基于虚拟激励法的大跨度钢拱桥抗震性能研究

论文摘要

拱桥外形美观,施工简易,造价较低,在修建大跨径桥梁当中是很有竞争力的桥型。随着我国桥梁建设的发展,出现了一些造型新颖、构造复杂的大跨度钢拱桥。而我国是一个多发地震国家,确保这些桥梁在地震荷载下的安全运营具有十分重要的意义。本文就大跨度钢拱桥的抗震性能进行分析研究。主要作了以下几方面的研究工作:（1）介绍了虚拟激励法的概念,研究了随机振动的基本理论,分析了结构在平稳随机地震作用下和非平稳随机作用下的虚拟激励法。同时,使用Fortran语言编制计算程序,运用迭代修正方法将反应谱转化为功率谱曲线,以便采用随机振动方法进行结构的地震响应分析。在目前缺乏实测地面加速度功率谱数据的情况下是具有一定实用价值的。（2）以天津市奉化桥为工程背景,建立了奉化桥的有限元模型,以研究同类钢拱桥的地震反应特性。分别对钢拱桥的自振特性、反应谱特性进行研究,并比较不同几何刚度矩阵的影响。模态分析得到了前40阶振型及频率,对低阶振型进行比较,并列出了前14阶的振型变化;对不计入初应力刚度矩阵（几何刚度矩阵）[ Kσ]和计入[ Kσ]的影响两种情况下的自振特性和反应谱下响应特性进行对比分析,得到了很有意义的结论。（3）进行了时程响应分析,分别对内力和位移的变化进行研究,考虑行波效应的影响。采用计算修正后的天津波作为地震激励,进行三维一致激励下内力的分析、行波效应下内力的分析、三维一致激励与行波效应下最大内力的比较、位移的比较等研究,得到了大跨度钢拱桥拱顶的敏感程度要远远的小于拱脚,甚至可以忽略;而拱脚又是在地震动作用下最易破坏的部位（出现塑性铰）,行波效应使得拱脚的内力有相当大的增加,所以在大跨度拱桥抗震设计中行波效应是不可忽略的等结论。（4）对钢拱桥横撑刚度进行了研究。建立了三种刚度下的模型,采用部分汶川地震记录作为激励,分别就纵向、横向+纵向、横向+纵向+竖向三种激励下主拱的内力和面外弯矩进行对比分析,得到了横撑刚度较小的钢拱桥主拱在地震作用下的内力比横撑刚度较大的钢拱桥要大,但二者地震内力的分布规律较为接近,均以拱脚截面为控制截面,较大的横撑刚度有利于减小主拱轴力;横向激励产生的面外弯矩较大,是影响拱肋抗震安全性的重要因素,横撑对横向弯矩有较大影响,但较大的横撑刚度对拱肋的横向弯矩响应是不利的;由三维激励作用下结构的响应可以看出,在横向激励作用下,全桥的横向振动明显增大了主拱内力等结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钢拱桥发展简史及概况
• 1.3 大跨度桥梁抗震研究的现状与发展
• 1.3.1 静力法
• 1.3.2 反应谱法
• 1.3.3 动态时程法
• 1.3.4 随机振动方法
• 1.4 本文的研究目的与主要内容
• 第二章 结构平稳随机地震作用下的虚拟激励法
• 2.1 引言
• 2.2 虚拟激励法
• 2.2.1 平稳随机激励
• 2.2.2 单点激励或单源多点同相位激励
• 2.2.3 单源多点异相位激励
• 2.3 虚拟激励法的特点
• 2.4 随机振动的最大反应估计
• 2.4.1 Davenport 法
• 2.4.2 Vanmarcke 法
• 2.5 小结
• 第三章 结构非平稳随机响应的虚拟激励法
• 3.1 单点激励非平稳随机响应的虚拟激励法
• 3.2 多点激励非平稳随机响应的虚拟激励法
• 3.2.1 完全相干情况
• 3.2.2 部分相干情况
• 3.3 受非均匀调制演变随机激励结构响应分析
• 3.3.1 单点非均匀调制演变随机激励
• 3.3.2 多点完全相干非均匀调制演变随机激励
• 3.3.3 多点部分相干非均匀调制演变随机激励
• 3.4 小结
• 第四章 反应谱与功率谱的转换
• 4.1 引言
• 4.2 用迭代方法求与反应谱相对应的功率谱密度函数
• 4.3 反应谱转换为功率谱
• 4.4 小结
• 第五章 奉化桥地震反应分析
• 5.1 奉化桥简介
• 5.1.1 主要材料
• 5.1.2 荷载
• 5.1.3 奉化桥的正视图、俯视图和横断面图
• 5.2 有限元建模分析描述
• 5.3 自振特性分析
• 5.3.1 模态分析
• 5.3.2 不同刚度矩阵下自振特性的比较
• 5.4 反应谱分析
• 5.5 时程响应分析
• 5.5.1 地震动输入
• 5.5.2 三维一致激励内力比较
• 5.5.3 行波效应下内力分析
• 5.5.4 三维一致激励与行波效应下最大内力的比较
• 5.5.5 位移比较
• 5.6 横撑刚度不同时钢拱桥的地震响应分析
• 5.7 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表的学术论文及参加科研情况
• 附录1 天津波曲线
• 附录2 部分输入谱值
• 附录3 行波效应输入
• 附录4 汶川地震记录
• 致谢