大跨度钢管混凝土拱桥动力特性分析的组合单元法

论文摘要

钢管混凝土拱桥由于承载力高、跨越能力强、抗震性能好、施工方便等优点,在桥梁建设中取得了广泛的应用,但对其理论分析,特别是其动力性能方面的研究不足。本文首先对拱桥的关键构件之一拱肋建立其空间曲梁单元模型,考虑其位移与变形的几何关系,提出合理的曲梁单元位移模式,并推导了其刚度矩阵和质量矩阵。随后,针对钢管混凝土拱桥的结构特点,构造了一种新型组合单元,一个组合单元内包含吊杆、横梁、拱肋(曲梁)等不同类型的构件,采用能量法和曾庆元院士提出的形成矩阵的“对号入座”法则,推导了该组合单元的刚度矩阵和质量矩阵,自编了相应的程序。最后,以一实际的江西吉安钢管混凝土拱桥为例,进行了动力特性计算,并与通用有限元分析软件Ansys结果和现场环境振动试验结果进行了比较和验证,结果吻合良好。分析结果表明,采用组合单元法对钢管混凝土拱桥进行动力特性分析,可以大大减少单元数目,且便于从整体上把握结构特性。采用组合单元法对钢管混凝土拱桥进行动力特性分析,是一种高效精确的计算方法,可以在此基础上进一步对钢管混凝土拱桥做车辆、地震、风荷载下的动力响应分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土拱桥的发展概况
• 1.2 钢管混凝土拱桥的研究现状
• 1.2.1 静力研究
• 1.2.2 动力研究
• 1.3 课题的研究背景与意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 曲梁单元
• 2.1 引言
• 2.2 曲梁的几何关系
• 2.2.1 面内的几何关系
• 2.2.2 面外的几何关系
• 2.3 曲梁单元
• 2.3.1 平面曲梁单元
• 2.3.2 空间曲梁单元
• 2.4 空间曲梁单元的坐标转化矩阵
• 2.5 算例
• 2.6 本章小结
• 第三章 拱桥动力特性分析的组合单元法
• 3.1 引言
• 3.2 拱桥组合单元的构成
• 3.3 形成矩阵的“对号入座”法则
• 3.4 拱桥组合单元的弹性应变能及惯性力势能
• 3.5 拱桥组合单元的刚度矩阵和质量矩阵
• 3.6 本章小结
• 第四章 吉安大桥动力特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 工程概况
• 4.3 拱桥组合单元法动力特性分析
• 4.3.1 拱桥组合单元法动力特性分析过程
• 4.3.2 计算模型及单元划分
• 4.3.3 几何及材料参数
• 4.3.4 动力求解
• 4.4 Ansys有限元分析
• 4.5 组合单元法与Ansys有限元结果汇总比较
• 4.5.1 自振频率比较
• 4.5.2 固有振型比较
• 4.5.3 比较结论
• 4.6 本章小结
• 第五章 吉安大桥环境振动试验
• 5.1 环境振动试验
• 5.1.1 测试仪器及测点布置
• 5.1.2 环境振动试验过程
• 5.1.3 环境振动试验结果
• 5.1.4 环境振动试验小结
• 5.2 结果汇总与比较
• 5.2.1 自振频率汇总与比较
• 5.2.2 固有振型汇总与比较
• 5.2.3 比较结论
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作及结论
• 6.2 展望
• 参考文献