輕量化FRP拉索超大跨橋梁研究.pdf

1、隨著橋梁跨徑的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)鋼拉索由于自重大、垂度效應(yīng)明顯、承載效率低等缺點(diǎn)，限制了超大跨橋梁跨徑的提升。同時(shí)傳統(tǒng)鋼拉索的疲勞強(qiáng)度不高、耐腐蝕性能差，鋼拉索的壽命在疲勞與腐蝕的耦合作用下大大縮短，影響了鋼拉索的長(zhǎng)期服役性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP)由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異的力學(xué)性能與化學(xué)性能，近三十年來(lái)廣泛的應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固和增強(qiáng)領(lǐng)域，F(xiàn)RP拉索作為FRP材料最

2、有效的應(yīng)用方式之一，能夠充分發(fā)揮其質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)，規(guī)避FRP材料各向異性的劣勢(shì)。當(dāng)FRP拉索應(yīng)用于超大跨橋梁結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效減輕拉索的自重、增大超大跨橋梁的跨徑，而且還能有效的提高拉索的長(zhǎng)期服役性能，F(xiàn)RP拉索為改善超大跨橋梁的短期、長(zhǎng)期性能提供了一個(gè)有效的途徑。
　　FRP拉索應(yīng)用于超大跨橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)超大跨橋梁的輕量化，然而目前對(duì)FRP輕量化超大跨橋梁力學(xué)性能研究不足，特別是由FRP輕量化引起的振動(dòng)

3、問(wèn)題還有待深入探討。由于作用機(jī)理較為復(fù)雜，拉索振動(dòng)特性與阻尼性能的研究需要在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，但是由于目前缺少超大跨橋梁FRP拉索的應(yīng)用實(shí)例，目前FRP拉索振動(dòng)特性與阻尼性能的研究分析主要采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，缺乏試驗(yàn)的支持與驗(yàn)證。同時(shí)如何兼顧整橋的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能，優(yōu)化FRP輕量化超大跨橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建造跨徑更大材料利用效率更高的橋梁的問(wèn)題也亟需解決。本文圍繞超大跨橋梁FRP輕量化的上述問(wèn)題，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，

4、從整體結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)以及拉索振動(dòng)特性三個(gè)方面開(kāi)展研究，具體的研究?jī)?nèi)容與成果包括:
　　(1)基于相似準(zhǔn)則，選取蘇通大橋中兩根最具代表性的斜拉索為原型，設(shè)計(jì)并按照自由衰減振動(dòng)法進(jìn)行了鋼拉索、CFRP拉索與BFRP拉索的模型振動(dòng)試驗(yàn)，拉索振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的拉索模型振動(dòng)試驗(yàn)，能夠有效的模擬實(shí)際拉索的振動(dòng)特性。而且拉索面內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)的阻尼分析結(jié)果表明，F(xiàn)RP拉索面內(nèi)振動(dòng)的模態(tài)阻尼比大于鋼拉索，證明拉索的輕量化有利于提高其面內(nèi)

5、的減振耗能性能。此外拉索面外振動(dòng)試驗(yàn)的阻尼分析結(jié)果證明，拉索的面外振動(dòng)阻尼比與自振頻率成反比。基于能量耗散理論以及模態(tài)振型曲率法，修正了拉索模態(tài)阻尼比的計(jì)算公式，然后根據(jù)修正公式計(jì)算了FRP拉索的動(dòng)態(tài)應(yīng)變阻尼能系數(shù)，結(jié)合拉索振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，證明了以動(dòng)態(tài)應(yīng)變阻尼能系數(shù)為指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同材料拉索阻尼特性的可行性。
　　(2)通過(guò)模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究了一種新型FRP自減振拉索的振動(dòng)特性與阻尼性能，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，F(xiàn)RP自減振拉索能夠根

6、據(jù)拉索振幅的大小調(diào)整自身的阻尼特性，實(shí)現(xiàn)FRP拉索的自減振性能。同時(shí)基于阻尼耗能理論與粘彈性阻尼理論提出了FRP自減振拉索的模態(tài)阻尼比的計(jì)算方法，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明，本文提出的計(jì)算方法，能夠有效的預(yù)測(cè)FRP自減振拉索的模態(tài)阻尼比。
　　(3)通過(guò)不同材料FRP拉索關(guān)鍵的力學(xué)性能參數(shù)與經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)的分析，確定了不同材料FRP拉索的合理適用跨度區(qū)間，提出了一種將不同材料FRP拉索在同一橋梁不同跨度區(qū)域混合布置的斜拉橋

7、設(shè)計(jì)方案。并以主跨為2038m的某跨海大橋?yàn)槔?，?duì)FRP混布拉索斜拉橋的靜、動(dòng)力性能，以及經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行研究，分析結(jié)果表明，F(xiàn)RP混布拉索斜拉橋方案能夠滿足超大跨斜拉橋的靜力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求;而且能夠有效的提高整橋的自振頻率，減小橋梁地震位移響應(yīng)，并提升整橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性;同時(shí)拉索的全壽命周期成本分析結(jié)果表明，在滿足超大跨橋梁結(jié)構(gòu)要求的設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)RP混布拉索斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。
　　(4)基于FRP混合布置拉索的斜拉橋設(shè)計(jì)方案，以

8、蘇通大橋?yàn)樵停凑障嗨茰?zhǔn)則，提出了FRP混合布置拉索模型橋的設(shè)計(jì)方案，按照剛度相似、質(zhì)量相似的要求，對(duì)加勁梁、索塔、拉索、橋墩等模型橋的主要構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)倒拆法對(duì)FRP混布拉索模型橋進(jìn)行了施工分析，為FRP混合布置拉索斜拉橋的實(shí)際施工分析提供了參考。
　　(5)以主跨為3300m的超大跨懸索橋?yàn)槔?，通過(guò)有限元分析，研究了不同材料FRP拉索（尤其是混雜FRP拉索）超大跨懸索橋的靜、動(dòng)力性能:與傳統(tǒng)鋼拉索懸索橋相比，F(xiàn)

9、RP拉索能夠增大懸索橋的極限跨徑，提高拉索的承載效率，提高拉索的材料利用率，進(jìn)而優(yōu)化整橋的靜力學(xué)性能;而且拉索的輕量化能夠提高了超大跨橋梁的自振頻率，提升整橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性;同時(shí)自重小、阻尼性能良好的FRP拉索還能夠有效的減小整橋的地震響應(yīng)，提高橋梁的抗震安全性。超大跨懸索橋不同材料拉索的全壽命周期成本評(píng)估，基于第一座進(jìn)行主纜全面維護(hù)的福斯公路橋的維護(hù)成本分析進(jìn)行，分析結(jié)果表明FRP拉索由于具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能，應(yīng)用于超大跨懸索橋