基于高性能材料的千米級跨徑混凝土斜拉橋力學性能研究.pdf

1、本文基于RPC和CFRP材料的優(yōu)越性能，依托國家自然科學基金資助項目“基于高性能材料的特大跨徑混凝土斜拉橋的結構性能”，提出千米級CFRP索RPC梁混凝土斜拉橋方案，并從靜力特性、動力特性、穩(wěn)定性能、抗風以及抗震性能等方面探討CFRP拉索超高性能混凝土特大跨徑斜拉橋結構應用的可行性。主要的研究工作如下:
　　(1)以1090m主跨的鋼索鋼主梁普通混凝土索塔斜拉橋設計方案為例，擬定了一座同跨度的CFRP索RPC梁混凝土斜拉橋體系新方

2、案。其中拉索采用等強度原則將原橋的鋼索替換成CFRP索，主梁考慮截面剛度、抗剪、抗沖切、局部穩(wěn)定和局部抗彎等要求將原橋的鋼主梁替換成RPC主梁，主塔考慮強度和穩(wěn)定需要將原橋的普通混凝土主塔替換成RPC主塔。
　　(2)采用有限元法分別對原方案和新方案在恒載、活載、溫度荷載和靜風荷載及各種荷載組合下的主梁撓度、索塔偏位、結構內(nèi)力及應力等各項靜力性能進行了對比分析，結果表明本文所提新方案具有良好的結構靜力特性。相對于原方案，新方案在R

3、PC主梁替換鋼主梁后應力明顯減少，且分布更均勻;在CFRP索替換鋼索后，由于線膨脹系數(shù)不及鋼材的1/10，在結構中所引起的溫度變形很小，約為鋼拉索的1/25。
　　(3)考慮幾何非線性和材料非線性的雙重影響，應用大型有限元通用程序ANSYS對兩種方案結構的靜力穩(wěn)定和靜風穩(wěn)定性能進行分析。靜力穩(wěn)定分析結果表明兩種方案各工況下彈性穩(wěn)定安全系數(shù)和非線性穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且新方案靜力穩(wěn)定安全系數(shù)較原方案有所增大。相對于原方案，新

4、方案CFRP索由于較高的比剛度和比強度，分析時可不計入其幾何非線性的影響;而RPC主塔替換后縱向剛度的改善，在一定程度上延緩了新方案結構失穩(wěn)破壞。靜風穩(wěn)定分析結果表明，在0°風攻角下，原方案靜風失穩(wěn)臨界風速為179m/s，新方案靜風失穩(wěn)臨界風速為165m/s，失穩(wěn)形態(tài)均為彎扭耦合屈曲失穩(wěn);相對于原方案，新方案主梁在替換后豎向剛度下降了38％、扭轉(zhuǎn)剛度下降了57％，但CFRP索較高的比剛度和比強度對結構豎向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的改善以及主梁自重

5、的增加，使新方案失穩(wěn)臨界風速僅下降了8％左右。
　　(4)應用大型有限元程序MIDAS對兩種方案進行了動力特性分析。結果表明，雖然新方案主梁替換后豎向剛度下降了38％，但CFRP索較高的比剛度和比強度改善了結構的豎向剛度，使新方案豎彎振型對應的頻率下降不足20％;在RPC主塔替換普通混凝土主塔后，由于縱向剛度和橫向剛度的改善，提高了新方案的基頻，并延緩了主塔側(cè)彎振型的出現(xiàn)。
　　(5)分別采用反應譜法和時程分析法對原方案和新

6、方案進行了彈性地震響應分析，并對所提體系進行了抗震性能評價。結果表明新方案具有與原方案相近的抗震性能，且在恒載與地震力組合下新方案各部分的應力和位移均能滿足正常使用要求。相對于原方案，新方案在主塔采用RPC材料后縱向剛度和橫向剛度的提高，減少了地震荷載作用下主塔塔頂位移，增大了塔底彎矩，有效的發(fā)揮了RPC材料的高強性能;在拉索采用CFRP材料后比剛度和比強度的提高，改善了結構的豎向剛度，并在一定程度上彌補了RPC主梁替換鋼主梁后豎向剛度

7、下降的不足，使兩種方案在地震荷載作用下主梁豎向位移基本一致，新方案略大于原方案。
　　(6)提出了RPC橋墩恢復力模型。以RPC箱型橋墩為研究對象，首先基于OPENSEES計算平臺，選取Concrete02本構關系和Steel02本構關系，結合非線性梁柱單元，建立了RPC橋墩抗震分析模型，并通過3個常軸力RPC橋墩水平反復加載試驗結果對數(shù)值分析模型進行了驗證，在此基礎上運用OPENSEES對RPC橋墩延性抗震性能進行了參數(shù)分析。然

8、后基于數(shù)值分析結果和3個常軸力RPC箱型橋墩擬靜力試驗結果，考慮水平荷載作用方向?qū)PC箱型墩抗震性能的影響，建立了計入雙軸水平力耦合效應的RPC箱型橋墩恢復力模型，并通過編制的雙軸壓彎構件非線性分析程序?qū)謴土δＰ瓦M行了驗證。
　　(7)基于編制的雙軸壓彎構件非線性分析程序?qū)PC橋墩塑性鉸長度進行了探討并提出了相應的塑性鉸長度回歸公式。結果表明，橋墩塑性鉸長度隨墩柱高度和截面短邊尺寸的增加單調(diào)遞增，隨軸壓比的增加單調(diào)遞減，隨水

9、平加載角度和縱筋直徑的增加呈先增大后減少的趨勢;其中強軸塑性鉸長度小于弱軸，斜向60°左右加載時塑性鉸長度最大，而在高軸壓比時塑性鉸長度接近零。提出的塑性鉸長度回歸公式計算結果與數(shù)值結果對比表明，回歸公式計算值能較好的吻合數(shù)值結果并限制過大的塑性鉸長度。
　　(8)基于提出的RPC橋墩恢復力模型和塑性較長度回歸公式，運用大型有限元程序Midas建立了新方案彈塑性地震響應分析模型并對其進行了延性分析。結果表明，通過修正Midas中已