CFRP与钢组合斜拉索斜拉桥方案研究

针对现阶段斜拉索设计所面临的难题,提出了一种新型的基于碳纤维增强塑料(CFRP)与钢组合斜拉索的斜拉桥方案.该方案将CFRP斜拉索与传统钢斜拉索分别应用于斜拉桥恒载活载状态,发挥CFRP材料高强轻质,钢材料弹性模量大的优势而同时又弥补各自缺点.介绍了该组合方案的设计方法和关键力学参数,并利用参数分析给出推荐取值.通过构...     

CFRP材料在超大跨度斜拉桥拉索中的应用研究

分析了碳纤维复合增强材料CFRP这种新型材料的特点，从力学的角度详细推导了相关公式，对斜拉索的承载效率进行了分析。对于使用CFRP材料斜拉索的超大跨度斜拉桥，研究了其极限跨径，可以为今后跨海大桥的建设提供新的设计思路。同时对CFRP材料用于斜拉桥拉索中的一些不足作了分析。     

CFRP拉索在横向风荷载作用下的振动特性

为了分析在横向风荷载作用下碳纤维拉索（CFRP拉索）的振动特性,按等参元方法提出了考虑风荷载影响的柔性拉索非线性振动方程.以跨度为1 400 m的斜拉桥设计方案为对象,分析了CFRP拉索在横向风荷载作用下的变形特性及其在不同风速条件下的自振频率和振型阻尼比变化规律,并与在同样条件下的钢索进行了对比.分析结果表明,在横向风荷载作用下,CFRP拉索的横向变形与在同等条件下设计的钢索等同;CFRP拉索的结构振动特性与普通钢索有显著的差异;横向风荷载虽然对钢索和CFRP拉索的自振频率影响不大,但对振型的影响比较显著;随着横向风速的提高,按复数特征值算法得到的CFRP拉索振型阻尼比有增加和减少两种变化趋势,而且在低风速条件下出现负阻尼比的振型.     

大跨度斜拉桥钢和碳纤维拉索设计安全系数

为了确定合理的大跨度斜拉桥拉索设计安全系数和探索碳纤维拉索在斜拉桥中的适用性，利用考虑非线性影响的计算方法分析了跨度为1 400 m的斜拉桥设计方案的抗风性、结构刚度和强度，以及拉索设计安全系数变化对主梁结构设计的影响，从结构系统安全性要求出发讨论了拉索安全系数的合理范围.以应用碳纤维拉索的桥梁为对象，比较了使用碳纤维拉索的斜拉桥主梁在抗风性、使用性以及结构强度方面与钢索斜拉桥的差异.结果表明，在使用荷载作用下，1.7～2.5的钢索设计安全系数不会影响主梁的设计；当设计安全系数大于2.5时碳纤维索斜拉桥可以达到钢索斜拉桥的结构性能以及安全性能，而碳纤维索的自重仅为钢索的1/10左右     

碳纤维斜拉索的静力参数特性分析

为了探索碳纤维(CFRP)索预应力大跨结构在不同条件下的非线性力学行为,并为相应力学行为的控制及相应结构的开发应用提供依据,对CFRP斜拉索的静力特性参数如切线刚度、竖向分力、垂度等计算公式进行了推导,并与传统的钢绞线斜拉索的计算结果进行对比分析,计算结果表明:由于CFRP索的弹性模量和单位长度重量低于传统的钢索,CFRP斜拉索的等效刚度系数小于钢拉索,索的竖向分力等效系数在工程应力范围内接近1,垂度效应明显小于钢拉索.合理利用碳纤维(CFRP)索的这些静力特性(等效刚度的降低、垂度效应的减少)有助于相关新型结构的开发利用.     

钢框架预应力支撑结构拉索截面面积设计方法

为了研究钢框架预应力支撑结构体系中拉索截面面积的取值方法,从理论上对钢框架预应力支撑结构体系的抗侧刚度进行分析,推导出结构体系的抗侧刚度计算公式.钢框架预应力支撑结构体系的抗侧刚度不仅与构件的几何属性和材料属性有关,而且与预应力支撑与水平面的夹角有关,结构体系的抗侧刚度随着层间位移的增大而增大.基于钢框架预应力支撑结构体系抗侧刚度的计算公式,推导出了预应力拉索截面面积设计公式,提出了一种预应力拉索截面面积设计方法,并通过算例验证了提出的设计方法和设计公式的可行性,得到的钢框架预应力支撑结构,可以保证结构体系在设计的外荷载作用下,满足设计对于结构层间位移的要求.     

大吨位CFRP拉索的锚固性能及安装参数研究

研究了大跨斜拉桥用大吨位CFRP拉索的锚固问题和超长拉索带来的特殊安装问题。通过有限元分析方法建立了变刚度荷载传递材料(LTC)锚固系统和斜拉索安装系统的非线性模型。锚固性能方面,优化了荷载传递介质的弹性模量、长度、内锥角、受荷端厚度、界面摩擦系数,并进行了强度校核。拉索安装方面,研究了锚具修正角、拉索两端索力差值和拉索变形等关键参数,并对长度为1 085 m的钢拉索和CFRP拉索的安装参数进行了对比。结果表明:变刚度荷载传递材料减小了锚固区的应力集中。依据各部分材料性能要求,得到了拉力为15 000kN CFRP拉索锚固系统的设计参数,包括钢套筒长度1 000 mm,直径424 mm,壁厚40 mm,内锥度为5°和采用45#高强度结构钢;荷载传递材料加载端半径40 mm,各区段弹性模量取值范围为1～2 GPa(LTC-1)、4～7GPa(LTC-2)、15～25 GPa(LTC-3)、30～40 GPa(LTC-4);各区段荷载传递材料选择为树脂与石英砂混合物(LTC-1和LTC-2)、聚合物砂浆或者高性能混凝土(LTC-3和LTC-4)。拉索安装方面,得到CFRP拉索的锚具修正角、拉索两端的索力差值、拉索变形。对于最长的拉索,主塔锚固点与主梁锚固点的锚固力差值,CFRP拉索是钢拉索的1/6;锚具修正角与拉索长度为正相关,并且CFRP拉索锚具修正角仅为钢拉索的1/4;与钢拉索相比,CFRP拉索的垂度小,锚具修正角减小1°,更利于拉索安装。     

多塔下拉索斜拉桥静力荷载试验和计算分析

针对加有下拉索的多塔斜拉桥这种新型的桥梁结构体系,参考某长江大桥实际工程建模,通过缩尺静力实验和有限元计算分析对比加劲索加下拉索多塔斜拉桥与常规无加劲索多塔斜拉桥的静力力学性能。试验和分析表明,加下拉索多塔斜拉桥结构体系可以有效提高结构刚度,减少塔墩根部以及主梁跨中的弯距。对比试验结果,提出了最佳的下拉索设置方案。     

弹性支承对斜拉桥拉索自振特性的影响

根据斜拉桥柔性拉索的结构特点,建立了具有弹性支承的斜拉桥柔拉索的动力分析模型。从势能驻值原理出发,导出了斜拉桥柔性拉索在两端弹性支承情况下的振动方程,按“对号入座”法则得到了柔性拉索体系的刚度矩阵和质量矩阵,并分析了弹性支承对斜拉桥柔性拉拉索自特性的影响,所得结果可用于确定斜拉桥拉索的预拉力。该模型是斜拉桥拉索动力分析的实用模型。     

弹性支承对斜拉桥拉索自振特性的影响

根据斜拉桥柔性拉索的结构特点 ,建立了具有弹性支承的斜拉桥柔性拉索的动力分析模型 .从势能驻值原理出发 ,导出了斜拉桥柔性拉索在两端弹性支承情况下的振动方程 ,按“对号入座”法则得到了柔性拉索体系的刚度矩阵和质量矩阵 ,并分析了弹性支承对斜拉桥柔性拉索自振特性的影响 ,所得结果可用于确定斜拉桥拉索的预拉力 .该模型是斜拉桥拉索动力分析的实用模型 .     

斜拉桥拉索振动控制新技术研究

大跨度斜拉桥拉索具有较小的质量和极低的阻尼,在风、雨等外部激励下极易发生振动,对拉索振动产生的原因及其特征进行研究,提出一些可行的拉索减振措施.     

利用模态应变能指标的斜拉桥拉索损伤识别

由于拉索是大跨度斜拉桥的主要承重构件之一,拉索中的损伤对于大跨度斜拉桥结构的安全会产生不利的影响.为实现对斜拉桥拉索损伤识别确保结构的安全,首先给出单元模态应变能定义,然后分析了基于单元模态应变能的损伤识别机理,提出了基于单元模态应变能变化率斜拉桥拉索损伤识别的实用方法,并以国内某重点斜拉桥为试验对象模拟3种不同的损伤工况情况,研究该方法的适用性.试验研究结果表明,单元模态应变能变化率指标是斜拉桥拉索损伤很好的敏感标识量,对单位置拉索损伤能够准确地给予识别,对于多位置拉索损伤识别,指标也能给予较好识别效果.该方法为斜拉桥拉索损伤检测提供了一条可靠有效的途径.     

应用碳纤维索的大跨度斜拉桥静力学特性分析

为了验证碳纤维拉索在大跨度斜拉桥中的应用可能性,以跨度1 400 m的钢斜拉桥设计模型为对象,用三维非线性计算理论分析了碳纤维拉索斜拉桥的承载能力、静力抗风特性以及使用荷载作用下的力学行为.通过与同跨度钢索斜拉桥比较,讨论了碳纤维拉索对大跨度斜拉桥静力学特性的影响.分析结果表明,(1)由于拉索没有屈服点,在极限状态下可以分担比较多的竖向荷载,桥梁的极限承载能力有所提高;(2)具有同样的抗风稳定性;(3)在正常使用条件下的最不利压缩应力基本上一致;(4)竖向变形刚度有所下降.     

部分地锚式斜拉桥合理成桥状态二阶段确定法

研究部分地锚式斜拉桥受力特点及其合理成桥状态的确定原则,提出一种二阶段合理成桥状态下的索力确定方法.该方法采用刚性支承连续梁法确定成桥状态下的索力,并以影响矩阵法进行后续调整.根据该桥型受力特点制定了第2阶段的索力调整流程,对一座主跨1 218 m的混合梁部分地锚斜拉桥进行了计算.结果表明,按照第2阶段索力调整流程可较快确定出合理成桥状态下的索力.     

斜拉索顺桥向风阻系数的试验研究

采用风洞试验的方法研究了4种不同表面的斜拉索(包括1种光索、2种螺旋线索和1种凹坑索)在不同倾角下的顺桥向阻力系数.试验结果表明:凹坑索和2mm螺旋线索的阻力系数相差不大,均可应用于斜拉桥的设计当中.根据试验结果给出了形式上比较简单的用于计算斜拉索不同倾角下阻力系数值的拟合公式.分析表明,此拟合公式和试验结果拟合较好且偏于安全.     

Research development of digital maintenance and management system for long-span cable-stayed bridges

Digital cable-stayed bridge maintenance and management system (DCBMS) was developed for the need of maintenance and management of long-span cable-stayed bridges. In this paper, the major functions and theoretical application of eight modules were systematically stated with the background of Harbin Songhua River cable-stayed bridge, which include data management module, inspection and measurement module, assessment module, finite element analysis module, disease diagnosis and prediction module, maintenance module, query module and help module. By analyzing and calculating the data from manual inspection database, basic database and health monitoring subsystem, DCBMS can accomplish the functions like life prediction, disease diagnosis, comprehensive assessment, maintenance and management of bridges. Therefore, the maintenance and management of long-span cable-stayed bridges can be made digital, professional and scientific. By running this system, a real-time and specific technical guidance can be provided for the maintainers and managers of long-span cable-stayed bridges.     

Optimization of Dead Load State in Earth-Anchored Cable-Stayed Bridges

In order to determine the reasonable completed dead load state in earth?anchored cable?stayed bridges, a practical method is proposed. The method is based on the rigidly supported continuous beam metho...     

基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径及关键部位力学响应

为了解决部分地锚斜拉桥极限跨径不清晰的问题,以钢主梁极限抗拉、抗压强度相等即跨中地锚段主梁所受拉力和塔根处主梁所受压力相等为前提,基于斜拉桥索膜理论,求解部分地锚斜拉桥极限跨径,并得到极限锚跨比.推导了部分地锚斜拉桥极限跨径下的关键力学响应并与有限元解进行对比.研究结果表明:基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径约为普通自锚斜拉桥的1.4倍,其极限锚跨比约为0.293;近似计算公式推导的部分地锚斜拉桥关键力学响应与有限元结果基本吻合,误差产生的主要原因是实际桥梁结构中拉索布置体系通常为扇形而非辐射型.公式能满足概念设计阶段的要求,适用于快速分析部分地锚斜拉桥的受力特征与关键响应.