[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(dòng)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(huì)效益作出了評價(jià)。
關(guān)鍵詞 方案演變 動(dòng)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。大橋總體布置和主梁斷面見圖1、圖2
由于大橋地處福州沿海地區(qū)，這一地區(qū)每年都會(huì)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(dòng)力特性的分析比較，見圖3。
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(gè)斷面方案12種組合的對比試驗(yàn)，見圖4。
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。
圖1（b）主塔圖
二、方案的演變和結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)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?jiǎng)恿Ψ治龀绦蚝兔绹鳤nsyS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(dòng)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(huì)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?，一階對稱側(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?jiǎng)傮w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） X 18m（長）、3m（寬） X2.5m（高） X 15m（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?jiǎng)傮w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(dòng)。為了考慮全橋振動(dòng)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(dòng)為0.2％，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)。試驗(yàn)給出了成橋運(yùn)營狀態(tài)風(fēng)速與氣動(dòng)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。部分結(jié)果見圖5。各階段所有方案成橋運(yùn)營狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速值匯總在表2中，從圖、表中數(shù)據(jù)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(dòng)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(dòng)措施效果良好，顫振臨界風(fēng)速會(huì)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(dòng)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)（見圖6、圖7），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(huì)
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(dòng)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(huì)到：
（l）要重視方案的比選，它會(huì)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(dòng)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(huì)影響力可見一斑。
參考文獻(xiàn)
[1]項(xiàng)海帆，朱樂東．考慮約束扭轉(zhuǎn)剛度影響的斜拉橋動(dòng)力分析模型，全國橋梁結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)大會(huì)論文集．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1992年10月
［2］朱樂東，項(xiàng)海帆．橋梁顫振節(jié)段模型質(zhì)量系統(tǒng)模擬．結(jié)構(gòu)工程師． 1995年第 4期
