基于高性能材料的大跨径斜拉桥抗风性能分析

为了研究活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)和碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在大跨径斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 100m的钢斜拉索、钢主梁、普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为基础,构造了一座同等布置形式的CFRP拉索、RPC主梁、RPC索塔斜拉桥方案.采用有限元法对2种方案斜拉桥的动力特性、抗风性能等进行了分析和比较.结果表明:2种方案结构的自振基频相差不大,CFRP索RPC主梁斜拉桥的主梁颤振稳定性有所提高,其抖振响应位移较钢索钢主梁斜拉桥明显降低.CFRP拉索的自振频率达钢斜拉索的2倍;与钢斜拉索相比,CFRP拉索涡振幅值有所增大,但整体而言2种方案斜拉索的涡振幅值均很小,不影响其安全;CFRP拉索的风雨激振振幅不到钢斜拉索的1/2,且前者与风雨激振相关的临界风速较后者有所提高.应用高性能材料RPC与CFRP的大跨径斜拉桥整体抗风性能优于传统的钢斜拉索钢主梁斜拉桥,从抗风性能角度而言,将高性能材料RPC与CFRP应用于大跨径斜拉桥中是可行的.     

CFRP与钢组合斜拉索设计方案及理论研究

提出两种碳纤维增强塑料(CFRP)与钢组合的斜拉索方案:CFRP与钢组合截面斜拉索,以及CFRP与钢组合结构斜拉索.前者发挥CFRP材料的优异性能,同时避免CFRP材料的锚固难题,两种材料的截面面积比为关键设计参数;后者将CFRP斜拉索与钢斜拉索在同一桥梁不同跨度区域分别应用,优化了整桥经济性能,不同材料斜拉索合理跨度区域的确定是其设计关键.采用解析解形式的参数分析,给出不同情况下关键设计参数的推荐数值,从理论上初步证明了两种方案替代传统钢斜拉索的可行性.     

超千米级CFRP与钢组合拉索斜拉桥动力性能分析

为研究超千米级碳纤维增强塑料(CFRP)与钢组合拉索斜拉桥动力性能,参考苏通大桥设计参数,选择优化的组合拉索面积比,分别建立1 400 m CFRP与钢组合拉索斜拉桥有限元模型以及全钢、全CFRP拉索斜拉桥2个对比模型.首先,对组合拉索斜拉桥以及对比模型的固有频率和振型进行计算.然后,选择典型地震波进行地震动响应时程分析,并分别研究一维激励和三维激励2种输入形式.最后,采用规范法,从颤振稳定性、静力扭转稳定性以及抖振振幅估计3个方面对抗风稳定性进行分析.结果表明:采用合理优化面积比0.35,可使CFRP与钢组合拉索斜拉桥的抗震性能不仅优于传统钢拉索设计以及价格昂贵的全CFRP拉索设计,而且其主要构件内力数值也较低;对于抗风稳定性,组合拉索斜拉桥略低于全钢拉索设计,但明显优于全CRFP拉索设计,可在减轻拉索自重的同时提高其经济性能.     

超大规格钢绞线斜拉索的现场安装施工工艺初探

自斜拉桥出现以来其拉索制造、安装质量一直是斜拉桥质量的主要控制点,因此,一个合理有效的钢绞线斜拉索的施工工艺成为相关工程技术人员研究方向的一个重点。结合厦漳高速公路跨海大桥的超大规格钢绞线斜拉索现场安装施工工艺的研究,对HDPE管焊接安装、单根镀锌钢绞线的下料、安装、单根张拉以及全桥超大规格钢绞线斜拉索的整体张拉等一整套工序进行研究,探索钢绞线斜拉索现场安装施工工艺。通过对其斜拉索施工进行分析,希望能对钢绞线斜拉索的施工提供一定的参考。     

CFRP索斜拉-悬吊协作体系桥的动力特性及地震响应分析

采用非线性有限元法,对主跨800 m的CFRP索斜拉-悬吊协作体系桥的动力特性及地震响应进行了计算,并与钢索斜拉-悬吊协作体系桥进行对比分析.结果表明:此跨径下的斜拉-悬吊协作体系桥前10阶自振频率为0.1~0.7 Hz,振型表现出明显的三维性及相互耦合等特点;CFRP索斜拉-悬吊协作体系桥振型相同的各阶自振频率,高于相同结构布置形式的钢索体系桥,表明将传统钢索替换为CFRP索有利于结构抵抗低频激励;在地震波作用下,CFRP索斜拉-悬吊协作体系桥的位移响应值与钢索桥接近,但内力响应值较钢索桥小;在响应的衰减速度方面,CFRP索斜拉-悬吊协作体系桥衰减速度较钢索桥快,在抗震性能上具有一定优势.     

波浪形斜拉索的气动力及风致振动特性

斜拉索的风荷载和风致振动问题在工程设计和抗风研究领域备受关注，探索具有 较小气动力和良好抑振性能的新型斜拉索十分必要 . 针对某一特定几何尺寸的波浪形斜拉 索，通过风洞试验方法，研究了该波浪形斜拉索的整体气动力、风压分布、局部气动力、涡激振 动和干索驰振特性. 结果表明：在1.00×105~3.86×105 的雷诺数范围内，波浪形斜拉索的平均阻 力系数总体而言小于标准斜拉索，在低雷诺数范围可减阻 18%，最大平均升力系数相比标准 斜拉索可降低 80%；波浪形斜拉索的风压分布、气动力随雷诺数的整体变化规律与标准斜拉 索相似，但展向相关性较弱；波浪形斜拉索的涡激振动性能显著优于标准斜拉索，最大振幅降 低34%，最大振幅对应的风速提高了16%；干索驰振性能与标准斜拉索的结果相当，最大振幅 可减小5%，但发生振动的风速范围更宽.     

碳纤维复合材料索斜拉桥的设计与测试

为了解碳纤维复合材料(CFRP)索斜拉桥的结构性能、施工技术以及长期性能,进行了中国首座CFRP索斜拉桥的设计和应用研究。阐述了该桥主要部件的设计要点,采用有限元法分析了其整体受力性能;结合该桥的建造,研究了中等长度CFRP拉索的制备工艺和安装工艺;根据施工过程仿真分析结果,提出拉索的张拉方案,并在拉索张拉期间,对主梁、主塔及拉索进行了全面的测试。测试结果表明,测试值与理论值吻合良好,CFRP拉索中各根筋材受力均匀性很好。该桥在建造期间的测试、分析以及经过2年多的使用充分表明,CFRP拉索在中国斜拉桥上的初次应用是成功的。     

考虑减振器弹性刚度时拉索张力的计算分析

为了提高装置减振器斜拉索张力的测试精度,在考虑减振器弹性刚度影响的基础上,建立了装置减振器拉索的振动微分方程。利用Laplace变换即可方便求得拉索的振型函数,结合减振器弹性刚度的中间支承条件,可得到拉索的频率特征方程,利用此频率特征方程就可以求得拉索的频率或张力。由于该方法求得的是精确解析解,因此其计算结果可以用来检验其他工程近似方法的计算精度。研究结果表明:斜拉索的抗弯刚度对斜拉索张力计算的影响不大,所以斜拉索张力计算可以忽略抗弯刚度的影响;减振器弹性刚度对减振器弹性刚度"较大"的斜拉索张力计算影响较大,对减振器弹性刚度"较小"的斜拉索张力计算影响并不十分显著,因此在减振器弹性刚度"较小"的斜拉索张力计算中可以不计减振器弹性刚度的影响。     

新型斜拉索梁端防水装置在广州珠江黄埔大桥中的应用

斜拉索结构耐久性能直接影响斜拉桥的安全性与耐久性。针对斜拉桥拉索梁端锚固区防水问题,简要介绍了一种新型斜拉索梁端防水装置,包括其结构特点、主要性能和该装置在广州珠江黄埔大桥中的应用情况。这种新型斜拉索梁端防水装置结构设计合理,具有良好的动态自适应密封效果,安装简便,易于维护。可供从事桥梁设计、施工和养护等相关技术和管理人员参考。     

关于斜拉桥斜拉索减振阻尼器的应用技术研究

我国是桥梁大国,斜拉桥设计与施工技术处于世界领先水平,随着各国桥梁建设者对斜拉索振动机理的深入研究和认识,其机理大致可分为:斜拉索结构自身运动引起的参数共振和空气动力作用引起的风致振动等。有些斜拉桥由于风雨激振现象会导致斜拉索的振幅可达到索径的5～10倍,这将给斜拉桥造成严重的安全隐患。因此研究斜拉索减振技术具有重要工程意义。下面从斜拉索的振动机理入手,简要介绍阻尼器的类型、减振控制方法和安装要求等应用技术。     

缆索维护机器人系统的研制

缆索维护机器人是特种机器人技术在斜拉桥缆索维护方面的首次应用。提出了机械模块化的设计思想,研制了适于任意倾斜度缆索的新型爬升机构和各种工作机构。该系统可完成对缆壳的在线检测、清洗及涂装等一系列维护工作,并且克服了国内外斜拉桥普遍采用的人工方式进行缆索维护所带来的低效率、高成本、安全性差等缺点。     

斜拉索上雨线的气动力特性的试验研究

设计制作了可方便调节雨线在拉索模型上的位置和风向角的试验装置、用于测压试验的带人工雨线的拉索模型，并在风洞中进行了拉索模型同步测压试验．试验得到了在典型拉索倾角下，具有不同风向角时拉索雨线模型上的风压和气动力系数．这些结果为建立更为精细的理论模型提供了基础。     

超大跨斜拉桥地震行波效应分析

对多点激励下的振型方程进行了推导,简化成类似于一致激励下的振型方程形式,导出多点激励下的振型参与系数和振型等效地震波,从而可由反应谱判断多点激励对结构振动的影响.以一座试设计的主跨1 400m斜拉桥为例,采用振型分析法分析了考虑行波效应的超大跨斜拉桥振动机理。通过拟静力法分析了行波效应引起的各支承点地震动位移的差异对超大跨斜拉桥结构变形的影响,同时,利用位移输入法,对超大跨斜拉桥进行了地震时程分析,研究了行波效应对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震损伤的影响.研究结果表明:行波效应减小了耗能辅助墩的耗能作用,增大了桥塔的地震损伤,对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震反应的影响是不利的.视波速为1 000~3 000m·s-1范围内的长周期地震动作用下行波效应的影响尤为显著,因此在超大跨斜拉桥地震反应分析时必须考虑.     

缆索承重桥的体系比选

从结构体系受力特点出发,将斜拉桥和悬索桥与其他各种双塔三跨缆索承重桥进行对比分析,并探讨在面对隧道竞争的情况下,不同跨径范围内结构体系的合理选择;比较了各种多塔缆索承重体系桥梁的力学与经济性能.分析表明,对于双塔三跨的缆索承重桥,主跨小于1100 m时,优先选择斜拉桥体系;超过1100 m时,悬索桥将面对其余缆索体系及隧道的竞争,可考虑锚碇和基础处水深及其他因素比较确定.     

Key technology and innovation of Sutong Bridge

Sutong Bridge is a cable-stayed bridge across Yangtze River with the main span of 1088m. This article outlines technical challenges, key technology and innovation in the design and construction such as scour protection, lowering steel cofferdam, construction platform establishment, construction and control of pylons, fabrication and damping of long cables, erection and control of steel box girders.     

超长斜拉索的参数振动

研究了斜拉桥中拉索的参数振动,利用三维有限元模型计算了苏通大桥的全桥动力特性和单根拉索的动力特性,得出了可能发生参数振动的拉索;分析参数振动时,取单根索模型(索端受随时间变化的位移激励);计算了在同一激励下不同拉索的响应;对与主梁成一定频率匹配关系的斜拉索进行分析;讨论了各种因素(阻尼、激励幅值、激励频率)对参数振动的影响;指出在一定条件下,拉索可能由于桥面振动的激发而发生参数振动,对桥梁的安全性带来不利影响.在大跨桥梁中,由于拉索和主梁的低频特性,非常有可能发生参数振动.这意味着在大跨斜拉桥设计中出现一个新的研究趋势.     

斜拉桥气弹模型拉索振动数字摄影测量技术

利用数字摄影测量的方法,在斜拉桥全桥气弹模型风洞试验中对拉索结构实现振动位移的动态测量.介绍了该方法的基本原理,并通过某斜拉桥进行了实测研究,获得了该桥气动失稳状态时的拉索振动形态,为桥梁颤振发散机理的研究提供了直接依据.讨论了拉索位移测量方法的误差,并提出改进测量精度的对策.     

大跨度CFRP缆索悬索桥的抗风稳定性能

以主跨为2 000～5 000m的悬索桥为研究对象,利用悬索桥静风稳定和颤振稳定的非线性有限元计算方法,分析了CFRP(碳纤维增强塑脂)缆索悬索桥的抗风性能.对比研究指出,采用了CFRP缆索后,静风失稳风速将降低,而颤振失稳风速则略微提高,这是由缆索质量降低和扭转基频提高的综合作用引起的.为了进一步提高CFRP缆索悬索桥的抗风性能,讨论了一系列相应的改善措施,并对其有效性进行了验证.结果表明:增大矢跨比对提高抗风性能有一定的作用;当主跨为3 000m级或以下时,可以采用辅助拉索;当主跨达到4 000m级时,可以采用带有稳定板的中央开槽箱梁;当主跨超过5 000m时,则应采用分离式中央窄断面或宽开槽断面.