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原文传递超大跨径碳纤维空间缆索悬索桥力学特性分析

论文题名：	超大跨径碳纤维空间缆索悬索桥力学特性分析
关键词：	悬索桥;碳纤维缆索;力学特性;抗风稳定性
摘要：	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。悬索桥跨径超过2000米后，传统的钢主缆平行缆索悬索桥的主缆材料利用率和抗风稳定性问题十分突出。利用碳纤维材料特性和空间缆索整体性的优势，本文提出一种新型的碳纤维单叶双曲面空间缆索体系悬索桥，在发挥碳纤维材料轻质高强高弹模的同时，采用空间缆索体系提高悬索桥的扭弯频率比，解决抗风稳定性问题。采用试验分析和有限元分析相结合的方法，进行碳纤维空间缆索悬索桥的力学性能研究分析。本文主要工作和研究成果如下: 　　制作了主跨15m的高强纤维单叶双曲面空间缆索悬索桥试验模型，进行了竖向堆载试验、水平荷载试验和模型自振特性测试等试验研究。通过竖向堆载试验发现，空间缆索悬索桥索力分配基本均匀，具有良好的协同工作能力，且随着荷载的增大，每级加载下的竖向位移逐渐减小，存在重力刚度现象。在竖向偏载试验中，空间缆索具有较好的空间整体性，施加偏心荷载后加劲梁的扭转角不大，表明上部空间索网能有效地限制加劲梁的扭转变形，单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的抗扭性能较好。水平荷载静力试验表明，空间缆索内力的的水平向分力参与工作，提高了悬索桥的抗侧刚度。　　对碳纤维空间缆索悬索桥试验模型进行ANSYS建模，开展试验仿真分析研究，有限元结果和试验实测两者吻合较好。在此基础上，开展空间悬索桥影响因素分析研究，讨论了主缆弹性模量、主缆材料、加劲梁弹性模量等因素对空间缆索悬索桥力学性能的影响。进行碳纤维空间缆索桥和平行缆索桥的有限元对比分析研究，研究表明:在相同的荷载等级下，单叶双曲面空间缆索悬索桥竖向刚度略有提高，竖向位移减少了8.5％;偏载下扭转角度较平行悬索桥降低了64％，抗扭性能有很大程度的提高;横向刚度有较大程度的提高，水平位移减小了36.6％，验证了空间悬索桥力学性能上的优势。　　以琼州海峡大桥为背景，选择合理的参数，设计了以碳纤维为主缆材料的跨度4000m空间缆索悬索桥和平行缆索悬索桥的两种方案，进行了成桥状态下的静力性能、动力模态特性及抗风稳定性等方面的力学性能对比研究。分析表明:空间缆索体系悬索桥的扭转频率和扭弯频率比大幅度提高，悬索桥的静风和颤振稳定性都有很大程度的提高，空间缆索体系悬索桥的静风扭转发散临界风速位109.29m/s，平行缆索体系悬索桥的静风扭转发散临界风速为36.14m/s，空间缆索体系悬索桥的颤振临界风速为172.16m/s，平行缆索体系悬索桥的颤振临界风速为38.95m/s，空间悬索桥具有良好的抗风稳定性。　　本文对超大跨径碳纤维空间缆索悬索桥的优化措施进行了初步研究，分析了中央连接扣、钢丝和碳纤维混合主缆、抗风缆索等对4000m跨度碳纤维空间缆索悬索桥的静动力特性及抗风性能的影响，得到了具有一定参考价值的结论。
作者：	邓欣
专业：	建筑与土木工程
导师：	徐文平;李今保
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文