超大跨徑碳纖維空間纜索懸索橋力學(xué)特性分析.pdf

1、懸索橋的跨徑極限不斷被刷新，朝著更大更長(zhǎng)的方向推進(jìn)成為現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展趨勢(shì)。懸索橋跨徑超過2000米后，傳統(tǒng)的鋼主纜平行纜索懸索橋的主纜材料利用率和抗風(fēng)穩(wěn)定性問題十分突出。利用碳纖維材料特性和空間纜索整體性的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種新型的碳纖維單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋，在發(fā)揮碳纖維材料輕質(zhì)高強(qiáng)高彈模的同時(shí)，采用空間纜索體系提高懸索橋的扭彎頻率比，解決抗風(fēng)穩(wěn)定性問題。采用試驗(yàn)分析和有限元分析相結(jié)合的方法，進(jìn)行碳纖維空間纜索懸索橋的力學(xué)性能研

2、究分析。本文主要工作和研究成果如下:
　　制作了主跨15m的高強(qiáng)纖維單葉雙曲面空間纜索懸索橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了豎向堆載試驗(yàn)、水平荷載試驗(yàn)和模型自振特性測(cè)試等試驗(yàn)研究。通過豎向堆載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空間纜索懸索橋索力分配基本均勻，具有良好的協(xié)同工作能力，且隨著荷載的增大，每級(jí)加載下的豎向位移逐漸減小，存在重力剛度現(xiàn)象。在豎向偏載試驗(yàn)中，空間纜索具有較好的空間整體性，施加偏心荷載后加勁梁的扭轉(zhuǎn)角不大，表明上部空間索網(wǎng)能有效地限制加勁梁的扭轉(zhuǎn)變形

3、，單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋的抗扭性能較好。水平荷載靜力試驗(yàn)表明，空間纜索內(nèi)力的的水平向分力參與工作，提高了懸索橋的抗側(cè)剛度。
　　對(duì)碳纖維空間纜索懸索橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行ANSYS建模，開展試驗(yàn)仿真分析研究，有限元結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)兩者吻合較好。在此基礎(chǔ)上，開展空間懸索橋影響因素分析研究，討論了主纜彈性模量、主纜材料、加勁梁彈性模量等因素對(duì)空間纜索懸索橋力學(xué)性能的影響。進(jìn)行碳纖維空間纜索橋和平行纜索橋的有限元對(duì)比分析研究，研究表明:在相

4、同的荷載等級(jí)下，單葉雙曲面空間纜索懸索橋豎向剛度略有提高，豎向位移減少了8.5％;偏載下扭轉(zhuǎn)角度較平行懸索橋降低了64％，抗扭性能有很大程度的提高;橫向剛度有較大程度的提高，水平位移減小了36.6％，驗(yàn)證了空間懸索橋力學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)。
　　以瓊州海峽大橋?yàn)楸尘埃x擇合理的參數(shù)，設(shè)計(jì)了以碳纖維為主纜材料的跨度4000m空間纜索懸索橋和平行纜索懸索橋的兩種方案，進(jìn)行了成橋狀態(tài)下的靜力性能、動(dòng)力模態(tài)特性及抗風(fēng)穩(wěn)定性等方面的力學(xué)性能對(duì)比研

5、究。分析表明:空間纜索體系懸索橋的扭轉(zhuǎn)頻率和扭彎頻率比大幅度提高，懸索橋的靜風(fēng)和顫振穩(wěn)定性都有很大程度的提高，空間纜索體系懸索橋的靜風(fēng)扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速位109.29m/s，平行纜索體系懸索橋的靜風(fēng)扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速為36.14m/s，空間纜索體系懸索橋的顫振臨界風(fēng)速為172.16m/s，平行纜索體系懸索橋的顫振臨界風(fēng)速為38.95m/s，空間懸索橋具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。
　　本文對(duì)超大跨徑碳纖維空間纜索懸索橋的優(yōu)化措施進(jìn)行了初步研究