超大跨径CFRP缆索悬索桥力学性能分析及优化设计

论文摘要

随着碳纤维复合材料(CFRP)的在桥梁中的应用研究,其在超大跨悬索桥中的优势日益受到人们的重视。然而,国内外尚无此类桥梁建成,在初步设计时,没有具体的结构尺寸以及相互之间的关系可以借鉴,所以进行优化设计是很有必要的。本文仅对CFRP缆索悬索桥的一些基本尺寸参数对结构的静力性能和自振特性的影响进行了对比分析,然后通过零阶优化法和一阶优化法对其进行静力优化研究,以期得到合理的构造尺寸。本文首先介绍了碳纤维复合材料(CFRP)的基本力学性能,系统地阐述了悬索桥计算理论,包括弹性理论、挠度理论以及有限位移理论为悬索桥的静、动力分析提供理论基础,还介绍了结构优化设计理论,包括它的分类、一般数学模型和算法。其次,对CFRP缆索和钢缆索两种结构的理论极限跨径进行了对比,采用ANSYS软件建立有限元模型,对CFRP缆索悬索桥和钢缆索悬索桥分别进行恒载、汽车荷载以及温度作用的对比分析计算,得出在这些工况下,二者的力学性能差异。然后,采用参数化有限元法(APDL)建立主跨2000m的三跨连续CFRP缆索悬索桥,并调整不同的参数,对比其在不同参数下的静、动力性能,分析这些参数对结构性能的影响。主要参数包括主缆尺寸、主缆垂度以及边中跨比。最后,详细介绍了优化设计的方法和步骤,并采用零阶优化法和一阶优化法对此悬索桥进行了静力性能优化,并对优化前后的模型进行了静、动力性能对比分析,为超大跨悬索桥的优化提供一些具有一定参考价值的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 悬索桥发展综述
• 1.1.1 悬索桥的历史与发展现状
• 1.1.2 悬索桥的主要形式及构造特点
• 1.1.3 悬索桥的发展趋势与面临的问题
• 1.2 CFRP材料简介
• 1.2.1 CFRP材料的力学特性及优缺点
• 1.2.2 CFRP缆索悬索桥的可行性研究
• 1.3 CFRP材料在缆索承重桥中的应用及研究现状
• 1.4 结构优化设计概述
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 悬索桥结构计算理论与优化设计理论
• 2.1 悬索桥结构计算理论
• 2.1.1 弹性理论
• 2.1.2 挠度理论
• 2.1.3 有限位移理论
• 2.2 结构优化设计理论
• 2.2.1 结构优化设计的分类
• 2.2.2 结构优化设计的一般数学模型
• 2.2.3 结构优化设计的算法
• 2.3 本章小结
• 第三章 CFRP/钢缆索悬索桥静动力性能比较分析
• 3.1 CFRP缆索悬索桥理论极限跨径分析
• 3.2 悬索桥有限元模型的建立
• 3.2.1 主要构件及边界条件的模拟
• 3.2.2 结构设计参数及模型的建立
• 3.3 CFRP/钢缆索悬索桥静力性能分析与比较
• 3.3.1 恒载作用下的静力性能对比
• 3.3.2 汽车荷载作用下静力性能比较
• 3.3.3 温度荷载作用下的静力性能对比
• 3.4 CFRP/钢缆索悬索桥动力性能分析与比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 CFRP缆索悬索桥力学特性参数分析
• 4.1 CFRP缆索悬索桥参数化模型的建立
• 4.2 结构参数对悬索桥静力特性的影响
• 4.2.1 主缆垂跨比对悬索桥静力特性的影响
• 4.2.2 边中跨比对悬索桥静力特性的影响
• 4.3 结构参数对悬索桥动力特性的影响
• 4.3.1 主缆垂跨比对悬索桥动力特性的影响
• 4.3.2 边中跨比对悬索桥动力特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 超大跨径CFRP缆索悬索桥优化设计研究
• 5.1 ANSYS优化设计方法
• 5.2 CFRP缆索悬索桥结构尺寸优化
• 5.2.1 优化参数的选择
• 5.2.2 优化结果分析
• 5.3 结构优化前后性能对比
• 5.3.1 静力分析结果对比
• 5.3.2 动力分析结果对比
• 5.4 本章小结
• 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