超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究

摘要

本文的研究目的在于为CFRP(Carbon Fibre Reinforced Plastic)在超大跨径悬索桥中的应用奠定理论基础。从静力性能和抗风性能两方面研究了采用CFRP做超大跨径悬索桥主缆带来的优势与问题，并从抗风角度对其结构体系和加劲梁断面形式进行优化研究，主要的研究内容如下：
　　 首先，介绍了本文研究过程中所涉及到的抗风理论，并基于ANSYS的APDL语言编制了非线性静风稳定性分析程序NASAS(Nonlinear Aerostatic Stability AnalysisSystem)，应用 Visual Fortran编程语言编制了二维耦合颤振分步分析法计算程序SBSA(Step-By-Step Analysis)。采用经典平板算例验证了SBSA程序，并分析了常用的三种二维颤振分析方法-半逆解法、复模态法以及分步分析法的异同。从静力角度和风静动力稳定性两方面全面对比了超大跨径钢主缆悬索桥和超大跨径CFRP主缆悬索桥，从而明确采用CFRP做超大跨径悬索桥主缆带来的优势与问题。
　　 然后，从常规悬索桥设计参数、缆索体系两方面研究了一系列改善超大跨径CFRP主缆悬索桥抗风性能的结构措施。所考虑的常规悬索桥设计参数有矢跨比、主缆安全系数、主缆弹性模量、加劲梁约束体系、恒载集度、桥塔刚度和结构形式以及吊索面积和弹性模量。在悬索桥缆索体系的研究中，主要研究了交叉吊索体系、刚吊架体系、空间缆索体系、狄辛格斜拉-悬吊协作体系以及三主缆体系的动力特性，分析采用各结构体系后，超大跨径CFRP主缆悬索桥的横向、竖向以及扭转刚度有何变化。并就辅助拉索或刚性辅助构件在各缆索体系上的设置位置进行研究，绘制了横弯基频、竖弯基频以及扭转基频随辅助拉索或刚性辅助构件设置位置的影响线，从而在对结构体系改变较小并且经济适用的前提下，提出提高各结构体系刚度的方法。
　　 最后，从加劲梁气动外形入手，改善超大跨径CFRP主缆悬索桥颤振稳定性。首先基于二维颤振的分步分析法，应用自行编制程序SBSA，分析了气动外形差异较大的闭口箱梁断面、分离式双箱断面、分离式三箱断面和椭圆形断面的颤振稳定性，并深入研究了各断面的颤振驱动机理。再以分离式双箱断面为研究对象，考虑了四种改变其气动外形的措施，分析这四种气动措施对其颤振稳定性有何影响，以及各气动措施的影响机理。四种气动措施包括：分离式双箱的分离间距、风嘴形状、导流板的设置情况和分流板的宽度。分析结果表明：四种气动措施均对分离式双箱断面的颤振性能产生一定影响，其中，分离双箱间距和风嘴形状对分离双箱断面的颤振性能影响较大。分离双箱间距和导流板距断面的设置高度均存在最优值；分离式双箱断面的颤振临界风速并不会随风嘴角度减小而单调递增，而是随着风嘴角度减小而先提高后降低，存在最优风嘴角度；设置宽度较小的分流板可提高分离双箱断面的颤振临界风速，但提高幅度有限，设置较宽的分流板反而会使分离双箱断面的颤振稳定性变差，其颤振临界风速远低于未设置分流板的分离双箱断面。
　　 通过本文的研究发现，改变常规悬索桥设计参数对其抗风性能有一定影响，但是效率较低，改变缆索体系和加劲梁断面的气动外形可有效提高超大跨径CFRP主缆悬索桥的颤振稳定性，使得风动力失稳已不再是制约CFRP索在超大跨径悬索桥中应用的关键因素。