【樓莊鴻】韓國Dandeung獨(dú)塔式懸索橋
2011-09-30 來源：Bd&e
一座獨(dú)塔懸索橋即將于下月開始施工，它作為新的連接韓國南部島嶼的一部分，Hyum-sok choi解釋說。
隨著在南韓修建一座新的獨(dú)塔懸索橋，改善了至Gogunsan島運(yùn)輸連接。Dandeung懸索橋連接Sinsido和Munyeodo，將形成新的連接至Gogunsan島的中部節(jié)段的一部分——另外兩個(gè)節(jié)段將建立在陸地上，連接線修建開始于2009年11月，橋梁的施工于下月（6）月開始，計(jì)劃于2113年12月完成。
將橋梁設(shè)計(jì)成獨(dú)塔，主纜具有不對稱的外形，目前，獨(dú)塔懸索橋僅出現(xiàn)在西班牙、中國和美國——所有三座橋?qū)⒃诒緜€(gè)10年中完成或仍在施工中。Dandeung橋的跨徑為400m，將是該橋型中的世界最大者。
首先Dandung橋準(zhǔn)備建成一座雙塔主跨220m帶有兩個(gè)邊跨的自錨式懸索橋，但這個(gè)概念需加以變更以避免在水中的施工作業(yè)。在現(xiàn)場，海中水很深，并由強(qiáng)和快速的水流。此外，原理啊設(shè)計(jì)相當(dāng)傳統(tǒng)，修改后的結(jié)構(gòu)預(yù)期吸引更多的旅行者。
結(jié)果，建成了主跨400m的獨(dú)塔懸索橋，這使承包商能避免困難的海洋條件，并提供一個(gè)地標(biāo)性的結(jié)構(gòu)以吸引旅客。目前，世界上僅有三座獨(dú)塔懸索橋，均未運(yùn)輸而建——西班牙的Vinalopo橋，主跨165m，中國管周的獵德橋，主跨219m，以及正在施工的舊金山Okland海灣橋，主跨385m。
如上所述，Dandeung橋的工地是有很差的海洋條件——海洋最大深度超過22m，流速大于2.2m/s，它經(jīng)歷的潮差5m。結(jié)果是橋梁基礎(chǔ)位于巖石露頭，以使施工工作能在干燥環(huán)境中進(jìn)行。
Dandeung橋的塔設(shè)計(jì)成A型混凝土結(jié)構(gòu)，高105m，在尾部具有附加的D型塔柱，以家徽船帆。A型和D型的組合塔為不對稱的獨(dú)塔懸索橋在荷載作用下提供了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并也試圖與地區(qū)的海洋風(fēng)景協(xié)調(diào)。
主纜安裝成兩個(gè)平面，吊桿連接在橋面得外側(cè)邊緣——這樣的布置將提高主纜和橋梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。在橋梁發(fā)生事故堵塞一個(gè)車道時(shí)，運(yùn)輸車輛能轉(zhuǎn)入另外的車道。而這在單主纜布置在橋梁中間時(shí)是不可能的。同時(shí)，主纜設(shè)計(jì)安裝成傾斜的布置，在塔處，主纜間隔3m，在后錨處散開為11m，在前部為20m。
懸索橋的現(xiàn)有實(shí)踐是采用由直徑5-7mm鍍鋅鋼絲組成的平行鋼絲主纜。在過去20年中，鋼絲抗拉強(qiáng)度從早期的1600Mpa增至1998年日本明石海峽的1720Mpa。從那時(shí)起，橋梁鋼絲的抗拉強(qiáng)度繼續(xù)增加，直至數(shù)年前韓國光陽大橋設(shè)計(jì)采用的1860Mpa高強(qiáng)鋼絲。Dandeu橋主纜采用的鋼絲將進(jìn)一步提高，首次采用1960Mpa，在韓國，已生產(chǎn)這類鋼絲，并將用于設(shè)計(jì)。
用了高強(qiáng)鋼絲，主纜的尺寸將減小，減小了主纜的重量以及風(fēng)對主纜的阻力，主纜的設(shè)計(jì)拉力為76800km，鋼絲的允許拉應(yīng)力為784Mpa，安全系數(shù)2.5。采用1960Mpa的鋼絲，（譯注：在獵德大橋之前，中國已修建了主跨350m的佛山平勝大橋，為獨(dú)塔自錨式懸索橋）結(jié)果是主纜的直徑為380mm，截面由12束4032絲組成。與1760Mpa鋼絲相比較，主纜直徑減少7%，主纜總重減少17%，風(fēng)的阻力也因主纜面積減低而減小。
設(shè)計(jì)者對安裝的，建成采用短形布置，與傳統(tǒng)的六角形布置相比，有一定的好處。采用矩形方案，能使空中紡線法形成的平股數(shù)減少，在本橋狀況下由14束減為12束，這樣使主纜達(dá)到急需的線形時(shí)所需的對矢度調(diào)整的次數(shù)減少，縮短了施工的進(jìn)程。束股數(shù)的減少意味著索鞍和錨碇也能變小。
吊桿系統(tǒng)連接主纜和加勁梁，將梁的重量，交通荷載和活載傳遞至主纜。該系統(tǒng)包括索夾、吊索和錨杯。對于本橋，工程師們首次建議吊桿采用“中部適應(yīng)鎖芯”的鋼索（Centre Fit Rope Core，簡稱CFRC）。這類吊桿在韓國由Kiswire制作——它們類似于螺旋鋼絲線或封閉式鋼絞線索，但橫截面不同。CFRC索的表面是螺旋形的，因此任何振動(dòng)或者有風(fēng)引起的振響應(yīng)能得到控制，吊索的空氣動(dòng)力穩(wěn)定可充分地得到保證。同時(shí)，在吊索的兩端錨固的排水由于螺栓豎直安裝而成的不需要。
對于橋面形式的選擇，考慮了三個(gè)主要準(zhǔn)則。第一個(gè)是抱枕梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定。大跨徑懸索橋的動(dòng)力穩(wěn)定，主要取決于風(fēng)速和形成設(shè)計(jì)有充分空氣的動(dòng)力穩(wěn)定性的能力。對最佳的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，加勁梁的扭轉(zhuǎn)和顫振風(fēng)速必須高于設(shè)計(jì)風(fēng)速。再設(shè)計(jì)中，計(jì)劃了改善扭轉(zhuǎn)剛度的加勁梁形式。
第二個(gè)準(zhǔn)則是減小梁的重量。如果扭轉(zhuǎn)剛度增加，其截面面積也增加來提高梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，梁的重量也將增加，其經(jīng)濟(jì)效益隨施工費(fèi)用上升而減少。如果梁的自重減少，減少加勁梁的重量同時(shí)保持空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。
最后，第三個(gè)準(zhǔn)則是改善結(jié)構(gòu)的外形，選用的截面形式使橋梁的梁腹看起來良好，適應(yīng)于輕型體積。選用了帶兩邊箱梁橋面滿足了所有的主要考慮。
抗風(fēng)設(shè)計(jì)按照索支撐鋼橋設(shè)計(jì)指南(KSCE2006)進(jìn)行。從Gunsan氣象得到的長期資料分析，計(jì)算200年回歸期的基本風(fēng)速為34.3m/s，計(jì)劃的公路橋面高程處的設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算為44.9m/s，顫振安全系數(shù)通過Monte-Carlo法模擬，決定用1.26。對于全結(jié)構(gòu)，顫振調(diào)研的風(fēng)速為56.6m/s。由于跨徑增大，風(fēng)氣候成為設(shè)計(jì)的更關(guān)鍵因素。
作為本橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一部分，進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和工程節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)。結(jié)果是，當(dāng)梁截面優(yōu)化時(shí)，顫振風(fēng)速變快，而風(fēng)載系數(shù)變低。梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性得到改善，而其自重減小。
目前，橋面有以下不同的結(jié)構(gòu)類型——桁架。流線型箱梁，梯形箱梁或雙箱梁。用FluentCFD分析程序?qū)x擇空氣動(dòng)力穩(wěn)定性德梯形單箱和帶雙邊箱的鋼梁。從分析的結(jié)果看，梯形箱梁的顫振風(fēng)速為55m/s，沒有給出足夠的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行初步研究，然而嚇?biāo)肋呄淞旱奈呛舷?，顫振風(fēng)速高于60m/s，結(jié)果是加勁梁的橫截面設(shè)計(jì)成帶兩邊箱的梁。與梯形梁比，梁的重量減少19%，而阻力系數(shù)減少38%。
Dandeung橋塔的設(shè)計(jì)，不僅確保獨(dú)塔懸索橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且成為模擬旅游的地標(biāo)。因此，塔設(shè)計(jì)成高105m的鋼筋混凝土結(jié)果。塔包括三個(gè)桿件——兩板主塔柱形成A型，其后面有一根附加的彎柱。三根柱的結(jié)合，給塔以船帆的外形，保證了不對稱懸索橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與周圍環(huán)境的最大和諧。
在非對稱獨(dú)塔懸索橋的吻合，當(dāng)車輛荷載作用時(shí)，梁的跨中豎直變位和塔頂?shù)盟阶兾灰笥讵?dú)塔兩個(gè)相似跨徑的懸索橋。為遠(yuǎn)應(yīng)其作用，塔的截面和剛度需予增大。
由于東橋有一根附加的塔柱，與僅有兩個(gè)塔柱相比較，主塔柱的橫截面可減小，在車輛荷載作用下，梁跨中的豎直變位可減少13%。裝備設(shè)兩個(gè)觀橋平臺(tái)。
橋梁現(xiàn)場的海洋條件是需要考慮的——有大的潮差和大于2.2m/s的流速。在這樣條件下水下混凝土作業(yè)是非常困難的，水下大的混凝土錨碇的施工會(huì)導(dǎo)致腐蝕。為避免這些問題，將錨碇的位置移置靠近島，那里的巖石條件可消除海下作業(yè)，并保護(hù)海洋環(huán)境。采用矩形布置的束股，減少了束股數(shù)，所需的錨碇體積也變小。隨著加勁梁重量的減小，主纜拉力也減少，錨碇重量也降低，設(shè)計(jì)了重力式錨碇每個(gè)承受超過120mn的主纜拉力。
用自爬式模板來修建塔，在塔柱四個(gè)不同高柱的四點(diǎn)安裝四個(gè)臨時(shí)支柱體系，以便在塔安裝控制D型柱的外形。采用激光和GPS系統(tǒng)來測量施工時(shí)的豎直度。
安裝主纜采用控制張拉的空中紡線法，而機(jī)械和系統(tǒng)都按韓國的1960Mpa高強(qiáng)鋼絲予以研制。用貓道的橫向通橋來控制其穩(wěn)定性。主跨梁分成11個(gè)節(jié)段制作，用能力為1200t的浮吊提升。最大的節(jié)段長48m，重340t。
