公路鋼拱塔斜拉橋車致振動(dòng)及地震響應(yīng)研究.pdf

1、橋梁的車致振動(dòng)和地震響應(yīng)分析研究是橋梁動(dòng)力分析的兩項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。一方面，近年來，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，公路橋梁車輛通過密度日益增加、重載貨車的載重量大幅增加并大量使用，車速也在不斷提高。同時(shí)，為適應(yīng)公路交通和橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在向大跨度、輕型和柔性方向發(fā)展，這樣就使得車輛與橋梁兩個(gè)系統(tǒng)之間的耦合振動(dòng)問題日趨突出。研究橋梁的車致振動(dòng)問題將有助于人們更好地完善橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、規(guī)范車輛荷載、控制車輛通行速度并減少橋梁損壞。另一方面

2、，橋梁作為生命線工程的一個(gè)重要組成部分，其抗災(zāi)害的能力尤為重要。歷次地震中橋梁的大量破壞，使得橋梁的抗震問題受到廣泛關(guān)注。一些按照抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁震害仍然十分突出，所以尤其是對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)橋梁來說，其抗震設(shè)計(jì)理論和方法還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。在橋梁的地震響應(yīng)計(jì)算中，考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用下建立樁-土-橋整體計(jì)算模型對(duì)全橋地震響應(yīng)進(jìn)行分析很有必要。因此，本文以沈陽三好橋（鋼拱塔斜拉橋）為工程背景，對(duì)這一新型結(jié)構(gòu)斜拉橋進(jìn)行車致振動(dòng)和

3、地震響應(yīng)分析研究。
　　(1)首先對(duì)鋼拱塔斜拉橋進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)得了其成橋狀態(tài)索力、自振特性、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)為數(shù)值研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)手段。
　　(2)分別建立了平面車輛模型和空間車輛模型，給出了兩種車輛模型的動(dòng)力平衡方程及車-橋耦合作用力。采用三角級(jí)數(shù)疊加法模擬生成路面不平度樣本，供橋梁車致振動(dòng)數(shù)值分析使用。利用迭代法求解橋梁車致振動(dòng)問題并編制了計(jì)算程序。
　　(3)對(duì)鋼拱塔斜拉橋總體車致振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)

4、值模擬研究。采用空間梁單元模擬混凝土主梁和鋼拱塔，空間桿單元模擬斜拉索和水平索建立了鋼拱塔斜拉橋的有限元模型。車輛模型采用3軸平面模型。分析了路面不平度、車速、橋梁阻尼和車輛懸架剛度對(duì)鋼拱塔斜拉橋總體車致振動(dòng)的影響，并且比較了移動(dòng)力和車輛模型過橋時(shí)引起橋梁的車致振動(dòng)響應(yīng)情況。
　　(4)對(duì)鋼拱塔斜拉橋局部車致振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析研究。采用板單元模擬混凝土箱梁和鋼拱塔，空間桿單元模擬斜拉索和水平索建立了鋼拱塔斜拉橋精細(xì)化有限元模型。車

5、輛模型采用3軸空間模型。比較了斜拉橋局部車致振動(dòng)數(shù)值結(jié)果和動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的精確性和可應(yīng)用性。分析了路面不平度、車速、橋梁阻尼和車輛懸架剛度對(duì)鋼拱塔斜拉橋局部車致振動(dòng)的影響。同時(shí)比較了斜拉橋主梁總體動(dòng)力放大系數(shù)和局部動(dòng)力放大系數(shù)的異同。
　　(5)對(duì)鋼拱塔斜拉橋這一新型斜拉橋進(jìn)行了常規(guī)地震響應(yīng)分析研究。建立了適合于鋼拱塔斜拉橋地震響應(yīng)分析的三維動(dòng)力有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力特性計(jì)算和地震響應(yīng)的反應(yīng)譜分析。采用El-C

6、entro波、遷安波和兩條人工波對(duì)鋼拱塔斜拉橋的地震響應(yīng)進(jìn)行了時(shí)程分析，并且比較斜拉橋地震響應(yīng)的反應(yīng)譜分析結(jié)果和時(shí)程分析結(jié)果。
　　(6)采用了一種具有較高計(jì)算精度的粘彈性人工邊界來處理無限域的外源波動(dòng)問題，并在通用有限元程序ANSYS得以實(shí)現(xiàn)。利用波場(chǎng)的局部分解技術(shù)，將無限域地基中的波動(dòng)傳播效應(yīng)轉(zhuǎn)化為基于粘彈性人工邊界的等效荷載作用，同時(shí)給出了平面地震波豎直入射時(shí)地震波輸入的等效荷載形式，并且通過算例驗(yàn)證了本文平面地震波豎直入射

7、的輸入方法的有效性。
　　(7)最后，建立了鋼拱塔斜拉橋的樁-土-橋三維有限元模型，采用整體法分別以P波、S波（縱橋向振動(dòng)）和S波（橫橋向振動(dòng)）豎直入射時(shí)對(duì)斜拉橋進(jìn)行了地震響應(yīng)數(shù)值分析研究，并對(duì)整體法與未考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)的情況進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　研究成果對(duì)鋼拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橋梁運(yùn)營安全具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。盡管本文是以鋼拱塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃俏闹袑?duì)橋梁車致振動(dòng)和考慮土-結(jié)動(dòng)力相互作用下地震響應(yīng)分析