考慮行波效應(yīng)的線(xiàn)-橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析研究.pdf

1、高速鐵路對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用。橋梁作為軌道的支承載體，從有利于節(jié)約寶貴的土地資源和有利于環(huán)境保護(hù)出發(fā)，高速鐵路橋梁的比例比普通鐵路高得多。地震是一種突發(fā)性的破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，橋梁的支座受地面振動(dòng)激振而使得整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動(dòng)，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)和橋上列車(chē)的安全。橋梁是生命線(xiàn)工程的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞將直接導(dǎo)致鐵路線(xiàn)路功能的失效，不但造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還可能引起人員傷亡。中國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害嚴(yán)重

2、的國(guó)家，多條高速鐵路穿越地震帶。因此，線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)的抗震性能日益受到關(guān)注。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)高速鐵路典型的無(wú)砟軌道橋梁，考慮行波效應(yīng)的作用，建立了絕對(duì)坐標(biāo)系下線(xiàn)—橋地震響應(yīng)動(dòng)力平衡方程，編制了相應(yīng)的分析程序TBDAUE。并以常用的多跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)分析了一致地震動(dòng)和非一致振動(dòng)地震動(dòng)作用下線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能。本文各章主要內(nèi)容如下:
　　第1章:闡述了考慮行波效應(yīng)進(jìn)行地震作用下線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)研究的必

3、要性及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹本文研究?jī)?nèi)容。
　　第2章:對(duì)研究所采用的計(jì)算原理進(jìn)行闡述:介紹了行波效應(yīng)產(chǎn)生的原因，分析對(duì)于大跨度橋梁的地震響應(yīng)問(wèn)題必須考慮行波效應(yīng)在絕對(duì)坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算的原因;描述了軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的分析模型，介紹了目前軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)常用的幾種模型以及建模方法，分析各種模型和建模方法的不同，并運(yùn)用有限元方法分別建立軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程;闡述了包括大質(zhì)量法、擬靜力求解法和直接求解法三種常見(jiàn)的地震波輸入

4、方法的原理，分析不同地震波輸入方法的不同點(diǎn);最后給出Wilson-θ法和Newmark-β法兩種常見(jiàn)的求解動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值積分方法的操作過(guò)程，并分析兩種方法的不同。
　　第3章:本章主要闡述了線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題以及解決的方法，主要如下:
　　分析現(xiàn)有有限元軟件的不足，即無(wú)法對(duì)地震波積分產(chǎn)生的零線(xiàn)漂移現(xiàn)象進(jìn)行修正以及在建立線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)模型時(shí)建模的繁雜性，以解決這些不足之處為目的編制了地震

5、—線(xiàn)—橋耦合動(dòng)力分析程序，在程序中完全分離軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)，使其在各自的建模過(guò)程中完全不需要考慮連接問(wèn)題，而由程序采用插值算法進(jìn)行連接計(jì)算。
　　程序采用有限單元法建立軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程。其中鋼軌采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多變性，采用梁?jiǎn)卧?、板殼單元兩種單元類(lèi)型對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并能考慮集中彈簧、集中阻尼、集中質(zhì)量、主從節(jié)點(diǎn)以及梁?jiǎn)卧S力的影響。
　　以絕對(duì)坐標(biāo)系為參考系，程序分別建立軌道結(jié)

6、構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，考慮行波效應(yīng)，讀入地震波的加速度、速度和位移時(shí)程，并通過(guò)插值計(jì)算線(xiàn)—橋耦合作用力，通過(guò)迭代使得線(xiàn)—橋耦合作用力同時(shí)滿(mǎn)足軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)之間力的平衡條件和變形邊界條件，最后分別輸出軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。為了完成線(xiàn)—橋耦合作用力的插值計(jì)算，程序內(nèi)置了剛臂單元、軌下彈簧—阻尼單元，并采用了三次樣條曲線(xiàn)插值算法和等效節(jié)點(diǎn)力分配算法。
　　在分離軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)之后，如將鋼軌視為僅在兩端簡(jiǎn)支的梁而將軌下彈簧—阻

7、尼力作為主動(dòng)力輸入計(jì)算，則在鋼軌長(zhǎng)度增大到某個(gè)數(shù)值之后出現(xiàn)線(xiàn)—橋耦合作用力迭代計(jì)算發(fā)散的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)分析，采用單自由度體系為例進(jìn)行說(shuō)明，分析了迭代發(fā)散的原因。迭代發(fā)散的原因是由于僅有兩端簡(jiǎn)支的鋼軌長(zhǎng)度的增加造成鋼軌的剛度大幅度下降，當(dāng)鋼軌在扣件處節(jié)點(diǎn)的剛度下降到比對(duì)應(yīng)的軌下彈簧的剛度小時(shí)，則將軌下彈簧力作為主動(dòng)力輸入會(huì)得到一個(gè)更大的節(jié)點(diǎn)位移，而更大的節(jié)點(diǎn)位移會(huì)在下一迭代步中計(jì)算得到更大的彈簧力，重復(fù)迭代過(guò)程則計(jì)算結(jié)果迅速發(fā)散。為

8、了解決鋼軌長(zhǎng)度增加造成的線(xiàn)—橋耦合作用力發(fā)散問(wèn)題，程序?qū)撥壱暈樵诿總€(gè)扣件處有彈簧—阻尼支座的多點(diǎn)支承連續(xù)梁，將扣件處的橋面響應(yīng)作為支座激勵(lì)輸入，通過(guò)分析以及算例驗(yàn)證表明，可以有效解決迭代發(fā)散的問(wèn)題。
　　為了對(duì)自編程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，采用有限元軟件Midas Civil的計(jì)算結(jié)果與自編程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)采用多個(gè)算例對(duì)自編程序插值計(jì)算的精度進(jìn)行評(píng)估。最后給出了目前常用的解決地震波零線(xiàn)漂移的方法。
　　第4章:采用

9、自編程序?qū)こ虒?shí)例進(jìn)行多個(gè)工況下的分析計(jì)算，對(duì)比行波與非行波、不同剪切波速、單向與多向地震和不同墩高等多個(gè)因素對(duì)地震—線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，并得出結(jié)論。
　　第5章:總結(jié)本研究的工作，提出已經(jīng)解決的問(wèn)題，指出不足和尚未解決的問(wèn)題，并對(duì)日后的繼續(xù)研究方向提出建議。
　　本文以京滬高速鐵路上一座典型的多跨簡(jiǎn)支梁橋以及橋上無(wú)砟軌道為分析對(duì)象，計(jì)算多種工況下線(xiàn)—橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，得出以下結(jié)論:
　　(1)三向一致振動(dòng)地震波

10、作用下，各時(shí)刻鋼軌的橫向位移以平移為主，此時(shí)鋼軌的變形主要由橋墩、梁和鋼軌自身的變形組成，鋼軌的位移數(shù)值較大但自身變形較小。各時(shí)刻鋼軌的垂向位移整體呈現(xiàn)平移但梁縫鄰近處的鋼軌位移出現(xiàn)突變，這是由于縱向地震波引起的墩頂轉(zhuǎn)角θy所致。因此梁端處鋼軌錯(cuò)位表現(xiàn)為有規(guī)律的正反向交替，各跨梁體的傾斜方向隨著時(shí)間來(lái)回改變，通過(guò)對(duì)比雙向地震波的計(jì)算結(jié)果可以驗(yàn)證產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析時(shí)，縱向地震波的影響很大。
　　(2)不同

11、剪切波速行波作用時(shí)，鋼軌最大橫向位移和垂向位移與三向一致振動(dòng)地震波作用的計(jì)算結(jié)果比較接近。每一跨內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的時(shí)程曲線(xiàn)與一致振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果除了相位差之外沒(méi)有太大變化，行波作用對(duì)于單跨簡(jiǎn)支梁橋及上部軌道結(jié)構(gòu)的影響很小。
　　(3)行波作用下全橋鋼軌的橫向位移和豎向位移曲線(xiàn)均有明顯的彎曲，鋼軌的橫向位移為一條光滑的曲線(xiàn)，垂向位移整體為曲線(xiàn)且在每跨的鄰近梁縫附近有錯(cuò)位變形，各時(shí)刻橫向位移和豎向位移曲線(xiàn)均隨著剪切波速提高曲線(xiàn)趨近于

12、光滑。鋼軌各時(shí)刻橫向變形主要由支座橫向位移引起的結(jié)構(gòu)變形組成，結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)變形占的比例很小。而鋼軌的垂向變形則主要由豎向支座位移和結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形組成，由豎向支座位移引起的結(jié)構(gòu)變形和縱向地震引起的梁端錯(cuò)位變形組成，結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)變形占的比例也很小。由于縱向地震波的行波效應(yīng)使得各時(shí)刻鋼軌在梁端的錯(cuò)位出現(xiàn)沿縱向來(lái)回交替的現(xiàn)象。
　　(4)多跨簡(jiǎn)支梁橋墩高變化對(duì)鋼軌橫向位移曲線(xiàn)的影響很小，這是由于地面橫向位移引起的結(jié)構(gòu)位移較大所造成。而墩