1. 서 론

 

신흥개발국 으로서 중국은 5,000년 이라는 매우 긴 역사를 가지고 있다. 중국은 수천개의 교량을 건설하였으며, 이들은 중국 문화의 중요한 기능을 담당하였다. 예를 들어, Zhaozhou 석재 아치교는 1,400 년 동안 그 기능을 훌륭히 수행하였고, 고대에 가설된 강재 체인식 현수교는 세계 교량사에서 중요한 의미를 가지고 있는 교량으로 기록되어 있다. 그러나 불행하게도, 19세기에 들어와 시작된 현대적인 교량사업에서는 중국은 서방국가들에 비해 200년 이상 뒤쳐지게 되었다.

1980년대에 들어서서 중국이 급속한 경제성장을 달성하면서부터 중국의 교량기술은 황금기에 접어들게 되었다. 계속적인 중국의 GDP 성장과 꾸준한 교통 기반시설의 투자정책에 따라 국가 핵심 고속도로망이 거의 완성되었으며 이로 인해 매년 수천 개의 고속도로 교량이 건설되었다. 2005년 말 기준으로 336,000 개, 총 연장 14,700Km 의 교량이 건설되었으며, 이 중 38개의 교량이 주 경간장 400m를 넘는 교량이다. 엄청나게 중가하고 있는 교통기반시설에 대한 수요에 부응하기 위해서 국가 고속도로망 계획이 출범하였으며, 26개소의 장대교량을 포함한 많은 교량들이 현재 설계 및 시공되고 있다.

 

2. 교통기반시설의 발전

 

2.1 고속도로 교통 기반시설에의 투자

 

중국은 급속한 경제성장을 경험하고 있으며, 1978년 개혁 개방정책 이후 근 30년간 엄청난 사회적 변화를 맞이하고 있다. 고정가격에 의한 통계치 기준으로 국가 총생산(GDP)은 1978년에는 고작 3,650억 위안이었으나, 2005년의 GDP는 1조 8,396 억 위안으로 엄청난 성장을 이루었으며 이 수치는 27년 전에 비해 약 50배 성장한 결과이다. 지난 27년간의 중국의 GDP 성장율은 <그림 1> 에 나타내었다.

 

 

 

경제적 성장과 사회구조의 변화는 교통수요에 직접적인 영향을 주었는데, 특히 고속도로 교통이 다중 교통수단 정책과 연관되어 대단히 중요한 요소로 부각되었다. 안락하고, 유연하고, 경제적이고, 빠르며 동시에 안전한 현대적인 고속도로가 급증하는 교통수요에 부응하기 위해서 건설되고 있다. 중앙정부와 지방정부는 이러한 고속도로의 중요성을 인지하고 1978년 이후로 고속도로 기반시설에 대한 투자를 증대시키고 있는 상황이다. <그림 2> 에 고속도로 교통시설에 대한 연간 투자액 및 GDP 대비율 이 나타나 있다.

 

 

 

2.2 국가 핵심 고속도로 시스템 건설사업

 

교통기반시설에 대한 집중적인 투자로 인하여 고속도로 공학기술은 대단히 성공적인 성과를 거두었다. 1988년 중국 최초의 고속도로가 개통되기 전까지 전체 중국의 고속도로 연장은 1,000,000Km 에 도달하였으며, 이는 1978년 전체 연장에 비해 117,500Km 가 추가 건설되어 매년 11,750Km 가 새로 건설된 것으로 나타났다. 이러한 고속도로 건설의 속도를 증가시키기 위하여 중국당국은 1989년 국가 핵심 고속도로 시스템 계획(NTHS)을 발족시키게 된다. 이 계획에는 남북축으로 5개의 노선과 동서축으로 7개의 노선을 가지는 총 12개 노선의 전체연장 35,000Km 인 고속도로를 건설하는 대단히 야심찬 계획이었다. 그 이후 중국의 고속도로 건설사업은 2단계의 발전을 경험하게 된다. 첫 번째 발전단계는 1988년부터 1997년간의 10년 동안 매년 514Km 의 고속도로를 추가 건설하였고, 2단계인 1988년부터 2005년 사이에는 <그림 3> 에서 보는 바와 같이 연간 4,350Km 의 고속도로를 추가 건설하였다.

 

 

 

2.3 고속도로 교량의 발전

 

1988년부터 2005년 까지 17년간의 고속도로 기술공학의 황금기에 중국은 전례없는 고속도로 교량 건설 기술의 발전을 경험하게 된다. 2005년 말 기준으로 총 고속도로 교량의 개소수와 연장은 각각 336,000개 및 14,700Km 로 증가하게 되며, 이 수치는 1988년 기준으로 갯수는 약 2배, 교량길이는 약 3배 증가한 수치이다. 이에 대한 자세한 내용은 <그림 4> 에 나타나 있다.

 

 

 

이러한 전체 교량중에서 주 경간장이 400m를 넘는 교량이 38개가 건설되었으며, 이중 현수교가 13개, 사장교가 22개, 아치교가 3개소가 포함되어 있다. <표 1>에 이러한 교량의 목록이 나타나 있다.

 

 

 

 

3. 교통 기반시설의 개선 계획

 

3.1 국가 고속화 도로 네트웍 계획

 

비록 교통 기반시설이 이전 30년간 대단히 성공적인 발전을 이룩했다 하더라도, (예를 들면 중국의 고속도로 연장은 세계 2위로 길긴 하지만) 고속도로 교통시스템은 선진국에 비하면 토지밀도 및 단위 인구당 연장 등의 수치로 비교할 때 대단히 열악한 상황이다. 국토면적에 대한 기준에 근거하여 중국의 고속화도로 밀도는 미국의 27% 에 불과하고 일본의 16% 및 독일의 8% 에 불과하다. 이러한 선진국과 의 격차를 줄이고 빠르고 지속적인 경제성장을 유지하기 위해서 국가 고속화도로 네트웍 계획이 2004년 중국 의회에서 승인되었다. 이 국가 고속화 도로 네트웍 계획은 국가 도로망 계획안에 독립적인 시스템으로 자리잡고 있으며, 모든 중국의 인구 200,000명 이상의 도시를 연결하도록 하는 시스템으로서 이 시스템 적용 시 중국 인구 10억 명과 GDP의 85% 이상을 담당하는 지역을 포괄하게 되는 장대한 계획이다. 이 계획에 의한 전체 도로연장은 85,000Km 에 달하고, 이중 29,000Km 는 이미 건설되었고, 16,000Km 는 건설 중에 있으며, 나머지 40,000Km 는 향후에 추진될 예정으로 있다. 이 사업은 2020년에 완공되는 것으로 계획되어 있다.

 

 

3.2 교통 기반시설 재무분석

 

고속도로 건설사업에 합리적인 투자를 지속하는 것은 이제 중국의 고속도로 교통분야의 영속적인 발전을 위해 그 중요성이 증대되고 있다. 전술한 중국 국가 고속화도로 네트웍을 실현시키기 위한 가장 중요한 사항은 고속도로 기반시설, 그 중에서도 고속화 도로 기반시설에 대한 지속적인 투자기조를 유지하는 것이다. 이 계획에 대한 예산은 총 2 경 위안으로서 2005년부터 2020년 까지 매년 1,300 억 위안 이라는 금액이 소요되는 사업이다. 2005년을 예로 들면 교통기반시설의 건설 및 유지관리에 소요되는 자금출처는 총 6개로 구분되는 데, 지방정부 보조금 및 채권(43.1%), 내국채 (38.2%), 해외채권 및 해외투자(1.3%), 자동차 구입세(10.3%), 중앙정부 보조금(2.4%) 및 이전 연도 잔여 투자금(4.7%) 로 구성되어 있으며 이들은 <그림 6> 에 나타나 있다.

 

 

 

3.3 건설중인 주요 교량사업

 

국가 고속화도로 네트웍 사업의 배경 하에서, 중국은 다수의 기념비적인 장대교량 사업을 포함한 많은 수의 고속도로 교량의 설계 및 시공을 통해 교량공학의 새로운 전기를 마련하였다. 이 사업에는 400m 주경간장을 초과하는 교량이 최소 26개 이상 있으며, 이들 교량은 향후 3년 내에 완공될 것으로 계획하고 있는데, 여기에는 9개의 현수교, 13개의 사장교, 4개의 아치교가 포함되어 있다. <표 2> 에 이들의 목록이 제시되어 있다.

이러한 대규모 사업들 중 주경간장 1,088m 의 Sutong 교와 주 경간장 1,018m 의 Stonecutters 교가 사장교의 세계기록을 경신할 것으로 예상되고, 주 경간장 552m 의 Caotianmen 교는 가장 긴 아치교의 기록을 경신할 것이며, 주 경간장 1,650m 의 Xihoumen 교는 강 박스거더 형식의 현수교 연장기록을 갈아치울 것으로 보고 있다. 또한 Taizhou 교는 1,080m 주 경간장 으로서 2 주경간장을 갖는 현수교의 세계기록에 도전하고 있고, Ningbo Yongjiang 교는 468m 의 2중 연결 사장교의 세계기록을 경신할 것으로 기대되고 있다.

 

 

 

4. 현수교의 공기역학적 문제해결

 

4.1 중앙 안정장치를 도입한 박스커더형 현수교

 

중국에 건설된 13개의 장대 현수교 중에서 2005년에 완공된 Jiangsu Runyang 교는 중국에서 가장 연장이 긴 현수교이며, 세계에서도 일본의 아카시 대교와 덴마크의 Great Belt 교에 이어 3번째로 긴 경간장을 자랑하고 있다. 교량의 일반현황은 3경간 현수교로서 <그림 7> 에 나타나 있는 바와 같이 경간구성은 600m + 1,490m + 600m 로 되어 있다. 바닥판 단면은 일반적인 강 박스단명 형식으로서 36.3m 의 폭과 3m 의 높이를 가지고 있으며 3.75m 의 차선을 양 방향으로 3개씩 통행하도록 계획하고, 양 측면에 3.5m 의 노견을 확보하여 비상시 주차 공간으로 활용할 수 있도록 하였다. <그림 8>

 

 

구조부재의 특성치를 반영한 교량의 동적특성 해석을 유한요소 모델을 이용하여 수행하였으며, 교량의 수평, 수직, 및 비틀림 진동모드에 대한 고유진동수를 수치적으로 추출하여 기존의 유사한 박스거더 타입의 현수교의 고유진동수와 비교 분석하였다. 검토결과 Jiangsu Runyang 교의 수직 및 수평방향 고유진동수는 별다른 문제가 발견되지 않았으나, 비틀림 진동수의 경우 상대적으로 작은 거더단면으로 인하여 다른 비교교량의 수치보다 상당히 작게 나타났다.

 

 

 

교량의 공기역학적인 안정성 확인을 위해 1:70 비율에 의해 제작된 모형을 이용하여 풍동실험을 수행하였으며, 최초 실험결과 풍속 54m/s에서 플러터에 의한 기준충족이 어려운 것을 발견하였다. 따라서 <그림 8> 에 보는 바와 같은 중앙 안정장치를 도입하여 풍동에 대한 요구기군을 만족시켰다.

 

 

 

4.2 최초의 2박스거더 현수교

 

현재 가설중에 있는 9개의 교량에 대해 살펴보면 이 중 zhoushan Xihoumen 교는 중국에서 가장 긴 현수교이며 아카시 대교 다음으로 세계에서 2번째로 긴 교량이 될 것이다. 이 교량의 노선은 Xihoumen 해협의 Jintang 섬과 Cezi 섬을 최단거리로 연결하는 노선으로서 계획되었다. 수심이 깊은 위치의 기초공사를 피하기 위해서 이 교량은 주 경간장이 1,650m 에 이르는 2경간 현수교로 계획하였다.<그림 9 참조>

 

 

 

1,490m 주경간장의 Runyang 교는 Flutter 풍속이 52m/s 였고 주경간장 1,624m 인 Great Belt 교의 Flutter 풍속이 65m/s 였던 경험에 의하면 주 경간장 1,600m 는 박스거더 형식의 현수교의 풍속 안정성 측면에서 볼 때 거의 한계치인 것으로 보였다. 따라서 대체 거더 단면에 대한 검토가 수행되었고 이들에 대한 풍동실험도 수행되었다. 재래적인 단일박스 거더형식을 제외하고 나머지 3개의 단면형태 즉, 중앙부 안정장치를 장착한 단박스 단면(그림 10a), 중앙부 슬롯을 장착한 2중 박스 단면(그림 10b, 10c)은 표 5에 제시한 Flutter 안정기준을 만족하는 것으로 분석되었으며 이 중에서 6m 의 슬롯부를 장착하는 단면이 최종안으로 채택되었다.(그림 10d) 결국 Xihoumen 교는 세계 최초로 풍동 기준을 만족하는 2중 박스 거더 현수교가 되었다.

 

 

 

 

4.3 현수교 경간장의 한계

 

인간의 욕망의 실현과 기술적인 한계에 대항하는 차원에서 교량공학 기술은 해협을 횡단하는 교량을 설계하는데 있어서 커다란 장벽에 부딪치고 있다. 이들 중 가장 큰 한계는 교량 중에서 가장 긴 경간장을 가질 수 있는 현수교의 경간장의 한계이다. 이러한 초 장대 경간장은 기술적 타당성 및 풍동특성과 관련된 문제들을 해결해야 한다.

 

최대 지간장을 갖는 현수교의 기술적 타당성을 검증하기 위해서는 교량 가설재료의 강도와 케이블의 무게에 기초한 정적인 해석을 통해 추정할 수 있다. 일반적인 3경간 현수교에서 주 케이블의 형상이 포물선이라고 가정할 때 중앙경간의 길이는 다음의 부등식을 통해서 추정할 수 있다.

 

 

만일 중량비 w_s/w_c 가 영에 근접하면 최대 경간장 L을 구할 수 있으며, 이때 케이블 재질에 따른 최대강도도 같이 추정이 가능하다.

 

 

여기서 λ 는 항복응력 σ_u 와 등가 밀도 1.1γ_c 의 비율 이고, λ 의 수치가 각각 강재, GFRP, 및 CFRP 에 대해 20,000m, 25,000m 및 60,000m 라고 할 때 윗 식은 다음과 같이 간략화가 가능하다.

 

 

 

만일 강재 케이블을 사용한다고 가정하면, 위 식의 경간장 L 과 중량비 w_s/w_c는 <그림 11> 과 같이 그래프로 나타낼 수 있다. 여기서 4개 형태의 마크는 각각 Great Belt 교(GB), 아카시대교(AK), 메시나 대교(MS) 및 지브럴터 교(GS)를 나타낸다. 위 식을 만족시키기 위해서는 교량의 경간장과 중량비가 세그-경간장 비에 따른 곡선의 내측에 위치하여야 한다. 만일 메시나 대교와 같이 중량비가 0.7 로 선택되었거나, 0.5 로 선택되었다면 교량의 최대 경간장은 각각 5,200m 와 5,900m 로 확대될 수 있을 것이다.

시행오차법을 사용하여 결정하는 일반적인 3경간 현수교에서의 경간장은 주경간장 5,000m 와 측경간장 1,600m 가 <그림 12> 에서 볼 수 있는 것과 같이 현수교의 최대 한계치로 인식되어 왔다. 풍하중 안정성을 개선시키기 위하여 별도의 안정장치 없이 넓은 슬롯형태의 바닥판 단면(WS, 그림 13a)과 수직, 수평방향의 안정장치를 부착하고 좁은 슬롯형태를 갖는 단면(NS, 그림 13b)를 검토하였다. WS 형태의 단면의 총 넓이는 80m 이며 4개의 주케이블로서 5,000m 의 주 경간장을 가지는 반면 NS 단면은 50m 의 넓이를 가지며 2개의 주케이블로 지지된다.

 

 

 

 

 

<표 6> 에 기술되어 있는 구조적 변수들에 기초하여 대상 교량에 대한 동적 유한요소 해석을 시행한 후 2개의 단면에 대해 각각 4개의 중량비에 대한 고유진동수를 구하였고 이를 <표 7> 에 수록하였다. 수평방향 휨 고유진동수는 n=1/8 에서 n=1/11 로 변할 때 WS 단면에서는 16%, NS 단면에서는 17% 의 변동성을 보여주어 WS단면과 NS단면에 대해 거의 비슷한 수치를 보여주었다. 수직 휨 고유진동수는 세그-경간장 비율 및 단면형상에 의해 별다른 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 비틀림 고유진동수의 경우는 각각의 바닥판 형상별로 세그-경간장 비에 따라 다른 결과를 나타내는 것을 알 수 있는데, 세그-경간장 비가 줄어들수록 WS 단면에서는 고유진동수가 상승하고, NS 단면에서는 고유진동수가 하락하는 것을 알 수 있었다. 재미있는 사실은 이 세그-경간장 비가 감소할수록 비틀림 대비 수직휨 고유진동수의 비가 선형적으로 감소한다는 사실이다.

 

 

상기에 나타난 동적 특성치들과 수치적인 flutter 해석에 의한 결과치들을 가지고 대상 현수교의 임계 풍속을 감쇄비 0.5%를 가정하여 다중모드 플러터 해석을 수행한 후 결과를 <표 8> 에 수록하였다. 2가지 바닥판 단면형상에 대하여 경간장 비율 n 이 감소할수록 임계풍속은 증가하는 것으로 나타났으며, 동시에 비틀림 대비 수직 휨 고유진동수의 비는 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 경향의 가장 중요한 원인은 공기역학 안정성 해석시의 일반적인 특성치들이 상당히 증가하기 때문인 것으로 판단되었다. WS단면 및 NS 단면에 대한 최소 임계풍속은 82.9m/s 및 74.7m/s 로 산출되었다.

 

 

 

풍동해석 결과로부터 광폭의 슬롯을 가지는 단면과 중앙부 및 길이방향의 안정장치를 부착한 좁은 슬롯을 가지는 단면 모두 5,000m 주 경간장의 현수교 형식에서는 플러터 진동과 비틀림 발산으로 인한 임계 풍속을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

 

 

5. 여러 교량형식에 대한 기술적 도전

 

5.1 세계 최대경간장의 사장교

 

Jiansu Sutong 교량은 중국 동부의 양쯔강연안의 Suzhou 시와 Nantong 시를 연결하는 교량으로서 주경간장 1,088m 및 측경간장 300m+100m+100m로 구성된 7경간 강 바닥판 사장교이다. 바닥판의 단면은 유선형 형상의 직교 강박스 형상으로서 35.4m 폭과 4m 의 높이로 구성되어 있다. 이 박스 거더는 양 방향 3개의 3.75m 차로폭을 지지하도록 계획되어 있고 양단에 3.5m 의 비상차로를 운영할 수 있도록 계획하였다. <그림14>

 

 

 

홍콩의 Stonecutter 교량은 1,018m 의 주경간 및 79.75m + 70m + 69.25m 의 측경간으로 구성된 강바닥판 사장교이다. 강 바닥판의 단면은 2중 유선형 직교 강박스 형태로서 2 X 15.9m 폭과 3.9m 의 높이를 가지고 있다. 이 거더는 각 방향으로 11m 폭에 3차로를 운용하도록 게획되어 있고 양단에 역시 비상차로를 운용할 수 있도록 길어깨폭을 계획하고 있다.

 

 

hubei Edong 교는 양쯔강을 횡단하는 교량으로서 강재 바닥판 형식의 926m 의 주 경간장과 콘크리트 바닥판 형식의 측경간장 85m + 65m + 65m +65m 으로 구성되어 있는 하이브리드 사장교 이다. 기존의 재래적인 폐합단면의 동역학적 특성 및 풍력특성을 검토 한 후 강 바닥판 단면은 2개의 독립적인 박스거더를 채용하여 거더의 폭은 34.4m, 높이는 3.8m 로 계획되었다. 이때 강 박스거더의 중앙부분은 강재중량을 저감하기 위하여 <그림 16> 과 같이 바닥 플레이트가 없는 형태로 설계되었다.

 

 

앞서 언급한 세 개의 사장교 건설 사업에서 가장 극복하기 어려웠던 문제는 우천시 또는 폭풍시의 장대 케이블의 동적인 거동이었다. 풍동실험 결과 이러한 진동문제는 단순히 강한 바람이 부는 기상상황보다 바람과 비가 동반된 기상상황에서 훨씬 더 문제가 커지는 것을 발견하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 가지 실험 및 해석을 통해 사장 케이블에 나선형 와이어를 사용하고 케이블 표면에 딤플을 만드는 동시에 케이블 정착부에 감쇄장치를 부착하는 방안이 진동문제를 해결하는데 매우 좋은 결과를 나타낸다는 사실을 발견하였다.

 

 

5.2 초 장대 아치교

 

Chongqing Caotianmen 교는 양쯔강을 횡단하는 교량으로서 주경간 552m 와 측경간 190m 로 계획된 연속 강 아치 트러스교이다. 이 교량은 기존의 중국에 건설된 Lupu 아치교의 550m 경간장 기록을 갱신함으로서 세계에서 가장 긴 아치교로 자리매김 하게 되었다. 아치 라이즈 높이는 142m 인데, 이 수치 역시 세계 최고의 기록이다. 2개의 아치 트러스 리브의 폭은 29m 이고, 리브구조의 높이는 중앙경간의 중앙부에서 14m, 중앙지점부 73.13m 및 단부 지점부에서는 11.83m 로 계획되었다. < 그림 17>

 

 

 

아치 트러스구조의 강박스 플랜지 부재는 2중 바닥판을 지지하는데, 상부 바닥판은 6차로의 고속도로이고, 하부 바닥판은 경전철 노선과 1차로 고속도로 차선으로 계획되어 있다. < 그림 18 > 상부 및 하부 바닥판은 직교형태의 강바닥판 으로서 16mm 두께를 가지며, U 형 리브와 3m 간격의 플레이트 거더 격벽으로 보강된 구조형식으로 계획되었다.

 

 

6. 2 주형 거더 및 2 주경간 교량의 기술적 문제점

 

6.1 2 주경간 현수교

 

넓은 강이나 바다를 횡단하는 교량의 건설은 인간의 꿈이자 엔지니어들의 로망이다. 현대적인 현수교는 중앙 주 경간장 2,000m 내외로서 일반적인 3경간 형식을 포함하여 복수의 주경간장을 포함하는 형식 등을 다방면으로 개발하여 새로운 시대의 기술 및 도전의 성과로서 나타내고자 하는 노력을 하고 있다. 이러한 도전의 선두주자로서 COWI 사는 칠레의 Chaocao 교량 건설사업을 각각 1,055m와 1,100m 의 두 개의 주경간장을 갖는 현수교를 제안하였다. 재정적인 문제로 인하여 이 Chaocao 교는 현재 개념설계의 수준에 머물러 있다. 이러한 급속한 기술적인 발전상황 하에서 중국은 2개의 주경간장을 갖는 현수교 건설사업 2개를 추진하고 있다. 두 사업 모두 양쯔강을 횡단하는 교량으로서 Jiangsu Taizhou 교와 Anhui Maanshan 교 이다.

 

 

 

이러한 2 주경간 현수교에서 가장 중요한 사항 중 하나는 중앙 주탑의 종방향 강성(R_p)의 선정이다.

 

 

 

여기서 T₁과 T₂ 는 중앙주탑 상단에서의 양단 케이블 장력을 나타내며, δ_p는 중앙주탑 상단의 종방향 변위를 나타낸다. 가장 불리한 하중조건 상황인 1개의 주경간에만 하중이 재하되었을 때 중앙주탑의 종방향 강성이 교량 전체의 거동을 지배하게 되는데 이 때의 교량거동은 바닥판의 수직변위, 중앙주탑 상단의 종방향 변위, 중앙주탑의 사용하중 응력 및 중앙주탑의 양 방향 케이블 장력차이로 인하여 유발되는 새들패드와 주케이블 간의 슬라이딩 저항 안전율 등 4가지 요소에 의해 지배받게 된다.

 

 

 

여기서 μ 는 주케이블과 새들패드 사이의 마찰계수이며, 많은 실험결과 μ = 0.2를 적용한다. 중국의 고속도로 현수교 설계기준에 의하면 Ks 의 값은 2 보다 커야한다. 만일 중앙주탑의 종방향 강성이 상대적으로 크다면 그림 20a 와 같은 A 형상의 주탑을 적용하여 바닥판의 수직변위 및 중앙주탑 상단의 종방향 변위를 최소화 할 수 있으나, 슬라이딩 안전율과 중앙주탑의 최대응력 측면에서는 불리하게 작용할 것이다. 한편, 만일 종방향 강성이 상대적으로 작다면 그림 20b 와 같은 단일 기둥 주탑을 사용할 수도 있는데 이럴 경우 바닥판 및 주탑의 변위는 상대적으로 커지게 되는 반면 슬라이딩 안전율과 중앙주탑의 최대응력 측면에서는 상대적으로 개선되는 효과를 볼 수 있다.

 

 

 

중앙주탑의 적절한 강성을 부여하기 위하여 다양한 형태의 비교안에 대해 검토한 결과를 <표 10> 에 나타내었고, Y형상의 주탑이 가장 적절한 것으로 판단하였다. A 형 주탑의 경우는 사용하중에 의한 주탑의 응력이 과도하게 발생하였고, 단일기둥의 경우 부재단면이 너무 커지는 문제점이 발생하였기 때문에 이 두 가지 형태를 절충한 안을 선택한 것이다.

 

  

 

6.2 2중 평행 바닥판 사장교

 

계속적으로 증가하는 교통량에 대응하기 위하여, 기존에 가설된 교량 옆에 같은 교량을 건설하거나 애초에 처음부터 2중으로 된 교량을 가설하여 통행량을 크게 할 필요성이 발생하기도 한다. 만일 이 두 개의 바닥판 사이의 간격이 좁다면 이 두 개의 바닥판 구조는 하나의 기초구조에 의해 지지될 수 밖에 없다. 교량설계시 가장 난해한 구조가 이러한 2중 바닥판 형식의 교량인데, 이 중에서도 사장교 형식이 더욱 더 난해한 경우이다. 세계적으로 이러한 2중 바닥판 형식의 교량이 딱 3개가 있으며 이들은 <표 11> 에 기술하였다. 중국의 교량건설 황금기에 이러한 2중 바닥판 교량이 몇 개가 계획되어 진행 중인데, 이중 가장 긴 경간장을 가진 교량은 중앙경간 468m 의 Ningbo Yongjiang 교 이다. <그림 22>

 

 

 

 

Ningbo Yongjiang 교는 넓은 바닥판 폭 으로 인하여 2중 교량으로 계획되었으며, 이 교량의 경간분할은 63m + 132m + 468m + 132m + 63m 로 계획되었다. 공사비의 절감 및 높은 구조적 감쇄와 동적효과를 얻기 위하여 주탑과 바닥판은 모두 철근 콘크리트 구조로 계획하였다. 상세설계 이전에 주탑선정을 위해 구조거동에 대한 예비검토를 수행하였으며 이를 표 12에 나타내었다. 총 6개의 비교안 들은 수직 진동에 대한 고유진동수에서는 거의 차이가 발생하지 않았고, 횡방향 고유주기에 대해서 2중 다이아몬드 형 주탑이 H 형 주탑에 비해 13% 정도 작은 수치를 나타낸 반면 비틀림 고유진동수 측면에서는 H 형 주탑에 비해 2~8% 큰 값을 나타내었다. 결국 2중 다이아몬드 형상의 주탑이 선정되어 상세설계를 진행하였다. 바닥판 형상에 대해서는 < 그림 24> 에 나타난 바와 같이 3개의 형상에 대해 검토하였는데, 먼저 이중 측면리브 형태의 바닥판은 횡방향 고유진동수가 다른 두 형식에 비해 각각 13% 및 23% 정도 크게 나와 불리한 것으로 나타났으나, 비틀림 고유진동수의 경우에는 각각 26% 및 36% 작게 나타나 유리한 것으로 분석되었다. 공기역학적인 안정성 확보를 위해 1:100 모형실험을 수행한 결과 최소 플러터 임계풍속이 이중 측면리브 단면 형상이 95m/s를 나타내어 기준 설계풍속인 66m/s 보다 훨씬 큰 수치를 보여 이러한 이중 측면리브 단면을 바닥판 단면으로 선정하였다.

 

 

 

7. 결 론

 

지난 30년간 50배의 GDP 성장을 이룬 중국은 교통수요의 증가 및 교통시설, 특히 고속도로의 교통시설의 개선을 위한 집중적인 투자 필요성에 직면해 있다. 국가발전계획을 현실화 하기 위해 “국가 핵심 고속도로 사업” 및 “국가 고속화 도로 사업”을 추진하며 1,930,000Km 에 달하는 고속도로 연장과 총 336,600 개소의 교량시설을 건설하고 있으며, 이중 38개의 400m 경간장을 초과하는 장대교량도 포함되어 있다. 여기에는 13개의 현수교와 22개의 사장교 및 3개의 아치교가 포함되어 있으며, 각각의 최대 경간장은 현수교의 경우 1,490m, 사장교의 경우 648m, 아치교의 경우는 550m 이다.

 

▣ 원문제목 : Great Demand and Great Challenge 

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서론

2. 교통시설의 발전

3. 교통시설 개선계획

4. 현수교의 공기역학적 문제해결

5. 여러 교량형식에 대한 기술적 도전

6. 2 주형 거더의 기술적 문제점

7. 결론