基于高性能材料的千米級(jí)跨徑混凝土斜拉橋力學(xué)性能研究.pdf

1、本文基于RPC和CFRP材料的優(yōu)越性能，依托國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于高性能材料的特大跨徑混凝土斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能”，提出千米級(jí)CFRP索RPC梁混凝土斜拉橋方案，并從靜力特性、動(dòng)力特性、穩(wěn)定性能、抗風(fēng)以及抗震性能等方面探討CFRP拉索超高性能混凝土特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性。主要的研究工作如下:
　　(1)以1090m主跨的鋼索鋼主梁普通混凝土索塔斜拉橋設(shè)計(jì)方案為例，擬定了一座同跨度的CFRP索RPC梁混凝土斜拉橋體系新方

2、案。其中拉索采用等強(qiáng)度原則將原橋的鋼索替換成CFRP索，主梁考慮截面剛度、抗剪、抗沖切、局部穩(wěn)定和局部抗彎等要求將原橋的鋼主梁替換成RPC主梁，主塔考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定需要將原橋的普通混凝土主塔替換成RPC主塔。
　　(2)采用有限元法分別對(duì)原方案和新方案在恒載、活載、溫度荷載和靜風(fēng)荷載及各種荷載組合下的主梁撓度、索塔偏位、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力等各項(xiàng)靜力性能進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明本文所提新方案具有良好的結(jié)構(gòu)靜力特性。相對(duì)于原方案，新方案在R

3、PC主梁替換鋼主梁后應(yīng)力明顯減少，且分布更均勻;在CFRP索替換鋼索后，由于線膨脹系數(shù)不及鋼材的1/10，在結(jié)構(gòu)中所引起的溫度變形很小，約為鋼拉索的1/25。
　　(3)考慮幾何非線性和材料非線性的雙重影響，應(yīng)用大型有限元通用程序ANSYS對(duì)兩種方案結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定和靜風(fēng)穩(wěn)定性能進(jìn)行分析。靜力穩(wěn)定分析結(jié)果表明兩種方案各工況下彈性穩(wěn)定安全系數(shù)和非線性穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且新方案靜力穩(wěn)定安全系數(shù)較原方案有所增大。相對(duì)于原方案，新

4、方案CFRP索由于較高的比剛度和比強(qiáng)度，分析時(shí)可不計(jì)入其幾何非線性的影響;而RPC主塔替換后縱向剛度的改善，在一定程度上延緩了新方案結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。靜風(fēng)穩(wěn)定分析結(jié)果表明，在0°風(fēng)攻角下，原方案靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速為179m/s，新方案靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速為165m/s，失穩(wěn)形態(tài)均為彎扭耦合屈曲失穩(wěn);相對(duì)于原方案，新方案主梁在替換后豎向剛度下降了38％、扭轉(zhuǎn)剛度下降了57％，但CFRP索較高的比剛度和比強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的改善以及主梁自重

5、的增加，使新方案失穩(wěn)臨界風(fēng)速僅下降了8％左右。
　　(4)應(yīng)用大型有限元程序MIDAS對(duì)兩種方案進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。結(jié)果表明，雖然新方案主梁替換后豎向剛度下降了38％，但CFRP索較高的比剛度和比強(qiáng)度改善了結(jié)構(gòu)的豎向剛度，使新方案豎彎振型對(duì)應(yīng)的頻率下降不足20％;在RPC主塔替換普通混凝土主塔后，由于縱向剛度和橫向剛度的改善，提高了新方案的基頻，并延緩了主塔側(cè)彎振型的出現(xiàn)。
　　(5)分別采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)原方案和新

6、方案進(jìn)行了彈性地震響應(yīng)分析，并對(duì)所提體系進(jìn)行了抗震性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明新方案具有與原方案相近的抗震性能，且在恒載與地震力組合下新方案各部分的應(yīng)力和位移均能滿足正常使用要求。相對(duì)于原方案，新方案在主塔采用RPC材料后縱向剛度和橫向剛度的提高，減少了地震荷載作用下主塔塔頂位移，增大了塔底彎矩，有效的發(fā)揮了RPC材料的高強(qiáng)性能;在拉索采用CFRP材料后比剛度和比強(qiáng)度的提高，改善了結(jié)構(gòu)的豎向剛度，并在一定程度上彌補(bǔ)了RPC主梁替換鋼主梁后豎向剛度

7、下降的不足，使兩種方案在地震荷載作用下主梁豎向位移基本一致，新方案略大于原方案。
　　(6)提出了RPC橋墩恢復(fù)力模型。以RPC箱型橋墩為研究對(duì)象，首先基于OPENSEES計(jì)算平臺(tái)，選取Concrete02本構(gòu)關(guān)系和Steel02本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合非線性梁柱單元，建立了RPC橋墩抗震分析模型，并通過(guò)3個(gè)常軸力RPC橋墩水平反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用OPENSEES對(duì)RPC橋墩延性抗震性能進(jìn)行了參數(shù)分析。然

8、后基于數(shù)值分析結(jié)果和3個(gè)常軸力RPC箱型橋墩擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，考慮水平荷載作用方向?qū)PC箱型墩抗震性能的影響，建立了計(jì)入雙軸水平力耦合效應(yīng)的RPC箱型橋墩恢復(fù)力模型，并通過(guò)編制的雙軸壓彎構(gòu)件非線性分析程序?qū)謴?fù)力模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(7)基于編制的雙軸壓彎構(gòu)件非線性分析程序?qū)PC橋墩塑性鉸長(zhǎng)度進(jìn)行了探討并提出了相應(yīng)的塑性鉸長(zhǎng)度回歸公式。結(jié)果表明，橋墩塑性鉸長(zhǎng)度隨墩柱高度和截面短邊尺寸的增加單調(diào)遞增，隨軸壓比的增加單調(diào)遞減，隨水

9、平加載角度和縱筋直徑的增加呈先增大后減少的趨勢(shì);其中強(qiáng)軸塑性鉸長(zhǎng)度小于弱軸，斜向60°左右加載時(shí)塑性鉸長(zhǎng)度最大，而在高軸壓比時(shí)塑性鉸長(zhǎng)度接近零。提出的塑性鉸長(zhǎng)度回歸公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比表明，回歸公式計(jì)算值能較好的吻合數(shù)值結(jié)果并限制過(guò)大的塑性鉸長(zhǎng)度。
　　(8)基于提出的RPC橋墩恢復(fù)力模型和塑性較長(zhǎng)度回歸公式，運(yùn)用大型有限元程序Midas建立了新方案彈塑性地震響應(yīng)分析模型并對(duì)其進(jìn)行了延性分析。結(jié)果表明，通過(guò)修正Midas中已