超大跨CFRP纜索懸索橋力學(xué)性能研究.pdf

1、在新世紀(jì),土木工程結(jié)構(gòu),特別是橋梁結(jié)構(gòu)和房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性日益得到重視,結(jié)構(gòu)材料受到了新的挑戰(zhàn)。具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良性能的碳纖維增強(qiáng)非金屬聚合物復(fù)合材料(CFRP),引起了土木工程界的廣泛重視和興趣,相關(guān)的研究和應(yīng)用得到迅速開展并不斷深入。將CFRP用作懸索橋主纜能充分發(fā)揮材料性能優(yōu)勢(shì),一方面,大幅度減輕主纜自重,提高懸索橋承載效率,進(jìn)而增大懸索橋的極限跨徑;另一方面,解決鋼主纜的腐蝕問題,特別是位于海洋等惡劣

2、環(huán)境條件下的鋼主纜極易腐蝕;再次,因主纜自重的大幅減輕,可以采用體積更小的錨碇和索塔,從而節(jié)省材料,并方便施工。由于世界上當(dāng)前尚無(wú)CFRP纜索懸索橋建成的先例,相關(guān)文獻(xiàn)也非常少,因此本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目-“碳纖維復(fù)合材料纜索承重橋力學(xué)行為分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)法研究”(50908016),圍繞CFRP纜索懸索橋這一主題,開展了一系列的科研工作,現(xiàn)將本文的主要研究成果和結(jié)論概括如下:
　　1、CFRP纜索懸索橋成橋狀態(tài)計(jì)算

3、>　　作為準(zhǔn)確分析懸索橋靜力、動(dòng)力性能的基礎(chǔ),本文系統(tǒng)地研究了懸索橋主纜線形和內(nèi)力的計(jì)算方法。分別建立了單索和分段懸鏈線索的線形和內(nèi)力計(jì)算解析公式,同時(shí)提出纜索設(shè)計(jì)參數(shù)的迭代求解方法,并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。
　　研究了主纜與鞍槽切點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法,推導(dǎo)了主纜與鞍槽間的接觸內(nèi)力及鞍槽內(nèi)主纜成橋長(zhǎng)度、無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的計(jì)算公式,并探討了CFRP主纜對(duì)索鞍的設(shè)計(jì)要求。
　　2、超大跨CFRP纜索懸索橋靜力性能分析
　　獨(dú)立推導(dǎo)了

4、懸索橋的極限跨徑、承載效率、主纜面積、主纜自重應(yīng)力等的解析計(jì)算式,并對(duì)兩種纜索懸索橋的上述參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和比較,證實(shí)了CFRP纜懸索橋在靜力性能方面的優(yōu)勢(shì)。
　　探索性設(shè)計(jì)了主跨分別為2000m、3000m的鋼纜懸索橋和CFRP纜懸索橋以及主跨為5000mCFRP纜懸索橋,并分析和比較兩者在恒載、汽車荷載、溫度作用下的靜力性能,得出了若干重要結(jié)論,為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
　　3、超大跨CFRP纜索懸索橋動(dòng)力性能分析

5、>　　基于懸索橋基頻解析估算公式,定性地研究了CFRP纜懸索橋的主要自振特性,結(jié)果表明,CFRP纜懸索橋的扭彎頻率比大于鋼纜懸索橋的相應(yīng)值,對(duì)提高抗風(fēng)穩(wěn)定性有利。
　　基于靜力分析所建立的模型,采用有限元法分析和比較超大跨度CFRP纜懸索橋和鋼纜懸索橋的動(dòng)力特性;通過分析主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)CFRP纜懸索橋動(dòng)力性能的影響,提出了提高CFRP纜懸索橋空氣靜力穩(wěn)定性的措施,為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　4、超大跨CFRP纜索懸索

6、橋靜風(fēng)穩(wěn)定性研究
　　根據(jù)流體力學(xué)的研究手段及控制方程,建立了加勁梁斷面氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬方法,分別利用FEA和FLUENT提取了靜力三分力系數(shù),兩者吻合較好,表明計(jì)算結(jié)果可信;運(yùn)用CFD方法研究了采取邊緣風(fēng)嘴氣動(dòng)措施后各種主梁斷面的氣動(dòng)特性,并給出本文設(shè)計(jì)中比較合理的斷面型式,為加勁梁斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
　　應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)三維非線性空氣靜力分析方法,首次分析了CFRP纜懸索橋在靜風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性和變形特征,并與

7、鋼纜懸索橋進(jìn)行比較,分析結(jié)果表明,CFRP纜懸索橋的靜風(fēng)穩(wěn)定臨界風(fēng)速略小于鋼纜索,與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致。
　　首次分析了矢跨比、加勁梁約束條件、纜索體系等對(duì)CFRP纜懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響,并據(jù)此提出了提高CFRP纜懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的若干措施。
　　5、粘結(jié)型錨具的受力分析
　　提出了CFRP粘結(jié)型直筒式錨具極限承載力的解析計(jì)算方法;設(shè)計(jì)了一種直筒+內(nèi)錐式錨具;建立了CFRP粘結(jié)型錨具的有限元分析方法并分析了其受力全