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大跨度CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性研究

申永刚  
【摘要】: 碳纤维增强复合材料(CFRP)斜拉索具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能,作为新材料在大跨度斜拉桥上的应用具有诱人的前景。因CFRP拉索的质量、弹模、阻尼等与钢索有别,对其振动特性及模态阻尼特性的研究是这种新材料被大量应用前必须解决的基础性工作之一。作为结构阻尼特性计算的常用方法,基于非比例黏性阻尼理论的复数特征值法在桥梁结构的抗震、抗风等动力分析中具有广泛的应用,但对于不同受力条件下的不同结构形式,这种方法的适用性还需要进行讨论。相对较晚提出的应变能比例阻尼方法从能量角度得到结构的模态阻尼比,在结构阻尼特性的识别中具有一定的合理性。本文以跨度600m~1400m的大跨度斜拉桥为对象,采用复数特征值方法和应变能比例阻尼方法对CFRP斜拉索和CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性进行计算比较。 首先,通过与钢索的对比研究,分析了大跨度CFRP斜拉索的模态阻尼特性,将钢索计算结果与Tatara大桥阻尼实测值进行对比,讨论了两种阻尼计算方法的差异性和适用性。 其次,对CFRP斜拉索自振状态及横向静风作用下的空气阻尼特性进行了计算分析,通过与钢索计算结果的对比,讨论了拉索振幅及风速对CFRP斜拉索阻尼特性的影响。 再次,用复数特征值方法对设置黏性阻尼器的CFRP斜拉索的模态阻尼进行了计算,并对复数特征值方法在大跨度拉索非比例黏性阻尼计算中的适用性进行了评价。 另外,通过与钢索斜拉桥的对比,研究了CFRP拉索斜拉桥各子结构(主梁、塔、索、支座等)的非比例黏性阻尼和应变能比例阻尼的分布规律,并将钢索斜拉桥的计算结果与斜拉桥实测阻尼分布规律进行比较,讨论和评价了两种阻尼计算方法在大跨度斜拉桥模态阻尼评估中的适用性。 最后,对大跨度CFRP拉索斜拉桥的车桥耦合振动进行了计算,通过与钢索斜拉桥的对比研究,评价了拉索材料变化对斜拉桥振动响应的影响。 研究表明,CFRP拉索的自振频率高于钢索,受空气力阻尼的影响比较大,拉索的空气阻尼效果随振幅的增大及风速的提高而增大;黏性阻尼器对CFRP拉索的减振效果优于钢索;CFRP拉索斜拉桥的主要振型及模态阻尼分布规律与钢索斜拉桥类似;相对于钢索斜拉桥,CFRP拉索斜拉桥在车辆荷载作用下的主梁挠曲变形有所增加;基于黏性阻尼理论的复数特征值方法不适合于斜拉桥模态阻尼的评估,相比之下,按应变能比例阻尼方法得到的模态阻尼与实测结果比较符合。


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