基于高性能材料CFRP索的超大跨桥梁原型设计与相关问题研究

碳纤维(CFRP)索与传统的预应力钢筋相比，具有不锈蚀、无磁性、比强度高（强度与重度比）等优良特性。基于这些特性，构建CFRP索预应力超大跨结构体系既有可能又面临挑战。本项目拟在已有研究成果的基础上，开展CFRP索的超大跨桥梁原型设计与相关问题的探索性研究。主要研究内容包括：1)基于CFRP索的超大跨缆索结构桥梁的选型研究；2)不同设计变量耦合对其结构体系性能的影响；3)CFRP索斜拉试验桥的风雨实测试验与相关超大跨桥梁风致振动的仿真数值实验分析；4)工艺简单、性能可靠的CFRP索新型大吨位锚固体系和锚具的研发；5)2000m以上CFRP索超大跨缆索结构桥梁的原型设计方案探索性研究。本项目将利用已有良好的实验条件（已建成CFRP索斜拉试验桥）和分析手段，对研究对象进行较系统的试验研究与理论分析，以期为这类新型结构的开发利用提供科学依据和设计参考，最终能为超大跨跨海桥梁的建设提供技术支撑。

本项目课题组在国家自然科学基金委的资助下，结合已有成果，围绕超大跨CFRP索桥梁（预应力协作体系）的力学性能（整桥非线性静动力学特性、CFRP拉索风致振动等）、成桥机理以及CFRP索的锚具研发等问题开展了试验研究、数值模拟与理论分析工作。主要成果有：1）在数值分析的基础上，结合典型工程对大跨CFRP索斜拉桥动力特性及其影响参数进行了研究，揭示了大跨度钢索斜拉桥与等刚度等跨CFRP索斜拉桥非线性静、动力性能的差异、根源和规律；利用时程分析法分析了CFRP索超大跨斜拉桥的地震响应特性和抗震性能，并基于此研究了对应的减震措施。2）基于流-固耦合等理论，分析了大跨斜拉桥主梁断面的静风响应，进行了流场参数敏感性分析和整桥气动控制措施优化；探讨了CFRP索在强风作用下的耦合效应及结构瞬态响应，揭示了大跨斜拉桥梁钢拉索和CFRP拉索在风场中的结构响应存在的显著差异，并在本校CFRP索斜拉人行天桥上进行了试验性验证。3）基于准定常假设、空气动力学等理论，建立了拉索风雨激振的理论分析模型，研究了其运动规律、致振机理和参数敏感性；得出CFRP索的风雨激振现象具有限速、限幅特性，且与索的空间姿态、动力特征以及水线的形成和运动状态有关等结论。4）探讨了CFRP索大跨斜拉-悬吊协作体系桥的力学特性，分析了其成桥状态和承载状态下的静动力性能和地震响应，探讨了协作体系的换索原则和配索方案。5）进行了CFRP索预应力大跨结构锚固系统的研发工作。基于正交试验原则，进行了系列CFRP索复合型锚具的试验研究；结合有限元分析，对锚具的主要参数进行了优化、对相关的制备工艺进行了专项研究，开发出系列复合型专用锚具。以上研究成果具有一定的创新性。通过此项目研究工作，课题组共培养了2位博士、1位博士后、7位硕士；发表学术论文17篇，其中SCI检索2篇、EI检索8篇；申请专利 5个。在此项目牵引下成功申报博士点（博导类）基金项目等2项。