公路鋼拱塔斜拉橋車致振動及地震響應研究.pdf

1、橋梁的車致振動和地震響應分析研究是橋梁動力分析的兩項非常重要的內容。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，為適應公路交通和橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁結構的設計在向大跨度、輕型和柔性方向發(fā)展，這樣就使得車輛與橋梁兩個系統(tǒng)之間的耦合振動問題日趨突出。研究橋梁的車致振動問題將有助于人們更好地完善橋梁結構設計、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重要組成部分，其抗災害的能力尤為重要。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注。一些按照抗震規(guī)范設計的橋梁震害仍然十分突出，所以尤其是對于一些特殊結構橋梁來說，其抗震設計理論和方法還需要進一步的研究和改進。在橋梁的地震響應計算中，考慮土-結構動力相互作用下建立樁-土-橋整體計算模型對全橋地震響應進行分析很有必要。因此，本文以沈陽三好橋（鋼拱塔斜拉橋）為工程背景，對這一新型結構斜拉橋進行車致振動和

3、地震響應分析研究。
　　(1)首先對鋼拱塔斜拉橋進行了現(xiàn)場實橋動載試驗，測得了其成橋狀態(tài)索力、自振特性、強迫振動響應，同時為數(shù)值研究提供基礎數(shù)據(jù)和校驗手段。
　　(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力平衡方程及車-橋耦合作用力。采用三角級數(shù)疊加法模擬生成路面不平度樣本，供橋梁車致振動數(shù)值分析使用。利用迭代法求解橋梁車致振動問題并編制了計算程序。
　　(3)對鋼拱塔斜拉橋總體車致振動進行了數(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鋼拱塔斜拉橋總體車致振動的影響，并且比較了移動力和車輛模型過橋時引起橋梁的車致振動響應情況。
　　(4)對鋼拱塔斜拉橋局部車致振動進行了數(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數(shù)值結果和動載試驗結果，驗證了數(shù)值計算的精確性和可應用性。分析了路面不平度、車速、橋梁阻尼和車輛懸架剛度對鋼拱塔斜拉橋局部車致振動的影響。同時比較了斜拉橋主梁總體動力放大系數(shù)和局部動力放大系數(shù)的異同。
　　(5)對鋼拱塔斜拉橋這一新型斜拉橋進行了常規(guī)地震響應分析研究。建立了適合于鋼拱塔斜拉橋地震響應分析的三維動力有限元模型，并對其進行了動力特性計算和地震響應的反應譜分析。采用El-C

6、entro波、遷安波和兩條人工波對鋼拱塔斜拉橋的地震響應進行了時程分析，并且比較斜拉橋地震響應的反應譜分析結果和時程分析結果。
　　(6)采用了一種具有較高計算精度的粘彈性人工邊界來處理無限域的外源波動問題，并在通用有限元程序ANSYS得以實現(xiàn)。利用波場的局部分解技術，將無限域地基中的波動傳播效應轉化為基于粘彈性人工邊界的等效荷載作用，同時給出了平面地震波豎直入射時地震波輸入的等效荷載形式，并且通過算例驗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）和S波（橫橋向振動）豎直入射時對斜拉橋進行了地震響應數(shù)值分析研究，并對整體法與未考慮土-結構相互作用效應的情況進行了對比分析。
　　研究成果對鋼拱塔斜拉橋結構設計及橋梁運營安全具有理論指導意義和實際應用價值。盡管本文是以鋼拱塔斜拉橋為工程背景，但是文中對橋梁車致振動和考慮土-結動力相互作用下地震響應分析