青州闽江大桥方案的演变及抗风稳定性研究

摘要：本文就青州闽江大桥六年来三轮设计方案的演变，从结构的动力特性和颤振临界风速方面阐述了各方案的抗风稳定性能，并通过方案的比选和抗风措施的优化提出了建议方案。最后对该方案的经济效益和社会效益作出了评价。

关键词：方案演变 动力特性 颤振临界风速

一、概述

青州闽江大桥位于福州市马尾区青州路及长乐县筹东村之间，是福州长乐国际机场连接福州市区的专用通道上跨越闽江的交通工程，目前已成为同三线国道的组成部分。这一重大工程对福建省改革开放、发展经济、对台交流有着巨大的促进作用。

今年即将建成的青州闽江大桥是一座主跨为605m的双塔双索面叠合梁斜拉桥，其跨度在同类型桥梁中列世界第一。桥宽29m，主梁采用工字型边梁与预应力混凝土桥面板叠合断面。A字型桥塔高175m。空间索面、梁上索距为13.5m。

由于大桥地处福州沿海地区，这一地区每年都会遭受到台风的侵袭。按照当地气象部门提供的风速资料以及我国交通部颁发的《桥规》。福州地区基本风速为33.4m／s，换算到桥面高度的设计基准风速为46.3m／s，颤振检验风速为70m／s。要求还是比较高的。因此，大桥设计方案成功与否的关键技术问题之一就是大桥的抗风稳定性能是否有保证。

青州闽江大桥方案的可行性研究开始于1993年。这第一轮的斜拉桥方案研究包括605m主跨、闭口钢箱梁和分离边钢箱叠合梁的比选以及采用闭口钢箱梁主梁、主跨为685m斜拉桥动力特性的分析比较。

第二轮斜拉桥方案的优化设计是在1998年第一季度。针对选定的叠合梁主梁形式进行了6个断面方案12种组合的对比试验。

第三轮斜拉桥方案的设计调整是在1998年第三季度至1999年第二季度。由于有第二轮方案仔细比选的基础，对二次重大调整的方案进行了有目的的试验研究。最后通过全桥气弹模型风洞试验再对节段模型试验的结果进行了确认，提出了建议。

二、方案的演变和结构动力特性的比较

这几次设计方案的演变主要体现在：①主梁的断面形式由最早的闭口钢箱梁，渐变成带两个分离钢箱的叠合梁，最后采用带两极工字型边梁的叠合梁。②主梁的宽度由原先的23.5m，经过25.5m直达29.0m。②梁上索距由原来的16m缩短到9m，再恢复到16m，最后调整为13.5m，见表1。

我们先后采用了线性空间有限元动力分析程序和美国AnsyS软件公司授权的结构分析软件包对大桥各方案的结构动力特性进行了计算分析。为提高分析的精度，主梁均采用了"三梁式"计算模型[1]，计入了约束扭转刚度对结构扭转频率的影响。

表2数据表明：主梁选用不同的闭口钢箱梁、分离边箱叠合梁、工字型梁叠合梁断面型式，结构的一阶对称扭转频率分别为0.8692Hz，0.593llHz和0.5346Hz。工字边梁叠合梁方案的扭转基频比闭口钢箱梁低了39％。可以预计与扭转频率密切相关的颤振临界风速会随之降低，这一变化对结构的抗风稳定性能影响很大，需引起特别关注；一阶对称竖向频率的变化从 0.28Hz降到 0.21Hz左右，减小约 25％；由于桥宽的增加，一阶对称侧向弯曲频率从0.18Hz增大到0.21Hz，增幅14％。

三、抗风稳定性试验的全过程及结果分析

抗风稳定性试验采用弹簧悬挂二元刚体节段模型先后在本实验室TJ-1号和TJ-2号边界层风洞内进行。风洞试验尺寸分别为 1.2m（宽） X1.8m（高） X 18m（长）、3m（宽） X2.5m（高） X 15m（长）。空风洞试验风速范围分别为 0.5～32m／s和 0.5～68m／s，连续可调。选取的几何缩尺比分别为1:65和1:50。在模型的两端设置了二元端板，试验装置具有改变模型与来流之间相对攻角的变换机构。

弹簧悬挂二元刚体节段模型风洞试验除了要求模型与实桥之间满足几何外形相似外，原则上还应满足弹性参数、惯性参数、阻尼参数三组无量纲参数的一致性条件。试验弹性参数对成桥运营状态模拟了一阶对称扭转和一阶对称竖向弯曲振动。为了考虑全桥振动效应，模型的质量系统采用了等效质量和等效质量惯性矩［2」。模型系统的阻尼比竖向弯曲运动为0.2％，扭转运动力0.3％左右。

试验在均匀流场中进行，攻角范围取十3°~－3°，约束条件采用竖向弯曲和扭转两个自由度耦合的方式，抗风稳定性试验工况合计五十多个。试验给出了成桥运营状态风速与气动阻尼比的关系曲线。假设叠合梁结构的阻尼比为1％，由该曲线可以得到各攻角下对应的颤振临界风速值。各阶段所有方案成桥运营状态的颤振临界风速值汇总可以看出：

（1）闭口钢箱梁断面结构的颤振临界风速远高于叠合梁断面。

（2）本桥采用叠合梁断面（分离边箱梁或工字边梁）倘若不采取任何气动抗风措施，则不能满足大桥抗风稳定性的要求。

（3）增设导流板的比选试验得到明确的结论，在本桥主梁断面（工字型边梁叠合梁）上采用这种气动措施效果良好，颤振临界风速会有很大的提高，从而改善结构的抗风稳定性能。

（4）气动措施的优化试验结果得到了全桥气弹模型的确认，即在主梁断面两侧增设DLI型导流板（宽lm，高lm）后，大桥就能满足抗风稳定性的要求，建议采纳。

四、体会

青州闽江大桥设计方案经过几次重大的调整，最后主梁采用工字型边梁叠合梁形式。通过大量的气动措施比选和优化试验解决了令人担忧的抗风稳定性难题。从中体会到：

（l）要重视方案的比选，它会带来最大的直接的经济效益，本桥方案的演变经测算大约可以节省投资6000万人民币。

（2）大跨径叠合梁斜拉桥采用合适的气动措施，能取得显著的抗风效果。主跨达605m叠合梁斜拉桥可以在台风频袭的福州及福州以北沿海地区建造，其社会影响力可见一斑。