大跨径CFRP缆索悬索桥静动力性能分析

论文摘要

从几米、几十米的石板桥,到千米级的大跨径桥梁,每次桥梁跨径有大的飞跃都伴随着新材料的出现。随着交通运输事业的飞速发展,人类需要将悬索桥推向更大跨度,以满足跨越海峡的需求。但是,传统钢缆索因抗锈蚀能力差、自重大等缺点,将不能再适应修建更大跨度桥梁的需要,而碳纤维增强聚合材料(CFRP)的轻质高强、耐腐蚀等优点在大跨度桥梁建造中日益突显出来。鉴于目前尚无建成的CFRP缆索悬索桥,本文仅就CFRP缆索悬索桥与钢缆索悬索桥的静动力性能及影响参数做基本的理论对比研究。本文首先系统地阐述了悬索桥计算理论,包括早期的弹性理论和挠度理论,以及现阶段主要采用的有限位移理论和解析计算理论,并对比分析了后两者的优缺点,为悬索桥的静、动力分析提供理论基础。其次,采用有限元法对比分析了CFRP缆索悬索桥与钢缆索悬索桥在车辆荷载、静风荷载、温度等作用下的静力性能。对比分析了两种缆索悬索桥在半幅、满载工况时的偏载效应,通过分析该工况下主缆、吊索和加劲梁的位移和内力响应,指出两者内力相差不大,CFRP缆索竖向位移较钢缆索稍大,但仍能满足设计规范要求;对比分析了两种桥梁在升温和降温时的作用效应,指出CFRP缆索悬索桥受温度影响远小于钢缆索悬索桥。本文还对CFRP缆索悬索桥的动力特性进行了初步研究,为进一步的风致振动、抗震等研究提供分析依据。通过建立CFRP缆索/钢缆索悬索桥三维模型,对比分析了两种缆索悬索桥的自振特性;分析了垂跨比、中央扣、主缆刚度、加劲梁刚度、吊索刚度等参数对CFRP缆索悬索桥动力特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 悬索桥发展概述
• 1.1.1 悬索桥的起源与变迁
• 1.1.2 悬索桥的发展趋势与面临的新挑战
• 1.1.3 悬索桥的展望
• 1.2 悬索桥结构形式及受力特点
• 1.2.1 悬索桥的结构形式
• 1.2.2 悬索桥的受力特点
• 1.3 FRP 材料简介
• 1.3.1 FRP 的组成和形式
• 1.3.2 CFRP 筋及其力学性能
• 1.3.3 商业化CFRP 筋简介
• 1.3.4 CFRP 筋的优、缺点
• 1.3.5 CFRP 筋的锚固
• 1.4 论文的选题背景及研究意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 悬索桥分析计算理论
• 2.1 弹性理论
• 2.2 挠度理论
• 2.3 有限位移理论及非线性理论
• 2.3.1 有限位移理论的发展及特点
• 2.3.2 非线性有限元问题的解法
• 2.3.3 非线性影响的计算方法
• 2.3.4 收敛准则
• 2.4 悬索桥解析计算理论
• 2.5 有限位移法与解析迭代法比较
• 2.5.1 有限位移法
• 2.5.2 解析迭代法
• 2.6 小结
• 第三章 CFRP 缆索悬索桥成桥状态静力性能分析
• 3.1 CFRP 缆索悬索桥极限跨径分析
• 3.2 CFRP/钢缆索悬索桥承载效率的计算与比较
• 3.3 结构“初始平衡状态”的确定
• 3.4 结构设计参数
• 3.5 恒荷载
• 3.6 汽车荷载
• 3.6.1 汽车满载分析
• 3.6.2 半幅加载分析
• 3.7 横向静风荷载
• 3.7.1 静阵风荷载计算
• 3.7.2 分析结果比较
• 3.8 温度荷载
• 3.8.1 主缆竖向位移
• 3.8.2 主缆内力增量
• 3.9 小结
• 第四章CFRP 缆索悬索桥动力特性分析
• 4.1 概述
• 4.1.1 悬索桥动力分析意义
• 4.1.2 悬索桥振动性状分析方法
• 4.2 悬索桥动力分析方程
• 4.2.1 悬索桥上部结构自由振动的基本微分方程
• 4.2.2 悬索桥竖直挠曲振动基本方程
• 4.2.3 悬索桥水平挠曲振动方程
• 4.2.4 悬索桥扭转振动方程
• 4.2.5 有限元分析
• 4.3 CFRP/钢缆索悬索桥自振特性分析与比较
• 4.3.1 分析结果
• 4.3.2 大跨度悬索桥自振特性的一般规律和 CFRP 缆索悬索桥自振特性
• 4.4 CFRP 缆索悬索桥自振特性的参数分析
• 4.4.1 垂跨比
• 4.4.2 中央扣的设置
• 4.4.3 主缆轴向拉伸刚度
• 4.4.4 加劲梁刚度
• 4.4.5 吊索刚度
• 4.5 小结
• 结论与展望
• 1 全文总结与主要结论
• 2 存在的问题和需要进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢