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FRP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FRP拉索的合理适用跨度区间，提出了一种将不同材料FRP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路桥的维护成本分析进行，分析结果表明FRP拉索由于具有良好的抗疲劳、耐腐蚀性能，应用于超大跨悬索桥能够有效的提升超大跨悬索桥的经济效益。
　　最后对本文的研究成果进行了概括总结，梳理了论文的主要创新点，提出了研究中存在的问题以及进一步的研究内容。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超大跨桥梁发展概况

1．2 超大跨桥梁中存在的问题与面临的挑战

1．3 超大跨桥梁FRP轻量化研究

1．3．1 FRP拉索与锚固体系

1．3．2 FRP拉索超大跨斜拉桥

1．3．3 FRP拉索超大跨悬索桥

1．4 研究目的与研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第二章 FRP拉索静力及动力学性能研究

2．1 引言

2．2 FRP拉索基本力学性能

2．2．1 FRP拉索拉伸性能

2．2．2 FRP拉索疲劳性能

2．3 斜拉索振动模型试验设计

2．3．1 拉索模型振动试验设计原理

2．3．2 斜拉索振动的试验及分析方法

2．4 斜拉索振动试验结果分析

2．4．1 斜拉索的自振频率分析

2．4．2 斜拉索的模态阻尼比分析

2．5 斜拉索模态阻尼比的模拟计算方法

2．5．1 拉索模态阻尼模拟计算方法简介

2．5．2 拉索的模态振型

2．5．3 拉索的面内振动模态阻尼比的计算方法

2．5．4 拉索的面外振动模态阻尼比的计算方法

2．6 本章小结

第三章 FRP自减振拉索振动特性与阻尼性能研究

3．1 引言

3．2 FRP自减振拉索设计

3．3 FRP非自减振拉索的模型振动试验

3．3．1 FRP非自减振拉索模型振动试验设计

3．3．2 FRP非自减振拉索模型振动试验结果分析

3．3．3 FRP非自减振拉索模态阻尼比计算分析

3．4 FRP自减振拉索的模型振动试验

3．4．1 FRP自减振拉索模型振动试验设计

3．4．2 FRP自减振拉索模型振动试验结果分析

3．4．3 FRP自减振拉索模态阻尼比计算分析

3．5 本章小结

第四章 FRP混合布置拉索斜拉桥

4．1 引言

4．3 不同材料FRP拉索关键力学性能分析

4．3．1 FRP拉索截面计算原理

4．3．2 不同材料FRP拉索的等效刚度分析

4．3．3 不同材料FRP拉索的承载效率分析

4．3．4 不同材料FRP拉索的自重应力分析

4．3．5 不同材料FRP拉索的垂度效应分析

4．3．6 不同材料FRP拉索的振动参数分析

4．3．7 不同材料FRP拉索的成本分析

4．4 不同材料FRP拉索的合理跨度区间

4．5 FRP混布拉索斜拉桥力学性能分析

4．5．1 FRP混布拉索斜拉桥的结构布局

4．5．2 FRP混布拉索斜拉桥静力性能分析

4．5．3 FRP混布拉索斜拉桥模态分析

4．5．4 FRP混布拉索斜拉桥抗震性能分析

4．5．5 FRP混布拉索斜拉桥抗风稳定性分析

4．6 FRP混布拉索斜拉桥经济性能分析

4．7 FRP混布拉索斜拉桥模型桥设计

4．7．1 相似理论

4．7．2 FRP混布拉索模型桥结构设计

4．7．3 FRP混布拉索模型桥的施工分析

4．8 本章小结

第五章 FRP拉索悬索桥力学特性分析

5．1 引言

5．2 大跨悬索桥FRP拉索的力学性能

5．2．1 超大跨悬索桥不同材料拉索的等效弹性模量

5．2．2 超大跨悬索桥不同材料拉索的承载效率

5．2．3 不同材料拉索的极限跨径

5．3 不同材料拉索超大跨悬索桥的静力性能研究

5．3．1 FRP拉索截面设计

5．3．2 成桥状态分析

5．4 不同材料拉索超大跨悬索桥的模态性能分析

5．5 不同材料拉索超大跨悬索桥的抗震性能研究

5．6 不同材料拉索超大跨悬索桥的静阵风性能分析

5．7 不同材料拉索超大跨悬索桥的抗风稳定性分析

5．7．1 超大跨悬索桥静力抗风稳定性验算

5．7．2 超大跨悬索桥动力抗风稳定性验算

5．8 不同材料拉索超大跨悬索桥的经济性能分析

5．9 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 有待进一步解决的问题

附录

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

参考文献