CFRP主缆三塔悬索桥结构特性研究文献综述

 2022-10-24 10:10

文献综述(或调研报告):

1.CFRP材料特性[1]

经过查阅资料,CFRP材料的主要特性有:①容重小,约为钢材的1/5;②顺纤维向强度高,抗拉强度可达高强钢丝的2倍以上;③耐腐蚀性极强,可很好地适应高腐蚀性的海洋大气和工业大气环境;④抗疲劳性能优良,约为钢材的3倍;⑤热膨胀系数低,温度应力小;⑥应力~应变关系呈线弹性;⑦弹性模量比钢丝低1/4左右;⑧短期徐变、松弛性能好;⑨自振频率高,内阻大,减震性能好;⑩延伸率低,约为钢丝的1/4~ 1/5; ⑪各向异性,横向强度低; ⑫非磁性; ⑬材料制造可控性好。

1.1 CFRP的锚固[2]

CFRP的锚固向来是阻碍该材料广泛应用于主缆的首要问题。CFRP 筋由大量单向纤维经树脂胶合形成,其材料性能是各向异性的,轴向的抗拉强度高,横向的抗压强度和抗剪强度均较低,因此,CFRP 筋的锚固一直是土木工程界重点研究的问题之一。这类锚具的技术关键是力求使 CFRP 索受力均匀,避免集中的挤压应力和剪应力对 CFRP 索造成致命破坏。当前,在 CFRP 筋锚具的开发研究上,日本、美国、加拿大、瑞士、德国等国家已取得了一定的成果,部分锚具形式申请了专利并获得实际应用;在国内,东南大学和一些企业单位合作,也自主研制了这类锚具,并在国内首座 CFRP 拉索斜拉桥中得到应用。

根据锚具的工作原理,目前 CFRP 筋锚具主要分为机械夹持式锚具、粘结型锚具及机械夹持—粘结混合型锚具等类型。其中,机械夹持式锚具一般需在 CFRP 筋和夹片间增设由软合金制成的护套,以实现应力的平缓过渡;粘结型锚具是将粘结材料灌注于 CFRP 筋与套筒之间,综合利用化学胶着力、摩擦力和机械咬合力来传递剪力,实现 CFRP 筋的可靠锚固;机械夹持—粘结混合型锚具则是以上两类锚具的结合。CFRP 缆索在工作中需承受变化的拉力作用,因此对疲劳性能的要求较高。研究表明,粘结型锚具的疲劳性能优于机械夹持式锚具,因而目前 CFRP缆索锚具的研制工作主要集中在粘结型锚具上。 粘结型锚具的锚固原理是通过沿锚固长度粘结应力的积累,从而在 CFRP 筋中建立所需的拉应力。CFRP 筋与粘结剂之间的粘结强度,由化学胶着力、摩擦力和机械咬合作用组成。当筋材与粘结剂发生相对滑动之前,粘结强度主要取决于化学胶着力;当两者发生相对滑动之后,粘结强度就取决于两者间的摩擦力和机械咬合作用。常用的粘结材料是环氧树脂和微膨胀水泥,后者在凝固时产生微量膨胀,膨胀后的水泥因受到刚性套筒的约束,将对 CFRP 筋产生较大的横向压应力,从而提高锚具的承载能力。

2.悬索桥有限元模型的建立[3][4]

由于涉及的模型需要采用有限元软件进行建模,本任务采用大型结构分析软件Ansys进行结构建模分析,对各构件的等效及简化考虑如下:

(1)主缆

在成桥与运营状态,相邻索夹间的主缆段在高应力状态下的垂度效应很小,用空间杆析架单元模拟就可以满足其精度,但弹性模量采用修正后的等效弹性模量。在需要模拟施工过程时,由于主缆的拉应力比成桥状态小很多,其垂度效应比较明显,应该用悬链线索单元模拟。本文采用只受拉的3D杆单元LINK10取模拟主缆。

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