FRP拉索疲劳特性及其长寿命RC斜拉桥研究

摘要

斜拉索是斜拉桥的关键承重构件，传统钢拉索在疲劳荷载和外界腐蚀的共同作用下，安全性和耐久性下降明显，导致结构使用寿命缩短。同时，由于经济和社会的发展需求，斜拉桥跨径不断增长，而钢拉索由于自重大，随着跨径增加垂度效应越发明显，这一方面导致拉索等效刚度降低，增大了桥梁在正常使用状态下的变形；另一方面降低了拉索的承载力，造成材料的浪费。因此传统钢拉索限制了桥梁向高性能、长寿命和更大跨径的发展。
　　为了从根本上保证大跨斜拉桥在长期荷载和严酷环境下的高使用性、安全性和耐久性，同时满足大跨桥梁跨度不断增大的需求，本文从结构材料出发，研究采用具有轻质高强，能够抵御多种严酷环境影响并且具有优秀长期力学性能的纤维增强复合材料代替传统钢拉索。
　　本文首先通过静力拉伸试验研究多种纤维复合筋，包括以环氧树脂和乙烯基树脂为基体的CFRP、BFRP及B/CFRP(1:1)筋材以及以环氧树脂为基体的B/CFRP(3:1)和B/SFRP(4:1)的基本力学性能，测定了各种不同筋材的拉伸强度、弹性模量等基本力学性能，在此基础上讨论基体材料和纤维混杂对FRP筋材力学性能的影响。该部分研究为后续章节中疲劳试验研究和斜拉桥数值模拟提供依据。
　　本文重点对适合用作斜拉索材料的BFRP、CFRP及B/CFRP三种筋材的疲劳性能进行试验研究。根据疲劳试验数据建立了各种FRP筋材的疲劳寿命预测模型，得出各FRP筋材的疲劳性能并进行分析对比。因现有文献对FRP索用于斜拉桥时安全系数的选取并未给出明确规定，本文基于FRP的静力和疲劳试验，提出了拉索高效利用的设计建议。通过建立与可靠度相关的S-N曲线，对NLD、ASTM及Whitney三种疲劳寿命预测方法进行对比和讨论，选取最为保守的结果，得出各筋材具有95％保证率的经历200万次循环荷载而不发生失效的疲劳强度。最后，依据疲劳强度给出各FRP筋材设计安全系数建议值。
　　在得到上述研究结论基础上，本文对不同材料斜拉索的极限跨径和承载效率进行理论分析，并讨论了因材料自重而产生的垂度效应对拉索弹性模量的影响，证明FRP材料在超大跨斜拉桥中的应用前景。同时，利用本文所得出的各FRP索安全系数，通过通用有限元软件ANSYS对BFRP、CFRP及B/CFRP索斜拉桥在汽车荷载和温度荷载作用下的静力性能进行计算分析，并与钢索斜拉桥进行对比。最后，对比分析了不同拉索斜拉桥的动力特性。从而阐明多种FRP拉索在500m跨度RC斜拉桥中的优点和不足。