大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究

以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,应用考虑拉索侧向振动影响的车桥耦合振动分析方法研究了钢索和CFRP索斜拉桥的交通振动响应,比较了车辆计算模型、行车速度对计算结果的影响,并分析了斜拉桥的动力冲击系数。研究结果表明,大跨度斜拉桥主梁的振动响应以静位移和长周期振动成分为主,拉索局部侧向振动不明显,车辆计算模型对结构振动响应的影响十分有限,行车速度的提高增加了结构的动力系数,两种拉索材料对斜拉桥在车辆荷载下的振动响应影响很小,斜拉桥的动力系数离散性大且与构件类型有关。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

CFRP拉索设计对大跨度斜拉桥力学特性的影响

以跨度600m～1400m的桥梁为对象,对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行了研究。通过活载作用下的最不利内力和变形、抗风性以及弹塑性稳定性、振动特性等方面的对比,分析了碳纤维拉索在各种大跨度斜拉桥中的适用可能性。研究结果表明:碳纤维拉索的刚度虽然低于钢索,但使用这种材料不影响大跨度斜拉桥的结构设计内力,相反由于拉索使用效率的提高和较高的侧向刚度有利于主梁结构的设计。碳纤维拉索的设计安全系数在2.5～3.5之间可以满足桥梁结构设计的强度和刚度要求。但经济性是影响碳纤维拉索适用于跨度小于1000m斜拉桥的重要因素之一。     

超大跨度斜拉桥空气静力和动力稳定性研究

随着斜拉桥跨度的持续增长,结构更趋于轻柔,风作用下的结构稳定性已成为超千米主跨斜拉桥设计和研究的重要问题。采用大跨度桥梁三维非线性空气静力和动力稳定性分析方法,对1 400 m主跨的超大跨度斜拉桥进行了空气静力和动力稳定性分析,并与同等主跨的悬索桥进行对比,从抗风性能角度探讨了斜拉桥在超千米主跨桥梁中的适用性。在此基础上,分别就主梁的高度和宽度、桥塔结构型式、桥塔高跨比、边主跨比、辅助墩设置、斜拉索锚固方式等结构设计参数对超大跨度斜拉桥空气静力和动力稳定性的影响进行了分析,指出了关键的设计参数及其合理取值。结果表明:与同等主跨的悬索桥相比,斜拉桥的结构刚度更大,空气静力和动力稳定性更好,适宜采用于超千米主跨的大跨度桥梁;超大跨度斜拉桥在增大主梁高度、减小梁宽、采用倒Y形桥塔并增大塔高、减小边跨长度、边跨设置辅助墩以及部分斜拉索地锚等情况下,都可以获得比较好的空气静力和动力稳定性。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果影响的试验研究

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一.设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学模型,研究了组合系统在具备不同力学特性时,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响.分析结果表明,主粱振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,尤其是对于有可能产生索、梁耦合大幅振动的拉索必须考虑主梁参与振动的影响.     

预应力混凝土斜拉桥施工过程中的力学行为研究

斜拉桥施工过程中的力学行为研究是一项涉及斜拉桥质量和安全的关键技术问题。采用空间非线性 有限元模拟了某大跨度预应力混凝土斜拉桥主梁的悬臂浇筑过程,引入一阶最优化计算方法来确定斜拉桥的合 理施工状态,求出各施工阶段的斜拉索张拉索力和主梁的预抛高值,并讨论了物理非线性和几何非线性等因素 对桥梁施工的影响,提出了减小非线性影响的措施。。     

斜拉桥施工控制中的温度效应分析

为了研究大跨度混凝土斜拉桥的温度效应问题,在长寿长江大桥施工过程中进行了24h温度效应的观测,并利用有限元的方法进行了理论计算。结果表明,日照等不均匀温差对斜拉桥结构的影响很大。提出了在斜拉桥施工控制过程中应注意主梁立模标高和斜拉索的张拉索力的修正问题。     

大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应

为研究大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应,以湖南赤石特大桥火灾后九根拉索断裂的事故为背景,采用有限元软件建立了赤石特大桥的非线性动力实体有限元分析模型,通过对比灾后检测得到的索力、主梁和索塔位移及裂缝开展情况与有限元模型中相应的计算结果,证明了模型的有效性。基于已验证的有限元模型,对斜拉桥结构在多根拉索断裂过程中的动力响应进行了分析。结果表明:(1)拉索静态断裂只会对断索区域附近的截面内力和索力造成影响,而拉索骤断引起的冲击作用则会导致全桥结构都产生较大内力变化;(2)单侧索面部分拉索断裂导致主梁顶板及腹板受到扭矩和双向弯矩的共同作用而产生大量裂缝,裂缝在第五根拉索断裂后出现;(3)主梁扭矩、竖向弯矩和横向弯矩最不利截面在断索过程中的动力放大系数分别在1.09~1.55、1.21~2.05及1.21~1.76,最大主压应力动力放大系数在1.02~1.58;(4)预应力筋及拉索最大拉应力的动力放大系数分别在1~1.9及1.05~1.4;(5)索塔塔顶位移动力放大系数在1.23~1.65。     

基于压重块型TMD的大跨度斜拉桥减震控制

调谐质量阻尼器(TMD)能对大跨度桥梁振动进行有效控制,但安装TMD所带来的附加荷载将显著增加主梁的静载挠度,极大地抑制了TMD桥梁减振中的广泛应用。为此,提出了一种基于压重块型TMD的大跨度斜拉桥减震控制方法,该法针对大跨度斜拉桥的结构特点,将边跨的压重块设计并改装成压重块型TMD,以控制主梁的竖向振动。以边跨配置了压重块、主跨为1088m的苏通大桥参照,分别设计了有辅助墩和无辅助墩的两种大跨度斜拉桥,并对比分析了采用压重块型TMD前后大桥关键截面的地震响应。研究结果表明:在大跨桥梁无辅助墩时,压重块型TMD能在保持传统压重块功能的同时,显著降低结构的振动响应,减震率最高可达21%;而在设辅助墩时,压重块型TMD的减震率相对较低,最大值不足10%。     

大跨度混凝土斜拉桥抗爆分析

为研究大跨度混凝土斜拉桥在爆炸荷载下的动力响应和损伤模式。建立全桥实体模型和跨中主梁局部模型,并开展不同炸药条件下的斜拉索应力分析和结构动力响应分析。结果表明:(1)斜拉索在爆炸荷载下直接破坏的风险较低,只有偏载作用时近爆点斜拉索有断索风险;(2)斜拉桥混凝土主梁的局部破坏模式与爆炸位置和TNT当量均有关系;爆炸位置相同时,随着TNT当量增大,破坏模式由弯曲破坏转变为直剪破坏;(3)梁体纵向加劲肋在中小爆炸荷载作用下能有效提高梁体的抗爆能力,其与箱梁顶板形成具有相对强弱刚度的熔断体系,有效限制梁体横向破坏面的扩展,降低破坏程度,甚至可改变梁体的破坏模式;(4)箱梁结构破坏时冲击波在箱室内传播存在明显的约束效应并引起更严重破坏。     

CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能

为了研究高强钢筋和碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)混合配筋/高强混凝土柱的抗震性能,对CFRP筋-高强钢筋混合配筋的高强混凝土柱进行了低周反复荷载试验和有限元分析,研究了CFRP筋的粘结条件、不同轴压比以及高强混凝土种类等参数对其抗震性能的影响。结果表明:所有的高强混合配筋高强混凝土柱均发生延性破坏;在相同条件下,高强混合配筋混凝土中分别添加了钢纤维活性粉末和钢纤维后,表现出更好的耗能能力和延性;有粘结CFRP筋混合配筋高强混凝土柱比无粘结CFRP筋混合配筋柱的变形能力和承载力分别提高了9.6%和17.1%,但是延性系数降低了22.5%;在延性破坏的条件下,随着轴压比的增加,CFRP筋-高强钢筋混合配筋柱的屈服强度和极限强度明显增大,极限位移和耗能能力也逐渐减小;高强钢筋和CFRP筋配筋率越高,高强混合配筋柱的极限承载力和变形能力越大。      

CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能

为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。      

Evaluation of FRP and hybrid FRP cables for super long-span cable-stayed bridges

This paper evaluates the safety factors, the applicable lengths, and relative cost of FRP (fiber reinforced polymer) and hybrid FRP cables that are potentially suitable for cable-stayed bridges with a super long-span of between 1000 m and 10,000 m. Following previous studies on 1000-m scale cable-stayed bridges with FRP cables, two kinds of hybrid FRP cables – the previously discussed hybrid basalt and carbon FRP (B/CFRP) cable and the newly-developed basalt and steel-wire FRP (B/SFRP) cable – as well as conventional steel cable, CFRP cable, and BFRP cable are further investigated focusing on their promise in meeting potential requirements for super long-span bridges. Some major results are as follows: (1) a three-stage model for determining safety factors of cables with different kinds and lengths is proposed; (2) a threshold of λ² is suggested to achieve both high material and stiffness utilization efficiency, based on which the applicable lengths for different kinds of cables were evaluated; and (3) hybrid B/SFRP cables and BFRP cables are comparable in cost to steel cables within a 3000 m span, while hybrid B/CFRP cables and CFRP cables demonstrate a superior performance/cost ratio over a longer span.     

应用碳纤维索的斜拉桥地震响应分析

以在建的杭州湾跨海大桥北航道桥为对象,采用强度等效的原则将原桥的钢丝索替换成碳纤维索,利用能考虑拉索局部振动的斜拉桥地震响应分析程序,分析比较了同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥与钢丝索斜拉桥的振动特性及地震响应差异,并探讨了引起差异的根本原因。结果表明:索桥耦合振动是引起两种拉索斜拉桥的振动特性和地震响应存在差异的根本原因,碳纤维索的自振频率高,发生索桥耦合振动的可能性低于钢索斜拉桥,同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥的地震响应要较钢丝索斜拉桥有不同程度的降低。     

Integrated high-performance thousand-metre scale cable-stayed bridge with hybrid FRP cables

To overcome the limitations of conventional steel stay cables in a thousand-meter scale cable-stayed bridge, hybrid basalt and carbon (B/C) FRP cables were investigated to achieve integrated high performances in the bridge of this scale as a replacement for steel cables. First, the material properties of different cables were discussed, and static and dynamic analyses on the entire bridges with different cables were conducted by means of finite element method. Moreover, the aerodynamic stability of different cables was studied in terms of the Scruton number. Results show that (1) hybrid B/CFRP with a 28% volume proportion of carbon fibres exhibits relatively high stiffness, economical cost, a small sag effect and sufficient fatigue resistance, which was proven suitable for stay cables; (2) based on the stiffness principle, the cable-stayed bridge with hybrid B/CFRP cables exhibits linear L–D behaviour and higher stiffness compared to the bridge with steel cables under the static load, and this advantage would become more apparent with the elongation of span; (3) the hybrid B/CFRP cable processes much higher natural frequencies than steel cables, which could lower the possibility of resonance between stay cables and the bridge deck. Furthermore, the aerodynamic stability of hybrid B/CFRP cables is superior to other cables due to its designable inherent damping.     

Stochastic finite element analysis of long-span bridges with CFRP cables under earthquake ground motion

Stochastic seismic analysis of long-span bridges with Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) cables are presented in this study through combination of the advantages of the perturbation based stochastic finite element method (SFEM) and Monte Carlo simulation (MCS) method. Jindo cable-stayed and Fatih Sultan Mehmet (Second Bosporus) suspension bridges are chosen as an example. Carbon fibre reinforced polymer cable (CFRP) and steel cables are used separately, in which the cable’s cross sectional area is determined by the principle equivalent axial stiffness. Geometric nonlinear effects are considered in the analysis. Uncertainties in the material are taken into account and Kocaeli earthquake in 1999 is chosen as a ground motion. The efficiency and accuracy of the proposed algorithm are validated by comparing with results of MCS method. It can be stated that using of CFRP cables in long-span bridges subjected to earthquake forces is feasible.     

A preliminary study of RPC for repair and retrofitting materials

Abstract

This study aims to assess the performances of reactive powder concrete, RPC, as a new repair and retrofitting material and evaluate its durability in concrete members. One accelerated aging environment, namely a freeze‐thaw cycle acceleration deterioration test, was selected for the durability study of the repair materials. Before and after aging, the samples were evaluated by the bond strength (slant shear test), rebar pull out strength, and relative dynamic modulus NDT tests.

The test results show that the RPC displayed excellent repair and retrofit potentials, as it possessed high strengthening effect, bond strength, dynamic modulus and durability, as compared with other concretes. Using RPC or CFRP (carbon fiber reinforced plates) for strengthening concrete members one can obtain specific retrofit effects, but the costs are extremely different for these two materials.     

大跨度斜拉桥空间振动计算分析

本文提出了一种分析列车、大跨度钢桁梁斜拉桥系统空间振动的方法.文中采用21个自由度的列车空间振动模型,对斜拉桥桁架、桥塔、拉索分别采用桁段有限单元、空间梁元、空间杆元来模拟,计算了列车以不同车速通过大跨度斜拉桥的空间振动响应,所得结果可供设计参考.