专利名称：桥梁的主塔及设有该桥梁主塔的桥梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及桥梁的主塔(main tower)，特别涉及适于吊式(吊桥(suspension bridge)，斜拉桥(cable stayed bridge))桥梁的主塔。
背景技术：
在图8中示意表示吊桥的一部分。
吊桥是由沿大致垂直方向竖立设置的主塔101、沿桥轴(bridgeaxis)方向延伸的桥架大梁(bridge beam)102、支撑于主塔101上方的主缆(main cable)103、以及从该主缆103垂下的吊杆(hanger)104构成。桥架大梁102通过主缆索103及吊杆104由主塔101支撑。
随着桥梁的长大化带来的主塔大型化，风所产生的振动成为不可忽视的因素。这种振动不仅在桥梁完成之后，而且在工程施工中也是必须考虑的。
作为降低这种振动的一种手段，可以改变主塔横截面的形状。
例如，在“菅原城北(Sugaharashirokita)大橋の耐風安定性”(橋梁と基礎(bridges and foundations)，90-7,29～34页)中，披露了通过沿桥轴方向形成狭缝，以降低由朝向桥轴方向的风产生的桥轴垂直方向的振动的技术。
但是，在上述文献中登载的技术中，其主塔横截面为正方形，并未记载对于为长方形时的效果。如果主塔为长方形截面，即使形成了狭缝，也无法预测哪种尺寸抗风稳定性更好。特别是对于风速较小的限定振动(例如涡激共振(vortex oscillations))而言，如上述文献所述，可以预测其具有一定的抗风稳定性，但对于表示风速较大的发散振动的区域则是难以预测的。
此外，虽然可预测沿风流动方向形成的狭缝可有效提高抗风稳定性，但可预测对于与狭缝的形成方向垂直的风而言，却无法发挥所希望的效果。
发明内容
鉴于这种情况，本发明的目的在于提供可有效降低振动的截面为长方形的桥梁主塔以及设有该主塔的桥梁。
此外，本发明的另一个目的在于提供对于桥轴垂直方向的风和朝桥轴方向的风，均具有抗风稳定性的长方形截面的桥梁主塔及设有该主塔的桥梁。
为了解决上述课题，本发明的桥梁主塔及设有该主塔的桥梁采用了以下方式。
也即，在本发明的第1方式的桥梁主塔中，塔柱的截面形状为桥轴垂直方向尺寸小于桥轴方向尺寸的长方形，朝上述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，上述狭缝的上述桥轴方向尺寸与上述横截面的上述桥轴方向尺寸之比在0.2以上、0.3以下。
通过相对桥梁主塔的横截面，形成向桥轴垂直方向贯穿的狭缝，能够抑制由向桥轴垂直方向的风所产生的桥轴方向的振动。具体地说，能够抑制如下产生的振幅用风速除以主塔的固有频率及主塔横截面的桥轴垂直方向尺寸而实现无因次化的无因次风速在10以下时产生的限定振动的振幅。
若增大狭缝的宽度，则能够抑制对桥轴垂直方向的风的限定振动。但是，本发明人等经过更深入的研究发现，在风速进一步增大的情况下，若将狭缝宽度增加到规定值以上，振动振幅反而增加。总之，本发明人等对具有长方形横截面形状的主塔进行了风洞试验，并经进一步研究发现，如果改变狭缝的宽度，则无因次风速在20～30之间时所产生的最大振幅存在最小值。具体地说，通过使狭缝的桥轴方向尺寸与横截面的桥轴方向尺寸之比在0.2以上、0.3以下，能够减小无因次风速在20～30之间产生的最大振幅。
桥轴方向的狭缝宽度与横截面的桥轴方向的尺寸之比最好为大致0.25。
在本发明的第2方式的桥梁主塔中，塔柱的横截面的包络形状为桥轴垂直方向的尺寸小于桥轴方向的尺寸的长方形，向上述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，在上述包络形状的四个角处形成缺口部。从位于桥轴方向一个边上的桥轴方向缺口位置向位于与该边垂直的桥轴垂直方向的另一边上的桥轴垂直方向缺口位置开设该缺口部，从上述包络形状的角部至上述桥轴方向缺口位置的桥轴方向缺口尺寸大于从该角部至上述桥轴垂直方向缺口位置的桥轴垂直方向缺口尺寸。
通常通过在四个角处设置缺口部提高桥梁的抗风稳定性是公知的。本发明人等对横截面包络形状为长方形的主塔进行了风洞试验，并经进一步研究发现，存在最佳缺口部的形状。即，通过设置桥轴方向缺口尺寸大于桥轴垂直方向缺口尺寸的缺口部，能够尽可能地抑制由朝桥轴方向的风产生的振动。
此外，由于形成了向桥轴垂直方向贯穿的狭缝，因此，也能够尽可能地抑制由桥轴垂直方向的风产生的振动。
虽然典型的缺口部形状为长方形，但并不局限于此，例如，也可以采用使角部形成倒角的三角形。
另外，上述狭缝的上述桥轴方向的尺寸与上述横截面的上述桥轴方向的尺寸之比最好在0.2以上、0.3以下。
在本发明的第3方式的桥梁主塔中，横截面为桥轴垂直方向的尺寸小于桥轴方向的尺寸的长方形，向上述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，向上述桥轴方向贯穿的狭缝形成于大致中央。
通过相对桥梁主塔的横截面形成向桥轴垂直方向贯穿的狭缝，能够抑制由向桥轴垂直方向的风产生的振动。另外，通过形成向桥轴方向贯穿的狭缝，能够抑制由向桥轴方向的风产生的振动。
此外，在第1至第3方式的桥梁主塔的上述狭缝中设有粘弹性部件。
通过在狭缝中设置粘弹性部件，可进一步地较低地抑制主塔的振动。特别是，如果狭缝的宽度能够使施工人员出入，则能够提高设置时的操作性。
本发明的桥梁的特征在于具有第1至第3方式中任意一种的桥梁主塔。
通过设置具有可降低振动的横截面的主塔，可提高桥梁的抗风稳定性。
根据本发明，通过设置最佳尺寸的狭缝，不仅可降低无因次速度在10以下的限定振动，而且可降低无因次速度为20～30左右的振动。
此外，通过使缺口部的形状达到最佳，能够抑制桥轴垂直方向以及朝桥轴方向的风产生的振动。
图1A为本发明中桥梁主塔的透视图。
图1B为本发明中桥梁主塔的第1实施方式的主塔的横截面图。
图2为显示本发明中第2实施方式的主塔的横截面图。
图3为显示本发明中第3实施方式的主塔的横截面图。
图4为显示在狭缝中设置减震器的状态的横截面图。
图5A及5B显示了本发明的实施例，并显示了通过狭缝获得抗风稳定性。
图6A及6B显示了本发明的实施例，并显示了通过缺口部获得抗风稳定性。
图7显示了本发明的实施方式，并显示了最大振幅相对于狭缝宽度的变化。
图8为显示以往斜拉桥的透视图。
具体实施例方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。
在图1A中显示了在斜拉桥、吊桥等吊式桥梁中使用的主塔。如图8所示，该主塔1通过安装桥架大梁、缆索构成桥梁。
主塔1大致沿垂直方向竖立设置，两根塔柱将桥架大梁夹在中间。在主塔1的上部设有横板8，以提高主塔1的刚性。另外，横板8也可以省略。
在主塔1中，形成了向与桥轴方向X垂直的桥轴垂直方向Y贯穿的狭缝10。面向主塔1的竖立设置方向设有多个狭缝10。
图1B显示了主塔1的横截面。主塔1的横截面是桥轴垂直方向Y的尺寸B小于桥轴方向X的尺寸D的长方形。如该图所示，狭缝10在横截面中大致形成在中央，将狭缝的宽度s与桥轴方向X的尺寸D之比设定为在0.2以上、0.3以下，最好为0.25。
通过设定所述狭缝尺寸s，能够抑制由面向桥轴垂直方向Y的风产生的振动。具体地说，不仅可以抑制如下产生的限定振动振幅通过除以主塔1的固有频率f及主塔横截面的桥轴方向尺寸D而使风速无因次化的无因次风速(＝U/fD；U为风速)在10以下时产生的限定振动振幅，而且还可以减小无因次风速在20～30之间产生的最大振幅。
图2显示了本发明的第2实施方式。在该图中，显示了主塔1的横截面。本实施方式不同之处在于，在第1实施方式的基础上增加了缺口部15。
如图2所示，横截面的包络形状是桥轴垂直方向Y的尺寸B小于桥轴方向X的尺寸D的长方形。与上述实施方式一样，向上述桥轴垂直方向Y贯穿的狭缝10形成于大致中央，将狭缝的宽度s与桥轴方向X的尺寸D之比设定为0.2以上、0.3以下，最好为0.25。
在包络形状为长方形的主塔1的四个角处，形成从位于桥轴方向X的一个边上的桥轴方向缺口位置11向位于与该边垂直的桥轴垂直方向Y的另一边上的桥轴垂直方向缺口位置12开设的缺口部15。从包络形状的角部13至桥轴方向缺口位置11的桥轴方向缺口尺寸D2大于从角部13至桥轴垂直方向缺口位置12的桥轴垂直方向缺口尺寸B2。具体地说，如图2所示，从横截面观察，缺口部15为长方形。当然，代替长方形缺口，也可以使用使角部形成倒角的三角形缺口部，这时，整体来看横截面形状为八角形。
根据本实施方式，由于形成了桥轴方向缺口尺寸D2大于桥轴垂直方向缺口尺寸B2的长方形的缺口部15，因此，能够尽可能地抑制由面向桥轴方向X的风产生的振动。
另外，在本实施方式中，由于形成了向桥轴垂直方向Y贯穿的狭缝10，因此，也能够尽可能地抑制面向桥轴垂直方向Y的风产生的振动。
图3显示了本发明的第3实施方式。在该图中，显示了主塔1的横截面。本实施方式的不同之处在于在第1种实施方式的基础上增加了桥轴方向的狭缝。
如图3所示，除了在桥轴垂直方向Y形成的狭缝10之外，还在大致中央处形成了向上述桥轴方向X贯穿的狭缝20。
通过这种结构，不仅可抑制由面向桥轴垂直方向Y的风产生的振动，而且还可抑制由面向桥轴方向X的风产生的振动。
上述各种实施方式也可以如图4所示，采用在狭缝10、20中设置减震器(damper)(粘弹性部件)25的结构。这样，可进一步抑制主塔1的振动。特别是，若狭缝10、20的宽度能够使施工人员出入，则能够提高设置时的作业性。
在图5A、图5B、图6A、图6B及图7中显示了本发明的实施例。
在各图中显示了使用主塔1的模型的风洞试验结果。
在图5A、图5B、图6A及图6B的表中的第1列中表示试验编号，在第2列表示主塔的横截面形状，在第3列及第4列表示V-A图(风速-反应振幅图)。
在主塔的横截面形状中，桥轴方向尺寸D例如为16m，桥轴垂直方向尺寸B例如为12m(B＝0.75D)。
在V-A图中显示了迎角分别为0°及90°。迎角的定义如图1B所示，将沿桥轴垂直方向Y的气流作为0°，沿桥轴方向X的气流作为90°。通过在V-A图中的横轴上采用无因次风速，用风速U除以主塔的固有频率f及桥轴方向尺寸D(＝U/fD)，由此实现无因次化。V-A图中的纵轴表示无因次化的振幅，通过除以桥轴方向尺寸D实现无因次化。
在图5A及5B中，样品No.S-0，1，2，4，5为比较例，S-3为本发明。在未设置狭缝的基本截面S-0中，无因次风速10以下的限定振动的无因次振幅约为0.14，但是，当无因次风速在13以上时，振动则发散而不能测定。
在作为基本截面的S-0中设置s/D＝0.05(s为狭缝宽度，D为横截面的桥轴方向尺寸)的狭缝的S-1中，限定振动中的无因次振幅在0.16以上，虽然看不出狭缝产生的效果，但当无因次风速在20以上时，发散振动得到一定程度的抑制。不过，当无因次风速超过30时振动发散。
在设置了s/D＝0.1的狭缝的S-2中，将限定振动中的无因次振幅抑制在0.04以下，从而能够获得狭缝的效果。但是，在无因次风速为20～30的区域，无因次振幅达到0.08左右，这时，不能说振动得到了充分的抑制。
作为本发明的设置了s/D＝0.25的狭缝的S-3中，将限定振动中的无因次振幅抑制在0.02以下，而且，在无因次风速为20～30的区域，无因次振幅也被抑制在0.02左右。
进一步扩大狭缝，在设置了s/D＝0.4的狭缝的S-4中，限定振动被抑制，但在无因次风速为20～30的区域中的无因次振幅却增加到0.04左右。
在设置了s/D＝0.5的狭缝的S-5中，与S-4一样，虽然抑制了限定振动，但在无因次风速为20～30的区域中的无因次振幅却未能被抑制。
图7对样品No.S-0～5各个限定振动振幅以及无因次风速为20～30的区域的最大振幅进行了整理。
从该图可看出，虽然通过增大狭缝宽度能够减小限定振动振幅，但对于无因次风速为20～30的区域的最大振幅，狭缝宽度存在着最佳值。具体地说，s/D在0.2以上、0.3以下，最好为0.25的狭缝宽度能够抑制最大振幅。这是经风洞试验之后获得的结果，超过了本领域技术人员的预测。
下面，对形成了缺口部的情况进行研究。
图5B的样品No.C-1为比较例，其中，在S-0的基本截面中形成了B2/D2＝1/2(D2为桥轴方向缺口尺寸，B2为桥轴垂直方向缺口尺寸；参见图2)的长方形缺口部。虽然未抑制迎角为0°时的振动，但对于迎角为90°的风，即对于朝向桥轴方向的风，将限定振动抑制在0.04左右。与S-3中迎角为90°的结果相比，可以说得到了缺口部产生的效果。
样品No.CS-3是本发明，它具有组合了C-1与S-3的横截面。虽然迎角为90°时的无因次振幅有一些增加，但迎角为0°的振动却大幅降低。该CS-3也如图6A所示。
图6A及6B显示了改变缺口部形状的情况。
CS-1，2为比较例，CS-3～5为本发明。
CS-1是在B2/D2＝2的图中使用了横长的(横長の)长方形缺口并设有s/D＝0.15的狭缝的情况。在这种情况下，虽然在迎角为0°时限制了限定振动，但在无因次风速为20以上的区域中振动发散而不能测定。
CS-2具有与CS-1相同的横长的长方形缺口并设有s/D＝0.25的狭缝。虽然在迎角为0°时充分抑制了振动，但迎角为90°时限定振动的无因次振幅变为0.12，从而看不出缺口部的效果。
从CS-1、2的结果可以看出，横长的长方形缺口部，即相对迎角为90°的朝向桥轴方向的风为宽幅的缺口部，对于迎角为90°的风不能获得足够的抗风稳定性。
本发明的CS-3～5为狭缝宽度与CS-2相同，缺口部为纵长的长方形的情况。从其结果可以看出，不仅可抑制迎角为0°时的振动，而且可将迎角90°的振动也抑制在0.08以下(在CS-4及5中为0.04以下)。因此，在将缺口部与狭缝组合的情况下，最好设置桥轴方向的尺寸D2较长的纵长缺口部。
将CS-3与CS-4进行比较，虽然B2/D2为0.5这一点是相同的，但缺口部的面积较小的CS-4在迎角为90°时的抗风稳定性优良。
此外，如CS-5那样，B2/D2为0.75，比CS-3及5更宽幅的长方形也具有足够的抗风稳定性。
此外，也可以象CS-6那样，在CS-5的基础上，可以在狭缝的入口及出口处设置缺口。这样，在狭缝的入口及出口加设缺口部，也可以获得足够的抗风稳定性。
权利要求
1.一种桥梁主塔，其中，塔柱的截面形状为桥轴垂直方向尺寸小于桥轴方向尺寸的长方形，朝所述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，所述狭缝的所述桥轴方向的尺寸与所述横截面的所述桥轴方向的尺寸之比在0.2以上、0.3以下。
2.根据权利要求1所述的桥梁主塔，其中，在所述狭缝上设有粘弹性部件。
3.一种桥梁，设有权利要求1所述的桥梁主塔。
4.一种桥梁主塔，其中，塔柱的横截面的包络形状为桥轴垂直方向的尺寸小于桥轴方向的尺寸的长方形，向所述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，在所述包络形状的四个角处，形成从位于桥轴方向一个边上的桥轴方向缺口位置向位于与该边垂直的桥轴垂直方向的另一边上的桥轴垂直方向缺口位置开设的缺口部，从所述包络形状的角部至所述桥轴方向缺口位置的桥轴方向缺口尺寸大于从该角部至所述桥轴垂直方向缺口位置的桥轴垂直方向缺口尺寸。
5.根据权利要求4所述的桥梁主塔，其特征在于，所述狭缝的所述桥轴方向的尺寸与所述横截面的所述桥轴方向的尺寸之比在0.2以上、0.3以下。
6.根据权利要求4所述的桥梁主塔，其中，在所述狭缝上设有粘弹性部件。
7.一种桥梁，其设有权利要求4所述的桥梁主塔。
8.一种桥梁主塔，其横截面为桥轴垂直方向的尺寸小于桥轴方向的尺寸的长方形，向所述桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，向所述桥轴方向贯穿的狭缝形成于大致中央。
9.根据权利要求8所述的桥梁主塔，其中，在所述狭缝上设有粘弹性部件。
10.一种桥梁，设有权利要求8所述的桥梁主塔。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种桥梁主塔，其具有对于朝桥轴垂直方向的风能够有效降低振动的长方形截面。截面形状为桥轴垂直方向尺寸小于桥轴方向尺寸的长方形，朝桥轴垂直方向贯穿的狭缝形成于大致中央，狭缝的桥轴方向尺寸与横截面的桥轴方向尺寸之比在0.2以上、0.3以下。
文档编号E01D11/00GK1800496SQ20051013393
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年1月7日
发明者平井滋登, 小田学, 本田明弘, 熊谷洋司, 齐藤通 申请人:三菱重工业株式会社