超大跨径空间缆索体系悬索桥的力学性能分析与试验研究

发布时间：2017-09-20 01:24

  本文关键词：超大跨径空间缆索体系悬索桥的力学性能分析与试验研究

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【摘要】：桥梁必需的使用宽度是有限的,而随着跨径的不断增大,宽跨比不断减小,从而使桥梁的横向刚度和扭转刚度也不断减小,结构阻尼越来越低,同时宽跨比的减小又影响到桥梁的动力稳定性,这对跨越能力大且多建造在风速较大的江河海峡处的悬索桥来说尤为明显。单叶双曲面空间缆索悬索桥24根主缆形成稳定的空间网架结构,主缆和吊索也形成了一个三维的索系,在对竖向刚度影响不大的情况下,缆索系统的横向刚度和抗扭刚度得到显著提高,从而大大提高了整个桥梁的空间刚度和抗风稳定性。论文的主要工作和研究成果如下：制作椭圆截面单叶双曲面空间缆索体系悬索桥与同规模平行缆索悬索桥的对比试验模型,进行了竖向荷载静力试验,单车道竖向偏载试验,水平荷载静力试验以及模型横向与扭转自振特性测试等。通过对比试验,研究了椭圆截面单叶双曲面空间缆索悬索桥在工况荷载作用下加劲梁和空间缆索的变形和应力应变规律,证实了24根空间缆索具有优良的协同工作性能。建立两种悬索桥的ANSYS和Midas有限元模型,对模型试验进行仿真分析,有限元结果和试验结果两者差别在合理的范围之内。其次对试验工况进行了扩展分析,进一步研究两者在静动力特性方面的差异。研究结果发现,新型缆索体系悬索桥出现对抗风不利的横向与扭转振型晚于平行缆索悬索桥,对应的频率较之后者也较大。新型单叶双曲面空间缆索悬索桥的缆梁连接更加紧密,振动更一致,缆索对加劲梁有着更牢靠的约束,这说明新型空间缆索悬索桥具有更好的空间整体性能,新型空间悬索桥具有良好的抗风稳定性能。借鉴已有的三维主缆线形计算方法,直接从三维索的几何方程和平衡方程出发推导了索形迭代计算方法,并用ANSYS有限元软件对单叶双曲面空间缆索悬索桥在自重荷载下进行找形,并给出了找形具体步骤和算法过程。进行了主跨4000米级椭圆环梁单叶双曲面与同规模平行缆索悬索桥的概念设计,对比分析了两者在常见荷载作用下的力学性能,开展了新型悬索桥的自振特性、静风稳定性能、颤振稳定性研究等。论文研究了在单叶双曲面空间缆索悬索桥跨中区域设置刚性中央扣对其动力特性产生的影响。有限元计算结果发现,中央扣限制了结构的纵飘特性,同时加强加劲梁-主缆-主塔的动力耦合作用。基于ANSYS软件对比研究主缆采用钢丝束与CFRP材料对其受力性能的影响。超大跨径空间悬索桥主缆采用CFRP材料使得主缆应力大幅度降低,因而具有更大的主缆应力安全储备,相同结构参数的CFRP缆索悬索桥在空气动力稳定性方面较钢缆悬索桥也有优势。虽然目前单叶双曲面空间缆索悬索桥还处于起步阶段,但随着悬索桥跨径的不断增大,为提高结构的横向受力性能和抗扭刚度,改善结构的动力稳定性,将来大跨径悬索桥也很可能采用单叶双曲面空间缆索形式。所以,对单叶双曲面空间缆索悬索桥是有应用意义的。
【关键词】：超大跨径悬索桥 单叶双曲面 空间缆索体系 主缆找形 刚性中央扣 CFRP主缆
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441;U448.25
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 引言9-10
• 1.2 空间缆索悬索桥研究现状10-13
• 1.3 单叶双曲面空间缆索悬索桥13-14
• 1.4 空间主缆线形计算方法14-16
• 1.5 主缆材料的发展16
• 1.6 论文的主要工作16-18
• 第二章 新型空间缆索体系悬索桥试验研究18-41
• 2.1 试验目的18
• 2.2 试验模型设计及制作18-22
• 2.3 试验测试22-23
• 2.4 单车道竖向堆载试验23-27
• 2.4.1 试验方法及步骤23-24
• 2.4.2 竖向位移测量数据分析24-26
• 2.4.3 竖向堆载下主缆应力数据分析26-27
• 2.5 竖向偏载试验27-30
• 2.5.1 试验方法及步骤27-28
• 2.5.2 竖向相对位移测量数据分析28-30
• 2.6 水平荷载静力试验30-33
• 2.6.1 试验目的及试验方法30-31
• 2.6.2 横向位移测量数据分析31-33
• 2.7 横向模态试验33-39
• 2.7.1 模型脉动试验试验方法33-34
• 2.7.2 模态试验结果分析34-39
• 2.8 本章小结39-41
• 第三章 单叶双曲面空间缆索悬索桥有限元分析41-65
• 3.1 建立有限元模型41-44
• 3.1.1 悬索桥有限元模型41-42
• 3.1.2 单叶双曲面空间缆索悬索桥的建模特点42-44
• 3.2 竖向堆载下计算结果44-49
• 3.2.1 竖向位移计算结果44-48
• 3.2.2 缆索内力计算结果48-49
• 3.3 竖向偏载下计算结果49-55
• 3.3.1 加劲梁受竖向偏载的计算理论49-52
• 3.3.2 竖向偏载下有限元计算结果52-55
• 3.4 水平荷载下计算结果55-58
• 3.5 模态计算结果58-62
• 3.5.1 横向特性有限元分析结果59-61
• 3.5.2 扭转特性有限元分析结果61-62
• 3.6 空间缆索悬索桥主缆布置形式研讨62-64
• 3.7 本章小结64-65
• 第四章 大跨径空间悬索桥成桥线形与静动力受力特性研究65-96
• 4.1 空间缆索悬索桥成桥线形分析65-71
• 4.1.1 基本假设65
• 4.1.2 主缆线形计算的悬链线理论65-68
• 4.1.3 单叶双曲面空间缆索悬索桥成桥线形分析68-71
• 4.2 跨径4000米空间缆索悬索桥的静力特性分析研究71-76
• 4.2.1 成桥状态下索的应力分布72-73
• 4.2.2 汽车荷载作用下静力性能73-75
• 4.2.3 水平风荷载作用下力学性能75-76
• 4.3 跨径4000米空间缆索悬索桥的模态特性研究76-84
• 4.3.1 模态分析概述76-77
• 4.3.2 模型自振特性有限元分析理论77
• 4.3.3 两种4000m主跨悬索桥自振特性对比77-84
• 4.3.4 两种悬索桥的自振特性对比84
• 4.4 大跨径单叶双曲面空间缆索悬索桥静风稳定性分析84-87
• 4.4.1 大跨径悬索桥静风稳定性概述84-85
• 4.4.2 大跨径空间缆索悬索桥静风稳定性分析85-87
• 4.5 大跨径单叶双曲面空间缆索悬索桥颤振稳定性分析87-89
• 4.5.1 大跨径悬索桥颤振稳定性概述87-88
• 4.5.2 大跨径悬索桥动风稳定性对比分析88-89
• 4.6 单叶双曲面空间缆索悬索桥受力性能影响因素讨论89-94
• 4.6.1 刚性中央扣对空间悬索桥的动力特性的影响89-91
• 4.6.2 碳纤维主缆材料对空间悬索桥受力性能的影响91-94
• 4.7 本章小结94-96
• 第五章 总结与展望96-99
• 5.1 总结96-97
• 5.2 展望97-99
• 参考文献99-101
• 在校期间发表的著作及取得的科研成果101-102
• 致谢102

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