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超大跨CFRP缆索悬索桥力学性能研究

作　者: 孙胜江
导　师: 李子青
学　校: 长安大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 悬索桥碳纤维增强聚合物（CFRP）成桥状态静力性能自振特性气动特性静风稳定性粘结型锚具
分类号: U448.25
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在新世纪，土木工程结构，特别是桥梁结构和房屋建筑结构的安全性和耐久性日益得到重视，结构材料受到了新的挑战。具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能的碳纤维增强非金属聚合物复合材料（CFRP），引起了土木工程界的广泛重视和兴趣，相关的研究和应用得到迅速开展并不断深入。将CFRP用作悬索桥主缆能充分发挥材料性能优势，一方面，大幅度减轻主缆自重，提高悬索桥承载效率，进而增大悬索桥的极限跨径；另一方面，解决钢主缆的腐蚀问题，特别是位于海洋等恶劣环境条件下的钢主缆极易腐蚀；再次，因主缆自重的大幅减轻，可以采用体积更小的锚碇和索塔，从而节省材料，并方便施工。由于世界上当前尚无CFRP缆索悬索桥建成的先例，相关文献也非常少，因此本文结合国家自然科学基金资助项目－“碳纤维复合材料缆索承重桥力学行为分析与优化设计法研究”（50908016），围绕CFRP缆索悬索桥这一主题，开展了一系列的科研工作，现将本文的主要研究成果和结论概括如下：1、CFRP缆索悬索桥成桥状态计算作为准确分析悬索桥静力、动力性能的基础，本文系统地研究了悬索桥主缆线形和内力的计算方法。分别建立了单索和分段悬链线索的线形和内力计算解析公式，同时提出缆索设计参数的迭代求解方法，并编制了相应的计算程序。研究了主缆与鞍槽切点坐标的计算方法，推导了主缆与鞍槽间的接触内力及鞍槽内主缆成桥长度、无应力长度的计算公式，并探讨了CFRP主缆对索鞍的设计要求。2、超大跨CFRP缆索悬索桥静力性能分析独立推导了悬索桥的极限跨径、承载效率、主缆面积、主缆自重应力等的解析计算式，并对两种缆索悬索桥的上述参数进行了计算和比较，证实了CFRP缆悬索桥在静力性能方面的优势。探索性设计了主跨分别为2000m、3000m的钢缆悬索桥和CFRP缆悬索桥以及主跨为5000mCFRP缆悬索桥，并分析和比较两者在恒载、汽车荷载、温度作用下的静力性能，得出了若干重要结论，为工程设计提供了科学依据。3、超大跨CFRP缆索悬索桥动力性能分析基于悬索桥基频解析估算公式，定性地研究了CFRP缆悬索桥的主要自振特性，结果表明，CFRP缆悬索桥的扭弯频率比大于钢缆悬索桥的相应值，对提高抗风稳定性有利。基于静力分析所建立的模型，采用有限元法分析和比较超大跨度CFRP缆悬索桥和钢缆悬索桥的动力特性；通过分析主要设计参数对CFRP缆悬索桥动力性能的影响，提出了提高CFRP缆悬索桥空气静力稳定性的措施，为结构的优化设计提供理论基础。4、超大跨CFRP缆索悬索桥静风稳定性研究根据流体力学的研究手段及控制方程，建立了加劲梁断面气动特性的数值模拟方法，分别利用FEA和FLUENT提取了静力三分力系数，两者吻合较好，表明计算结果可信；运用CFD方法研究了采取边缘风嘴气动措施后各种主梁断面的气动特性，并给出本文设计中比较合理的断面型式，为加劲梁断面的优化设计提供科学依据。应用桥梁结构三维非线性空气静力分析方法，首次分析了CFRP缆悬索桥在静风荷载作用下的稳定性和变形特征，并与钢缆悬索桥进行比较，分析结果表明，CFRP缆悬索桥的静风稳定临界风速略小于钢缆索，与经验公式计算结果一致。首次分析了矢跨比、加劲梁约束条件、缆索体系等对CFRP缆悬索桥静风稳定性的影响，并据此提出了提高CFRP缆悬索桥抗风稳定性的若干措施。5、粘结型锚具的受力分析提出了CFRP粘结型直筒式锚具极限承载力的解析计算方法；设计了一种直筒+内锥式锚具；建立了CFRP粘结型锚具的有限元分析方法并分析了其受力全过程；首次分析了粘结胶体的弹性模量和厚度、锚具长度、内锥角度等对CFRP粘结型锚具受力性能的影响，为CFRP锚具的优化提供科学依据。

超大跨CFRP缆索悬索桥力学性能研究

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