《超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究》.pdf

第32卷 ，第 1期 中 国 铁 道 科 学 Vo1．32 No．1 2011年 1月 CHINA RAILW AY SCIENCE January，2011 文章编号：lo01—4632(2011)Ol一0062—06 超大跨径 CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究 李翠娟 ，童育强。，刘明虎。，强士中 (1．西南交通大学，四川 成都 610031；2．中交公路规划设计院有限公司，北京 100010) 摘 要：采用非线性有限元软件BNLAS进行超大跨径CFRP主缆悬索桥与超大跨径钢主缆悬索桥的静动力 特性对 比分析，从加劲梁约束体系、主缆安全系数、主缆矢跨 比、主缆弹性模量 4个方面进行超大跨径 CFRP 主缆悬索桥合理结构体系研究。结果表明：采用CFRP做超大跨径悬索桥主缆可大幅提高主缆应力中活载应力 百分比和 自振频率，但活载挠度大幅增加；随着跨径增大，加劲梁约束体系对超大跨径悬索桥的动力特性影响 减小，3跨连续漂浮体系作为超大跨径CFRP主缆悬索桥加劲梁的约束体系较优；增大主缆安全系数可提高结构 的竖向刚度、竖弯基频和扭转基频，但对横向刚度和横弯基频基本无影响；减小矢跨比可提高结构的竖向和横 向刚度以及竖弯基频和横弯基频，但会降低扭转基频；增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度， 提高竖弯基频和扭转基频，但对横向刚度、横弯基频以及主缆线形和应力基本无影响。 关键词：超大跨径悬索桥；结构体系；非线性有限元 ；CFRP主缆 中图分类号：U448．25 文献标识码 ：A 悬索桥以其受力明确、跨越能力大、轻柔美 对于CFRP主缆悬索桥和传统钢主缆悬索桥静动 观、抗震性能好 、施工风险小 ，成为跨越大江大 力性能差异以及 CFRP主缆悬索桥的合理结构体 河、海峡港湾等交通障碍的首选桥型。但随着跨径 系，国内外尚无相关文献进行系统全面的研究。本 的增大，高强钢丝主缆中的恒载应力比例增加，以 文以琼州海峡跨海通道为研究背景，基于非线性有 目前最大跨径悬索桥 日本 Akashi—kaikyoBridge为 限元分析软件 BNLASE]，进行超大跨径 CFRP主 例，主缆应力中活载应力所 占比例已经小到仅 8 缆悬索桥和超大跨径传统钢主缆悬索桥的静动力性 左右。当跨度达到 3500m时，主缆活载应力仅 占 能对比分析，并对 CFRP主缆悬索桥的合理结构 7 左右，材料利用率及经济性极差 。因此，采用 体系进行研究。 轻质高强材料建造超大跨径悬索桥主缆以降低主缆 自重已成为亟待解决的问题。CFRP[1卫是 1种复 1 钢与 CFRP主缆悬索桥性能对 比 合材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、热膨胀系 分析 数低等优点，而且松弛、疲劳等重要指标均优于钢 材，特别适合用作要求高强、轻质和耐久性好的缆 1．1 分析模型 索材料 。早在 1987年就有专家提出在直布罗陀海 为分析超大跨径 CFRP主缆悬索桥与超大跨 峡最窄处建造8400m的全CFRP斜拉桥的伟大构 径钢主缆悬索桥在静力、动力两方面的差异，以琼 想并进行了可行性理论分析L3]，此后 ，很多国家， 州海峡为背景探索性设计 了2种主缆材料的超大跨 如瑞士、13本、丹麦、美 国等都竞相开展 CFRP 径悬索桥 。为了便于对比，设计过程中主缆面积按 斜拉桥的研究，国外现已建成 2座全CFRP拉索的 照成桥主缆恒载应力相同的原则确定。2座桥仅主 人行桥和 2座部分采用 CFRP拉索的公路桥_4]。 缆材料和主缆面积不同，其他参数均相同，布跨均 国内于上个世纪末本世纪初开始相关方面的研 为 1400m+3500m+1400rll，矢跨 比均为 1／lO， 究_7]，研究方向大多集中在 CFRP材料锚固性能、 加劲梁均采用常规流线型扁平钢箱梁，加劲