基于高性能材料的千米级跨径混凝土斜拉桥力学性能研究

论文摘要

本文基于RPC和CFRP材料的优越性能，依托国家自然科学基金资助项目“基于高性能材料的特大跨径混凝土斜拉桥的结构性能”，提出千米级CFRP索RPC梁混凝土斜拉桥方案，并从静力特性、动力特性、稳定性能、抗风以及抗震性能等方面探讨CFRP拉索超高性能混凝土特大跨径斜拉桥结构应用的可行性。主要的研究工作如下：（1）以1090m主跨的钢索钢主梁普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为例，拟定了一座同跨度的CFRP索RPC梁混凝土斜拉桥体系新方案。其中拉索采用等强度原则将原桥的钢索替换成CFRP索，主梁考虑截面刚度、抗剪、抗冲切、局部稳定和局部抗弯等要求将原桥的钢主梁替换成RPC主梁，主塔考虑强度和稳定需要将原桥的普通混凝土主塔替换成RPC主塔。（2）采用有限元法分别对原方案和新方案在恒载、活载、温度荷载和静风荷载及各种荷载组合下的主梁挠度、索塔偏位、结构内力及应力等各项静力性能进行了对比分析，结果表明本文所提新方案具有良好的结构静力特性。相对于原方案，新方案在RPC主梁替换钢主梁后应力明显减少，且分布更均匀；在CFRP索替换钢索后，由于线膨胀系数不及钢材的1/10，在结构中所引起的温度变形很小，约为钢拉索的1/25。（3）考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，应用大型有限元通用程序ANSYS对两种方案结构的静力稳定和静风稳定性能进行分析。静力稳定分析结果表明两种方案各工况下弹性稳定安全系数和非线性稳定安全系数均满足规范要求，且新方案静力稳定安全系数较原方案有所增大。相对于原方案，新方案CFRP索由于较高的比刚度和比强度，分析时可不计入其几何非线性的影响；而RPC主塔替换后纵向刚度的改善，在一定程度上延缓了新方案结构失稳破坏。静风稳定分析结果表明，在0°风攻角下，原方案静风失稳临界风速为179m/s，新方案静风失稳临界风速为165m/s，失稳形态均为弯扭耦合屈曲失稳；相对于原方案，新方案主梁在替换后竖向刚度下降了38%、扭转刚度下降了57%，但CFRP索较高的比刚度和比强度对结构竖向刚度和扭转刚度的改善以及主梁自重的增加，使新方案失稳临界风速仅下降了8%左右。（4）应用大型有限元程序MIDAS对两种方案进行了动力特性分析。结果表明，虽然新方案主梁替换后竖向刚度下降了38%，但CFRP索较高的比刚度和比强度改善了结构的竖向刚度，使新方案竖弯振型对应的频率下降不足20%；在RPC主塔替换普通混凝土主塔后，由于纵向刚度和横向刚度的改善，提高了新方案的基频，并延缓了主塔侧弯振型的出现。（5）分别采用反应谱法和时程分析法对原方案和新方案进行了弹性地震响应分析，并对所提体系进行了抗震性能评价。结果表明新方案具有与原方案相近的抗震性能，且在恒载与地震力组合下新方案各部分的应力和位移均能满足正常使用要求。相对于原方案，新方案在主塔采用RPC材料后纵向刚度和横向刚度的提高，减少了地震荷载作用下主塔塔顶位移，增大了塔底弯矩，有效的发挥了RPC材料的高强性能；在拉索采用CFRP材料后比刚度和比强度的提高，改善了结构的竖向刚度，并在一定程度上弥补了RPC主梁替换钢主梁后竖向刚度下降的不足，使两种方案在地震荷载作用下主梁竖向位移基本一致，新方案略大于原方案。（6）提出了RPC桥墩恢复力模型。以RPC箱型桥墩为研究对象，首先基于OPENSEES计算平台，选取Concrete02本构关系和Steel02本构关系，结合非线性梁柱单元，建立了RPC桥墩抗震分析模型，并通过3个常轴力RPC桥墩水平反复加载试验结果对数值分析模型进行了验证，在此基础上运用OPENSEES对RPC桥墩延性抗震性能进行了参数分析。然后基于数值分析结果和3个常轴力RPC箱型桥墩拟静力试验结果，考虑水平荷载作用方向对RPC箱型墩抗震性能的影响，建立了计入双轴水平力耦合效应的RPC箱型桥墩恢复力模型，并通过编制的双轴压弯构件非线性分析程序对恢复力模型进行了验证。（7）基于编制的双轴压弯构件非线性分析程序对RPC桥墩塑性铰长度进行了探讨并提出了相应的塑性铰长度回归公式。结果表明，桥墩塑性铰长度随墩柱高度和截面短边尺寸的增加单调递增，随轴压比的增加单调递减，随水平加载角度和纵筋直径的增加呈先增大后减少的趋势；其中强轴塑性铰长度小于弱轴，斜向60°左右加载时塑性铰长度最大，而在高轴压比时塑性铰长度接近零。提出的塑性铰长度回归公式计算结果与数值结果对比表明，回归公式计算值能较好的吻合数值结果并限制过大的塑性铰长度。（8）基于提出的RPC桥墩恢复力模型和塑性较长度回归公式，运用大型有限元程序Midas建立了新方案弹塑性地震响应分析模型并对其进行了延性分析。结果表明，通过修正Midas中已有的Takeda四直线恢复力模型能较好的拟合RPC桥墩恢复力模型；在E2地震作用下，主塔塔底虽已进入塑性阶段，但其塑性变形并未充分发挥，抗震设计时可适当减少其截面尺寸。最后为提高所提体系的抗震能力，基于建立的分析模型对粘滞阻尼器进行了阻尼系数和速度指数优化。结果表明，就本文所提体系而言，阻尼系数C取2000且速度指数α为0.4时，阻尼器减震效果最优，相应的塔顶纵向位移和塔底纵向弯矩最大值分别减少了35%和31%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 RPC 研究现状
• 1.2.1 RPC 配置技术
• 1.2.2 RPC 物理力学性能
• 1.2.3 RPC 构件及结构性能研究
• 1.2.4 RPC 工程应用
• 1.3 CFRP 研究现状
• 1.3.1 FRP 研究现状
• 1.3.2 CFRP 筋（索）结构性能研究
• 1.3.3 CFRP 索的工程应用
• 1.4 高性能材料应用于斜拉桥存在的问题
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 结构方案的设计与论证
• 2.1 钢索钢主梁斜拉桥方案
• 2.1.1 设计技术指标及参数
• 2.1.2 主体结构
• 2.1.3 材料参数
• 2.2 斜拉索的替换
• 2.3 主梁的替换
• 2.3.1 主梁截面的初拟
• 2.3.2 RPC 桥面板抗冲切承载力验算
• 2.3.3 截面局部稳定验算
• 2.3.4 截面抗剪验算
• 2.3.5 主梁局部抗弯验算
• 2.4 主塔和下部结构的替换
• 2.5 CFRP 索 RPC 梁斜拉桥方案
• 2.5.1 几何特性
• 2.5.2 新方案的施工
• 2.6 小结
• 第3章 静力性能分析
• 3.1 分析模型
• 3.1.1 模型建立
• 3.1.2 荷载及荷载组合
• 3.2 恒载作用效应分析
• 3.2.1 合理成桥索力
• 3.2.2 主塔偏位
• 3.2.3 结构内力和应力
• 3.3 汽车荷载作用效应分析
• 3.4 温度荷载作用效应分析
• 3.5 承载能力极限状态内力包络图
• 3.6 正常使用极限状态应力分析
• 3.7 静风性能分析
• 3.8 小结
• 第4章 静力稳定和静风稳定分析
• 4.1 斜拉桥静力稳定分析理论
• 4.1.1 桥梁稳定理论发展
• 4.1.2 第一类稳定问题
• 4.1.3 第二类稳定问题
• 4.1.4 稳定问题的求解方法及评价标准
• 4.2 斜拉桥静风稳定分析理论
• 4.2.1 线性理论方法
• 4.2.2 非线性理论方法
• 4.3 斜拉桥稳定分析模型
• 4.3.1 拉索的模拟
• 4.3.2 主梁的模拟
• 4.3.3 主塔的模拟
• 4.3.4 体系的有限元模型
• 4.4 斜拉桥稳定计算与分析
• 4.4.1 ANSYS 中稳定问题的求解
• 4.4.2 弹性静力稳定分析
• 4.4.3 几何非线性静力稳定分析
• 4.4.4 双重非线性静力稳定分析
• 4.4.5 三维非线性静风稳定分析
• 4.5 小结
• 第5章 动力分析和弹性地震响应分析
• 5.1 动力特性分析理论
• 5.1.1 特征值方程的建立
• 5.1.2 特征值方程的求解
• 5.2 弹性地震响应分析理论
• 5.2.1 反应谱法
• 5.2.2 时程分析法
• 5.3 有限元分析模型
• 5.3.1 桩-土相互作用模型
• 5.3.2 斜拉桥有限元模型
• 5.4 动力特性分析
• 5.5 反应谱分析
• 5.5.1 桥址设计反应谱
• 5.5.2 内力分析
• 5.5.3 位移分析
• 5.6 时程分析
• 5.6.1 桥址地震波的选择
• 5.6.2 内力分析
• 5.6.3 位移分析
• 5.7 抗震性能评价
• 5.7.1 两种分析方法结果对比
• 5.7.2 抗震验算
• 5.8 小结
• 第6章 RPC 箱型桥墩恢复力模型与塑性铰长度
• 6.1 试验概况
• 6.1.1 RPC 箱型桥墩试件设计
• 6.1.2 试验材料及性能参数
• 6.1.3 试验加载装置
• 6.1.4 加载制度
• 6.1.5 试件破坏现象
• 6.1.6 滞回曲线
• 6.1.7 骨架曲线
• 6.2 RPC 箱型桥墩抗震性能分析
• 6.2.1 材料本构关系及其拟合
• 6.2.2 抗震分析模型
• 6.2.3 RPC 桥墩拟静力数值模拟
• 6.2.4 参数分析
• 6.3 RPC 桥墩恢复力模型
• 6.3.1 骨架曲线的确定
• 6.3.2 卸载刚度的确定
• 6.3.3 反复加载下强度退化的确定
• 6.3.4 滞回规则
• 6.4 双轴压弯构件非线性分析
• 6.4.1 基本假定
• 6.4.2 材料的本构关系
• 6.4.3 数值分析原理
• 6.4.4 数值分析与试验结果对比
• 6.5 RPC 桥墩塑性铰长度探讨
• 6.5.1 计算理论
• 6.5.2 数值模拟
• 6.5.3 参数分析
• 6.5.4 数值结果与经验公式对比
• 6.5.5 RPC 桥墩塑性铰长度回归公式
• 6.6 小结
• 第7章 弹塑性地震响应分析
• 7.1 弹塑性地震响应分析理论
• 7.1.1 静力弹塑性分析法
• 7.1.2 动力弹塑性时程分析法
• 7.2 延性响应时程分析
• 7.2.1 塑性铰长度计算
• 7.2.2 恢复力模型及参数确定
• 7.2.3 延性分析模型
• 7.2.4 计算结果分析
• 7.2.5 延性构件变形和强度验算
• 7.3 设置粘滞阻尼器的减震研究
• 7.3.1 粘滞阻尼器概述
• 7.3.2 粘滞阻尼器恢复力模型
• 7.3.3 粘滞阻尼器的参数优化
• 7.3.4 粘滞阻尼器减震效果分析
• 7.4 小结
• 结论与展望
• 1. 本文结论
• 2. 本文创新点
• 3. 展望与建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文目录）