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碳纤维索在大跨度缆索承重桥梁上的应用研究

作　者: 应磊东
导　师: 张新军
学　校: 浙江工业大学
专　业: 桥梁工程
关键词: 缆索承重桥梁碳纤维索静力特性动力特性抗风稳定性抗震性能等轴向刚度等强度
分类号: U443.38
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 146次
引　用: 5次
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内容摘要

目前,大跨度缆索承重桥梁主要承重构件的缆索基本都采用高强钢材。与钢材相比,碳纤维材料具有强度高、自重轻、抗腐蚀、抗疲劳、耐久性好等优点,特别适合用作要求高强轻质和耐久性好的缆索材料。采用碳纤维索代替钢索,可以减轻桥梁自重,并减小下部结构的规模,增大桥梁的跨径,对降低综合经济指标和施工技术难度都具有十分重要的意义。本文对碳纤维索以及采用碳纤维索的超大跨度斜拉桥和悬索桥的力学性能包括静力特性、动力特性以及抗风抗震性能等方面进行了系统的分析,探讨了碳纤维索在缆索承重桥梁中应用的可能性,研究成果对超大跨度缆索承重桥梁的设计具有很好的理论意义和参考应用价值。首先,通过理论分析,研究了碳纤维索的静力性能(包括索的线形、垂度效应、等效弹性模量、自重应力、极限长度以及承载效率等)和动力特性;其次,基于润杨长江大桥和主跨1400m的斜拉桥设计方案,采用缆索等轴向刚度和等强度的方法,拟定了同跨度采用碳纤维索的悬索桥和斜拉桥方案桥,并采用桥梁结构有限元分析软件MIDAS/Civil、结构三维非线性空气静力分析程序BSNAA以及桥梁空气动力稳定性分析程序BSLFA,分析了缆索承重桥梁的静力、动力、抗震以及抗风等方面的性能,并与钢索情况进行了比较。通过分析和比较表明:(1)与钢索相比,碳纤维缆索具有垂度小、等效弹性模量高、自重应力小、极限长度大和承载效率高以及动力性能好等特点;(2)缆索承重桥梁采用碳纤维索后,特别是缆索截面采用等轴向刚度方法确定时,与钢索情况相比,结构的内力和变形小,自振频率高,并具有更好的抗风稳定性和抗震性能,因此大跨度缆索承重桥梁采用碳纤维缆索是可行的;(3)采用碳纤维索时,缆索截面尺寸应采用等轴向刚度方法确定。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-29
  1.1 碳纤维复合材料简介及分类  15
  1.2 碳纤维复合材料特性  15-19
    1.2.1 碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维的性能比较  15-16
    1.2.2 碳纤维筋与钢材的性能比较  16-19
  1.3 碳纤维复合材料的研究概况  19
  1.4 碳纤维索的构造及性能  19-22
    1.4.1 碳纤维索的构造  19-20
    1.4.2 碳纤维索的材料性能  20-21
    1.4.3 碳纤维索的力学性能  21-22
  1.5 碳纤维索在缆索承重桥梁上应用的研究现状  22-26
    1.5.1 碳纤维复合材料(CFRP)拉索在桥梁结构中的应用实例  22-24
    1.5.2 应用碳纤维主缆的大跨度悬索桥的力学特性分析  24
    1.5.3 应用碳纤维索的大跨度斜拉桥的力学特性分析  24-26
  1.6 CFRP索用于桥梁工程中存在的问题  26-27
  1.7 本文的研究内容  27-29
第二章 CFRP缆索的力学性能研究  29-46
  2.1 引言  29
  2.2 索形基本方程  29-32
    2.2.1 悬链线形  29-31
    2.2.2 抛物线形  31-32
  2.3 垂度效应  32-34
  2.4 等效弹性模量  34-38
  2.5 自重应力  38-39
  2.6 极限长度和承载效率  39-43
  2.7 自振频率和振型  43-45
  2.8 本章小节  45-46
第三章应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的静力特性分析  46-67
  3.1 引言  46
  3.2 桥梁结构三维几何非线性分析的有限元方法  46-53
    3.2.1 CR列式法  46-48
    3.2.2 单元切线刚度矩阵  48-50
    3.2.3 求解方法—修正的Newton-Raphson法  50-52
    3.2.4 收敛准则  52-53
  3.3 计算程序  53
  3.4 缆索承重桥梁三维有限元分析模型  53-54
  3.5 斜拉桥的静力特性分析  54-62
    3.5.1 斜拉桥简介  54-56
    3.5.2 拉索初始索力的确定  56-58
    3.5.3 汽车荷载作用下斜拉桥的静力特性  58-62
  3.6 悬索桥的静力特性分析  62-66
    3.6.1 悬索桥简介  62-63
    3.6.2 汽车荷载作用下悬索桥的静力特性  63-66
  3.7 本章小节  66-67
第四章应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的动力特性分析  67-86
  4.1 引言  67
  4.2 结构动力特性分析理论  67-69
  4.3 结构动力特性分析软件  69-70
  4.4 CFRP索斜拉桥的动力特性分析  70-77
  4.5 CFRP主缆悬索桥的动力特性分析  77-85
  4.6 本章小节  85-86
第五章应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的地震特性分析  86-99
  5.1 引言  86
  5.2 桥梁的抗震分析方法  86-87
    5.2.1 桥梁的抗震分析方法简介  86-87
  5.3 反应谱方法的基本原理  87-91
    5.3.1 基本假设  87
    5.3.2 基本原理  87-89
    5.3.3 地震惯性力计算  89-90
    5.3.4 反应谱组合方法  90-91
  5.4 桥梁地震反应分析简介  91-92
  5.5 CFRP索斜拉桥的地震反应分析  92-96
  5.6 CFRP主缆悬索桥的地震反应分析  96-98
  5.7 本章小结  98-99
第六章应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的抗风特性分析  99-118
  6.1 引言  99
  6.2 大跨度桥梁三维非线性空气静力分析方法  99-101
    6.2.1 非线性静风荷载  99-101
    6.2.2 结构静风平衡方程  101
  6.3 求解方法与计算程序  101-102
  6.4 应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的静风稳定性分析  102-112
    6.4.1 碳纤维索斜拉桥的静风稳定性分析  102-107
    6.4.2 碳纤维主缆悬索桥的静风稳定性分析  107-112
  6.5 应用碳纤维索(主缆)的缆索承重桥梁的颤振稳定性分析  112-115
    6.5.1 多模态颤振的有限元分析方法  112
    6.5.2 自激气动力计算模型  112-113
    6.5.3 单元气动力矩阵  113-114
    6.5.4 运动模态方程  114-115
  6.6 碳纤维索斜拉桥的空气动力稳定性分析  115-116
  6.7 碳纤维主缆悬索桥的空气动力稳定性分析  116-117
  6.8 本章小结  117-118
第七章总结与展望  118-120
  7.1 研究工作及主要结论  118-119
    7.1.1 CFRP索力学性能  118
    7.1.2 应用碳纤维索缆索承重桥梁的力学性能  118-119
  7.2 展望  119-120
参考文献  120-123
致谢  123-124
攻读硕士学位期间发表的论文  124

碳纤维索在大跨度缆索承重桥梁上的应用研究

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