大跨度CFRP缆索和钢缆索悬索桥经济性能对比研究

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1、大跨度CFRP缆索和钢缆索悬索桥经济性能对比研究李扬55大跨度CFRP缆索和钢缆索悬索桥经济性能对比研究李扬(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)摘要：为了分析CFRP缆索和钢缆索悬索桥在经济性能方面的优劣，首先推导了悬索桥各个构件的材料用量和造价公式，然后对主跨为1000~5000m的CFRP缆索和钢缆索悬索桥的造价进行参数影响性研究，考虑的参数有主跨跨径、材料价格、桥跨布置方式、矢跨比和边中跨比。结果表明：跨径较小时钢缆索悬索桥占优，当跨径不断增大，CFRP缆索悬索桥的优势方能逐步体现；随着CFRP

2、材料制造工艺的成熟、价格的不断下降，CFRP缆索悬索桥的竞争力越来越明显；桥跨布置方式对两者的经济性能影响较小；相对于钢缆索悬索桥，CFRP缆索悬索桥的总造价对矢跨比敏感程度较低，其选择范围也更广；边中跨比为0．2～0．3时，CFRP缆索悬索桥的总造价最低。关键词：悬索桥；CFRP缆索；铜缆索；经济性能；造价公式；参数分析中图分类号：U448．25；U443．38文献标志码：A文章编号：1671—7767(2014)06—0055—061引言和钢缆索悬索桥进行参数对比分析。近年来随着经济的飞速发展，桥梁建设已经逐步进入了建造跨

3、海大桥的新时代¨1q]。传统钢缆索2悬索桥的材料用量及造价公式悬索桥的极限跨径仅为5000～6000m，这是由于2．1研究对象主缆自重过大降低了悬索桥的跨越能力，使得结构本文研究对象为单跨和三跨悬索桥，其总体布承载效率低、造价高，同时增大了施工难度_4]。此置如图1所示。其主跨跨径为z，矢高为厂，边跨长外，海水中富含对钢材具有腐蚀作用的成分，且海面度z，桥塔高度为^，边跨主缆两端高差为h，单位上湿度较大、环境复杂，钢主缆极易受到腐蚀，而主为m。本文首先推导悬索桥各个部分的材料用量及缆作为悬索桥的生命线通常是不可更换的，一旦发造

4、价公式，然后总和得到悬索桥的总体造价。生腐蚀后果将是灾难性的。为了获得更好的跨越能力和抗腐蚀能力，人们逐渐将目光投向主缆材料的变更上来。相对于钢材，CFRP材料具有轻质高强的特点，并且抗腐蚀性能很好，因此成为目前替代钢(a)单跨悬索桥材作为主缆材料的最佳选择_5]。调查显示，CFRP缆索的价格十分昂贵，单位重量的造价可达钢材的2O倍之多l6]，因此当采用CFRP代替钢材时会使缆索造价大幅提高，从而影(b)三跨悬索桥响全桥的经济性能。但从另一方面看，CFRP缆索悬索桥的缆索重量较轻使得桥塔和锚碇受力较小，图1悬索桥的总体布置这将

5、有利于降低桥塔、锚碇、基础部分的造价。因此2．2吊索材料用量对于CFRP缆索悬索桥最终的经济性能，首先需要若令吊索间距为A，集中活载为P，均布活载为对各个部件分别进行研究然后再综合判断，不可一q，加劲梁自重集度为ga，加劲梁高度为d，则可近似概而论。本文将针对这一问题展开讨论，在推导得认为吊索最大内力发生时的荷载工况如图2所到悬索桥各个构件的材料用量和造价公式的基础示[7]。其中，集中活载P由长度为30d的加劲梁共上，对主跨为10005000m范围内的CFRP缆索同承受。收稿日期：2014—06—09基金项目：国家重点基础研究

6、发展计划(973计划)资助项目(2013CB036303)作者简介：李扬(1984)，男，高级工程师，2007年毕业于同济大学土木工程专业，工学学士，2011年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学博士(E—mail：033669@gmail．corn)。56世界桥梁2014，42(6)』hPgq+g_●lllIlII¨“lIIl4IIl^．^图2最大吊索内力的荷载工况若令靠近桥塔的最长吊索长度为，跨中最短图3边跨主缆的线形分析模式吊索长度为h。，则吊索的平均长度可近似取为时g===gh===0，用于三跨悬索桥时gd一gd，=

7、gh。(÷。+矗)。计算得到吊索所需的截面尺寸为：相应的，可认为垂度由2部分组成，，表示在主缆自重下的垂度，_厂a。表示在桥面荷载和吊索自Ah一————————一㈩(1)重作用下的垂度，此处近似认为总垂度fa—fa+[]一(÷+h)厂通过抛物线理论容易求得：式中，yh为吊索材料的容重；A为吊索截面面积；一+=±警(6)[]为吊索的允许应力。则吊索的平均自重集度式(6)中，H为主缆最大水平力，H一为：(gd-}-ghJr-q)l2q-2Pl8f——+’簪8r；⋯角⋯度a的⋯含义～如一图一3gh一—一×—————(2)所示。根据塔

8、顶主缆水平力平衡的原理，可进一步求[h]一(÷+h。)得边跨主缆截面面积A和索长s：单跨悬索桥的边跨无吊索；对于三跨悬索桥，假A一—一H(7)设边跨吊索承担的荷载与中跨相同。因此吊索的材LcLaca料用量可表示为：s一『1+要()z](8)单跨悬索桥：Q一fgn，综上所述，主