随着CFRP材料的技术应用不断成熟和发展,将CFRP应用到桥梁工程建设中作为拉索结构具有实用的研究价值。理论上,CFRP索要比钢索的承载效率更高,耐久性更好,能够有效破解传统钢索在斜拉桥应用上难以解决的重大难题,进一步推动斜拉桥向更大跨度发展。但是,由于CFRP材料自重较轻,应用于实际工程中将使得桥梁结构变柔,在周期性的车辆荷载作用下,CFRP索斜拉桥的车致振动性能尚未可知。本文以一座大跨度斜拉桥为工程背景,将CFRP作为拉索结构的材料,从车辆荷载作用下的两类斜拉桥动力特性、CFRP索斜拉桥车桥耦合振动响应、CFRP索-桥动力响应三方面内容进行全面分析,探究CFRP索斜拉桥的车桥耦合振动性能,具体工作及主要结论如下:
(1)通过有限元软件ANSYS,对CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥进行建模,并计算其动力特性,结果表明:考虑了车辆荷载后的CFRP索斜拉桥前十阶自振频率均减小,钢索斜拉桥前十阶自振频率均大于CFRP索斜拉桥自振频率,并且随着阶数的增加,高阶自振频率的差异越大,总体上差异率在4%~10%之内,可见车辆荷载虽在桥梁动力荷载中的比重较小但有着不可忽视的影响。
(2)基于车辆动力学、桥面不平度数值模拟理论以及车桥耦合振动理论,简述了车桥耦合振动数值解法的原理,并基于此在MATLAB中编制了车桥耦合振动响应求解程序,并通过算例对程序的正确性进行了验证。
(3)运用自编车桥耦合振动响应求解程序,分别从车重、车速、桥面不平度、车辆偏载距离四个参数,进行了多参数工况下的CFRP索斜拉桥车桥耦合动力响应分析和动力冲击系数敏感性分析,结果表明:动力冲击系数受构件类型影响的敏感性排序均为:CFRP索>桥塔>主梁;各构件冲击系数受敏感参数影响的敏感性排序均为:桥面不平度>车辆重量>车辆速度>车辆偏载距离。
(4)通过建立随机车流、稳定车流模型和CFRP索有限元模型,研究了理想外荷载激励、稳定车流荷载、随机车流荷载作用下CFRP索的动力响应问题,结果表明:不论是在稳定车流荷载还是随机车流荷载的作用下,CFRP索斜拉桥上均无法形成理想状态下的共振条件。因此,车辆过桥更接近于静力荷载作用,此过程难以造成CFRP索发生大幅振动的现象。