碳纖維索斜拉橋與鋼索斜拉橋地震響應比較分析*

劉　杰　楊吉新　馬璐珂

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(中國交通建設股份有限公司2)　北京　100088)

碳纖維索斜拉橋與鋼索斜拉橋地震響應比較分析*

劉杰1,2)楊吉新1)馬璐珂1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(中國交通建設股份有限公司2)北京100088)

摘要：碳纖維增強聚合物(CFRP)具有輕質、高強、耐腐蝕、耐疲勞等優良性能，將其用于大跨度斜拉橋中能發揮該材料的性能優勢.為研究CFRP索斜拉橋和鋼索斜拉橋在地震作用下的動力性能，以某一大跨度斜拉橋為對象，建立有限元計算模型，采用等軸向強度變化的原則將鋼索替換為CFRP索，計算并獲得二者在同一地震波作用下的最終位移、應力和位移-時程曲線.計算結果表明，與鋼索斜拉橋相比，采用碳纖維索后橋梁的變形特征基本接近，但結構的受力狀態有所改善，主梁的最大內力和最大位移值均變小.

關鍵詞：CFRP索斜拉橋；模態分析；地震響應分析；有限元

0引言

高強鋼絲或鋼絞線做斜拉橋的拉鋼索容易發生銹蝕，壽命較短.換索既增加成本，又影響通行，且有較大的安全風險.碳纖維增強聚合物(CFRP)具有輕質、高強、耐腐蝕、耐疲勞等優良性能，其在斜拉橋的拉索的應用有很好的前景.但目前，采用CFRP索的斜拉橋的理論研究特別是其動力性能研究還很少[1-4].

文中對碳纖維索斜拉橋的地震性能進行分析，以一座大跨度斜拉橋為例，采用鋼索斜拉橋與碳纖維索斜拉橋對比分析的方法，計算碳纖維索斜拉橋的動力特性和地震響應，以求了解碳纖維索斜拉橋的在地震作用下的動力性能，為此類橋梁的設計提供理論基礎.

1橋梁概況

肇慶市閱江大橋位于廣東省肇慶市，呈南北向橫跨于西江河上，連接肇慶市和高要市，河寬約1 500 m，采用單索面預應力混凝土斜拉橋，主橋跨徑布置為160 m+320 m+160 m，墩、塔、梁固結.主梁采用單箱五室預應力混凝土箱型截面，箱頂寬度33.5 m，梁高3.7 m；塔柱下部為混凝土結構，上部拉索錨固區及拉桿采用鋼結構；斜拉索采用1 670 MPa級斜拉索，雙層HDPE防護低應力平行熱鍍鋅鋼絲拉索和冷錨固；橋梁的設計基準年為100 a，地震動峰值加速度為0.05g.本文以肇慶閱江大橋為基本模型，對比分析碳纖維索斜拉橋和鋼索斜拉橋在地震作用下的動力性能.

2動力特性分析

利用有限元分析軟件ANSYS建立計算模型，對鋼索斜拉橋和CFRP斜拉橋分別進行模態分析，確定斜拉索在采用不同材料時結構的固有頻率和振型，以便于分析材料改變對結構抗震性能的影響.鋼索和CFRP索對應結構的固有頻率對比表見表1(以前10階部分階為例).

通過表1對比分析可以得出：CFRP索的應用對斜拉橋的自振頻率雖有所降低，但幅度較小.二者振型相同.

表1　固有頻率對比表　Hz

4地震響應分析

地震波瞬態分析，也是時間歷程分析，是對受到任意的、隨時間變化而變化的載荷作用的結構動力響應分析[5-6].本文地震波采用“中國天津(1976)地震豎向記錄”，并按照橋址處基本烈度進行修正.修正后橫向地震波加速度變化,見圖1.

本文選用ANSYS中transient-Full法進行地震波瞬態分析，采用相同的地震波，時長為5 s，時間間隔為0.1 s，分別對鋼索斜拉橋和CFRP索斜拉橋模型施加順橋向和豎向地震波作用并進行求解.

圖1　地震波橫向加速度變化圖

4.1橫向地震波作用結果

經計算鋼索斜拉橋和CFRP索斜拉橋在橫向地震波的作用下位移云圖見圖2.

圖2　橫向地震波作用下位移對比圖

節點位移、應力結果分別見表3～4.其中關鍵部位左半跨塔頂(節點107)、索塔交點(節點57)、塔梁交點(節點153)、墩底(節點9).

表3　橫向地震波作用下鋼索斜拉橋與

通過時間后處理變量控制，查看地震瞬態分析的地震位移時程曲線.橫向地震波作用下，以塔頂(節點107)，塔梁交點(節點153)為例，其位移時程曲線見圖3.

表4　橫向地震波作用下鋼索斜拉橋與

4.2豎向地震波作用結果

豎向地震波作用下，2種不同材料的斜拉橋的位移云圖見圖4.

節點的位移和應力結果見表5～6.其中關鍵部位左半跨梁左端(節點163)，四分點(節點177和204)，塔梁交點(節點153)，跨中(節點219).

同樣，用時間后處理器查看位移時程曲線，對比分析鋼索斜拉橋和CFRP索斜拉橋相同節點的時程曲線.以梁左端(節點163)，左側四分點(節點177)，跨中(節點219)上述節點結果見圖5.

圖3　位移時程曲線對比圖

圖4　豎向地震波作用下位移對比圖

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表6　豎向地震波作用下鋼索斜拉橋與

4.3結果對比分析

通過比較順橋向和橫橋向地震波瞬態分析的計算結果，可以得出以下結論.

1) 從位移結果上看，無論是在順橋向地震波還是豎向地震波作用下，CFRP索斜拉橋所選節點的位移均比鋼索斜拉橋對應節點位移小.其主要原因是CFRP索的自振頻率有所降低，但是和鋼索差別很小，發生索橋、索塔耦合振動[7-9]的概率較小；結構受力發生改變，結構質量降低，使得地作用于結構上的地震荷載降低，因此位移減小.說明CFRP對結構的抗震性能有一定的優勢，能夠讓結構在地震作用下發生較小的位移，更加安全.

2) 從應力結果上看，CFRP索斜拉橋比鋼索斜拉橋的對應節點的應力橫向大部分有所減小，豎向應力有些增大.其主要原因是使用了CFRP索后，結構質量有所減小，使得作用在結構上的地震荷載隨之減小，同時因為自重的減輕，也減小了橋塔量測重量的不均衡性.但采用等軸向強度方法確定CFRP索截面積時，雖然結構質量和所受到的地震荷載較鋼索情況有所減小，但是由于斜拉索的剛度有所降低，使得主梁豎向應力反而更大.

3) 從位移時程曲線來看，無論在順橋向或是豎向地震波作用下，CFRP索斜拉橋和鋼索斜拉橋相同節點X,Y方向時程曲線大體走向無明顯區別，但CFRP索斜拉橋的響應衰減速度明顯大于鋼索的,且其振動幅度明顯小于鋼索斜拉橋，其原因在于CFRP索斜拉橋的索橋、索塔耦合振動低于鋼索的,CFRP索對橋身整體振動有削弱作用.故采用CFRP索對全橋抗震性能有提高的作用.

圖5　位移時程曲線對比圖

5結 束 語

采用碳纖維索后，能減小主梁的最大內力值和最大位移，減小索塔中的控制內力值和最大位移，改善結構的受力狀態；橋梁的變形特征基本接近.因此，從抗震性能考慮，大跨度斜拉橋采用CFRP索是可行的，且相對于鋼索斜拉橋，CFRP索斜拉橋在抗震性能方面體現一定的優勢.

參 考 文 獻

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能分析[J].公路交通科技，2008,25(10):74-78.

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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

中圖法分類號：U444

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.014

劉杰(1969- )：男，高級工程師，主要研究領域為道路與橋梁工程

*國家自然科學基金項目資助(51178361)