混凝土连续曲线梁桥在车辆荷载作用下的动力响应研究

论文摘要

近年来随着我国公路建设和城市道路交通的快速发展,曲线梁桥被广泛应用于高速公路的跨线互通、大跨桥梁的桥头引道和大型立体交叉中,其中多数为混凝土曲线梁桥。曲线梁桥的静力计算理论在过去的几十年中取得了长足的发展,但对混凝土曲线梁桥的动力行为研究甚少,认识也不够深入,对混凝土曲线梁桥的动力设计尚无明确的依据可循。我国的曲线梁桥汽车荷载冲击系数的取值目前仍普遍采用直线梁桥的研究成果,对其合理性缺少足够的研究。因此,开展曲线梁桥的动力行为研究对完善曲线梁桥的结构设计理论、规范冲击系数的取值方法、养护管理和寿命评估具有重要的意义。曲线梁桥受力弯扭耦合作用效应明显,实际工程中多采用抗弯扭刚度大的箱形截面。为此,本文以曲线箱形桥梁为对象,对其动力特性及车辆荷载作用下的动力行为开展理论和试验研究,主要研究成果如下:1、基于剪力柔性梁格理论,充分考虑翘曲刚度和转动惯量的影响,对已有的计算模型进行改进,提出了适于曲线梁桥动力分析的三梁式模型,通过环境振动测试和实体模型的动力分析结果验证了模型的可靠性。在此基础上,基于通用软件ANSYS,采用12自由度的空间3轴车辆模型,联合采用空间梁单元和质量单元、弹簧阻尼单元对车辆和桥梁模型进行离散,分别建立车辆和桥梁的有限元模型,综合考虑离心力、桥面不平度及其速度项的影响,提出了一种简便的求解曲线梁桥车桥耦合振动响应的数值分析方法,并通过桥梁的动载试验结果验证了该方法的有效性和实用性。2、应用前面提出的模型和方法研究了单车荷载作用下,桥面不平度、曲率半径、车辆行驶偏心、轮胎的刚度和阻尼、桥梁结构阻尼比、桥梁跨数、主梁的支承类型和桥梁纵坡等多个针对曲线梁桥主要特征的参数对的桥梁的内力、位移和墩柱动力响应的影响,计算了相应工况的动力放大系数并进行了比较分析。随后研究了横向加载车道数、纵向加载车辆数、车头间距和车速对车队荷载作用下桥梁动力响应的影响。分析结果为桥梁分析实例的选择、分析和曲线梁桥冲击系数公式的确定提供了重要的参考依据。3、在考虑随机桥面不平度及其速度项影响的基础上,根据d’Alembert原理推导了车辆由于加、减速阻力的影响而产生的荷载转移和制动力分配的具体表达式,并在变速行驶车辆-桥梁耦合振动分析中给予了考虑。基于前文提出的方法,采用变化的时间步长和车速,研究了制动力上升时间和车辆制动位置对制动过程中桥梁动力响应的影响,以及加速行驶车辆以不同初速度和加速度通过桥梁时对桥梁的动力响应和冲击效应的影响。结果表明了车辆变速行驶对车桥耦合振动响应有较大影响。4、根据大量混凝土连续曲线梁桥实例的车桥耦合振动分析结果,采用取上界包络线的方法给出了不同桥面等级下桥梁不同位置的冲击系数与圆心角和结构竖向弯曲振动基频的函数关系。统计分析结果表明,桥梁不同位置的内力、位移和支座反力的冲击系数差别很大,为此分别给出了不同关键截面的内力和位移的冲击系数计算公式。曲线梁桥冲击系数随着圆心角和竖向弯曲振动基频的增大而减小,与我国现行桥梁设计规范中所给的直线梁桥冲击系数-基频的关系恰好相反,因此采用现行规范进行跨度较大的曲线梁桥动力设计是偏于不安全的。文中给出的冲击系数公式可为曲线梁桥的动力设计和运营维护提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 曲线梁桥的发展应用
• 1.2.1 曲线梁桥的受力特点
• 1.2.2 总体布置与构造
• 1.2.3 曲线梁桥的支承布置
• 1.3 曲线梁桥动力分析研究现状
• 1.3.1 薄壁曲线梁的动力特性分析
• 1.3.2 曲线梁桥车桥耦合振动研究
• 1.3.3 现冲击系数的计算方法
• 1.4 本文研究的目的和内容
• 1.4.1 研究的目的
• 1.4.2 主要研究内容与方法
• 第2章 曲线箱梁桥动力分析模型及动力特性参数分析
• 2.1 引言
• 2.2 空间曲线结构振动分析的有限元方法
• 2.2.1 空间梁单元及其振动分析
• 2.2.2 结构动力平衡方程及其求解
• 2.3 曲线箱梁桥的动力分析模型
• 2.3.1 主梁的刚度和质量特性等效方法
• 2.3.2 横梁的刚度和质量特性等效方法
• 2.4 实例分析及试验验证
• 2.4.1 桥梁环境激励测试
• 2.4.2 动力特性的有限元分析
• 2.5 曲线梁桥动力特性正交法参数分析
• 2.5.1 正交试验设计方法
• 2.5.2 参数的选择
• 2.5.3 正交数值试验
• 2.5.4 数值试验结果与参数灵敏度分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 车辆荷载作用下曲线梁桥空间动力响应的数值分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 曲线行驶多轴车辆的运动学描述
• 3.2.1 空间多轴车辆模型的坐标系规定
• 3.2.2 车桥动力相互作用力及其方向
• 3.3 随机桥面不平度及其速度项
• 3.3.1 桥面不平度的表示方法
• 3.3.2 桥面不平度样本的生成
• 3.3.3 桥面不平度速度项的求解
• 3.4 曲线梁桥车桥耦合振动分析方法
• 3.4.1 基本假定
• 3.4.2 车辆模型
• 3.4.3 桥梁的运动方程
• 3.4.4 车桥的动力相互作用力的求解
• 3.4.5 基于ANSYS 的车桥耦合振动分析分离迭代解法
• 3.5 数值算例与试验验证
• 3.5.1 桥梁和车辆的计算参数
• 3.5.2 车辆匀速过桥的动力响应分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 车辆荷载作用下曲线梁桥冲击效应的影响参数分析
• 4.1 引言
• 4.2 移动荷载作用下动力放大系数的定义
• 4.3 单车作用下曲线梁桥冲击效应参数分析
• 4.3.1 桥面不平度的影响
• 4.3.2 曲率半径的影响
• 4.3.3 车辆偏心行驶的影响
• 4.3.4 轮胎的刚度和阻尼的影响
• 4.3.5 桥梁结构阻尼比的影响
• 4.3.6 桥梁跨数的影响
• 4.3.7 支承类型的影响
• 4.3.8 桥梁纵坡的影响
• 4.4 车队荷载作用下曲线梁桥的冲击效应分析
• 4.4.1 横向加载车道数的影响
• 4.4.2 纵向车辆数的影响
• 4.4.3 车头间距的影响
• 4.4.4 车速的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 变速移动车辆荷载作用下曲线梁桥车桥耦合振动响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 汽车减速行驶的数学物理模型
• 5.2.1 制动车辆的受力分析
• 5.2.2 匀减速运动的基本方程
• 5.2.3 车辆制动过程分析
• 5.3 车辆加速行驶过程分析
• 5.3.1 加速行驶车辆的受力分析
• 5.3.2 匀加速运动的基本方程
• 5.4 车辆变速行驶的车桥耦合振动问题求解
• 5.5 车辆制动对车桥耦合振动影响分析
• 5.5.1 制动力上升时间和桥面不平度的影响
• 5.5.2 车辆制动位置的影响
• 5.6 车辆加速行驶对车桥耦合振动的影响分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 曲线梁桥汽车荷载冲击系数取值方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 曲线梁桥冲击系数的实例分析
• 6.2.1 计算参数取值的基本依据
• 6.2.2 工程实例分析
• 6.3 冲击系数与各参数之间的相关性分析
• 6.3.1 冲击系数与圆心角之间的关系
• 6.3.2 冲击系数与主梁弯扭刚度比的关系
• 6.3.3 冲击系数与综合影响系数的关系
• 6.3.4 冲击系数与竖向弯曲振动基频的关系
• 6.4 冲击系数的经验公式
• 6.4.1 冲击系数和圆心角之间的函数关系
• 6.4.2 冲击系数和结构竖向弯曲振动基频之间的函数关系
• 6.5 关于曲线梁桥冲击系数公式应用的建议
• 6.6 不同规范中冲击系数取值的比较
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录：工程实例基本资料及分析结果
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历