5000m跨径CFRP缆索悬索桥概念设计与抗风稳定性分析

发布时间：2017-08-07 10:22

  本文关键词：5000m跨径CFRP缆索悬索桥概念设计与抗风稳定性分析

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【摘要】：悬索桥由于其合理的受力性能,跨越能力在各种桥型中名列榜首,从已建成的日本明石海峡大桥(跨径1991m),到规划中的意大利墨西拿海峡大桥(跨径3300m),悬索桥的跨径极限不断被刷新,朝着更大更长的方向推进成为现代悬索桥的发展趋势。钢材作为悬索桥缆索结构的传动材料,因为本身自重大等原因很难适应超大跨径悬索桥的建设。而CFRP作为一种质量轻、强度大、耐腐蚀等优点的新型材料,作为悬索桥主缆材料可以发挥出极大的优势。目前国际上对于CFRP材料在桥梁工程中的应用还处于试验阶段,因此本文则对超大跨径CFRP缆索悬索桥进行探索性的研究：本文首先从悬索桥的设计入手,对悬索桥主缆的线性和内力的精确计算进行研究。首先推导单索平衡方程,对比传统的主缆抛物线公式以及悬链线公式的异同。再建立弹性分段悬链线方程,提出一种精确计算主缆线型的解析方法,并推导索段无应力长度,索段内力的计算公式。编制Matlab计算程序对其进行求解,与有限元软件计算出的线型进行对比验证,为下文的设全桥计奠定基础。推导了成桥状态下悬索桥主缆合理面积的计算公式,以主缆面积作为控制因素,分别对钢、CFRP作为主缆材料进行评价,研究不同主缆材料悬索桥的承载效率以及经济性能。选择合理的参数,设计了一座主跨5000mCFRP主缆的三跨悬索桥。检验全桥在6种不同荷载工况下的刚度、强度以及稳定性。计算分析矢跨比、边-中跨比、恒载集度、桥塔形式等参数对其静力性能的影响。同时通过数值计算给出5000mCFRP悬索桥的前25阶自振频率和振型,总结变化规律。计算分析矢跨比、边-中跨比、分体式加劲梁槽宽比、加劲梁刚度、中央连接扣等结构参数对5000m跨度CFRP悬索桥的动力特性的影响。阐述了风致结构静力失稳的基本概念,再采用计算流体力学(CFD)数值方法,计算对比了悬索桥分体式和整体式加劲梁断面的三分力系数以及风场特性。并编制了基于ANSYS 15.0的三维非线性静风稳定计算程序。计算两种加劲梁形式50O0mCFRP主缆悬索桥的失稳临界风速,并分析在临界风速附近加劲梁以及缆索结构的位移、应力变化趋势。计算对比两种加劲梁方案悬索桥的颤振临界风速。设计钢缆索悬索桥方案与CFRP方案进行对比,计算并评价其动力特性和抗风性能。
【关键词】：5000m跨径悬索桥 CFRP 主缆线形 静力性能 动力特性 CFD 抗风性能
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U448.25
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 悬索桥的历史12-15
• 1.1.1 早期悬索桥12
• 1.1.2 现代悬索桥12-14
• 1.1.3 悬索桥计算理论14-15
• 1.2 悬索桥的发展15-17
• 1.2.1 现代悬索桥的建设远景15-16
• 1.2.2 现代悬索桥技术的发展趋势16-17
• 1.3 悬索桥的缆索材料17-20
• 1.3.1 缆索材料的变迁和瓶颈17-18
• 1.3.2 CFRP材料简介18
• 1.3.3 CFRP材料的特性18-19
• 1.3.4 CFRP材料在桥梁工程中的应用19-20
• 1.4 论文的主要内容20-22
• 第2章 悬索桥成桥态线型分析22-32
• 2.1 悬索桥主缆线型计算方法22-23
• 2.2 单索结构线型分析23-26
• 2.2.1 典型单索结构平衡方程23-24
• 2.2.2 悬索受沿跨度方向均匀布荷载的线型计算24-25
• 2.2.3 悬索受沿索长方向均匀布荷载的线型计算25-26
• 2.3 分段悬链线计算模型26-31
• 2.3.1 弹性悬链线基本公式26-27
• 2.3.2 基于分段悬链线计算方法27-30
• 2.3.3 算例检验30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 5000mCFRP缆索悬索桥静力及动力性能分析32-61
• 3.1 悬索桥主缆合理面积估算和材料评价32-35
• 3.1.1 主缆截面积估算公式的推导32-33
• 3.1.2 主缆材料的对比评价33-35
• 3.2 5000m跨径CFRP悬索桥的设计35-39
• 3.2.1 设计选型36-38
• 3.2.2 有限元模型的建立38-39
• 3.3 5000m跨径CFRP悬索桥静力性能分析39-46
• 3.3.1 荷载工况39
• 3.3.2 恒载下静力性能分析39-40
• 3.3.3 车道活载下静力性能分析40-44
• 3.3.4 温度活载下静力性能分析44-46
• 3.4 结构参数对静力性能影响的探究46-53
• 3.4.1 矢跨比46-49
• 3.4.2 边-中跨比49-50
• 3.4.3 恒载集度50-51
• 3.4.4 新型桥塔51-53
• 3.5 5000m跨径CFRP悬索桥动力性能分析53-56
• 3.5.1 概述53-54
• 3.5.2 5000m跨径CFRP悬索桥动力特性计算54-56
• 3.6 结构参数对动力性能影响探究56-60
• 3.6.1 矢跨比57
• 3.6.2 边-中跨比57-58
• 3.6.3 分体式箱梁槽宽比58
• 3.6.4 加劲梁刚度58-59
• 3.6.5 中央连接扣59-60
• 3.7 本章小结60-61
• 第4章 5000mCFRP缆索悬索桥抗风性能分析61-79
• 4.1 静风失稳概述61-63
• 4.2 基于CFD方法计算加劲梁三分力系数63-68
• 4.2.1 CFD的概念63
• 4.2.2 CFD计算模型的建立63-65
• 4.2.3 三分力系数计算结果分析65-68
• 4.3 三维非线性静风稳定计算68-73
• 4.3.1 计算方法及流程68-70
• 4.3.2 计算模型的建立70-71
• 4.3.3 计算结果分析71-73
• 4.4 颤振性能分析73-75
• 4.4.1 颤振的简述73-74
• 4.4.2 颤振临界风速的计算74-75
• 4.5 5000m不同缆索材料悬索桥抗风性能对比75-78
• 4.5.1 模型建立以及动力特性对比分析75-76
• 4.5.2 静风稳定性能对比76-77
• 4.5.3 颤振临界风速对比77-78
• 4.6 本章小结78-79
• 结论与展望79-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士期间参与科研项目与发表论文87

【参考文献】

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本文编号：634147