[摘要]本文就青州閩江大橋六年來三輪設計方案的演變，從結構的動力特性和顫振臨界風速方面闡述了各方案的抗風穩定性能，并通過方案的比選和抗風措施的優化提出了建議方案。最后對該方案的經濟效益和社會效益作出了評價。
關鍵詞 方案演變 動力特性 顫振臨界風速


一、概述
青州閩江大橋位于福州市馬尾區青州路及長樂縣籌東村之間，是福州長樂國際機場連接福州市區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、發展經濟、對臺交流有著巨大的促進作用。
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。橋寬29m，主梁采用工字型邊梁與預應力混凝土橋面板疊合斷面。A字型橋塔高175m。空間索面、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，這一地區每年都會遭受到臺風的侵襲。按照當地氣象部門提供的風速資料以及我國交通部頒發的《橋規》。福州地區基本風速為33.4m／s，換算到橋面高度的設計基準風速為46.3m／s，顫振檢驗風速為70m／s。要求還是比較高的。因此，大橋設計方案成功與否的關鍵技術問題之一就是大橋的抗風穩定性能是否有保證。
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，見圖3。
第二輪斜拉橋方案的優化設計是在1998年第一季度。針對選定的疊合梁主梁形式進行了6個斷面方案12種組合的對比試驗，見圖4。
第三輪斜拉橋方案的設計調整是在1998年第三季度至1999年第二季度。由于有第二輪方案仔細比選的基礎，對二次重大調整的方案進行了有目的的試驗研究。最后通過全橋氣彈模型風洞試驗再對節段模型試驗的結果進行了確認，提出了建議。


圖1（b）主塔圖




二、方案的演變和結構動力特性的比較
這幾次設計方案的演變主要體現在：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，經過25.5m直達29.0m。②梁上索距由原來的16m縮短到9m，再恢復到16m，最后調整為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軟件公司授權的結構分析軟件包對大橋各方案的結構動力特性進行了計算分析。為提高分析的精度，主梁均采用了"三梁式"計算模型[1]，計入了約束扭轉剛度對結構扭轉頻率的影響。
表2數據表明：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，結構的一階對稱扭轉頻率分別為0.8692Hz，0.593llHz和0.5346Hz。工字邊梁疊合梁方案的扭轉基頻比閉口鋼箱梁低了39％。可以預計與扭轉頻率密切相關的顫振臨界風速會隨之降低，這一變化對結構的抗風穩定性能影響很大，需引起特別關注；一階對稱豎向頻率的變化從 0.28Hz降到 0.21Hz左右，減小約 25％；由于橋寬的增加，一階對稱側向彎曲頻率從0.18Hz增大到0.21Hz，增幅14％。



三、抗風穩定性試驗的全過程及結果分析
抗風穩定性試驗采用彈簧懸掛二元剛體節段模型先后在本實驗室TJ-1號和TJ-2號邊界層風洞內進行。風洞試驗尺寸分別為 1.2m（寬） X1.8m（高） X 18m（長）、3m（寬） X2.5m（高） X 15m（長）。空風洞試驗風速范圍分別為 0.5～32m／s和 0.5～68m／s，連續可調。選取的幾何縮尺比分別為1:65和1:50。在模型的兩端設置了二元端板，試驗裝置具有改變模型與來流之間相對攻角的變換機構。
彈簧懸掛二元剛體節段模型風洞試驗除了要求模型與實橋之間滿足幾何外形相似外，原則上還應滿足彈性參數、慣性參數、阻尼參數三組無量綱參數的一致性條件。試驗彈性參數對成橋運營狀態模擬了一階對稱扭轉和一階對稱豎向彎曲振動。為了考慮全橋振動效應，模型的質量系統采用了等效質量和等效質量慣性矩［2」。模型系統的阻尼比豎向彎曲運動為0.2％，扭轉運動力0.3％左右。
試驗在均勻流場中進行，攻角范圍取十3°~－3°，約束條件采用豎向彎曲和扭轉兩個自由度耦合的方式，抗風穩定性試驗工況合計五十多個。試驗給出了成橋運營狀態風速與氣動阻尼比的關系曲線。假設疊合梁結構的阻尼比為1％，由該曲線可以得到各攻角下對應的顫振臨界風速值。部分結果見圖5。各階段所有方案成橋運營狀態的顫振臨界風速值匯總在表2中，從圖、表中數據可以看出：
（1）閉口鋼箱梁斷面結構的顫振臨界風速遠高于疊合梁斷面。
（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措施，則不能滿足大橋抗風穩定性的要求。
（3）增設導流板的比選試驗得到明確的結論，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，顫振臨界風速會有很大的提高，從而改善結構的抗風穩定性能。
（4）氣動措施的優化試驗結果得到了全橋氣彈模型的確認（見圖6、圖7），即在主梁斷面兩側增設DLI型導流板（寬lm，高lm）后，大橋就能滿足抗風穩定性的要求，建議采納。


四、體會
青州閩江大橋設計方案經過幾次重大的調整，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化試驗解決了令人擔憂的抗風穩定性難題。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濟效益，本橋方案的演變經測算大約可以節省投資6000萬人民幣。
（2）大跨徑疊合梁斜拉橋采用合適的氣動措施，能取得顯著的抗風效果。主跨達605m疊合梁斜拉橋可以在臺風頻襲的福州及福州以北沿海地區建造，其社會影響力可見一斑。

參考文獻
[1]項海帆，朱樂東．考慮約束扭轉剛度影響的斜拉橋動力分析模型，全國橋梁結構學術大會論文集．上海：同濟大學出版社，1992年10月
［2］朱樂東，項海帆．橋梁顫振節段模型質量系統模擬．結構工程師． 1995年第 4期