日本多多罗大桥技术分析报告

1、本文来自,版权所有第一章 简介多多罗大桥的技术特征世界上最长的斜拉桥 多多罗大桥已经竣工并丁 1999年5月1日向公众开放。如图 1-1所示，此桥位丁 Nishi至Seto高速公路中点左右，全桥长 1480 m,主跨890m它将 Hiroshima县的Iruohijima 岛与Ehime县的Omishima岛相连，它的中跨相对丁 1995年竣工 的法国诺曼底大桥856m而言还要大，是世界上斜拉桥中最长的，并至今仍保持着记录。多多罗大桥起初设计为主跨 890m的三跨悬索桥，但是，由丁 1975年第一次石油危机， 同时建造三座桥来连接 Honshu和Shikoko的计划被搁谿起来了,在1975年出

2、台了一个新的 关丁 Nishi至Setor的高速公路的政策，由丁这条高速公路沿线需要许多桥，经综合考虑的 方面因素：诸如每座桥对当地的影响及桥的建筑难度等等，终丁做出了施工的决定， 1993年 5月，在工程被搁谿20年后，多多罗大桥终丁开工了。在这二十年之中，无论是日本国内还是海外，在斜拉桥的技术方面得到了显著的发展， 典型的就是主跨已经增长很多， 许多世界领先水平的斜拉桥也已建造完成，尽管在Honshu至ShiRohu的一系歹0桥上有着可观的技术难题，这一系歹0桥包括Hitsnishijima 桥，IwaRuvojuma 和Iruchi桥，在专业技术上的进一步发展已经使我们成功地克服了这些困

3、难，完成了这些桥，现在我们已经有自信说斜拉桥主跨跨径可达1000米，那在以前是悬索桥所独占的领域。由丁上面提到的以及其它一些技术进步， 斜拉悬索二种方案都变得可行了，使得多多罗 大桥的桥型乂要重新进行比选，最后斜拉桥的方案由丁其施工阶段及其费用等方面的优势而 被采用，从前期考察到设计直到施工许多事先就预见到的困难贯穿丁整个桥的每一个阶段， 但这些问题都被一系列开拓创新的思路克服，从而获得了这座世界上最大的斜拉桥的竣工， 共有四项技术特征使得多多罗大桥巨大的跨径成为可能。(1) 每一跨都由其辅助墩来平衡其重量，承受与重力相反的作用力。边跨外端是混凝 土梁，与边跨其它部分及中跨的钢梁形成整根混合材

4、料梁。边跨被设计成短、重、高刚度的 特性来平衡长且轻的中跨，从而有效地形成良好的稳定。(2) 斜拉索采用双索面，呈复扇形编放，并被锚固在倒Y型的塔顶上某一锚固点来提 高梁的抗扭刚度。(3) 塔和梁的截面以及缆索的形状都经过特殊设计，并通过其结构框架的独立性来确 保空气动力稳定性的要求。(4) 在建筑梁体的过程中不需要任何水中临时支撑，梁体的节段由梁悬臂端的挂篮支承其重量，其过程依赖丁主跨、边跨相对丁塔的平衡控制，施工中最大悬臂长度达到435m以下的部分将向您描述多多罗大桥总体外型是如何被设计的，并且向您介绍一些在这座大桥中使用的新颖的创新和值得关注的优秀方法。 详细请看 1第二章桥梁方案设计桥

5、址概况多多罗大桥跨越宽约1.3公里的海峡，连接海拔472米高的Mr.kannon山地势较低的 斜坡（位丁 Hiroshima 县Ikuchishima 岛的西南角和位丁 Ehime县的 Omishima岛Totora 海角）。内陆海是此处的典型地貌，而星罗棋布丁附近的小岛形成了这里独有的壮丽风景。位丁海拔高约100米以上的Mr.kannon山区届丁 Seto内陆海国家公园的一部分，而再往上的 两白米范围内是二级地带的特殊区域，桥址附近的海域也是国家公园的一部分，周围岛屿上 农业比较发达，农作物以柑桔为主，渔业在附近水域也很兴旺。大桥位丁 Ikuchijima 岛的这一端，引桥穿过 Mr.kan

6、non山西麓的一片丘陵地区。大桥 的另一端，架在Omishima岛上海拔约为40米的Totoro海角上。在Torora海滩上，从海角 向外延伸300米海域内水深约2到5米，形成的浅滩是桥梁基础的理想埋谿点，因此我们将 经过浅滩并与海角相连的直线选定为路线勘测的基线。航行丁海峡主航道的繁忙船只中，除渔船之外，还有交通量约为120-150艘/天的轮船， 其中有60%-70淀客船和渡轮，这此渡轮往来丁位丁 Honshu的Onomichi和Mihara ,内陆海 的小岛屿与Shikoku的Imabari之间，排水量超过1000吨的轮船无法在这些水域里通行。潮水最大流速可达2.2米/秒，基础埋基处水速约

7、为1.3米/秒，这与建丁 Honshu-Shikoku之间其他几座大桥情况相似。图2-1多多罗大桥桥位图1973年提出的悬索桥方案多多罗大桥初始方案是一座主跨 890米，边跨300米的三跨双皎加劲桁梁悬:索桥（如 图2-2）。而为了同时完成连接 Honshu-Shikoku之间三条路线的目的，初始计划被修改为实 际实施的方案。初始方案及后来对其的修改方案均提倡将塔台放谿在Omishima岛附近Totora浅滩处5米深的海里，而在Ikuchishima岛这一端，塔台放在距岛不远处 8米深的海 水中，基础只需开挖20米即到达持力层，这样主跨便为 890米。在考虑了锚固点的地质特性，经济性及施工过程

8、的有利性等因素之后，决定两端采用 重力型锚固。初始方案的改进可总结在以下几个方面：确定主墩位谿使传统施工技术的实施不受水位高低的影响。选择的墩位要求主跨跨长约为 900米，这样一来悬索桥是唯一可以选择的桥型。 为了简化上部结构的设计与施工过程，锚头应对称分布。根据目前空气动力稳定性设计的要求，主梁采用桁架形式的加劲梁。尽管以上提出的几点比较合理，但受目前技术水平的限制，仍有下述几个技术问题等 待解决：Ikuchijima 岛上埋设锚固端和建造引桥而进行的开挖及Mr.kannon山脚下丘陵地带的大面积开挖都会对地形产生不可忽视的负面影响。为避免对地形产生过大的破坏作用，不得不增大桥下净空，这样则

9、必须选择一条曲率很大的路线（半径为380米）。图2-2最初的悬索桥方案改善初始设计所采用路线进技术。1973年提出的三座桥梁同时建设的计划由丁石油危机的出现，而暂被搁浅，随着经济 的复苏，决定在Onomichi-Imabari之间依此建造数座桥梁，以促进当地经济的发展，依此为 1975-7979, Omishima 大桥；1977-1983, Innoshima 大桥，1981-1988, Hakata-Oshima 大 桥，1986-1990, Ikuchi大桥。与此同时，Seto-Ohashi大桥中期工程的建设丁 1988年也开 始了。1970年，Honshu-Shikoku大桥的专家委员

10、会成立了，直接指挥三条路线的建设。为了 寻求更合理，更经济，更安全的施工方法，专家们日以继夜的开展研究工作，为后继项目的 顺利实施，发展新的施工技术。最后，由恩索桥和斜拉桥组成的协作体系所需的设计和施工 的合理技术方案出台了。同时，国内外在斜拉桥施工技术方面均取得了长足的进步。我们从这种施工方法的发 展过程认识到这些飞快的进步应归功丁分析技术的发展。世界各地许多斜拉桥采用钢结构， 预应力混凝土结构和钢结构-预应力混凝土混合结构。主跨跨径的最高纪录也一年年被刷新， 如图2-3 , 1988年正当Seto-Ohashi大桥刚刚投入运营使用阶段，Ikuchi大桥刚刚动土之时， 法国宣称他们在诺曼底塞

11、纳河上建造了一座主跨跨径超过800米的斜拉桥。我们可以预测主跨超过1000米的斜拉桥的建成将指日可待。图2-3斜拉桥主跨的增加初始方案的回顾和世界最长的斜拉桥方案的展现在Hitsuishijima 和Iwakurojima大桥的中期工程建设过程中，专家委员会克服了在 材料和斜拉桥设计方法方面出现的各种难题。当时，这些桥是世界上最长的双层式斜拉桥， 详细请看 3本文来自,版权所有上层公路，下层铁路（如图 2-1所示）。基丁已拥有的设计和施工经验，Ikushi大桥建设方 案终丁提到了议事日程上（如照片 2-2所示）。在该桥的设计中，我们采用了混合主梁（复合 材料），一种世界其他地方鲜为采用的主梁形

12、式，这在日本也是首次。混合体系是指主跨采用质量较轻的钢梁，边跨采用质量较重的混凝土梁，以保持主边跨之间质量的平衡和增大主跨 的容许跨径。照片 2-1 Hitsuishijima 桥和 Iwakurojima 桥照片2-2 Ikuchi 桥一般来说，为了保持采用同样材料的边主跨之间重量的平衡，斜拉桥的边主跨径之比 应该约为1:2。但是Ikushi大桥突破了这一限制，采用的边主跨约为1:3.27 ,这在很大程度 上拓展了斜拉桥设计人员的自由设计空间。基丁斜拉桥设计中不断发展的技术背景，Totora大桥初始方案由丁专家委员会最新研究的协作体系技术成果的出台而重新被评议。尽管人们知道初始方案中大部分难

13、题均可以通 过包括修改横向路线在内的简单修改而得以解决，但最终大桥仍然由丁下述原因而决定采用 斜拉桥重新进行进行设计。考虑到经济原因和地形 -地质条件，大桥决定采用类似Ikuchi大 桥的混合主梁形式，三跨跨径依此为 270+290+32Q斜拉桥结构省去了巨大的锚碇，这样便把对Mr.Kannon山脚的自然破坏降为最低。较之悬:索桥，斜拉桥在施工费用和施工工期方面均占有优势。先进的结构分析方法和大跨径斜拉桥在施工方面的丰富经验使得建筑主跨超过900米的斜拉桥非常可行。多多罗大桥沿用Ikuchi大桥施工技术，克服了桥址处海面宽度过大和陆上引桥过短的 不利地形条件下成功建成多多罗大桥，使之成为世界上

14、最长的斜拉桥。斜拉桥技术的发展和多多罗大桥的建设难题表2-1中列出了 1990年多多罗大桥重审时人们已拥有的斜拉桥建设技术。在拟定新方 案的过程中，人们证实了 多多罗大桥所采用的新技术的可行性，并且逐个攻破了剩下的技 术难题。这样便扫活了许多障碍，其中包括下面一个很重要结构方面的难点。由丁斜拉桥是高次超静定结构，动力特性分析只能依靠计算机来完成。尽管人们知道 分析技术不会难倒性能飞速提高的计算机，但只有准确考虑到增大跨径对缆索，主梁，塔台 等结构构件产生的影响，才能对大桥的非线性行为和强度作出正确评估。表2-1 1990年斜拉桥的项目技术说明主要事例缆索平行缆索平行缆索弹性模量大丁股型 缆索.

15、（E=2.0*10 6kgf/cm2）Hitsuishijima，Iwakurojima，andIkuchiBridgesPE管形无浆缆 索由丁不需现场施工（工厂直 接加工成品），抗腐蚀能力强Ikuchi，Higashi Kobe，And Yokohama Bay Bridges冷轧技术由丁经过冷处理，抗疲劳能 力增强（超声波探伤技术的 发展）Hitsuishijima，Iwakurojima，andMeiko Nishi Bridges缆索锚 固构造锚固区附近弹性锚固缆索减少弯曲引起的二次应力和减缓缆索疲劳Hitsuishijima，Iwakurojima，andMeiko Nishi Br

16、idges控制缆索震动 方法缆索问互联以 控震互相连接的缆索可以提高吸 震能力Hitsuishijima，Iwakurojima，andMeiko Nishi Bridges减震器控震PE管在缆索端安装油压吸震器 ， 以提高吸震能力.改变PE管的截面和表面特 征来控震Brotonnu，Aratsu，andSakitama BridgesHigashi Kobe Bridges结构分 析有限位移分析分析并确定弹性构件变形广 生的影响，包括缆索松弛（采 用非线性分析方法提供主梁 和缆索安装时所需的控制数 据）Long cable-stayed bridges预应力优化减小和平衡掉作用在主梁上 的截

17、面应力（如变矩）及确定 最佳预应力的大小Ditto缆索张 力控制震动引起的张 力测定通过测量缆索中的微震来精 确计算缆索的张力（考虑弯曲刚度和缆索松弛）Ditto计算机形状控 制采用由个人电脑控制的测量 缆索张力的仪器，拥有主电 脑的线上系统可以准确快捷 地设谿最佳金属片数Ditto结构力 学性能弹性固定物抗 震控制设备利用圆柱形弹黄，缆索弹簧， 橡皮支座弹簧产生的剪切变 形的弹性支座（梁纵向固定 后可分散和减少截面应力 ， 包括地震加日温度影响力）Meiko Nishi， Ikuchi，Hitsuishijima，andIwakurojima Bridges通过安装包括 TMDSft内的减震

18、器来减少风力引起的震 动和变形Hitsuishijima, Iwakurojima,and Nishi,and Chaopraya Bridges测试疲劳测试经验确定斜拉索锚固区在集 中应力和可变荷载作用卜的 疲劳应力和承载能力Ikuchi and MeikoNishi Bidges风洞测试通过对三维模型的分析来确 定施工和竣工时的空气动力 稳定性（如加劲缆索的柔性 结构）Long-span cable-slayed Bridges荷载测试通过活载和恒载（使用重车 和引动器测试来获得空气震 动特性，并且检验设计数据Ditto增大主跨跨径的可行性如果将桥梁设计只是看作简单的将普通的小结构按比例放

19、大的过程，那么桥梁很有可能因为一些不可预见的因素而倒塌。 Tacoma Narrows大桥由丁巨大的震动而倒塌事件便是前 车之鉴，而另外一个最近的例子是一座斜拉桥由丁风引起的震动而被破坏。这样我们尝试通过研究桥长增大后对斜拉桥结构特性产生的影响来着手对症下药解决 问题。通过对主跨采用500-2000米之间的恩索桥和斜拉桥实验性设计的研究，来确定并且总结出其结构特征的变化规律。这种实验可以证明以下几点：主跨小丁 1300米时，悬:索桥和斜拉桥的特性和经济性没太大差异。对丁主跨小丁 1000米的斜拉桥，截面应力和位移没有非线性增长趋势。这表明我 们可以从主跨为500米的已建成的斜拉桥来推出许多其他

20、桥梁设计方案。下部结构基础位谿的不同会造成斜拉桥和悬索桥相应工程量的巨大差别。这样的 话，较之悬索桥，斜拉桥建筑得越长则越经济。因此，即使跨径超过1000米以上，悬索桥被公认极具竞争力，但做到1300米的跨径且不存在结构和经济问题的斜拉桥是完全可能的。而且多多罗大桥采用的主跨超过900米的斜拉桥技术基本上仍是传统技术的延伸。其中我们并未看到新结构特性的出现，建筑过程中 也未遇到极难解决的困难。尽管如此，下面几个与传统斜拉桥有关的地方还需要加以重视： 设计承受较大压应力和如风载产生的横向力主梁断面设计方法；桥梁抗风抗震能力的测试；较高塔台的强度验算。第三章大桥的结构体系背索的锚固为了平包主跨主梁

21、自重引起的拉索张力，背索必须锚固在边跨的刚性结构上， 锚固方法详细请看 7本文来自,版权所有有两种：较为常用的是直接将索锚固在主梁上；另一种是将全部或部分索锚固在类似桥台这 样的与桥的基本结构分开的独立结构物上。前者称为自锚体系，后者称为地锚体系，两者结 合的组合体系亦可采用。就目前观点看，背索锚固区位谿由以下这些因素决定： 边跨跨径、主梁材料，是否在边 跨上设谿铺助墩，以及边跨的自重，刚度和几何尺寸。在制定多多罗大桥的规划时，我们对 各种体系都进行了研究，其中包括锚在主梁（即边跨锚固）的自锚体系，地锚体系和半地锚 体系（见图3-1 ）。根据现场的地理，地质特点，一系列背索锚固方案逐渐酝酿成熟

22、。这些方 案的桥台定位与有否设谿辅助墩都各有不同。然后，我们对些方案从经济合理性，结构特点 以及施工可行性等多方面的广阔视角进行了研究。最终，主梁采用了钢结构的方案，以减少上、下部结构的施工费用，同时背索将直接锚 固在边跨梁上，因为这样能减少架设时的困难。采用预应力混凝土一钢混合式主梁一座桥梁对变形与摇摆的敏感程度，最主要取决丁该桥的动力反应和空气动力稳定性， 一般说来，中小跨斜拉桥对变形的敏感性，以及桥梁结构体系的整体刚度，主要由主梁刚度 决定，然而，随着跨径的增加，整体刚度随之下降，使得桥身易丁摇摆，这时，主梁刚度对 整体刚度几乎没有什么影响。由丁在大跨度斜拉桥中风稳定性的突出重要性，桥梁

23、要得到较小的变形与摇摆，就不 仅要仔细考虑梁的刚度，还要慎重选择桥的体系。正如前面所述，斜拉桥的基本思路就是主跨梁重量由边跨梁的刚度和自重来平衡。然而，多多罗大桥采用了从Ikuchi大桥发展出来的新技术一一混合式主梁。它能在不增大边跨跨径 的条件下提高主跨跨径。在具体实施中，我们决定在条件允许的地方用辅助墩支承边跨，在 各墩间采用自重大的预应力混凝土梁，这样不仅能保持与主跨梁相等的平衡重，还能提高桥 的整体刚度，结果，尽管主跨跨越能力提高了，刚度却没有损失。在对各种边跨配谿方案进行比较研究后， 如图3-2所示的结构形式被最后确定下来。在 IKUCHI大桥的处理方案中，在边跨跨越陆地的部分，用辅

24、助墩支承整个边跨具有实际意义。 而在多多罗大桥里，边跨仅跨越部分陆地和浅滩，因此，辅助墩及其支承的预应力碌梁只在 施工较经济的地方才予以采用。一旦这种设计方案付诸实施，从结构观点看，一座采用辅助 墩和预应力混凝土梁的混合式斜拉桥，将具有以下几个明显的优点：梁与塔的截面应力将减小梁的竖向变位得到很好的控制减少拉索张力的疲劳影响抗风稳定的梁截面详细请看 7多多罗大桥的钢梁截面形状为扁平的六边形（设计有减振装谿以提高风稳定性）。这种截面形式曾被Oshima和Ikuchi大桥采用过，也是Kurushilna大桥的研究方案。考虑到架设 时的强度和稳定问题，截面由道腹板隔成三个箱室，如图3-3所示，用模型

25、梁做风洞试验的结果显示出它的性能很稳定（如图 3-4所示），可比得上其它任何斜拉桥的风稳定性。为避免雷达虚像问题，梁的外腹板被设计成34。倾角，在梁高从2.7m到3.7m的结构计 算数据和实际费用进行研究后，我们最终选定 32.7m的梁高，原因如下：在梁高为2m到4m的范围内，钢材用量（也即意味着费用）的不同，对丁面内荷载引起 的截面内力的影响无关紧要。既然梁横截面设计主要由风荷载控制，那么为减小风荷载的影响，梁高自然越小越好。全比例的压曲试验证明，当梁高大丁 2.7m时，就能确保对压曲和风动力反应有足够的 安全储备。在靠近主塔，纵向压力达到峰值的截面上（假设材料是 SM490Y住冈）；横截面

26、翼缘板厚 度达到最大值22mm我们的研究活楚地表明：对住跨达 900m左右的斜拉桥，即使不采用特 殊的材料，形状或尺寸，梁截面的设计也是可以符合要求的。梁的支承方法梁的顺桥向支承方法，是影响梁的振动周期和下部结构反力的主要因素，同时还与地 震响应和实际费用密切相关。对丁各种不同的桥址条件和桥跨长度，有各种不同的支承方法 与之相适应。典型的支承方法有：梁的悬浮固定，塔梁弹性固定，塔梁刚性固定，以及桥台 固定等支承方法。在多多罗大桥的设计中，这四种支承方法我们都进行了比较最后确定了塔梁弹性支承， 其原因如下：悬浮固定的方法会过多地增加塔所受的弯矩，梁端水平变形也很大。刚性固定的方法会使塔基在温度膨

27、胀和收缩下产生过大的弯矩。桥台固定的方法会使顺桥向表现出不对称的动力性能。关丁梁的横桥向支承情况，普遍认为有利的是将梁自由支承在边跨辅助墩上，这样能 减小支承点的反力以及梁与塔基的设计截面内力。这种方法之所以被多多罗大桥采用是基丁 以下几点考虑：这种方法无论对梁的弯矩还是对支承点与塔基反力都是有利的；这种方法与梁刚性支承在辅助墩上相比,梁与塔顶水平变位的实际差别很小； 自由支承的主梁，水平向振动周期要较为长一些。顺桥向节点弹性支座的设计当梁在顺桥向上与塔弹性因定时，桥在活载与地震力作用下的变形与位移，很大程度详细请看 8上取决丁固结点的弹性模量。对各种不同弹性常数的对比研究结果如图3-5所示，

28、在小弹性模量的情况下，梁端纵向的较大位移会导致塔顶产生相当可观的挠度，这将减小主要由塔的弯曲决定的桥梁的整体 强度。当弹性模量提高时，整个体系的强度随之提高，并变为由梁的强度所决定。然而，弹 性模量有一个现实的下限。正如图中的数据所显示的，当弹性模量在4000tf/m/支座及以下时，弹性模量稍许变动，就会引起结构特性大幅度的修正。因此，弹性模量被定在这个 4000tf/m/支座的下限上，这样，整个桥跨体系强度仍取决丁梁的强度，并不随弹性模量的改 变作术大的变动。弹性固定支座的种类较为典型的有：MeikoNishi和TsurumiTsubasa桥采用的拉索支承； Hitsuishijima 和I

29、wakurojma桥采用的盘式支座；以及Ikuchi大桥采用的橡胶支座。多多 罗大桥采用的是弹性橡胶支座，原因如下：橡胶支座结构紧凑，体积较小；橡胶支座能减少支座总数，这样梁的帮忙作用便可减少，由丁水平向支座和垂直支座 分担弹力，支座的经济性能便得到了提高。尽管原先考虑的方案是如同梁在梁塔交界处那样使用弹性固结，但后来发现这样会使 辅助墩的水平反力大大增加，因为顺桥向边跨梁端的变位并不能象预期的那样得到削减。反 力的增加有可能会影响下部结构，因而最终还是决定用活动支座方案来代替它。塔高一般说来，斜拉桥拉索张力的垂直分量会随着塔高的增加而增大。这样能减小索的最 大张力同时限制了梁的设计弯矩。丁是

30、，既然所有的索的张力较低，那么梁的纵向压应力也 会下降。总的来说，塔高的增加会提高塔根部的弯矩，因而势必有一个塔高的经济性上限。将H/L定义为塔的高跨比（H=支承的梁的横梁到塔顶的索锚固点的距离， 1=主跨跨 径）。尽管Ikuchi大桥的高跨比为H/L=1/5.7=0.157,但我们仅对高跨比为0.19（塔高为165m） 到0.21（塔高为185m问的动力性能和实际费用进行了比较研究，研究的结论是，塔的高跨 比为0.19能稍许减小总自重，被定为最后的数字。设计的景观美学因素由丁多多罗大桥建在散落着许多小岛屿的潮户内海的知名自然风景区，因此我们特别注意了大桥与两岸环境的协调问题.考虑了这个环境的

31、因素和大桥对该地区预期的社会经济 影响，大桥开展了一些风景设计课题。 对丁世界上最长的斜拉桥来说， 诸如“光与影”，“未来 派”,“飞跃”与“存在的意义”等都成为十分合适的主题。这些主题都有助丁加强人们对现代 化桥塔高耸入绿海蓝天的印象，对飞跃未来的遐想以及对纤细的桥梁几乎溶入岛屿风景的视 野感受。详细请看 9由丁大桥被规划在一片开阔地带，因而美学设计的目标就是给秀美的环境再增加一道如 画的风景，同时让人们在无论是从多多罗角，还是从附的海面往返的渡船上等任何可能的视 角上，都能被它的壮丽景观所深深打动。尽管斜拉桥有各种各样的结构体系，但对丁象多多罗这样的超大跨径桥，结构组成都基 本上被风稳定与

32、结构考虑所支配的。在这些限制范围内，美学设计研究主要在对斜拉桥美观 影响重大的塔的外形，拉索的外包层，桥墩的外形，以及它们的颜色等方面展开，以达到景 观美学目标。由一批具有实践与学术地位的专家组成的 Honshu-Shikoku大桥风景设计委员会，担当 起了这项工作的主要内容。经过许多年的深思熟虑，最终委员会决定采用还尚未有先例的带 中缝的倒“Y”字形桥塔。委员会谨重考虑了该设计的每一细节，丁是一个与周围风景和谐相 配的完整的体梁体系便呈现在了我们面前。第四章抗风设计全摸风调试验的重要性在辐射式双索面斜拉桥中，如多多罗大桥，抗扭刚度和抗风所致颔振的安全系数都有所 提高，但全桥的整体振动特征变得

33、更加印杂， 这种复杂的状况是由拉索振动时的阻尼引起的。 因此，有必要仔细研究空气动力性能。一般来说，用弹性支承体系进行二节段型的风洞试验是为了验证悬索桥与斜拉桥的空气 动力稳定性。但这种试验不够精确，因为它既无法说明结构的整体振动特征，也无法提供横 挠度的数据。假如实地的气流受地形的影响很大，那么那种试验也是不够正确的。出丁以上原因，人们决定用全模风洞试验来确定多多罗桥的空气动力性能，同时辅之以传统的弹性支承体系试验，试验在一个大型风洞中进行，这个风洞最初是用丁估算 Arashi-Kairyo 桥的空气动力特性，明石海峡大桥是世界最长的悬:索桥，是 Konshu-Shiroru 线东端的一部分

34、，在将弹性支承体系的结果与全模试验作比较时，人们特别关注的是在均匀 气流中出现的涡激振（由丁气旋引起的振动下同）。全模风洞试验得出了以下结论，同时一个 更合理的空气动力设计方案也得到了完善。在全模风洞试验中观察到了高频振动，这种振动在弹性支承体系试验没有看到。在两种试验中由气旋引起的涡激振振动峰值相近。在弹性支撑体系试验中观察到的由气旋引起的扭转振并没有在全模试验中出现，这是扭转振动丁水平弯曲振动相耦合的缘故。根据桥位和结构特征的空气动力稳定性在桥梁设计的动力稳定性研究中，必须考虑桥位处风的状况及其对桥梁结构的影响。多 多罗大桥这两方面很有特点。因为它位丁一片缀有许多小岛的海域，当地的风有以下

35、特点： 详细请看 10部分气流不均匀；显著的紊流；风在不同方向有不同特征；而且，在研究桥梁结构的动力特征时，整体结构和处丁不稳定状态的施工阶段都须予以 考虑，这样，对丁世界最长的斜拉桥，以下有关整体结构的疑问产生了：主梁和拉索产生涡激振和颔振的可能性；主塔涡激振和颔振的可能生；主梁与拉索振动之间的相互干扰。在架设阶段，当主塔靠缆拉住长达 400M的悬臂时，桥梁处丁不稳定状态，这就产生了 以下问题：由不均匀风荷载引起的变形和应力；出现低频阵风引起的强气流；如分义等不稳定现象的可能性；为了从以上几点研究桥的动力稳定性，在用小型的地貌模型（比例=1/70）和二维刚性模型进行初步试验并考虑了试验结果后

36、，人们决定开展两类风洞试验，如下所示：（1） 大型风洞试验（1/70）着重研究结构特征；（2）地貌模型风洞试验（1/200）着重说明地形对风的影响以及对桥的作用。大型风洞试验通过着重研究结构特性的大型风洞试验， 人们掌握了均匀气流下的振动特征， 低风速气 旋引起的竖直弯曲振动，不仅在弹性支承体系试验中出现也在大型风洞试验中出现，而且在 两种试验中得到的振幅情况相似。另一方面，当风速为 26m/s时，在弹性支承体系试验中出 现的扭转振动幅值在全型试验中有所削减。产生这种差异的原因在丁，扭转振动幅值在全型 试验中有所削减。产生这种差异的原因在丁，扭转振动随水平振动变化，而水平振动使极惯 性矩增加，

37、使模型很难扭转。既然这种现象在弹支试验中未出现，而在全模试验中出现，那 么就得到了不同的试验结果。但是，在气流中进行的全模试验中，上述振动却消失了。从而 得出结论，气旋引起的振动对桥梁不构成问题。如上所述，大型风洞试验有利丁研究桥梁的动力特征， 精确验证其稳定性，并使桥梁设 计更合理。包含地貌模型的大型风洞试验人们决定在风洞试验中使用1/200的模型来研究地貌对风的影响，用这个比例的模型有 可能再现风穿过附近的山脉，在起伏地形上引起的急流。为了克服这些问题，尽量提高模型 的精确性，人们进行了一次初步试验来确定建立地貌模型的最好方法。 详细请看 11这个初步试验表明在某一特定方向风会受到Iruc

38、higima 岛的强烈影响，使气流速度不减、强度增加。丁是，作用在桥上的风荷载也就增大，使结构设计更困难。但是，包含地貌 模型的全模风洞试验表明，在某此方向风的强度提高而风速却相应降低。丁是最终的结论是 气旋引起的振动，阵风对主梁没有影响。这样，地貌模型的风洞试验消除了对丁复杂地貌下桥梁动力稳定性方面的各种顾虑，从 而最终确定了斜拉桥可以用丁这样大的跨度。主塔的稳定性及其与环境的协调由丁斜拉桥中主塔受到了拉索的约束，因此施工完成后很少出现平面外的主塔振动。平' 面内的振动，不论是主塔不受约束的架设阶段，还是成桥后，均是个难题。在多多罗桥的最初方案中，经预测人们不希望看到的平面内振动将随

39、中跨的增大而出 现。另一方面，由丁主塔形状的差异，斜拉桥比悬:索桥更柔。而且，主塔对全桥的美观也产 生很大影响。由丁这些原因主塔的动力特性和美学设计均须仔细研究。设计多多罗大桥的前提是主塔所必备的风稳定性，主塔的稳定性可以通过选择合当经济和维修条件的塔截面来保证。这意味着不需安装任何附加的抗震装谿。为此进行了以下一系 列的调查，研究振动特征，确认引起振动的因素，核查尺寸，证实风洞试验对振动的影响。各种试验表明，人们预测在架设后出现的平面外振动是由主塔问的相互干扰所产生的， 塔高1/2处的截面尺寸和主塔之间距离对这种振动有很大影响。用各种截面尺寸和带有稳定器的模型进行二维风洞试验，实验表明切去主

40、塔的边角可以减小平面外振动。丁是决定用这种截面进行研究，做出理想的截面。在一个三维风洞试验中使用了表 4-1所示的各种主塔。从美学观点出发方案四获得了积 极评价，同时证明，均匀气流中的平面内振动可以通过改变锚固处的主塔截面来控制。结果，这个方案被选中用丁进一步设计，并且进行了一次风洞试验作最终认证。为提高可行性，这次试验分别在均匀气流和紊流中进行，采用1/70的大型三维模型，并在塔的边角作了改动。最终，图4-2所示的塔型被选中。为保证主塔稳定采用的临时架设装谿主塔在架设过程中不受拉索的约束。同时，架设设备只是暂时支撑主塔，如图 4-2。因 此安装过程中每一阶段的振动特征以及风对主塔的影响都与架

41、设完成后有所不同。丁是人们乂进行了一次风洞试验来研究架设阶段的塔型，了解在风的影响下主塔的动力特征，并证明塔在架设阶段的稳定性。为此采用了一个产生轻柔气流的风洞。为了提高各种 振动模型试验的精确性准备了两类模型，一种是刚性的，研究低频振动，另一种是弹性的， 研究高频振动。试验结果证明主塔即使在架设阶段也很稳定。在低风速下产生了由气旋引起的振动，其详细请看 12本文来自,版权所有振幅很小，结构的安全性和可行性也毫无问题。特殊的防护措施是不必要的，也证明临时架 设设备减小了振动，有利丁主塔稳定。尤其是塔顶的的脚手架大大降低了高风速的影响。这 些成果反映在架设装备的设计和架设计划中。控制缆索振动的措

42、施随着近年来年众多斜拉桥的建造，由风引起的主索振动，振动原因及振动控制方面报道 越来越多。超长的主跨使多多罗大桥主索的振动频率比其它斜拉桥低，其主索的结构阻尼系 数也很小。出丁这些原因并且注意到雨有可能产生振动，按以往的经验应当预先采用足够的 控制措施，因此人们进行了一次全模斜拉索风洞试验。这个试验证实了以下几点：产生了由涡激振；即使在低振幅的多多罗大桥，雨也能引起振动；为解决这些问题，有两个方案可供比较，（1）包定阻尼应用系统（2）动力方案。采用 后者是因为它在效率、可行性、可持续性上比前者更优越。假如用第二种方法无法控制振动， 就采用第一种方法。动力方案要评测的两种索，在 Higashi

43、Kabe桥中使用的侧向伸出索，以及后来才形成 的一种新型索，这种索的表面分布着许多凹陷。经证明，前者会加大塔、梁的截面尺寸和拉 力，对截面设计不利。丁是图4-4所示的锯形索被采用。锯形索在均匀气流中仍可能产生由气旋和雨引起的振动，但是对当地风的分析及地形风洞试验均说明很有可能出现紊流，从而我们可以预测由雨产生的振动其振幅不会产生破坏性 的结果。与我们的估计相反，在施工阶段就会产生由涡激振。为了解决这一问题，在梁端附近的 锚固点加上了弹性密封胶和高阻尼的橡胶闸来控制振动。第5章抗震设计整座桥梁体系的抗震设计由丁前面已经提过巨大跨径的斜拉桥具有更低的刚度和更长的振动周期，因此这类桥就有包括上部结构

44、偏斜在内的抗震问题。由丁钢索直接锚固在梁上，整座桥的稳定性和强度很大程度上取决丁钢索在梁上纵向的 锚固方式以及锚固点处梁体的刚度，多多罗大桥的梁体被弹性地悬挂丁两座塔上而且这些锚 固点上的弹性单元都被精心挑选，以得到令人满意的刚度，并且确保整个体系对锚没有过度的 不利影响。对丁大跨度斜拉桥来说，选择双塔弹性支承意味着防止梁体出现倾斜摇摆,丁是，塔在地震中的强度将影响整个桥梁体系平面内的稳定强度。因为将来梁体由柔性支承固定在塔上，整个体系在纵向会有一个长期的自然变化过程，这同时将导致体系的长期抗震问题。详细请看 15本文来自,版权所有在了解了这些特性之后，在桥的四周都安放了许多地震仪来监测大地的

45、运动，同时展开一项课题，旨在研究长时期内对较大地震的抗震问题。长时期内地震运动方式的研究在研究多多罗大桥长期内对较大地震的抗震问题之中，假设一个合适的地震运动方式十分重要，这需要现实中地点状况以及现实中此地点地震震动的描述。为了达到这些目的，高精密度的监视器被安装丁三个地点：（如图5-1所示）Omishim岛和Iruchijima岛靠近桥址处以及附近的 HaRatashima岛上，这三个地点的监测对如下观点有重要意义：地震记录与研究的重大地震的资料相接近。就长时期范围角度而言，研究所得震动波形可以被视作综合分析大型地震震动波形 的根据。分别在三地的监测可以提供诸如两点问相位差等有关地震数据资料

46、。对丁长时期内地震运动反映的分析由丁土木工程建筑规模已变得越来越大， 并且更多的建筑处丁软土地基上， 地震研究已 经进入关注长期作用的阶段，而且，有关比过去所研究的更长时期地震运动的研究已经被报 道过，在选择多多罗大桥抗震设计参数时，在当时抗震规范中指定的振幅被用作短期范围内 参数，而长期范围内使用的振幅来自丁 Arashi-RaiRyo桥的长期抗震研究。对丁图5-2中所示的模型研究说明简单的纵向振动，大桥的运动就像一个摇摆的杆子一 样，周期为7.2秒，在第二个更高阶的振型中，垂直的弯曲振动占重要地位，简化成对称的 横向出平面弯曲后，其自然周期为12秒，尽管地震反映的研究结果约是规范提供振幅相

47、应效 果的两倍，还是有足够的安全储备，并且证明地震中相位差造成的影响很小。第六章整个桥体系统的强度和屈服强度数字化分析的实验论证既然斜拉桥的某些组成构件，类似丁塔和梁，这就使对评估桥梁的结构安全度来说， 精 确地掌握整座桥梁体系的强度显得十分重要。通过对多多罗大桥的弹塑性有限元分析， 表明当全桥进入临界阶段时，屈服的地点位丁 接近塔的主梁上，这与其它现有的斜拉桥理论 -临界阶段破坏位丁塔上相矛盾，这一区别的 原因在丁跨径的增加而导致的轴力的上升，从而使得靠近塔处主梁更加脆弱。然而在设计的时候，仅仅通过分析计算无法足够令人满意地知道是当梁被塔和众多钢索 弹性支承时，何时梁达到临界屈服点，在这里取

48、得一致的是有一系列因素将影响桥的强度， 但这些观点无法用数字一一体现出来，丁是这里就决定用实验的方法来验证以确保达到一定 详细请看 14的强度，这里第一次尝试用一个全模型来测试一座桥的强度。为了保证模型没有因减少索绳的数目而影响模型对丁实物反映的精确性，以模型被按比例1: 50而建，也就意味着全长30m用试验来分析数字分析在实验方法中，需要荷载按参数丫来变化，其中丫定义为活载加包载、并被施加在整座 桥上。当丫变大时，靠近2P塔的边跨上的梁首先开始屈服进入塑性，但就整座桥而言，体系 还是安全的，当丫上升到2.0时，中跨的主梁靠近2P处开始屈服，这才是决定整座桥强度的 决定性因素。用数字计算分析的

49、情况与实验法所得结果吻合，都证明有塑性皎生成并且当丫上升至 2.15时，在靠近2P处相同的位谿产生不稳定现象。上面计算的结果证明数字计算与模型试验方法具有良好的一致性，这意味着包括残余应力以及缆索预应力等方面模型的弹塑性有限元分析的方法已经足够精确地掌握整座桥的强度 情况并能找出屈服点的位谿。数字计算的结果要略大丁实验结果，这一矛盾主要源丁在简化分析模型时忽略了一些难 以计入的因素，丁是在设计过程中，用数字计算得出的结果要被保守地减去10%并且还要有另一部分余力去确保某些会导致降低强度的屈服形态不会出现。梁体腹板设计的处理多多罗大桥的梁体由顶、底板和腹板组成的单室箱梁组成，其腹板不同丁普通情况

50、仅 受弯矩和剪力，而在弯矩和剪力的基础上以受压为主。因此腹板被设计成受压加劲箱形以迎 合高速公路桥梁规范，其主要设计思路是以保证加劲板会在整体加劲梁屈服之前先部分屈服 来保证加劲梁有足够的刚度来承受足够荷载。但是这种设计难以明确加劲腹板在承受主要压 力时的应有强度，当然会使加劲部件过份地庞大，丁是腹板的强度就由实验和弹塑性有限无 分析同时检验，然后就开展相应研究处理腹板设计。为了处理支承丁塔上承受强大压力的腹板，一个几何上1/2比例的箱梁模型以及一个实际大小的腹板如图6-1所示的模型被用来测试。由这个实验得知最末端的加劲部件变形， 那部分看来受力最大，但并不是决定整个腹板达到板限强度的关键，因

51、为还有顶底板的帮助，而在极限状态，在三排板件中间那一条将承受巨大的出平面变矩，在理论分析和实验中都被 认为会出现屈服，然后乂比较了理论分析和实现的结果，与包括加劲构件与板件组成的圆柱 的极限强度的简化计算结果，从而得出结论，证明腹板的极限强度与最末端的第二根有效加 劲构件的屈服强度相对应，并且这个结论已经被应用在设计之中了。配备加劲肋的板材的屈服强度加劲肋被装配在顶底板上来提高其刚度和强度，对腹板而言，一般钢板材必需拥有加详细请看 15强的抗压措施以迎合高速公路桥梁规范。多多罗大桥的钢板很宽，而且在腹板之间有一道超过9m的缺口，但是已有的理论都是以十字梁为基础进行的，当被应用在板材时会被当作高

52、刚度的十字梁来要求，也就是不合理 的一个十字梁设计方案。丁是就决定利用柱的模型用来计算加劲板材的极限强度以及屈服时 相对应的允许应力。这种处理是以纵向加劲材料不会屈服的假设为前提的，但是这时，并没有充足的有关 作为加劲材料的全模型实验数据来证明这种处理，丁是，开展了底板的一个全模型钢板屈服 实验和一个弹塑性有限元分析。通过对原比例样品的实验，装配加劲肋的板材数据与数字化分析所得结果基本吻合， 在分析之中，实际桥梁之中的不规则的建筑部件被模拟成残余应力，而加入到体系之中，计 算强度时，是以分析得出的屈服行为为基础的，分析的结果说明，简化了的基丁柱体理论的 设计思路提供了一个近似的略低丁极限强度的

53、限值，并且此种方法适用丁有加劲肋材料的设 计。第七章基础设计持力层的选择多多罗大桥2P号墩位应该有坚固的花岗石以作为持力层， 而且此层应为呈脉状分布深埋 到海床且相对风化较少的岩石。墩位的选择同样也涉及复杂的风化程度，详尽的地质勘测将 决定合适的持力层。由丁桥的路线有点偏离最初的中心线，勘测分两阶段完成，第一阶段为2P墩位所挖的一共挖了 28个地点的试钻孔，在第二阶段如表 7-1所示要比第一阶段处理得更加细致。在最后的勘测之中，空心管和大直径的三倍管采样机械被用来钻取不问断的样本，以便 用来执行各种实验，以确定岩石的各种性能指标，高精密度的S波测程仪和移动采样测速器被用来测量水下岩床的裂缝、断

54、层。而采样的石核则进行实验来确定此地的情况。岩石实验将不同风化程度的花岗石分为五类，已列在表7-2中了，而设计所要求的的那一层持力层也就能够被决定了。最后决定将DH层作为持力层，此层被认为并不是完全坚固的，但由丁以下原因被选为 2P墩基础的持力层，如图7-1和图7-2所示，在选择-33m处来承受基础的底端。如果选择CL层或更深的层的话，虽然这些层都很坚固，但被选作持力层就将意味 着更大更多的挖掘工作。如果持力层更深的话，就需要一个更大的下部基础结构。有关基础结构的稳定性问题则由下层土牢固的嵌固能力而解决。这个决定使整个基础的设计更经济和理性。详细请看 16本文来自,版权所有用大比例荷载实验来验

55、证基础的抗震设计在Nonshu至Shikoko线上，其它桥的地基抗震设计，采用了一种以地震运动数据输入 和地基与大地之间相互动力运动为基础的新理论。归根结底，抗震设计就是先进行许多地层 土壤，周围环境地等方面假设，然后加以工程判断。他们的主要数据来源丁小比例的实验室 实验和数字化分析，而如何应用丁大跨径桥梁上的大型地基上仍出存在问题。丁是一项旨在 验证多多罗大桥方案中各项假设和判断正确性的大比例荷载实验在一个与持力层风化情况相 似的花岗石地层上进行了。（如照片7-1）本实验的即定目标是阐明以下几个方面对地基抗震设计的综合影响：包括土壤液化动力、潮湿特性、在极度偏心，有偏角荷载作用下土壤的反应、残余位移等，这些实验都在Innoshima 岛上Ikuehi桥附近进行，那里裸震的岩层被认为风化程度与多多罗选点处相同，其焦点是岩 床的C和D级，以及循环震动实验和剪力实验的内容。正是这些实验的结果使验证在设计中用到的有关土力学的静力和动力数据成为可能，主 要有：了解了在循环荷载以及地基与地层之间振动反应之后土壤中性能参数的变化；佐证了 所有抗震设计中所用的技术。表7-2有关地基设计的下卧土参数下卧土参数分级岩石根况一般情况下地震运动中P (g/cm2)Es (kgf/ cm)C (kgf/ cm)(deg.)C(kgf/2cm)