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5000m跨径CFRP缆索悬索桥概念设计与抗风稳定性分析
| 论文题名： | 5000m跨径CFRP缆索悬索桥概念设计与抗风稳定性分析 |
| 关键词： | 悬索桥;缆索结构;碳纤维增强复合材料;动力特性;抗风性能 |
| 摘要： | 悬索桥由于其合理的受力性能，跨越能力在各种桥型中名列榜首，从已建成的日本明石海峡大桥（跨径1991m），到规划中的意大利墨西拿海峡大桥(跨径3300m)，悬索桥的跨径极限不断被刷新，朝着更大更长的方向推进成为现代悬索桥的发展趋势。钢材作为悬索桥缆索结构的传动材料，因为本身自重大等原因很难适应超大跨径悬索桥的建设。而CFRP作为一种质量轻、强度大、耐腐蚀等优点的新型材料，作为悬索桥主缆材料可以发挥出极大的优势。目前国际上对于CFRP材料在桥梁工程中的应用还处于试验阶段，因此本文则对超大跨径CFRP缆索悬索桥进行探索性的研究: 本文首先从悬索桥的设计入手，对悬索桥主缆的线性和内力的精确计算进行研究。首先推导单索平衡方程，对比传统的主缆抛物线公式以及悬链线公式的异同。再建立弹性分段悬链线方程，提出一种精确计算主缆线型的解析方法，并推导索段无应力长度，索段内力的计算公式。编制Matlab计算程序对其进行求解，与有限元软件计算出的线型进行对比验证，为下文的设全桥计奠定基础。 推导了成桥状态下悬索桥主缆合理面积的计算公式，以主缆面积作为控制因素，分别对钢、CFRP作为主缆材料进行评价，研究不同主缆材料悬索桥的承载效率以及经济性能。选择合理的参数，设计了一座主跨5000mCFRP主缆的三跨悬索桥。检验全桥在6种不同荷载工况下的刚度、强度以及稳定性。计算分析矢跨比、边-中跨比、恒载集度、桥塔形式等参数对其静力性能的影响。同时通过数值计算给出5000mCFRP悬索桥的前25阶自振频率和振型，总结变化规律。计算分析矢跨比、边-中跨比、分体式加劲梁槽宽比、加劲梁刚度、中央连接扣等结构参数对5000m跨度CFRP悬索桥的动力特性的影响。 阐述了风致结构静力失稳的基本概念，再采用计算流体力学(CFD)数值方法，计算对比了悬索桥分体式和整体式加劲梁断面的三分力系数以及风场特性。并编制了基于ANSYS15.0的三维非线性静风稳定计算程序。计算两种加劲梁形式5000mCFRP主缆悬索桥的失稳临界风速，并分析在临界风速附近加劲梁以及缆索结构的位移、应力变化趋势。计算对比两种加劲梁方案悬索桥的颤振临界风速。设计钢缆索悬索桥方案与CFRP方案进行对比，计算并评价其动力特性和抗风性能。 |
| 作者： | 陈泽 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 廖海黎 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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