大吨位FRP拉索锚固体系及长期性能研究
发布时间：2024-01-29 16:52
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)具有抗拉强度高、自重轻、抗疲劳、耐腐蚀等优异特性,作为拉索材料可以减轻桥梁跨度增大导致的钢拉索垂度效应明显、承载能力低的劣势和疲劳-腐蚀耦合作用对拉索服役寿命的影响。由于CFRP材料是各向异性,横向力学性能远低于纵向纤维方向,故传统钢拉索的锚固方法对CFRP拉索的锚固并不理想。迄今为止,许多学者对CFRP拉索锚固系统进行了广泛研究,但同时满足短期和长期使用要求的锚固系统还很少,能够成功应用到工程上的更少。因此,有必要进一步对CFRP拉索锚固系统进行开发和研究,尤其是对于多根大吨位的CFRP拉索。本文以大吨位CFRP拉索锚固问题为主线展开,主要研究内容与结论如下:(1)开发了一种分段变刚度粘结挤压型锚固系统。建立了3D精细化仿真模型,模拟了锚固系统荷载传递介质分段刚度、几何参数和界面参数变化对锚固区拉索力学性能的影响。基于37根CFRP筋平行拉索锚固系统的数值分析和实验数据,建立了以荷载传递介质中最小抗压强度为优化控制目标的评估体系,并对承载力为500-2000吨级锚固系统设计参数进行了预测。结果表明刚度梯度变化有...
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 FRP拉索及其在土木工程中的应用
1.1.1 FRP筋与FRP拉索
1.1.2 在桥梁工程中应用
1.2 FRP拉索未来的发展及面临的问题和挑战
1.3 拉索锚固系统研究现状
1.3.1 钢拉索锚固系统研究现状
1.3.2 FRP拉索锚固系统研究现状
1.4 本文研究意义及技术路线
1.5 研究内容
第二章 拉索锚固系统优化设计与参数分析
2.1 接触问题基本理论
2.2 数值分析方法
2.2.1 3D有限元模型及基本假定
2.2.2 优化分析方法
2.2.3 不同锚固形式分析
2.3 锚固系统构成及部件基本力学性能测试
2.3.1 锚固系统构成
2.3.2 CFRP筋
2.3.3 荷载传递介质
2.3.4 拉索锚具组装件
2.4 失效模式与锚固效率
2.5 有限元分析与试验结果对比
2.5.1 摩擦系数对锚固区拉索应力和位移影响
2.5.2 刚度变化对锚固区拉索应力和位移影响
2.6 参数评估及预测
2.6.1 500吨级CFRP拉索锚固系统参数优化
2.6.2 大吨位锚固系统设计参数预测
2.7 本章小结
第三章 拉索锚固系统静力性能研究
3.1 锚具构成和组件力学性能
3.1.1 锚具组成形式
3.1.2 拉索基本力学性能
3.1.3 荷载传递介质基本力学性能
3.2 锚具强度校核方法
3.2.1 强度理论
3.2.2 静力分析
3.2.3 强度校核
3.3 拉索锚固系统制作工艺流程
3.3.1 试验方案
3.3.2 制作工艺流程
3.4 实验准备
3.5 试验结果分析和讨论
3.5.1 破坏模式和锚固效率
3.5.2 拉索荷载应变关系
3.5.3 锚固区拉索应力与位移分布
3.6 本章小结
第四章 拉索锚固系统疲劳性能及寿命预测
4.1 疲劳损伤机理及拉索疲劳性能影响因素
4.1.1 疲劳损伤机理
4.1.2 疲劳损伤影响因素
4.2 实验目的和加载参数依据
4.2.1 实验目的和内容
4.2.2 疲劳加载依据
4.3 加载装置和荷载工况
4.4 拉索组装件安装准备及调试
4.5 疲劳性能验证实验结果和讨论
4.5.1 实验现象
4.5.2 拉索锚具组装件相对位移变化
4.5.3 拉索表面剪应力的变化
4.5.4 拉索刚度和强度退化率
4.6 疲劳寿命评估实验结果和讨论
4.6.1 破坏模式及损伤机理
4.6.2 荷载传递介质楔进位移
4.6.3 钢套筒环向应力与轴向应力
4.6.4 锚固区拉索轴向应变
4.6.5 拉索残余拉伸刚度
4.6.6 拉索锚固组装件寿命预测
4.7 本章小结
第五章 大跨斜拉桥FRP拉索疲劳寿命评估
5.1 大跨斜拉桥的概况及模型
5.1.1 设计概况
5.1.2 有限元模型
5.2 确定设计周期内的疲劳循环次数
5.2.1 车辆统计数据
5.2.2 疲劳荷载车辆统计
5.3 大跨斜拉桥最不利荷载位置确定
5.3.1 荷载工况
5.3.2 最不利位置
5.4 斜拉索实际应力幅与等效应力幅
5.4.1 实际应力幅
5.4.2 等效应力幅
5.5 疲劳寿命预测方法
5.5.1 有限元法、S-N曲线与Miner损伤理论
5.5.2 考虑垂度效应的修正安全系数
5.6 疲劳寿命评估结果分析
5.6.1 不同材料拉索疲劳寿命预测模型
5.6.2 不同位置拉索的疲劳寿命
5.6.3 拉索设计建议
5.7 本章小结
第六章 大跨斜拉桥FRP拉索设计方法及安装参数研究
6.1 大跨斜拉桥结构方案设计
6.1.1 设计参数和技术指标
6.1.2 主体结构和材料参数
6.1.3 分析模型
6.2 斜拉索替换及有效刚度
6.2.1 等效替换原则
6.2.2 有效刚度
6.3 合理成桥状态和静力初步验算
6.3.1 车辆荷载下索力分布
6.3.2 主梁轴力和弯矩
6.3.3 主塔位移及轴力
6.4 斜拉索安装参数及有限元模型
6.4.1 基本思路
6.4.2 理论分析
6.4.3 有限元模型
6.5 斜拉索安装参数分析结果
6.5.1 安装参数
6.5.2 对比分析
6.6 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 主要创新点
7.3 展望与建议
参考文献
致谢
个人简历
作者攻读博士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文
参加的科研项目
发表的论文目录
本文编号：3888524
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 FRP拉索及其在土木工程中的应用
1.1.1 FRP筋与FRP拉索
1.1.2 在桥梁工程中应用
1.2 FRP拉索未来的发展及面临的问题和挑战
1.3 拉索锚固系统研究现状
1.3.1 钢拉索锚固系统研究现状
1.3.2 FRP拉索锚固系统研究现状
1.4 本文研究意义及技术路线
1.5 研究内容
第二章 拉索锚固系统优化设计与参数分析
2.1 接触问题基本理论
2.2 数值分析方法
2.2.1 3D有限元模型及基本假定
2.2.2 优化分析方法
2.2.3 不同锚固形式分析
2.3 锚固系统构成及部件基本力学性能测试
2.3.1 锚固系统构成
2.3.2 CFRP筋
2.3.3 荷载传递介质
2.3.4 拉索锚具组装件
2.4 失效模式与锚固效率
2.5 有限元分析与试验结果对比
2.5.1 摩擦系数对锚固区拉索应力和位移影响
2.5.2 刚度变化对锚固区拉索应力和位移影响
2.6 参数评估及预测
2.6.1 500吨级CFRP拉索锚固系统参数优化
2.6.2 大吨位锚固系统设计参数预测
2.7 本章小结
第三章 拉索锚固系统静力性能研究
3.1 锚具构成和组件力学性能
3.1.1 锚具组成形式
3.1.2 拉索基本力学性能
3.1.3 荷载传递介质基本力学性能
3.2 锚具强度校核方法
3.2.1 强度理论
3.2.2 静力分析
3.2.3 强度校核
3.3 拉索锚固系统制作工艺流程
3.3.1 试验方案
3.3.2 制作工艺流程
3.4 实验准备
3.5 试验结果分析和讨论
3.5.1 破坏模式和锚固效率
3.5.2 拉索荷载应变关系
3.5.3 锚固区拉索应力与位移分布
3.6 本章小结
第四章 拉索锚固系统疲劳性能及寿命预测
4.1 疲劳损伤机理及拉索疲劳性能影响因素
4.1.1 疲劳损伤机理
4.1.2 疲劳损伤影响因素
4.2 实验目的和加载参数依据
4.2.1 实验目的和内容
4.2.2 疲劳加载依据
4.3 加载装置和荷载工况
4.4 拉索组装件安装准备及调试
4.5 疲劳性能验证实验结果和讨论
4.5.1 实验现象
4.5.2 拉索锚具组装件相对位移变化
4.5.3 拉索表面剪应力的变化
4.5.4 拉索刚度和强度退化率
4.6 疲劳寿命评估实验结果和讨论
4.6.1 破坏模式及损伤机理
4.6.2 荷载传递介质楔进位移
4.6.3 钢套筒环向应力与轴向应力
4.6.4 锚固区拉索轴向应变
4.6.5 拉索残余拉伸刚度
4.6.6 拉索锚固组装件寿命预测
4.7 本章小结
第五章 大跨斜拉桥FRP拉索疲劳寿命评估
5.1 大跨斜拉桥的概况及模型
5.1.1 设计概况
5.1.2 有限元模型
5.2 确定设计周期内的疲劳循环次数
5.2.1 车辆统计数据
5.2.2 疲劳荷载车辆统计
5.3 大跨斜拉桥最不利荷载位置确定
5.3.1 荷载工况
5.3.2 最不利位置
5.4 斜拉索实际应力幅与等效应力幅
5.4.1 实际应力幅
5.4.2 等效应力幅
5.5 疲劳寿命预测方法
5.5.1 有限元法、S-N曲线与Miner损伤理论
5.5.2 考虑垂度效应的修正安全系数
5.6 疲劳寿命评估结果分析
5.6.1 不同材料拉索疲劳寿命预测模型
5.6.2 不同位置拉索的疲劳寿命
5.6.3 拉索设计建议
5.7 本章小结
第六章 大跨斜拉桥FRP拉索设计方法及安装参数研究
6.1 大跨斜拉桥结构方案设计
6.1.1 设计参数和技术指标
6.1.2 主体结构和材料参数
6.1.3 分析模型
6.2 斜拉索替换及有效刚度
6.2.1 等效替换原则
6.2.2 有效刚度
6.3 合理成桥状态和静力初步验算
6.3.1 车辆荷载下索力分布
6.3.2 主梁轴力和弯矩
6.3.3 主塔位移及轴力
6.4 斜拉索安装参数及有限元模型
6.4.1 基本思路
6.4.2 理论分析
6.4.3 有限元模型
6.5 斜拉索安装参数分析结果
6.5.1 安装参数
6.5.2 对比分析
6.6 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 主要创新点
7.3 展望与建议
参考文献
致谢
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参加的科研项目
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本文编号：3888524
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