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摘要：本文就青州閩江大橋六年來三輪設(shè)計(jì)方案的演變，從結(jié)構(gòu)的動力特性和顫振臨界風(fēng)速方面闡述了各方案的抗風(fēng)穩(wěn)定性能，并通過方案的比選和抗風(fēng)措施的優(yōu)化提出了建議方案。最后對該方案的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益作出了評價(jià)。

關(guān)鍵詞：方案演變動力特性顫振臨界風(fēng)速

一、概述

青州閩江大橋位于福州市馬尾區(qū)青州路及長樂縣籌東村之間，是福州長樂國際機(jī)場連接福州市區(qū)的專用通道上跨越閩江的交通工程，目前已成為同三線國道的組成部分。這一重大工程對福建省改革開放、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、對臺交流有著巨大的促進(jìn)作用。

今年即將建成的青州閩江大橋是一座主跨為605m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，其跨度在同類型橋梁中列世界第一。橋?qū)?9m，主梁采用工字型邊梁與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板疊合斷面。A字型橋塔高175m?？臻g索面、梁上索距為13.5m。

由于大橋地處福州沿海地區(qū)，這一地區(qū)每年都會遭受到臺風(fēng)的侵襲。按照當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的風(fēng)速資料以及我國交通部頒發(fā)的《橋規(guī)》。福州地區(qū)基本風(fēng)速為33.4m／s，換算到橋面高度的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為46.3m／s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為70m／s。要求還是比較高的。因此，大橋設(shè)計(jì)方案成功與否的關(guān)鍵技術(shù)問題之一就是大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性能是否有保證。

青州閩江大橋方案的可行性研究開始于1993年。這第一輪的斜拉橋方案研究包括605m主跨、閉口鋼箱梁和分離邊鋼箱疊合梁的比選以及采用閉口鋼箱梁主梁、主跨為685m斜拉橋動力特性的分析比較。

第二輪斜拉橋方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在1998年第一季度。針對選定的疊合梁主梁形式進(jìn)行了6個斷面方案12種組合的對比試驗(yàn)。

第三輪斜拉橋方案的設(shè)計(jì)調(diào)整是在1998年第三季度至1999年第二季度。由于有第二輪方案仔細(xì)比選的基礎(chǔ)，對二次重大調(diào)整的方案進(jìn)行了有目的的試驗(yàn)研究。最后通過全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)再對節(jié)段模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了確認(rèn)，提出了建議。

二、方案的演變和結(jié)構(gòu)動力特性的比較

這幾次設(shè)計(jì)方案的演變主要體現(xiàn)在：①主梁的斷面形式由最早的閉口鋼箱梁，漸變成帶兩個分離鋼箱的疊合梁，最后采用帶兩極工字型邊梁的疊合梁。②主梁的寬度由原先的23.5m，經(jīng)過25.5m直達(dá)29.0m。②梁上索距由原來的16m縮短到9m，再恢復(fù)到16m，最后調(diào)整為13.5m，見表1。

我們先后采用了線性空間有限元動力分析程序和美國AnsyS軟件公司授權(quán)的結(jié)構(gòu)分析軟件包對大橋各方案的結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行了計(jì)算分析。為提高分析的精度，主梁均采用了"三梁式"計(jì)算模型[1]，計(jì)入了約束扭轉(zhuǎn)剛度對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率的影響。

表2數(shù)據(jù)表明：主梁選用不同的閉口鋼箱梁、分離邊箱疊合梁、工字型梁疊合梁斷面型式，結(jié)構(gòu)的一階對稱扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.8692Hz，0.593llHz和0.5346Hz。工字邊梁疊合梁方案的扭轉(zhuǎn)基頻比閉口鋼箱梁低了39％?？梢灶A(yù)計(jì)與扭轉(zhuǎn)頻率密切相關(guān)的顫振臨界風(fēng)速會隨之降低，這一變化對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性能影響很大，需引起特別關(guān)注；一階對稱豎向頻率的變化從0.28Hz降到0.21Hz左右，減小約25％；由于橋?qū)挼脑黾樱浑A對稱側(cè)向彎曲頻率從0.18Hz增大到0.21Hz，增幅14％。

三、抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)的全過程及結(jié)果分析

抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)采用彈簧懸掛二元剛體節(jié)段模型先后在本實(shí)驗(yàn)室TJ-1號和TJ-2號邊界層風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行。風(fēng)洞試驗(yàn)尺寸分別為1.2m（寬）X1.8m（高）X18m（長）、3m（寬）X2.5m（高）X15m（長）?？诊L(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速范圍分別為0.5～32m／s和0.5～68m／s，連續(xù)可調(diào)。選取的幾何縮尺比分別為1:65和1:50。在模型的兩端設(shè)置了二元端板，試驗(yàn)裝置具有改變模型與來流之間相對攻角的變換機(jī)構(gòu)。

彈簧懸掛二元剛體節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)除了要求模型與實(shí)橋之間滿足幾何外形相似外，原則上還應(yīng)滿足彈性參數(shù)、慣性參數(shù)、阻尼參數(shù)三組無量綱參數(shù)的一致性條件。試驗(yàn)彈性參數(shù)對成橋運(yùn)營狀態(tài)模擬了一階對稱扭轉(zhuǎn)和一階對稱豎向彎曲振動。為了考慮全橋振動效應(yīng)，模型的質(zhì)量系統(tǒng)采用了等效質(zhì)量和等效質(zhì)量慣性矩［2」。模型系統(tǒng)的阻尼比豎向彎曲運(yùn)動為0.2％，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動力0.3％左右。

試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，攻角范圍取十3°~－3°，約束條件采用豎向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個自由度耦合的方式，抗風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)工況合計(jì)五十多個。試驗(yàn)給出了成橋運(yùn)營狀態(tài)風(fēng)速與氣動阻尼比的關(guān)系曲線。假設(shè)疊合梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為1％，由該曲線可以得到各攻角下對應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速值。各階段所有方案成橋運(yùn)營狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速值匯總可以看出：

（1）閉口鋼箱梁斷面結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)高于疊合梁斷面。

（2）本橋采用疊合梁斷面（分離邊箱梁或工字邊梁）倘若不采取任何氣動抗風(fēng)措施，則不能滿足大橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。

（3）增設(shè)導(dǎo)流板的比選試驗(yàn)得到明確的結(jié)論，在本橋主梁斷面（工字型邊梁疊合梁）上采用這種氣動措施效果良好，顫振臨界風(fēng)速會有很大的提高，從而改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性能。

（4）氣動措施的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果得到了全橋氣彈模型的確認(rèn)，即在主梁斷面兩側(cè)增設(shè)DLI型導(dǎo)流板（寬lm，高lm）后，大橋就能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求，建議采納。

四、體會

青州閩江大橋設(shè)計(jì)方案經(jīng)過幾次重大的調(diào)整，最后主梁采用工字型邊梁疊合梁形式。通過大量的氣動措施比選和優(yōu)化試驗(yàn)解決了令人擔(dān)憂的抗風(fēng)穩(wěn)定性難題。從中體會到：

（l）要重視方案的比選，它會帶來最大的直接的經(jīng)濟(jì)效益，本橋方案的演變經(jīng)測算大約可以節(jié)省投資6000萬人民幣。

（2）大跨徑疊合梁斜拉橋采用合適的氣動措施，能取得顯著的抗風(fēng)效果。主跨達(dá)605m疊合梁斜拉橋可以在臺風(fēng)頻襲的福州及福州以北沿海地區(qū)建造，其社會影響力可見一斑。