移動(dòng)載荷作用下缺陷周期性高架橋的樁-土-結(jié)構(gòu)耦合模型.pdf

1、高架橋是高速鐵路的一種重要結(jié)構(gòu)形式，因此，對(duì)高速鐵路高架橋在列車移動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)及其控制的研究有十分重要的工程實(shí)際意義。
　　本文主要研究缺陷周期性高架橋在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)缺陷跨所引起的規(guī)則周期性高架橋動(dòng)力特性的改變進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，研究成果可作為對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制的理論依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)剛性支撐規(guī)則周期性高架橋(ROPV)在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)。利用 Fo

2、urier變換，得到移動(dòng)載荷在頻率波數(shù)域內(nèi)的表達(dá)式，這樣原問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為求ROPV受頻率波數(shù)域內(nèi)的單位簡(jiǎn)諧荷載作用的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。利用ROPV每跨梁和墩的有限元方程，梁-梁-墩聯(lián)接處的聯(lián)接條件以及簡(jiǎn)諧載荷作用下ROPV每跨的周期性條件，可得單位簡(jiǎn)諧荷載作用下ROPV單跨的有限元方程，由此可得ROPV在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)；利用ROPV單跨的有限元方程還可建立ROPV的特征方程。數(shù)值結(jié)果表明單位水平載荷作用下梁截面的軸向位移和軸力比單位

3、豎直載荷作用下的相應(yīng)量大若干量級(jí)；而對(duì)梁截面的橫向位移，轉(zhuǎn)角，剪力和彎矩，情況則相反。在高速載荷作用下，頻域響應(yīng)共振峰較少；對(duì)垂直荷載，ROPV的第一、第二和第三通帶都有共振峰，但主共振峰位于第一或第二通帶；對(duì)水平荷載，共振峰則都處在第一通帶內(nèi)，即能量更加集中在低頻部分。
　　(2)剛性支撐缺陷周期性高架橋(RDPV)在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)。與 ROPV的情形類似，可將求RDPV對(duì)移動(dòng)載荷的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求RDPV對(duì)頻率波

4、數(shù)域內(nèi)的單位簡(jiǎn)諧荷載的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。后者可進(jìn)一步化歸為用有限元方法求解左、右半無(wú)限周期性高架橋和缺陷跨等三個(gè)問(wèn)題。左、右半無(wú)限周期性高架橋中的波場(chǎng)可分解為假設(shè)無(wú)缺陷跨時(shí)的自由波場(chǎng)和由缺陷跨所引起的散射波場(chǎng)。對(duì)左、右半無(wú)限周期性高架橋和缺陷跨分別應(yīng)用有限元方法可得自由波場(chǎng)和散射波場(chǎng)。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，缺陷跨會(huì)導(dǎo)致附加的缺陷態(tài)頻率；缺陷跨的出現(xiàn)不改變和ROPV相關(guān)聯(lián)的共振峰位置；由于散射波的高度衰減性，缺陷的影響往往局限在缺陷跨及其附近，而對(duì)遠(yuǎn)

5、離缺陷跨的各跨，影響不明顯。
　　(3)樁基礎(chǔ)支撐周期性高架橋(POPV)和樁基礎(chǔ)支撐缺陷周期性高架橋(PDPV)在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)。為考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立了頻率波數(shù)域內(nèi)樁土邊界元模型以確定樁基礎(chǔ)柔度，并通過(guò)其來(lái)實(shí)現(xiàn)上、下部結(jié)構(gòu)的耦合。對(duì)POPV和PDPV上部結(jié)構(gòu)的有限元處理和剛性支撐情形類似，區(qū)別在于這里須考慮墩底和樁頂?shù)穆?lián)結(jié)條件。通過(guò)對(duì)耦合與剛性支撐情形數(shù)值結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)ROPV和P

6、OPV頻域響應(yīng)的共振峰位置相同，但后者的峰值較前者小；ROPV和POPV時(shí)域響應(yīng)幅值相當(dāng)，但后者衰減較前者快。造成差異的原因是，POPV存在能量輻射，其特征波阻尼要大于ROPV的特征波阻尼，故而其特征波衰減更快。PDPV的缺陷跨及其附近也存在振動(dòng)局域化，與RDPV不同的是，這里缺陷態(tài)頻率數(shù)量較少甚至沒(méi)有明顯的缺陷態(tài)頻率。
　　(4)提出了缺陷周期性高架橋受等間距移動(dòng)荷載列作用時(shí)的共振和消振條件。此條件普遍適用于工程中含缺陷單元的直

7、線型周期性結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)乳g距荷載列中相鄰荷載時(shí)間間隔等于結(jié)構(gòu)在相應(yīng)單荷載作用下頻域某主峰周期的整數(shù)倍時(shí)，將產(chǎn)生共振；當(dāng)時(shí)間間隔等于主峰周期的半整數(shù)倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生消振現(xiàn)象。只有在單個(gè)載荷作用下頻域內(nèi)共振峰個(gè)數(shù)不多的條件下，受同樣速度等間距移動(dòng)荷載列時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)較明顯的共振和消振現(xiàn)象。
　　(5)建立了單個(gè)豎向和水平載荷功率和拖拽力的表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值模擬分析二者隨速度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在v=0~300m/s范圍內(nèi)，對(duì)豎直和水平載荷，速度在v=