20.特大跨缆索承重桥梁抗风挑战与技术创新-中国土木工程学会

上海同济大学2017年10月26-27日葛耀君土木工程防灾国家重点实验室汇报提纲1.缆索承重桥梁发展2.斜拉桥风致灾变及控制3.悬索桥颤振控制及应用4.更大跨悬索桥抗风挑战5.结论梁梁索承重桥梁发展•桥梁分类:四类桥型桥Span(m)ySpan(m)ym0196019701980199020002010Year座现代斜拉桥索承重桥梁发展•斜拉桥的跨径演变拉桥3002.Severin(1959,301m)索承重桥梁发展•最大跨度斜拉桥Span(m)Span(m)索承重桥梁发展•悬索桥的跨径演变22001.Brooklyn(1883,483m)4001880190019201940196019802000 索承重桥梁发展•最大跨度悬索桥索承重桥梁发展•主要关注内容大跨度斜拉桥、大跨度悬索桥抖振、涡振、索振、颤振、静风失稳气动颤振控制、静风失稳控制2.斜拉桥风致灾变及控制•十座世界最大跨度的斜拉桥主主跨(m)抗风问题斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振斜拉索风雨激振桥名俄罗斯岛大桥苏通大桥昂船洲大桥鄂东长江大桥多多罗大桥诺曼底大桥九江长江大桥荆岳长江大桥仁川大桥金角湾大桥控制措施螺旋线螺旋线螺旋线螺旋线螺旋线螺旋线国家俄罗斯国国法国国国韩国俄罗斯建成28903092主梁钢箱钢箱混合混合钢箱钢箱钢箱混合钢箱钢箱序号123456789斜拉桥颤振:非最大跨度、非钢箱梁断面Amplitude(cm)Amplitude(cm)2.斜拉桥风致灾变及控制•拉索风雨振 35 30 Rain Norain25 20 15 10 5 012345678910Windspeed(m/s)振风洞试验振振幅2.斜拉桥风致灾变及控制•拉索风雨振控制螺螺旋线凹坑最大风雨振振幅拉拉索直径无雨状态风雨状态螺旋线Φ1392.0cm32.9cm2.0cm3.2cmΦ1583.3cm31.9cm4.0cm4.8cm斜拉桥颤振控制技术一p发明新技术：两侧裙板颤振控制450米柳州红光桥2450米柳州红光桥2005年423米南浦大桥1991年2003年斜拉桥颤振控制技术二颗珠山大桥斜拉桥颤振控制技术二颗珠山大桥2004年颤振临界风速Vcr=72.5m/s<79.9m/s颤振临界风速Vcr=95m/s>79.9m/sp改进旧技术：两侧边缘风嘴颤振控制1东海大桥颗珠山桥(332米)斜拉桥颤振控制技术三p集成好技术：检修轨道移位颤振控制1东海大桥主航道板(420米)检修轨道一般置于箱梁底板Vcr=81.4m/s<84.6m/sVcr=90.2m/s>=84.6m/s2.斜拉桥风致灾变及控制•五座大跨度斜拉桥动力特性比较序号桥名主跨侧弯基频竖弯基频扭转基频(m)(Hz)(Hz)(Hz)1苏通长江大桥2大桥3鄂东长江大桥4多多罗大桥5诺曼底大桥斜拉桥基频对桥梁主跨跨径敏感度较低2.斜拉桥风致灾变及控制•五座大跨度斜拉桥颤振临界风速桥名12345颤振临界风速有利于促进未来斜拉桥增大8°8°4.58.37021782.斜拉桥风致灾变及控制•单主跨1400m(整体箱梁)p桥型立面布置2672300156180941.035.4/235.4/22.0%flowrflowrail023.0023.035.4/22.0%guiding1.51.3049102.斜拉桥风致灾变及控制•单主跨1400m(整体箱梁)p节段模型风洞试验结构1.上中央稳定板:不佳2.上下组合中央稳定板:不佳B44.02.0%2.0%CHSP2.0%CHSPmaintenanceflowguidingplate2.斜拉桥风致灾变及控制•单主跨1400m(整体箱梁)p全桥气弹模型风洞试验TorsionalrmsTorsionalrms(o)Tor.meandisplacement(o)01020304050607080901001100oygle01020304050607080901001100.52.斜拉桥风致灾变及控制•单主跨1400m(整体箱梁)p颤振临界风速0°°p静风失稳临界风速风偏角:5°风攻角:0°2.斜拉桥风致灾变及控制•双主跨1500m——琼州海峡大桥方案p桥型立面布置置梁2.斜拉桥风致灾变及控制•双主跨1500m(分体箱梁)p全桥气弹模型风洞试验Torsionaldisplacement(°)Torsionaldisplacement(°)Torsionaldisplacement(°)Torsionaldisplacement(°)6080100120020406080100120Windspeed(m/s)TDofdplacementisplacement0.5MeandisMeandisplacementSTDofdisplacement02.52.01.0.5.0020406080100120Windspeed(m/s)52.斜拉桥风致灾变及控制•双主跨1500m(分体箱梁)•气动颤振失稳风致静力扭转发散03.悬索桥颤振控制及应用•十座世界最大跨度的悬索桥序号序号12345678910桥名明石海峡大桥西堠门大桥大海带桥李舜臣大桥润扬大桥南京四桥亨伯大桥江阴长江大桥青马大桥哈当厄尔大桥国家本中国丹麦韩国中国中国英国中国中国挪威主梁桁梁箱梁箱梁箱梁箱梁箱梁箱梁箱梁箱梁箱梁主跨(m)抗风问题颤振颤振涡振颤振颤振涡振无无颤振无控制措施开槽+稳定板开槽导流板开槽稳定板导流板无无箱梁代替桁梁无建成 8 2009 8 2012 2005 2012 0 9 7 2013 悬索桥颤振控制技术一p发明新技术：中央稳定板颤振控制1润扬长江大桥(1490米)项海帆2005年[Vcr]=54m/s箱梁断面形式颤振临界风速控制值(m/s)节段模型全桥模型原箱梁断面增设0.65m高稳定板增设0.88m高稳定板增设1.10m高稳定板国内外桥梁技术创新和工程创造25最后采用断面最后采用断面悬索桥颤振控制技术二p发明新技术：分体式箱梁颤振控制1舟山西堠门大桥(1650米)颤振临界风速风洞试验结果3.悬索桥颤振控制及应用•悬索桥颤振控制技术三——开槽+稳定板p明石海峡大桥a)颤振临界风速反馈控制指令振动信号采集统系统风h反馈控制指令振动信号采集统系统风h3.悬索桥颤振控制及应用计算3.悬索桥颤振控制及应用图1主跨3000m悬索桥方案(m)图2加劲梁标准断面横截面(mm)3.悬索桥颤振控制及应用表1节段模型主要参数参数质量质量惯矩阻尼比竖弯频率竖弯刚度扭转频率扭转刚度扭弯频率比单位kg/mkg·m2/mHzN/mHzN/m数值图3弹簧悬挂节段模型3.悬索桥颤振控制及应用Vertical(mm)Torsional()Vertical(mm)Torsional()Vertical(mm)Torsional()Vertical(mm)Torsional()3.悬索桥颤振控制及应用 -1.5-0-1.5 -30-3020302030Time(s)0Time(s)(a)Deckvibrationwithoutcontrol330-350-0.500000Time(s)TimeTime(s)(b)Deckvibrationwithcontrol图6均匀来流，高风速桥梁振动控制效果对比(U=Ucr)，原发散桥梁振动在开启控制后得到镇定VerticalRMS(mm)TosionalVerticalRMS(mm)TosionalRMS()5432003.悬索桥颤振控制及应用WithoutWithoutcontrolWithControl024681012ndspeedmsWithoutWithoutControlWithControl0246810120246dspeedms峡大桥峡大桥箱梁颤振双箱梁4.更大跨悬索桥抗风挑战•稳定板和开槽p索桥桥名主跨主梁施所处阶段1桥板2桥板3江大桥梁无无4大桥56大桥箱梁意大利西班牙/73500m86845.000(IP) 41.500(IP)6845.000(IP) 41.500(IP)4.更大跨悬索桥抗风挑战•虎门二桥——整体箱梁？A基本参数令箱梁宽度:8车道(比较4车道)286800 11000+1760+40×1280+1840=658001840+129×1280+1840=168800 52200260.939(IP4.0004.0004.更大跨悬索桥抗风挑战•虎门二桥——水平稳定板板宽度颤振临界风速(m/s)Min.04.更大跨悬索桥抗风挑战•伶仃航道桥——整体箱梁？A基本参数令箱梁宽度:8车道(比较4车道)4.更大跨悬索桥抗风挑战•伶仃航道桥——水平稳定板+竖直稳定板颤振临界风速(m/s)Min.4.更大跨悬索桥抗风挑战•双屿门大桥——整体箱梁or分体箱梁？A双屿门大桥令箱梁宽度:4车道(4车道)型4.更大跨悬索桥抗风挑战•双屿门大桥——分体箱梁B(m/m)(m×m)颤振临界风速(m/s)最小值(m/s)+3°5/370.9×0.989.6>100>10089.65.5/37.50.9×0.991.8>100>10091.86/380.9×0.992.4>100>10092.46/382.3×2.3>100>10094.16/384.7×2.395.2>100>10095.24.更大跨悬索桥抗风挑战•印尼巽他海峡大桥——分体双箱梁A巽他海峡大桥(SundaStraitBridge)令主梁宽度:8车道4.更大跨悬索桥抗风挑战•印尼巽他海峡大桥——分体双箱梁高度？较高分体双箱梁(9.8m)较低分体双箱梁(5.8m)4.更大跨悬索桥抗风挑战•印尼巽他海峡大桥——分体双箱梁？双箱梁类型一阶侧弯频率(Hz)一阶竖弯频率(Hz)一阶扭转频率(Hz)较高主梁较低主梁双双箱梁类型颤振临