碳纤维索斜拉桥与钢索斜拉桥地震响应比较分析*

刘　杰　杨吉新　马璐珂

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(中国交通建设股份有限公司2)　北京　100088)

碳纤维索斜拉桥与钢索斜拉桥地震响应比较分析*

刘杰1,2)杨吉新1)马璐珂1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(中国交通建设股份有限公司2)北京100088)

摘要：碳纤维增强聚合物(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，将其用于大跨度斜拉桥中能发挥该材料的性能优势.为研究CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥在地震作用下的动力性能，以某一大跨度斜拉桥为对象，建立有限元计算模型，采用等轴向强度变化的原则将钢索替换为CFRP索，计算并获得二者在同一地震波作用下的最终位移、应力和位移-时程曲线.计算结果表明，与钢索斜拉桥相比，采用碳纤维索后桥梁的变形特征基本接近，但结构的受力状态有所改善，主梁的最大内力和最大位移值均变小.

关键词：CFRP索斜拉桥；模态分析；地震响应分析；有限元

0引言

高强钢丝或钢绞线做斜拉桥的拉钢索容易发生锈蚀，寿命较短.换索既增加成本，又影响通行，且有较大的安全风险.碳纤维增强聚合物(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，其在斜拉桥的拉索的应用有很好的前景.但目前，采用CFRP索的斜拉桥的理论研究特别是其动力性能研究还很少[1-4].

文中对碳纤维索斜拉桥的地震性能进行分析，以一座大跨度斜拉桥为例，采用钢索斜拉桥与碳纤维索斜拉桥对比分析的方法，计算碳纤维索斜拉桥的动力特性和地震响应，以求了解碳纤维索斜拉桥的在地震作用下的动力性能，为此类桥梁的设计提供理论基础.

1桥梁概况

肇庆市阅江大桥位于广东省肇庆市，呈南北向横跨于西江河上，连接肇庆市和高要市，河宽约1 500 m，采用单索面预应力混凝土斜拉桥，主桥跨径布置为160 m+320 m+160 m，墩、塔、梁固结.主梁采用单箱五室预应力混凝土箱型截面，箱顶宽度33.5 m，梁高3.7 m；塔柱下部为混凝土结构，上部拉索锚固区及拉杆采用钢结构；斜拉索采用1 670 MPa级斜拉索，双层HDPE防护低应力平行热镀锌钢丝拉索和冷锚固；桥梁的设计基准年为100 a，地震动峰值加速度为0.05g.本文以肇庆阅江大桥为基本模型，对比分析碳纤维索斜拉桥和钢索斜拉桥在地震作用下的动力性能.

2动力特性分析

利用有限元分析软件ANSYS建立计算模型，对钢索斜拉桥和CFRP斜拉桥分别进行模态分析，确定斜拉索在采用不同材料时结构的固有频率和振型，以便于分析材料改变对结构抗震性能的影响.钢索和CFRP索对应结构的固有频率对比表见表1(以前10阶部分阶为例).

通过表1对比分析可以得出：CFRP索的应用对斜拉桥的自振频率虽有所降低，但幅度较小.二者振型相同.

表1　固有频率对比表　Hz

4地震响应分析

地震波瞬态分析，也是时间历程分析，是对受到任意的、随时间变化而变化的载荷作用的结构动力响应分析[5-6].本文地震波采用“中国天津(1976)地震竖向记录”，并按照桥址处基本烈度进行修正.修正后横向地震波加速度变化,见图1.

本文选用ANSYS中transient-Full法进行地震波瞬态分析，采用相同的地震波，时长为5 s，时间间隔为0.1 s，分别对钢索斜拉桥和CFRP索斜拉桥模型施加顺桥向和竖向地震波作用并进行求解.

图1　地震波横向加速度变化图

4.1横向地震波作用结果

经计算钢索斜拉桥和CFRP索斜拉桥在横向地震波的作用下位移云图见图2.

图2　横向地震波作用下位移对比图

节点位移、应力结果分别见表3～4.其中关键部位左半跨塔顶(节点107)、索塔交点(节点57)、塔梁交点(节点153)、墩底(节点9).

表3　横向地震波作用下钢索斜拉桥与

通过时间后处理变量控制，查看地震瞬态分析的地震位移时程曲线.横向地震波作用下，以塔顶(节点107)，塔梁交点(节点153)为例，其位移时程曲线见图3.

表4　横向地震波作用下钢索斜拉桥与

4.2竖向地震波作用结果

竖向地震波作用下，2种不同材料的斜拉桥的位移云图见图4.

节点的位移和应力结果见表5～6.其中关键部位左半跨梁左端(节点163)，四分点(节点177和204)，塔梁交点(节点153)，跨中(节点219).

同样，用时间后处理器查看位移时程曲线，对比分析钢索斜拉桥和CFRP索斜拉桥相同节点的时程曲线.以梁左端(节点163)，左侧四分点(节点177)，跨中(节点219)上述节点结果见图5.

图3　位移时程曲线对比图

图4　竖向地震波作用下位移对比图

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表6　竖向地震波作用下钢索斜拉桥与

4.3结果对比分析

通过比较顺桥向和横桥向地震波瞬态分析的计算结果，可以得出以下结论.

1) 从位移结果上看，无论是在顺桥向地震波还是竖向地震波作用下，CFRP索斜拉桥所选节点的位移均比钢索斜拉桥对应节点位移小.其主要原因是CFRP索的自振频率有所降低，但是和钢索差别很小，发生索桥、索塔耦合振动[7-9]的概率较小；结构受力发生改变，结构质量降低，使得地作用于结构上的地震荷载降低，因此位移减小.说明CFRP对结构的抗震性能有一定的优势，能够让结构在地震作用下发生较小的位移，更加安全.

2) 从应力结果上看，CFRP索斜拉桥比钢索斜拉桥的对应节点的应力横向大部分有所减小，竖向应力有些增大.其主要原因是使用了CFRP索后，结构质量有所减小，使得作用在结构上的地震荷载随之减小，同时因为自重的减轻，也减小了桥塔量测重量的不均衡性.但采用等轴向强度方法确定CFRP索截面积时，虽然结构质量和所受到的地震荷载较钢索情况有所减小，但是由于斜拉索的刚度有所降低，使得主梁竖向应力反而更大.

3) 从位移时程曲线来看，无论在顺桥向或是竖向地震波作用下，CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥相同节点X,Y方向时程曲线大体走向无明显区别，但CFRP索斜拉桥的响应衰减速度明显大于钢索的,且其振动幅度明显小于钢索斜拉桥，其原因在于CFRP索斜拉桥的索桥、索塔耦合振动低于钢索的,CFRP索对桥身整体振动有削弱作用.故采用CFRP索对全桥抗震性能有提高的作用.

图5　位移时程曲线对比图

5结 束 语

采用碳纤维索后，能减小主梁的最大内力值和最大位移，减小索塔中的控制内力值和最大位移，改善结构的受力状态；桥梁的变形特征基本接近.因此，从抗震性能考虑，大跨度斜拉桥采用CFRP索是可行的，且相对于钢索斜拉桥，CFRP索斜拉桥在抗震性能方面体现一定的优势.

参 考 文 献

[1]李晓莉.CFRP材料在超大跨度斜拉桥拉索中的应用研究[J].武汉理工大学报，2006,28(2):30-33.

[2]周士金，刘荣桂，蔡东升，等.CFRP索大跨斜拉桥的非线性地震响应控制分析[J].中国公路学报，2011,24(3):64-71.

[3]张新军,应磊东.超大跨度CFRP索斜拉桥的力学性

能分析[J].公路交通科技，2008,25(10):74-78.

[4]RUANGRASSAMEE A, KAWASHIMA K. Seismic response control of a cable-stayed bridge by variable dampers[J]. Journal of Earthquake Engineering,2006,10(1):153-165.

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[7]张治成,谢旭,张鹤.应用碳纤维索的斜拉桥地震响应分析[J].工程力学，2008,25:158-183.

[8]SONEJI B B, JANGID R S. Passive hybrid systems for earthquake protection of cable-stayed bridge[J]. Engineering Structures,2007(29):57-70.

[9]张新军,应磊东.超大跨度CFRP索斜拉桥的力学性能分析[J].公路交通科技，2008,25(10):74-78.

Earthquake Response Comparative Analysis of Carbon Fiber Composite Cable-stayed Bridge and Steel Cable-stayed Bridge

LIU Jie1,2)YANG Jixin1)MA Luke1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing100088,China)2)

Abstract：Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) has excellent properties such as light weight, high strength, corrosion resistance, fatigue resistance and so on. It can be used in large span cable-stayed bridge to play the performance advantage of the material. In order to do research about dynamic performance under seismic action of both CFRP cable-stayed bridge and steel cable-stayed bridge, a finite element model of a large-span cable-stayed bridge is built. When the steel is replaced by CFRP, the cables have the same axial strength. Under the same seismic waves, the model is calculated to obtain the final displacement, the stress and displacement-time curve. The results show that compared with steel cable-stayed bridge, deformation characteristics of CFRP cable-bridge is close, but the force state of the structure has been improved. Besides, the maximum value of inner force and the maximum displacement of the beam are smaller.

Key words：CFRP cable-stayed bridge; modal analysis; seismic response analysis; finite element method

收稿日期：2016-05-12

中图法分类号：U444

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.014

刘杰(1969- )：男，高级工程师，主要研究领域为道路与桥梁工程

*国家自然科学基金项目资助(51178361)