轻量化frp拉索超大跨桥梁研究结构工程专业论文.docxVIP

摘要轻量化FRP拉索超大跨桥梁研究 摘要 轻量化FRP拉索超大跨桥梁研究 摘要 随着桥梁跨径的不断增长，传统钢拉索由于自重大、垂度效应明显、承载效率低等缺点， 限制了超大跨桥梁跨径的提升。同时传统钢拉索的疲劳强度不高、耐腐蚀性能差，钢拉索的 寿命在疲劳与腐蚀的耦合作用下大大缩短，影响了钢拉索的长期服役性能。纤维增强复合材 料(Fiber-Reinforced Polymer，简称FRP)由于具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等优异的力学 性能与化学性能，近三十年来广泛的应用于土木工程结构加固和增强领域，FRP拉索作为FRP 材料最有效的应用方式之一，能够充分发挥其质量轻、抗拉强度高、抗疲劳、耐腐蚀的优势， 规避FRP材料各向异性的劣势。当FRP拉索应用于超大跨桥梁结构，不仅能够有效减轻拉索 的自重、增大超大跨桥梁的跨径，而且还能有效的提高拉索的长期服役性能，FRP拉索为改 善超大跨桥梁的短期、长期性能提供了一个有效的途径。 FRP拉索应用于超大跨桥梁，能够实现超大跨桥梁的轻量化，然而目前对FRP轻量化超 大跨桥梁力学性能研究不足，特别是由FRP轻量化引起的振动问题还有待深入探讨。由于作 用机理较为复杂，拉索振动特性与阻尼性能的研究需要在试验的基础上进行，但是由于目前 缺少超大跨桥梁FRP拉索的应用实例，目前FRP拉索振动特性与阻尼性能的研究分析主要采 用半经验半理论的方法，缺乏试验的支持与验证。同时如何兼顾整桥的力学性能与经济性能， 优化FRP轻量化超大跨桥梁的结构设计，建造跨径更大材料利用效率更高的桥梁的问题也亟 需解决。本文围绕超大跨桥梁FRP轻量化的上述问题，采用理论分析与实验研究相结合的方 式，从整体结构性能、经济性能评价以及拉索振动特性三个方面开展研究，具体的研究内容 与成果包括： (1)基于相似准则，选取苏通大桥中两根最具代表性的斜拉索为原型，设计并按照自由衰减 振动法进行了钢拉索、CFRP拉索与BFRP拉索的模型振动试验，拉索振动试验的结果证 明，设计的拉索模型振动试验，能够有效的模拟实际拉索的振动特性。而且拉索面内振 动试验的阻尼分析结果表明，FRP拉索面内振动的模态阻尼比大于钢拉索，证明拉索的 轻量化有利于提高其面内的减振耗能性能。此外拉索面外振动试验的阻尼分析结果证明， 拉索的面外振动阻尼比与自振频率成反比。基于能量耗散理论以及模态振型曲率法，修 正了拉索模态阻尼比的计算公式，然后根据修正公式计算了FI冲拉索的动态应变阻尼能 系数，结合拉索振动的试验结果，证明了以动态应变阻尼能系数为指标，评价不同材料 拉索阻尼特性的可行性。 (2)通过模型振动实验研究了一种新型FRP自减振拉索的振动特性与阻尼性能，振动试验结 果的对比表明，FRP自减振拉索能够根据拉索振幅的大小调整自身的阻尼特性，实现FRP 拉索的自减振性能。同时基于阻尼耗能理论与粘弹性阻尼理论提出了FRP自减振拉索的 模态阻尼比的计算方法，通过理论计算结果与实验结果的对比证明，本文提出的计算方 法，能够有效的预测FRP自减振拉索的模态阻尼比。 (3)通过不同材料FRP拉索关键的力学性能参数与经济性能参数的分析，确定了不同材料 FI冲拉索的合理适用跨度区间，提出了一种将不同材料FI心拉索在同一桥梁不同跨度区 域混合布置的斜拉桥设计方案。并以主跨为2038m的某跨海大桥为例，对FRP混布拉索 斜拉桥的静、动力性能，以及经济性能进行研究，分析结果表明，FRP混布拉索斜拉桥 方案能够满足超大跨斜拉桥的静力结构设计的要求；而且能够有效的提高整桥的自振频 率，减小桥梁地震位移响应，并提升整桥的抗风稳定性；同时拉索的全寿命周期成本分 析结果表明，在满足超大跨桥梁结构要求的设计方案中，FRP混布拉索斜拉桥的经济性 万方数据 摘要能最优。 摘要 能最优。 (4)基于FRP混合布置拉索的斜拉桥设计方案，以苏通大桥为原型，按照相似准则，提出了 FRP混合布置拉索模型桥的设计方案，按照刚度相似、质量相似的要求，对加劲梁、索 塔、拉索、桥墩等模型桥的主要构件进行了详细的设计，并根据倒拆法对FRP混布拉索 模型桥进行了施工分析，为FRP混合布置拉索斜拉桥的实际施工分析提供了参考。 (5)以主跨为3300m的超大跨悬索桥为例，通过有限元分析，研究了不同材料FRP拉索(尤 其是混杂FRP拉索)超大跨悬索桥的静、动力性能：与传统钢拉索悬索桥相比，FRP拉 索能够增大悬索桥的极限跨径，提高拉索的承载效率，提高拉索的材料利用率，进而优 化整桥的静力学性能；而且拉索的轻量化能够提高了超大跨桥梁的自振频率，提升整桥 的抗风稳定性；同时自重小、阻尼性能良好的FRP拉索还能够有效的减小整桥的地震响 应，提高桥梁的抗震安全性。超大跨悬索桥不同材料拉索的全寿命周期成本评估，基于 第一座进行主缆全面维护的福斯公