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原文传递超大跨CFRP缆索悬索桥力学性能研究

论文题名：	超大跨CFRP缆索悬索桥力学性能研究
关键词：	碳纤维增强聚合物缆索;超大跨悬索桥;力学性能;自振特性;承载效率
摘要：	在新世纪,土木工程结构,特别是桥梁结构和房屋建筑结构的安全性和耐久性日益得到重视,结构材料受到了新的挑战。具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能的碳纤维增强非金属聚合物复合材料(CFRP),引起了土木工程界的广泛重视和兴趣,相关的研究和应用得到迅速开展并不断深入。将CFRP用作悬索桥主缆能充分发挥材料性能优势,一方面,大幅度减轻主缆自重,提高悬索桥承载效率,进而增大悬索桥的极限跨径;另一方面,解决钢主缆的腐蚀问题,特别是位于海洋等恶劣环境条件下的钢主缆极易腐蚀;再次,因主缆自重的大幅减轻,可以采用体积更小的锚碇和索塔,从而节省材料,并方便施工。由于世界上当前尚无CFRP缆索悬索桥建成的先例,相关文献也非常少,因此本文结合国家自然科学基金资助项目-“碳纤维复合材料缆索承重桥力学行为分析与优化设计法研究”(50908016),围绕CFRP缆索悬索桥这一主题,开展了一系列的科研工作,现将本文的主要研究成果和结论概括如下: 　　1、CFRP缆索悬索桥成桥状态计算　　作为准确分析悬索桥静力、动力性能的基础,本文系统地研究了悬索桥主缆线形和内力的计算方法。分别建立了单索和分段悬链线索的线形和内力计算解析公式,同时提出缆索设计参数的迭代求解方法,并编制了相应的计算程序。　　研究了主缆与鞍槽切点坐标的计算方法,推导了主缆与鞍槽间的接触内力及鞍槽内主缆成桥长度、无应力长度的计算公式,并探讨了CFRP主缆对索鞍的设计要求。　　2、超大跨CFRP缆索悬索桥静力性能分析　　独立推导了悬索桥的极限跨径、承载效率、主缆面积、主缆自重应力等的解析计算式,并对两种缆索悬索桥的上述参数进行了计算和比较,证实了CFRP缆悬索桥在静力性能方面的优势。　　探索性设计了主跨分别为2000m、3000m的钢缆悬索桥和CFRP缆悬索桥以及主跨为5000mCFRP缆悬索桥,并分析和比较两者在恒载、汽车荷载、温度作用下的静力性能,得出了若干重要结论,为工程设计提供了科学依据。　　3、超大跨CFRP缆索悬索桥动力性能分析　　基于悬索桥基频解析估算公式,定性地研究了CFRP缆悬索桥的主要自振特性,结果表明,CFRP缆悬索桥的扭弯频率比大于钢缆悬索桥的相应值,对提高抗风稳定性有利。　　基于静力分析所建立的模型,采用有限元法分析和比较超大跨度CFRP缆悬索桥和钢缆悬索桥的动力特性;通过分析主要设计参数对CFRP缆悬索桥动力性能的影响,提出了提高CFRP缆悬索桥空气静力稳定性的措施,为结构的优化设计提供理论基础。　　4、超大跨CFRP缆索悬索桥静风稳定性研究　　根据流体力学的研究手段及控制方程,建立了加劲梁断面气动特性的数值模拟方法,分别利用FEA和FLUENT提取了静力三分力系数,两者吻合较好,表明计算结果可信;运用CFD方法研究了采取边缘风嘴气动措施后各种主梁断面的气动特性,并给出本文设计中比较合理的断面型式,为加劲梁断面的优化设计提供科学依据。　　应用桥梁结构三维非线性空气静力分析方法,首次分析了CFRP缆悬索桥在静风荷载作用下的稳定性和变形特征,并与钢缆悬索桥进行比较,分析结果表明,CFRP缆悬索桥的静风稳定临界风速略小于钢缆索,与经验公式计算结果一致。　　首次分析了矢跨比、加劲梁约束条件、缆索体系等对CFRP缆悬索桥静风稳定性的影响,并据此提出了提高CFRP缆悬索桥抗风稳定性的若干措施。　　5、粘结型锚具的受力分析　　提出了CFRP粘结型直筒式锚具极限承载力的解析计算方法;设计了一种直筒+内锥式锚具;建立了CFRP粘结型锚具的有限元分析方法并分析了其受力全过程;首次分析了粘结胶体的弹性模量和厚度、锚具长度、内锥角度等对CFRP粘结型锚具受力性能的影响,为CFRP锚具的优化提供科学依据。
作者：	孙胜江
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李子青
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文