超大跨徑碳纖維空間纜索懸索橋力學特性分析.pdf

1、懸索橋的跨徑極限不斷被刷新，朝著更大更長的方向推進成為現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展趨勢。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，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)揮碳纖維材料輕質高強高彈模的同時，采用空間纜索體系提高懸索橋的扭彎頻率比，解決抗風穩(wěn)定性問題。采用試驗分析和有限元分析相結合的方法，進行碳纖維空間纜索懸索橋的力學性能研

2、究分析。本文主要工作和研究成果如下:
　　制作了主跨15m的高強纖維單葉雙曲面空間纜索懸索橋試驗模型，進行了豎向堆載試驗、水平荷載試驗和模型自振特性測試等試驗研究。通過豎向堆載試驗發(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角不大，表明上部空間索網(wǎng)能有效地限制加勁梁的扭轉變形

3、，單葉雙曲面空間纜索體系懸索橋的抗扭性能較好。水平荷載靜力試驗表明，空間纜索內力的的水平向分力參與工作，提高了懸索橋的抗側剛度。
　　對碳纖維空間纜索懸索橋試驗模型進行ANSYS建模，開展試驗仿真分析研究，有限元結果和試驗實測兩者吻合較好。在此基礎上，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空間纜索懸索橋力學性能的影響。進行碳纖維空間纜索橋和平行纜索橋的有限元對比分析研究，研究表明:在相

4、同的荷載等級下，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％，驗證了空間懸索橋力學性能上的優(yōu)勢。
　　以瓊州海峽大橋為背景，選擇合理的參數(shù)，設計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，進行了成橋狀態(tài)下的靜力性能、動力模態(tài)特性及抗風穩(wěn)定性等方面的力學性能對比研

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