自錨式懸索橋地震非線性時程響應(yīng)分析和簡化方法研究.pdf

1、隨著城市橋梁向美觀、大跨的方向發(fā)展，自錨式懸索橋的建造逐漸增多，這種橋梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和性能成為研究熱點(diǎn)，論文對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的研究正是基于這樣的背景。考慮作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)，在地震災(zāi)害發(fā)生后所造成的嚴(yán)重后果，同時現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范不能適用于此類橋型的抗震分析，論文全面分析自錨式懸索橋動力特性和地震響應(yīng)的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)研究自錨式懸索橋地震分析方法，總結(jié)并概括自錨式懸索橋動力特性和地震響應(yīng)研究的最新成果。針對自錨式懸索橋自由振動特性

2、和地震激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，詳細(xì)推導(dǎo)了自錨式懸索橋自由振動微分方程，對多種激勵方式下自錨式懸索橋非線性時程響應(yīng)進(jìn)行深入研究，提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法。論文主要開展了以下幾方面的研究工作： (1)應(yīng)用廣義泛函變分原理，采用經(jīng)典解析方法推導(dǎo)自錨式懸索橋自由振動微分方程?？紤]到自錨式懸索橋不同于普通地錨式懸索橋的特點(diǎn)，綜合考慮大纜縱向變形、加勁梁壓彎耦合效應(yīng)、剪切和垂跨比等多種因素影響，根據(jù)Hamilton原理，應(yīng)用廣義泛函變

3、分方法推導(dǎo)三跨連續(xù)自錨式懸索橋自由振動微分方程，針對常見自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特征，對微分方程進(jìn)行簡化，推導(dǎo)這類橋梁的縱向振動頻率計算公式、豎向振動頻率計算公式以及自由扭轉(zhuǎn)振動的振型計算公式和簡化后的橫向振動簡化微分方程，研究加勁梁和橋塔與邊墩之間約束強(qiáng)弱等邊界條件對自由振動特性的影響。 (2)推導(dǎo)自錨式懸索橋考慮幾何非線性和初始內(nèi)力等因素的加勁梁單元剛度矩陣和纜索單元剛度矩陣表達(dá)形式。論文研究分析了采用有限元方法計算自錨式懸索橋地

4、震響應(yīng)時加勁梁單元和纜索單元的剛度矩陣的構(gòu)成。考慮自錨式懸索橋加勁梁承受軸向壓力的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，推導(dǎo)加勁梁單元剛度矩陣的表達(dá)式；忽略大變形剛度矩陣，計入線剛度矩陣和幾何剛度矩陣，推導(dǎo)纜索單元剛度矩陣表達(dá)式；研究整體坐標(biāo)系下纜索單元剛度矩陣的轉(zhuǎn)換方法。在地震響應(yīng)分析中，針對纜索支撐結(jié)構(gòu)的單元剛度矩陣不同于一般結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對由于荷載作用下的結(jié)構(gòu)大位移、纜索自重垂度和纜索初始內(nèi)力等因素產(chǎn)生自錨式懸索橋的幾何非線性，采用Newton-Raphs

5、on迭代法、Ernst公式和疊加初始內(nèi)力產(chǎn)生的幾何剛度項分別考慮。 (3) 采用二維相干函數(shù)模型和三角級數(shù)法編制人工地震波生成程序，利用大質(zhì)量法詳細(xì)研究不同激勵方式下自錨式懸索橋非線性時程響應(yīng)?；诙S相干模型，假定靜力非線性平衡狀態(tài)為橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的初始狀態(tài)，詳細(xì)研究人工地震波功率譜模型和部分相干函數(shù)模型后，選擇Hao二維相干函數(shù)模型，考慮垂直地震波傳播方向各支點(diǎn)影響，編制出可綜合考慮頻率對視波速影響以及不同支點(diǎn)間非平穩(wěn)

6、調(diào)制函數(shù)差異等因素的人工地震波生成程序，并合成實橋的六個支點(diǎn)的地震加速度時程。分別研究考慮幾何非線性、行波效應(yīng)和部分相干效應(yīng)的多點(diǎn)激勵，應(yīng)用大質(zhì)量法和所生成的人工地震波，詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震荷載作用下橋塔、墩柱地震響應(yīng)特性，最后考慮材料非線性、幾何非線性等因素，對自錨式懸索橋在多維一致激勵、多維非一致激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析。分析研究表明：在靜力非線性平衡狀態(tài)下，幾何非線性對自錨式懸索橋地震響應(yīng)影響較??；行波效應(yīng)會使彎矩極值滯后，加勁梁

7、跨中位移隨著地震波傳播速度而增大，考慮行波效應(yīng)時橋塔、加勁梁的彎矩均比考慮一致激勵的彎矩大：考慮垂直地震波傳播方向各支點(diǎn)間的二維相干效應(yīng)對塔、梁交接處和塔底彎矩和位移有一定影響，但二維相干效應(yīng)不顯著，故對于自錨式懸索橋地震響應(yīng)僅考慮一維相干效應(yīng)，二維相干影響可忽略；材料塑性使能量耗散，對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值的有一定影響。 (4) 歸納總結(jié)出影響自錨式懸索橋地震響應(yīng)的4個無量綱參數(shù)，研究加勁梁參數(shù)與垂跨比參數(shù)的基準(zhǔn)值和塔梁參數(shù)、橋塔參

8、數(shù)的設(shè)計計算曲線與表格。詳細(xì)研究自錨式懸索橋加勁梁的主跨長度、寬度、高度、橋塔高度、橋塔根部單柱截面尺寸、垂跨比和阻尼比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響，分析總結(jié)上述各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響趨勢和相關(guān)性，進(jìn)一步優(yōu)選并將相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為4個無量綱參數(shù)：加勁梁參數(shù)k<,1>、塔梁參數(shù)k<,2>、橋塔參數(shù)k<,3>和垂跨比k<,4>。充分考慮橋梁主要尺寸的變化范圍和不同地震激勵模式，通過大量的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計算分析，在確定加勁梁參數(shù)基準(zhǔn)值為0

9、.037和垂跨比基準(zhǔn)值0.125的基礎(chǔ)上，詳細(xì)計算分析塔梁參數(shù)和橋塔參數(shù)，得到自錨式懸索橋與這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)數(shù)值曲線和表格，可供結(jié)構(gòu)方案設(shè)計或初步設(shè)計參考使用。 (5) 研究自錨式懸索橋加勁梁參數(shù)和垂跨比的計算修正系數(shù)，提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法，并驗證其可行性。研究加勁梁參數(shù)和垂跨比對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響，通過對這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，即加勁梁寬度修正系數(shù)k<,B>和垂跨比修正系數(shù)k<,λ>，給出加勁梁寬度修

10、正系數(shù)和垂跨比修正系數(shù)相關(guān)圖表?；趶椥愿拍畈捎酶鶕?jù)應(yīng)力和位移評價地震響應(yīng)的原則，提出采用加勁梁參數(shù)、塔梁參數(shù)、橋塔參數(shù)和垂跨比4個參數(shù)的自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法，由此可簡便地計算恒載應(yīng)力和地震荷載總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔根應(yīng)力放大因子)、塔加勁梁交接處橋塔恒載應(yīng)力與地震荷載產(chǎn)生總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔梁交接處橋塔應(yīng)力放大因子)、地震作用下加勁梁跨中最大豎向位移和塔頂最大水平位移。論文通過對5座實橋計算比較，初步驗證囊錨式