峡大桥结构有限元分析,以5000米跨径的琼州海峡大桥为背景，建立三维有限元分析模型，采用与平行缆索体系对比分析手段，证实单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的静动力结构的优良特性，进行抗风稳定性分析研究。,空间缆索体系悬索桥有限元模型,平行缆索体系悬索桥有限元模型,5000米级琼州海峡大桥结构振型分析,依据结构模态振型，运用桥梁结构多模态颤振分析方法，分析得知：静风稳定性的临界风速大于95m/s，颤振临界风速大于80m/s。,(a)一阶正对称侧弯,(b)一阶反对称竖弯,(c)一阶反对称侧弯,(d)一阶正对称竖弯,(e)二阶反对称竖弯,(f)二阶正对称竖弯,（2012年江苏省自然基金项目BK2012755）,单叶双曲面空间索网体系悬索桥静动载试验,研究内容：,1、单叶双曲面空间索网悬索桥静、动力特性的有限元分析研究,2、单叶双曲面空间索网体系悬索桥缩尺模型静动载试验研究,3、单叶双曲面空间缆索悬索桥静风稳定性分析研究,4、单叶双曲面空间缆索悬索桥颤振稳定性研究,5.进行5000米级琼州海峡空间缆索悬索桥可行性分析研究,以5000m跨径的琼州海峡大桥为背景，拟采用试验研究和有限元计算相结合的手段，深入开展单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的静动力结构特性、抗风稳定性和经济适用性等的研究。,1、提出单叶双曲面空间缆索大跨径悬索桥的新桥型2、开展单叶双曲面空间缆索悬索桥抗风稳定分析性究3.进行30005000米跨径空间缆索体系