碳纤维复合材料缆索承重桥力学行为分析与优化设计法研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）是一种轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳的新型高性能结构材料。CFRP缆索承重桥不仅可以解决传统钢缆索的腐蚀退化和振动疲劳问题，而且具有更大的跨越能力，从而在未来跨海桥梁工程中有着十分广阔的应用前景。作为一种新材料结构，急需解决其计算理论、基本受力性能、锚固体系及设计方法等关键问题。本项目基于CFRP粘结型锚具的试验研究与数值分析，提出CFRP锚具的优化设计方法；通过对超大跨CFRP缆索承重桥静动力特性、抗风稳定性等力学性能的深入研究，以及与传统材料缆索承重桥的比较，论证CFRP缆索承重桥的可行性及优越性，同时采用数学规划法研究CFRP缆索承重桥的优化设计方法，最终形成CFRP缆索承重桥的计算方法及设计理论，为CFRP缆索承重桥的开发应用提供科学依据与建议。

碳纤维增强复合材料（CFRP）是一种轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳的新型高性能结构材料。CFRP缆索承重桥不仅可以解决传统钢缆索的腐蚀退化和振动疲劳问题，而且具有更大的跨越能力，从而在未来跨海桥梁工程中有着十分广阔的应用前景。作为一种新材料结构，急需解决其计算理论、基本受力性能、锚固体系及设计方法等关键问题。本项目瞄准国际前沿，积极进行源头创新，三年来始终按计划任务书要求不懈努力，圆满地完成了预定任务，取得了一些自主创新的科研成果，并在专业杂志上发表了系列文章。.在CFRP粘结型锚具的力学行为分析与优化设计方面，基于CFRP粘结型锚具的数值分析与试验研究，提出了一种具有专利性质的锚具型式，建立了该锚具的有限元分析方法并分析了其受力全过程，通过影响参数分析研究，给出优化设计建议，对5组由该锚具锚固的试验索进行试验研究，证实该锚具的实用性。.在超大跨CFRP缆索承重桥非线性力学性能研究方面，采用解析法分析了CFRP缆悬索桥静力性能方面的优势；通过设计多种跨径的CFRP缆索承重桥和钢缆索承重桥算例，并进行设计参数研究，分析比较两者静动力性能的差异，揭示CFRP缆索承重桥力学行为特征。创新地建立了拉索同时受梁端和塔端激励的单自由度非线性振动模型和索—桥塔—桥面耦合参数振动模型，通过振动时程分析和参数研究，揭示拉索参数振动规律。.在超大跨CFRP缆索承重桥抗风稳定性研究方面，建立了超大跨缆索承重桥静风稳定的求解方法及分析流程；引入标准q-w湍流模型对加劲梁断面进行计算流体动力学（CFD）数值模拟，同时运用该方法研究了采取边缘风嘴气动措施后各种主梁断面的气动特性，提出优化的断面型式。利用前述算例，分析比较了CFRP缆索承重桥和钢缆索承重桥的静风稳定性，并研究不同参数对其静风稳定性的影响，探索了超大跨缆索承重桥的静风失稳机理和改善静风失稳的措施，为超大跨径缆索承重桥的抗静风设计提供了依据与参考。.在超大跨CFRP缆索承重桥优化设计方法研究方面，采用零阶优化法和一阶优化法，建立缆索承重桥优化设计流程，并采用大型结构分析软件ANSYS程序的APDL参数化语言编制优化设计算法；最后对主跨2000m的三跨连续CFRP缆索悬索桥进行了静力优化，并对优化前后的模型进行了静、动力性能对比分析，证实了该优化算法的可行性。