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原文传递基于高性能材料的千米级跨径混凝土斜拉桥力学性能研究

论文题名：	基于高性能材料的千米级跨径混凝土斜拉桥力学性能研究
关键词：	混凝土斜拉桥;力学性能;高性能材料;有限元法;荷载能力
摘要：	本文基于RPC和CFRP材料的优越性能，依托国家自然科学基金资助项目“基于高性能材料的特大跨径混凝土斜拉桥的结构性能”，提出千米级CFRP索RPC梁混凝土斜拉桥方案，并从静力特性、动力特性、稳定性能、抗风以及抗震性能等方面探讨CFRP拉索超高性能混凝土特大跨径斜拉桥结构应用的可行性。主要的研究工作如下: 　　(1)以1090m主跨的钢索钢主梁普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为例，拟定了一座同跨度的CFRP索RPC梁混凝土斜拉桥体系新方案。其中拉索采用等强度原则将原桥的钢索替换成CFRP索，主梁考虑截面刚度、抗剪、抗冲切、局部稳定和局部抗弯等要求将原桥的钢主梁替换成RPC主梁，主塔考虑强度和稳定需要将原桥的普通混凝土主塔替换成RPC主塔。　　(2)采用有限元法分别对原方案和新方案在恒载、活载、温度荷载和静风荷载及各种荷载组合下的主梁挠度、索塔偏位、结构内力及应力等各项静力性能进行了对比分析，结果表明本文所提新方案具有良好的结构静力特性。相对于原方案，新方案在RPC主梁替换钢主梁后应力明显减少，且分布更均匀;在CFRP索替换钢索后，由于线膨胀系数不及钢材的1/10，在结构中所引起的温度变形很小，约为钢拉索的1/25。　　(3)考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，应用大型有限元通用程序ANSYS对两种方案结构的静力稳定和静风稳定性能进行分析。静力稳定分析结果表明两种方案各工况下弹性稳定安全系数和非线性稳定安全系数均满足规范要求，且新方案静力稳定安全系数较原方案有所增大。相对于原方案，新方案CFRP索由于较高的比刚度和比强度，分析时可不计入其几何非线性的影响;而RPC主塔替换后纵向刚度的改善，在一定程度上延缓了新方案结构失稳破坏。静风稳定分析结果表明，在0°风攻角下，原方案静风失稳临界风速为179m/s，新方案静风失稳临界风速为165m/s，失稳形态均为弯扭耦合屈曲失稳;相对于原方案，新方案主梁在替换后竖向刚度下降了38％、扭转刚度下降了57％，但CFRP索较高的比刚度和比强度对结构竖向刚度和扭转刚度的改善以及主梁自重的增加，使新方案失稳临界风速仅下降了8％左右。　　(4)应用大型有限元程序MIDAS对两种方案进行了动力特性分析。结果表明，虽然新方案主梁替换后竖向刚度下降了38％，但CFRP索较高的比刚度和比强度改善了结构的竖向刚度，使新方案竖弯振型对应的频率下降不足20％;在RPC主塔替换普通混凝土主塔后，由于纵向刚度和横向刚度的改善，提高了新方案的基频，并延缓了主塔侧弯振型的出现。　　(5)分别采用反应谱法和时程分析法对原方案和新方案进行了弹性地震响应分析，并对所提体系进行了抗震性能评价。结果表明新方案具有与原方案相近的抗震性能，且在恒载与地震力组合下新方案各部分的应力和位移均能满足正常使用要求。相对于原方案，新方案在主塔采用RPC材料后纵向刚度和横向刚度的提高，减少了地震荷载作用下主塔塔顶位移，增大了塔底弯矩，有效的发挥了RPC材料的高强性能;在拉索采用CFRP材料后比刚度和比强度的提高，改善了结构的竖向刚度，并在一定程度上弥补了RPC主梁替换钢主梁后竖向刚度下降的不足，使两种方案在地震荷载作用下主梁竖向位移基本一致，新方案略大于原方案。　　(6)提出了RPC桥墩恢复力模型。以RPC箱型桥墩为研究对象，首先基于OPENSEES计算平台，选取Concrete02本构关系和Steel02本构关系，结合非线性梁柱单元，建立了RPC桥墩抗震分析模型，并通过3个常轴力RPC桥墩水平反复加载试验结果对数值分析模型进行了验证，在此基础上运用OPENSEES对RPC桥墩延性抗震性能进行了参数分析。然后基于数值分析结果和3个常轴力RPC箱型桥墩拟静力试验结果，考虑水平荷载作用方向对RPC箱型墩抗震性能的影响，建立了计入双轴水平力耦合效应的RPC箱型桥墩恢复力模型，并通过编制的双轴压弯构件非线性分析程序对恢复力模型进行了验证。　　(7)基于编制的双轴压弯构件非线性分析程序对RPC桥墩塑性铰长度进行了探讨并提出了相应的塑性铰长度回归公式。结果表明，桥墩塑性铰长度随墩柱高度和截面短边尺寸的增加单调递增，随轴压比的增加单调递减，随水平加载角度和纵筋直径的增加呈先增大后减少的趋势;其中强轴塑性铰长度小于弱轴，斜向60°左右加载时塑性铰长度最大，而在高轴压比时塑性铰长度接近零。提出的塑性铰长度回归公式计算结果与数值结果对比表明，回归公式计算值能较好的吻合数值结果并限制过大的塑性铰长度。　　(8)基于提出的RPC桥墩恢复力模型和塑性较长度回归公式，运用大型有限元程序Midas建立了新方案弹塑性地震响应分析模型并对其进行了延性分析。结果表明，通过修正Midas中已有的Takeda四直线恢复力模型能较好的拟合RPC桥墩恢复力模型;在E2地震作用下，主塔塔底虽已进入塑性阶段，但其塑性变形并未充分发挥，抗震设计时可适当减少其截面尺寸。最后为提高所提体系的抗震能力，基于建立的分析模型对粘滞阻尼器进行了阻尼系数和速度指数优化。结果表明，就本文所提体系而言，阻尼系数C取2000且速度指数α为0.4时，阻尼器减震效果最优，相应的塔顶纵向位移和塔底纵向弯矩最大值分别减少了35％和31％。
作者：	任亮
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	方志
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文