【摘 要】
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随着悬索桥跨径的不断增大,悬索桥结构趋于轻柔,其扭转频率和竖弯频率比不断下降,超大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性问题日益突出。本文以5000米级琼州海峡大桥为工程背景,在平行钢丝缆索悬索桥的基础上,增加碳纤维马鞍面空间缆索,提出一种超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的新型结构形式,平行钢丝缆索承担竖向荷载,碳纤维马鞍面空间缆索提高超大跨径海峡悬索桥的空间刚度,抗侧刚度和抗扭刚度,提高颤振临界风速。本文建
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随着悬索桥跨径的不断增大,悬索桥结构趋于轻柔,其扭转频率和竖弯频率比不断下降,超大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性问题日益突出。本文以5000米级琼州海峡大桥为工程背景,在平行钢丝缆索悬索桥的基础上,增加碳纤维马鞍面空间缆索,提出一种超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的新型结构形式,平行钢丝缆索承担竖向荷载,碳纤维马鞍面空间缆索提高超大跨径海峡悬索桥的空间刚度,抗侧刚度和抗扭刚度,提高颤振临界风速。本文建立5000米级琼州海峡混合空间缆索悬索桥的Midas和ANSYS有限元软件分析模型,进行动力模态分析和颤振抗风稳定性分析,证实马鞍面混合空间缆索悬索桥具有良好的抗风稳定性。主要研究工作如下:（1）利用马鞍曲面的直纹性,进行马鞍面混合空间缆索悬索桥的几何构型研究,建立500米跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥ANSYS有限元分析模型,进行竖向位移响应、动力模态特性和抗风稳定性的分析研究。研究表明:相比于平行钢丝缆索悬索桥,马鞍面混合空间缆索悬索桥的竖向刚度略有增加,水平向的抗侧刚度增加较大,其抗扭刚度和扭弯频率比大幅度提高,颤振抗风稳定性大幅度提高。（2）建立单跨5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的ANSYS有限元模型,开展位移响应、动力模态特性和抗风稳定性的对比分析研究,进行拱形中央扣、桥塔类型,钢结构曲梁间距等影响参数分析。对比研究表明:5000米级超大跨径平行钢丝缆索悬索桥的一阶正对称扭转频率为0.1115Hz（第5阶）,扭弯频率比为1.84,颤振临界风速仅为26.01m/s;5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的一阶正对称扭转频率为0.3138Hz（第21阶）,扭弯频率比为4.80,颤振临界风速高达86.05m/s。马鞍面混合空间缆索悬索桥大幅度提高了扭转频率和扭弯频率比,颤振临界风速大幅度提高。（3）琼州海峡三跨5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥分为三个施工阶段,即平行钢丝缆索悬索桥阶段、马鞍面混合空间缆索悬索桥阶段和启用临时抗风缆索阶段,分别建立三个成桥阶段的ANSYS有限元模型,进行颤振抗风稳定性的对比分析研究。分析表明:在5000米级平行钢丝缆索悬索桥阶段,满足竖向位移刚度和竖向承载力要求,但其颤振临界风速仅为25.56m/s,考虑百年一遇17级强台风基本风速61m/s,高度修正系数1.16、脉动风振系数1.18和安全系数1.2后,琼州海峡的校验风速[Vcr]为100.20m/s,平行钢丝缆索悬索桥抗风稳定性不满足要求;在5000米级马鞍面混合空间缆索悬索桥阶段,抗扭刚度和扭弯频率比大幅度提高,其颤振临界风速达到76.23m/s,可满足14级台风下结构抗风稳定性的要求;获悉14级以上超强台风天气预报后,封闭航道交通,启用临时抗风缆索,其颤振临界风速高达104.65m/s,可以确保琼州海峡5000米马鞍面混合空间缆索悬索桥抵御百年一遇的17级超强台风的设计要求,从根本上解决了5000米级琼州海峡大桥的抗风稳定性问题。
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