车辆荷载作用下斜拉拱桥动力响应分析及模型车振试验研究

论文摘要

随着交通事业的蓬勃发展,桥梁结构不断向大跨径和轻型化方向演变,而车辆荷载以及行车速度也在不断的提高,通过桥梁的交通量日益密集,这些变化使得车辆荷载对公路桥梁结构的动力效应变得的更加显著。大跨度斜拉钢管混凝土拱桥作为一种近年来出现的新型组合桥梁,其结构形式新颖独特,兼备了斜拉桥与拱桥的优点,目前在实际工程中已经得到了应用,但对其理论的研究尚处于起步阶段。有鉴于此,本文以湘潭市湘江四大桥为背景,就斜拉拱桥在车辆荷载作用下的动力响应问题进行分析探讨,主要开展了如下工作:(1)利用大型通用有限元软件ANSYS建立了斜拉拱桥的空间有限元模型,在考虑桥面平整度的前提下,分别针对桥面障碍、行车速度、车辆载重、阻尼和有无斜拉索的情况,对斜拉拱桥在车辆荷载作用下的动力响应进行了分析计算,探讨了冲击系数的变化趋势;(2)结合相似第二定理和量纲分析法对斜拉拱桥模型进行动力相似分析,建立了适合于车振试验需要的动力模型结构;通过斜拉拱桥模型进行车辆振动试验,测得结构实际的频率、振型和冲击系数,并与理论计算结果进行对比。分析结果表明,桥面平整度、桥面障碍、行车速度、车辆载重、阻尼等均对结构的动力响应影响很大,特别是桥面障碍;斜拉索的存在将大大改善1/4跨拱肋的在车振时的受力性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 斜拉拱桥结构体系发展简介
• 1.3 车辆与桥梁动力相互作用研究的历史与现状
• 1.3.1 通过试验手段研究车辆与桥梁动力相互作用
• 1.3.2 通过理论分析手段研究车辆与桥梁动力相互作用
• 1.4 斜拉拱桥研究的历史与现状
• 1.5 斜拉拱桥车辆-桥梁系统耦合振动研究的必要性
• 1.6 本文主要内容
• 第2章 车辆-桥梁系统相互作用基本分析理论
• 2.1 车辆振动基本模型及振动方程的建立
• 2.1.1 车辆振动基本模型
• 2.1.2 车辆振动方程的建立
• 2.2 桥梁结构振动分析有限元方法的一般步骤
• 2.2.1 结构（求解域）的离散化
• 2.2.2 构造插值函数
• 2.2.3 形成系统的运动方程
• 2.2.4 系统运动方程的求解
• 2.2.5 计算单元的应力和应变
• 2.3 桥梁结构的固有振动及求解
• 2.3.1 逆迭代法
• 2.3.2 行列式搜索法
• 2.3.3 瑞莱-里兹法（Rayleigh-Ritz Method）
• 2.3.4 子空间迭代法（Subspace Method）
• 2.3.5 广义雅可比法（General Jacobi Method）
• 2.3.6 兰索斯法（Lanczos Method）
• 2.4 非线性运动方程组的求解
• 2.4.1 Newmark- β 时 程 积 分 法
• 2.4.2 增量 Newton-Raphson 法
• 2.5 车辆-桥梁运动方程的求解
• 2.6 本章小结
• 第3章 斜拉拱桥有限元模型的建立及自振特性分析
• 3.1 斜拉拱桥工程背景及有限元模型的建立
• 3.1.1 工程背景
• 3.1.2 有限元模型的建立
• 3.2 各国规范对冲击系数的规定及评价
• 3.3 斜拉拱桥自振特性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 考虑桥面平整度影响斜拉拱桥车振动力响应的参数分析
• 4.1 概述
• 4.2 桥面平整度的模拟
• 4.2.1 随机桥面平整度
• 4.2.2 桥面障碍
• 4.2.3 桥面平整度预测模型
• 4.3 考虑桥面平整度时斜拉拱桥在车辆荷载作用下动力响应分析
• 4.3.1 桥面平整度的影响
• 4.3.2 桥面障碍的影响
• 4.3.3 行车速度的影响
• 4.3.4 车辆载重的影响
• 4.3.5 结构阻尼的影响
• 4.3.6 斜拉索的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 斜拉拱桥模型车振试验研究
• 5.1 斜拉拱桥模型试验背景
• 5.2 斜拉拱桥模型设计和动力相似分析
• 5.2.1 斜拉拱桥模型设计
• 5.2.2 动力相似分析
• 5.3 试验装置和测点布置
• 5.4 模型车振试验结果及分析
• 5.4.1 模型自振频率与振型
• 5.4.2 位移冲击系数
• 5.4.3 斜拉索对结构动力响应的影响
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录