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原文传递超大跨径空间缆索体系悬索桥的力学性能分析与试验研究

论文题名：	超大跨径空间缆索体系悬索桥的力学性能分析与试验研究
关键词：	悬索桥;力学性能;动力稳定性;横向刚度;抗扭刚度
摘要：	桥梁必需的使用宽度是有限的，而随着跨径的不断增大，宽跨比不断减小，从而使桥梁的横向刚度和扭转刚度也不断减小，结构阻尼越来越低，同时宽跨比的减小又影响到桥梁的动力稳定性，这对跨越能力大且多建造在风速较大的江河海峡处的悬索桥来说尤为明显。单叶双曲面空间缆索悬索桥24根主缆形成稳定的空间网架结构，主缆和吊索也形成了一个三维的索系，在对竖向刚度影响不大的情况下，缆索系统的横向刚度和抗扭刚度得到显著提高，从而大大提高了整个桥梁的空间刚度和抗风稳定性。论文的主要工作和研究成果如下: 　　制作椭圆截面单叶双曲面空间缆索体系悬索桥与同规模平行缆索悬索桥的对比试验模型，进行了竖向荷载静力试验，单车道竖向偏载试验，水平荷载静力试验以及模型横向与扭转自振特性测试等。通过对比试验，研究了椭圆截面单叶双曲面空间缆索悬索桥在工况荷载作用下加劲梁和空间缆索的变形和应力应变规律，证实了24根空间缆索具有优良的协同工作性能。　　建立两种悬索桥的ANSYS和Midas有限元模型，对模型试验进行仿真分析，有限元结果和试验结果两者差别在合理的范围之内。其次对试验工况进行了扩展分析，进一步研究两者在静动力特性方面的差异。研究结果发现，新型缆索体系悬索桥出现对抗风不利的横向与扭转振型晚于平行缆索悬索桥，对应的频率较之后者也较大。新型单叶双曲面空间缆索悬索桥的缆梁连接更加紧密，振动更一致，缆索对加劲梁有着更牢靠的约束，这说明新型空间缆索悬索桥具有更好的空间整体性能，新型空间悬索桥具有良好的抗风稳定性能。　　借鉴已有的三维主缆线形计算方法，直接从三维索的几何方程和平衡方程出发推导了索形迭代计算方法，并用ANSYS有限元软件对单叶双曲面空间缆索悬索桥在自重荷载下进行找形，并给出了找形具体步骤和算法过程。进行了主跨4000米级椭圆环梁单叶双曲面与同规模平行缆索悬索桥的概念设计，对比分析了两者在常见荷载作用下的力学性能，开展了新型悬索桥的自振特性、静风稳定性能、颤振稳定性研究等。论文研究了在单叶双曲面空间缆索悬索桥跨中区域设置刚性中央扣对其动力特性产生的影响。有限元计算结果发现，中央扣限制了结构的纵飘特性，同时加强加劲梁-主缆-主塔的动力耦合作用。基于ANSYS软件对比研究主缆采用钢丝束与CFRP材料对其受力性能的影响。超大跨径空间悬索桥主缆采用CFRP材料使得主缆应力大幅度降低，因而具有更大的主缆应力安全储备，相同结构参数的CFRP缆索悬索桥在空气动力稳定性方面较钢缆悬索桥也有优势。　　虽然目前单叶双曲面空间缆索悬索桥还处于起步阶段，但随着悬索桥跨径的不断增大，为提高结构的横向受力性能和抗扭刚度，改善结构的动力稳定性，将来大跨径悬索桥也很可能采用单叶双曲面空间缆索形式。所以，对单叶双曲面空间缆索悬索桥是有应用意义的。
作者：	徐鲍
专业：	土木工程；结构工程
导师：	徐文平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文