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原文传递碳纤维索斜拉-悬索管桥动力效应分析

论文题名：	碳纤维索斜拉-悬索管桥动力效应分析
关键词：	大跨度桥;碳纤维索;风场仿真;参数分析;地震响应
摘要：	大跨度索结构跨越体系在石油、天然气的管道输送工程中担任不可或缺的角色，由于缆索结构长期暴露于空气中，受温度湿度变化等的影响，缆索易出现锈蚀情况，严重时会发生断索事故。碳纤维索具有高强轻质、耐腐蚀、耐高温等优良的物理化学性能，可有效地解决传统钢索面临的困扰，然而碳纤维材料在实际桥梁工程中的应用较少。采用轻质的碳纤维索代替传统钢索，将使得全桥结构更加轻柔，其抗风抗震等动力性能的变化尤未可知。为解决上述问题，本文以一实际工程为背景，对采用碳纤维材料作为索构件的大跨径斜拉-悬索管桥的动力性能展开分析，主要研究内容及结论如下：　　（1）依托魏荆线汉江跨越管桥换索工程项目，分析斜拉-悬索管桥和普通公路桥梁的区别，总结自身特点。通过轴向等强度原则，将管桥主缆、斜拉索由传统钢材替换为碳纤维材料，并对钢索与碳纤维索性能进行对比分析。　　（2）选取Davenport水平脉动风谱密度函数，基于线性相位滤波器法中的自回归模型，通过Matlab仿真汉江跨越管桥桥位处三维脉动风场，提取脉动风场湍流参数，作为拉索风致振动研究的边界条件。通过Workbench工作平台，实现风场与拉索的单向流固耦合作用，计算碳纤维索与钢索风致振动响应异同，分析碳纤维索换索方案对桥梁气动特性的改变。结果表明，采用碳纤维索作为拉索材料会增加拉索变形，也会增大拉索应力；顺风向碳纤维索风振响应位移相比传统钢索更大，但其随时间衰减较快。　　（3）结合斜拉-悬索管桥受力特点，建立桥塔-拉索-主梁耦合参数振动模型，选用Matlab工具进行数值计算；从动力特征与振幅两方面对比研究碳纤维索与钢索参数振动性能，分析各影响参数如桥面位移、索力、桥塔刚度、拉索阻尼等对于结构参数振动的影响；增设粘滞阻尼器，建立阻尼器减振模型，对比分析两种材料拉索的振动控制效果。结果表明：钢索换为碳纤维索后，其主共振振幅变大，次谐波共振减小，总体上拉索振幅变大，参数振动性能不利；增设粘滞阻尼器进行被动控制后，碳纤维索减振效果优于钢索，振幅显著下降。　　（4）基于反应谱及地震时程分析理论，利用Midas Civil对斜拉-悬索管桥进行动力特性分析，选择合理的反应谱及地震波，确定合适的工况讨论结构在反应谱作用及一维、多维，一致、多点地震波激励下结构的动力响应，确定不同地震波对结构的影响；并将碳纤维索结构与钢索结构的变形、内力进行对比分析，讨论换索对结构的影响。结果表明：斜拉-悬索管桥相比其他普通桥梁频率较小，周期较长；无论是反应谱还是地震波，结构横向地震波响应最明显，且三维地震波激励下结构最危险，主要取决于结构自身横向刚度；换索后，结构的柔度有所增大，对结构地震响应较为有利。
作者：	刘杰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	杨吉新
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020