超大跨径CFRP主缆悬索桥静力性能理论分析
2018-03-26
现代悬索桥主缆一般都采用钢索，而缆索体系的缆索材料用量随跨度的平方增长。如果采用传统的钢索，主缆的自重将特别可观，其自重应力将消耗掉容许应力的相当大部分，承载效率会非常低[1]。另外，锈蚀也是钢索耐久性面临的严峻问题之一。正是由于钢索的这些缺陷限制了现代悬索桥向超大跨径的发展。碳纤维复合材料（简称CFRP）具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等特点。这些性能特点说明CFRP很有可能代替钢材成为主缆用材，很多学者对用CFRP的桥用性能进行了研究。
Meier[2]提出了CFRP用于桥梁缆索体系的思想并在Stork桥上首次应用CFRP索，对该桥长期的跟踪监测表明，CFRP索的测试结果超过了预期效果。吕志涛等[3]在江苏大学建设了首座CFRP索斜拉桥。在理论研究方面，Wang等[45]研究了CFRP、BFRP、B/SFRP等6种不同组成成分的FRP力学性能和疲劳性能，从拉索强度和等效刚度的基础上，评估了各种CFRP拉索的安全因子，分析了这6种千米级CFRP拉索的适用范围。李翠娟等[6]利用有限元分析软件对超大跨径CFRP主缆悬索桥与超大跨径钢主缆悬索桥的静动力特性进行对比分析；齐玉军等[7]研究了FRP索和钢索的极限跨径计算；马文刚等[8]利用有限元软件对CFRP索和钢索悬索桥静力性能进行了对比研究。
以上文献，多基于有限元方法建立悬索桥模型，分析CFRP悬索桥的力学特性，基于理论方法的研究CFRP悬索桥的文献尚未见到。
中小悬索桥以索梁分析为主，大跨径悬索桥分析回归到缆索分析。Irvine[9]、Gimsing[10]、Algirdas等[11]基于公式方法研究了缆索力学特征，本文综合了以上学者的方法，对比钢索，研究了CFRP索不同跨度、不同矢跨比下的特征参数的变化规律，以及特征参数及荷载参数变化对悬索索力和位移控制方程的影响，从理论上综合分析了悬索强度、比重等材料参数，拉索跨度、矢高、截面积等几何参数，以及恒活载集度比例、作用位置等参数对大跨度缆索静力性能影响的规律，在理论上证明了CFRP悬索体系的优势和特点。
