CFRP斜拉索大幅空间运动及力学性能评估

随着大跨度桥梁的发展，作为关键构件的CFRP斜拉索的应用显著增多。CFRP斜拉索的大幅空间运动和横向抗剪能力低这两个问题将严重阻碍其未来发展。针对该问题，本项目拟采用非线性动力学理论，根据CFRP斜拉索材料特性，建立一个在参强激励下，考虑几何非线性、抗弯刚度、垂度、扭转自由度、剪切刚度和温度等参数影响的CFRP斜拉索包括两个线位移和一个扭转角位移的三维空间非线性动力学理论模型。通过理论和数值分析，全面探讨CFRP斜拉索共振与非共振时的混合模态相互作用、运动失稳性态、分叉与混沌等非线性动力学特性，以及拉索各项力学指标的变化规律。该项目的成功实施，不仅可揭示在桥面/桥塔运动作用下CFRP斜拉索的大幅振动机理，对其空间运动时的力学指标进行评估，提出一种有效的主动控制策略，指导超大跨度斜拉桥关于CFRP拉索的设计，而且可能发现一些新的非线性动力学现象和规律，有着重要的工程意义和学术价值。

随着CFRP斜拉桥的发展，CFRP斜拉索的非线性振动问题成为了力学和土木工程领域的热点问题之一。CFRP斜拉索虽然强度高，但其质量轻和疲劳强度不明确，以及横向抗剪强度低等问题可能成为大跨度CFRP斜拉桥的安全隐患。本项目针对CFRP斜拉索可能出现的大幅振动问题从非线性动力学的角度开展理论研究。研究内容及成果包括以下四个方面：(1)CFRP拉索环境振动因素的相关研究。分别建立了斜拉桥、悬索桥和拱桥的多梁-弹簧系统动力学模型，以及斜拉拱桥的索-拱动力学模型和相应的动力学控制微分方程，利用传递矩阵法进行了求解，对这四种桥梁的基本动力学问题进行了系统的参数研究，揭示了这些桥梁都有可能与CFRP拉索产生大幅内共振行为及其产生条件。(2)建立了CFRP斜拉索非线性动力学理论模型，对其基本动力学特性进行了相关的参数研究，发现其动力学特性受张拉力、倾斜角、温度和弹性模量等参数影响较大，可利用CFRP斜拉索的弹性模型量的可变性，在CFRP拉索的设计中对其可能出现的大幅振动问题进行控制。(3)从不同的角度研究CFRP拉索在参强激励下的大幅振动问题。研究了桥面竖向振动对CFRP斜拉索的参强激励的振动行为，发现用CFRP拉索取代钢索可改变拉索的软硬弹簧特性，在一定条件下可以达到减振的效果。研究了桥塔和桥面同时对拉索进行参强激励的振动问题，发现亚谐波共振时两端水平激励斜拉索本质上为单端水平激励斜拉索，可将上、下端激励幅值叠加，按单端激励计算。另外，桥面纵漂也可能引起对拉索参强激励，从而引发拉索的大幅振动问题，该方面的研究填补了以往研究的空白。(4)考虑风雨等荷载的作用，研究了强迫激励下CFRP斜拉索大幅空间运动的复杂行为。弹性模量的增大，可能使非线性动力学行为更为复杂；在激励频率不变时，当激励幅值较小时，仅观察到面内运动，但随着激励幅值的增加，通过面外的跳跃行为引发了面内面外的内共振；在激励频率为面内一阶模态频率的3倍时，通过对面内模态的强迫激励，观察到了3次亚谐波共振现象，此时振动幅值远大于2次亚谐波共振时的幅值。该项目的研究，揭示了在桥面/桥塔运动作用下 CFRP 斜拉索的大幅振动机理，对其空间运动时的力学指标进行评估，同时提出了一种有效的主动控制策略，为指导超大跨度斜拉桥关于 CFRP 拉索的设计，有着重要的工程意义和学术价值。