碳纤维复合材料索斜拉桥的设计与测试

为了解碳纤维复合材料（CFRP）索斜拉桥的结构性能、施工技术以及长期性能,进行了中国首座CFRP索斜拉桥的设计和应用研究。阐述了该桥主要部件的设计要点,采用有限元法分析了其整体受力性能;结合该桥的建造,研究了中等长度CFRP拉索的制备工艺和安装工艺;根据施工过程仿真分析结果,提出拉索的张拉方案,并在拉索张拉期间,对主梁、主塔及拉索进行了全面的测试。测试结果表明,测试值与理论值吻合良好,CFRP拉索中各根筋材受力均匀性很好。该桥在建造期间的测试、分析以及经过2年多的使用充分表明,CFRP拉索在中国斜拉桥上的初次应用是成功的。     

CFRP斜拉索对多塔斜拉桥整体刚度的敏感性研究

CFRP斜拉索在斜拉桥中的应用研究是近年来工程界和学术界研究的热点问题。针对未来多塔斜拉桥应用CFRP索替换钢质拉索进行桥梁设计和换索的工程实际问题,基于赤石大桥的初步设计资料,建立一般多塔斜拉桥的平面有限元模型。针对CFRP索对桥梁整体刚度可能带来的影响,从静态变形和动力学整体模态频率对斜拉索换索的不同工况的敏感性进行了研究。研究表明,CFRP索替换钢质拉索在静动力学性能两个方面均能有效提高原桥刚度,具有较大的应用前景。     

CFRP拉索斜拉桥静载试验分析

为检验碳纤维增强复合材料(CFRP)拉索斜拉桥在运营阶段的实际工作性能,在已有研究成果基础上,对中国首座CFRP拉索斜拉桥进行了静载试验分析.介绍了静载试验的主要内容和方法,并将有限元模型的理论计算结果与该桥应变、位移的实测结果进行了对比分析.分析结果表明:结构的静力行为与理论计算结果基本吻合,桥梁刚度和承载能力满足设计要求,整体工作性能良好.研究结果可为CFRP拉索应用于大跨斜拉桥建造的研究和实践提供参考.     

CFRP索斜拉桥的动力特性分析

采用CFRP拉索是解决传统钢拉索腐蚀退化问题的根本途径,由于CFRP的自重仅为钢材的1/5,当跨径很大时,CFRP索斜拉桥的动力特性与钢索斜拉桥的动力特性会有区别,为此,以探索性设计的跨径为1 000 m的CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥为例,采用有限元法对比分析了2种拉索斜拉桥主要的动力特性,并研究了成桥初应力对斜拉桥动力特性的影响。鉴于当前对影响斜拉桥动力特性的一些关键参数少有系统研究的状况,详细分析了不同结构体系、辅助墩设置个数、拉索空间布置型式、边中跨跨径之比等参数,对CFRP索斜拉桥的动力特性的影响,得出了若干结论,为CFRP索斜拉桥的优化设计提供理论依据。     

超大跨度CFRP索斜拉桥的力学性能分析

为了探讨碳纤维材料(CFRP)索在超大跨度斜拉桥中应用的可行性,以1400 m主跨的超大跨度钢拉索斜拉桥设计方案为例,采用拉索的等强度和等轴向刚度方法,拟定了两座等跨径布置CFRP索的方案桥,分别采用结构三维几何非线性方法、子空间迭代法、空气动力稳定性分析方法以及地震响应的反应谱分析方法,对应用钢索和CFRP索的超大跨度斜拉桥的静力特性、动力特性、抗风稳定性以及抗震性能等进行了分析与比较,并从力学性能角度探讨了CFRP索在超大跨度斜拉桥中应用的可行性。结果表明:从力学性能角度而言,超大跨度斜拉桥采用CFRP索是可行的,但是拉索截面尺寸采用等轴向刚度方法确定则更有利。     

基于力学与造价的CFRP-钢组合拉索斜拉桥设计理论

针对1400～2800m主跨斜拉桥整体刚度不足的问题,提出一种新型结构方案——碳纤维增强塑料（CFRP）-钢组合拉索斜拉桥。该方案将CFRP斜拉索与传统钢斜拉索同时应用于斜拉桥中,组合2种材料高强轻质及弹性模量高的优点,以：达．到提高斜拉桥整体刚度的设计目的。通过基于力学与造价的参数分析提出该组合拉索斜拉桥的3种设计原则：等安全系数等效刚度最优、等安全系数等效刚度性价比最优、等造价等效刚度最优,并分别给出详细的设计步骤及设计用图。最后,进行了多种方案1400m主跨斜拉桥试设计。结果表明：CFRP-钢组合拉索斜拉桥在力学与经济性方面均具有一定优势,其工程应用具有可行性,是主跨为1400～2800m斜拉桥的优选方案之一。     

国内首座CFRP斜拉桥的关键技术

文章基于国内首座CFRP斜拉桥,介绍了拉索FRP材料的选择、锚具研发及CFRP筋极限强度取值等设计阶段的关键技术,同时,还介绍了CFRP斜拉索的制作、挂索、张拉、测试等施工阶段的关键技术。研究成果为CFRP在更大跨度桥梁结构中的应用积累了设计和施工经验。     

对于大跨直立混凝土斜拉桥体系动力性能的分析

基于传统大跨混凝土索塔斜拉桥结构基础上,构建了相同几何尺寸的CFRP索RPC梁斜拉桥体系。采用MIDAS软件对两种桥梁结构进行了动力特性分析,研究结果表明:新模型中采用RPC主梁材料具有较高的比刚度和比强度性能,在保证模型竖弯振型对应频率在80%有效范围内前提下,提高了桥梁整体结构的竖向刚度和桥梁基频,延缓了主塔可能产生的侧弯振型,保证了RPC主梁CFRP拉索斜拉桥具备优良的动力性能,从而提高了地震作用下斜拉桥体系的变形性能和受力性能。     

基于悬链线形的斜拉桥极限跨径

该文通过建立斜拉索的平衡微分方程,将沿索长分布的均布荷载转化为沿跨度分布的等效均布荷载,并对方程进行求解,得到斜拉索的悬链线形方程。该方程可用于较精确地计算斜拉索性能。基于该方程,研究了斜拉桥的极限跨径。研究结果表明,斜拉桥的极限跨径与塔高有关,在可接受的塔高范围内,斜拉桥的极限跨径为3 000 m左右,若采用CFRP拉索可提高到6 000 m左右。     

国内外大跨斜拉桥拉索阻尼器选型实例研究

斜拉索阻尼器的研究目前都集中在减振性能测试及影响减振效果的因素分析方面,而在阻尼器选型方面的研究还较少。对长江上游地区跨长江的斜拉桥与全球主跨700m以上斜拉桥的阻尼器选用情况进行了研究,分析了各类斜拉桥的拉索阻尼器选用情况。提出的拉索阻尼器选用实例研究结果,可为同类型的斜拉桥的阻尼器选型提供参考。     

应用碳纤维索的大跨径斜拉桥抗风性能研究

为了探讨碳纤维复合材料在大跨径斜拉桥中应用的可能性,以拉索等轴向刚度为原则,拟定了一座主跨为500 m的应用碳纤维索的大跨径斜拉桥,并运用三维非线性计算理论进行了动力特性、静风特性和空气动力稳定性分析。分析结果表明大跨径斜拉桥采用碳纤维索后:(1)结构的自振频率有所提高;(2)静风作用下结构变形增大,但其静风性能却与钢索斜拉桥基本一致;(3)空气动力稳定性与钢索斜拉桥基本一致。因此从抗风性能角度而言,大跨径斜拉桥采用碳纤维索是可行的,但是拉索截面尺寸应采用等轴向刚度原则来确定。     

应用CFRP索的缆索承重桥梁抗风稳定性研究

为了探讨CFRP索在缆索承重桥梁中应用的可能性,以缆索等轴向刚度为原则,基于润扬长江大桥和1400 m主跨斜拉桥设计方案,分别拟定了同跨径应用CFRP索的悬索桥和斜拉桥,并运用三维非线性空气动力稳定性分析方法进行了抗风稳定性分析。分析结果表明:缆索承重桥梁采用CFRP索后,由于结构自振频率特别是扭转频率的显著提高,其空气动力稳定性要好于钢索的缆索承重桥梁。因此从抗风稳定性角度而言,缆索承重桥梁采用CFRP索是可行的,缆索截面尺寸应采用等轴向刚度原则来确定。     

1 000 m级CFRP索斜拉桥静力特性分析

通过具体算例采用有限元法分析CFRP索斜拉桥的各非线性因素的影响量,并与钢索斜拉桥进行对比。鉴于CFRP的线膨胀系数远小于钢材或混凝土的线膨胀系数,计算了4种不同结构体系的CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥在温度荷载下的静力反应,计算结果表明CFRP索斜拉桥相对于钢索斜拉桥在静力方面具有较多优势。     

非线性粘滞阻尼器对大跨CFRP索斜拉桥抗震性能影响研究

为探讨碳纤维复合材料(CFRP)索斜拉桥的阻尼器减震控制适用性及设计参数选取,以苏通大桥为背景,建立钢索斜拉桥的有限元模型,根据等轴向刚度准则换索得到CFRP索斜拉桥模型。采用时程分析法对所取目标函数作参数敏感性分析,并对2种索的斜拉桥减震控制效果进行比较,得到粘滞阻尼器设计参数的合理取值范围。分析表明:主梁端附加阻尼器对斜拉桥结构的减震控制有很好的补充作用;阻尼器参数相同时,CFRP索斜拉桥可获得较优的减震效果。     

CFRP索大跨斜拉桥的非线性地震响应控制分析

为探讨碳纤维增强塑料(CFRP)索斜拉桥与普通钢索斜拉桥的地震响应控制优劣性,基于现有试验,以苏通长江公路大桥为参考建立有限元模型,采用等轴向刚度准则换索,并在墩梁、塔梁处设置弹性连接装置和阻尼器作为减震装置;基于弹塑性抗震理论和地震响应分析结果,通过对目标函数作参数敏感性分析,获得不同配索斜拉桥对应于各减震装置的合理设计参数,并比较2种索斜拉桥减震控制的优劣。结果表明:选取相同减震设计参数时,CFRP索斜拉桥可获得较优的减震效果;阻尼器的减震效果比弹性连接装置更优,尤其在内力控制方面。     

部分斜拉桥的概念设计

介绍部分斜拉桥的概念、结构特性及优点,通过对国内外19座已建部分斜拉桥结构参数的统计分析,总结出结构参数的设计取值范围,通过推导斜拉索弹簧刚度和主梁刚度间的关系,揭示出部分斜拉桥的受力机理,同时对部分斜拉桥应进一步研究的问题进行了阐述。