悬索桥动载响应分析及结构优化研究

论文摘要

随着结构健康监测系统在大跨度桥梁上的应用,桥梁结构的有限元建模与分析越来越引起重视,研究大跨度桥梁结构的安全健康监测与损伤评估和进一步静力学分析、动态响应分析、结构优化设计,建立桥梁的三维精确有限元模型是十分重要的。本文以大跨度钢箱式悬索桥为研究对象,通过参数化建模的方法,建立了悬索桥有限元模型,同时通过静力分析和模态分析得到的结果与实测数据的比较,验证了模型的准确性。动态载荷的作用是桥梁设计和管理中所考虑的重要的因素。近2O年以来,围绕桥梁的动态载荷响应的研究进展很快,尤其在悬索桥的移动载荷的模拟、车辆响应,风振、地震响应以及塔的稳定性等方面,这些都是设计者和研究人员共同关注的内容。因此本课题在有限元模型的基础上提出了悬索桥在车辆载荷作用下的响应分析和加劲梁结构优化的思路和方法。通过大量的分析、计算和试验,本课题完成的主要工作可归结为如下几部分:(一)推出并建立正交异性桥面板的钢箱梁有限元模型,它比传统的“脊骨梁”模型更能准确描述钢箱梁的总体及局部性能,这样既达到简化模型的目的,又保证了较高的精度,为后续的研究工作打下了基础。(二)以正交异性桥面板的钢箱梁悬索桥为研究对象,进行了移动载荷的响应分析,它清楚地展现了整桥结构的响应特点。(三)以结构重量(体积)为优化目标,对加劲梁的形状、尺寸关系进行结构优化的方法,在保证加劲梁有足够的抵抗外界动载的强度和刚度的前提下,达到经济、节能的目的。(四)文章以虎门悬索桥为例,采用参数化建模的方法,建立了该桥的整桥有限元模型。在模型的基础上重点对该桥进行了模态分析、移动载荷的响应分析和加劲梁的优化设计。与现有资料中虎门桥的实测数据比较,进一步说明了本文研究方法的正确性和实用价值。最后通过对同类悬索桥模型的有限元分析和动态应力测试实验结果对比,进一步证明了建模方法的正确性,并得出悬索桥结构的响应规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 悬索桥简述
• 1.2 课题的背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题的内容及意义
• 1.4.1 课题内容
• 1.4.2 课题的意义
• 第二章 悬索桥的参数化有限元建模
• 2.1 ANSYS 参数化概述
• 2.2 悬索桥各部分结构参数化分析简述
• 2.2.1 悬索、吊杆的参数化有限元模型
• 2.2.2 加劲梁简化等效原则及有限元模型
• 2.2.3 主塔的参数化有限元模型
• 2.2.4 整桥的参数化有限元模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 悬索桥的非线性静力分析
• 3.1 悬索桥的结构非线性静力分析
• 3.1.1 结构静力分析的目的
• 3.1.2 整桥的静力分析
• 3.2 本章小结
• 第四章 悬索桥的模态分析
• 4.1 悬索桥模态分析的意义
• 4.2 用有限元法进行结构模态分析的基本原理
• 4.3 整桥的模态分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 悬索桥的瞬态动力学分析
• 5.1 瞬态动力学分析
• 5.1.1 瞬态动力学分析概述
• 5.1.2 载荷响应分析及结构动态应力计算的原理
• 5.1.3 悬索桥移动载荷加载具体步骤
• 5.2 本章小结
• 第六章 悬索桥结构优化研究
• 6.1 优化设计概述
• 6.2 结构优化设计的一般数学模型
• 6.3 结构优化设计的基本方法
• 6.4 悬索桥结构优化设计的基本过程及其步骤
• 6.5 本章小结
• 第七章 应用算例—虎门悬索桥
• 7.1 虎门大桥的结构、材料特性等
• 7.2 虎门大桥参数化有限元建模
• 7.3 虎门大桥的非线性静力分析
• 7.4 虎门大桥的模态分析
• 7.5 虎门大桥车辆移动载荷下的瞬态分析
• 7.6 虎门大桥加劲梁优化研究
• 7.6.1 优化参数设定
• 7.6.2 载荷
• 7.6.3 边界条件
• 7.6.4 优化结果分析讨论
• 7.7 本章小结
• 第八章 悬索桥动应力测试实验
• 8.1 实验目的
• 8.2 实验设备
• 8.3 实验原理
• 8.4 悬索桥在移动载荷作用下的动态应力测试
• 8.5 实验结果与讨论
• 8.6 本章小结
• 第九章 总结及建议
• 9.1 本文完成的工作
• 9.2 本文的创新点
• 9.3 存在的不足
• 9.4 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 附录E