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原文传递三塔两主跨悬索桥瞬态地震响应分析动态子结构方法的研究

论文题名：	三塔两主跨悬索桥瞬态地震响应分析动态子结构方法的研究
关键词：	悬索桥;瞬态地震响应;有限元法;动态子结构方法
摘要：	悬索桥通过构造桥塔-主缆-吊索体系，将桥面荷载依次顺序传递给吊索、主缆和桥塔，巧妙地将可能发生的大幅度桥梁挠曲变形，转化为微小的缆索张拉变形和桥塔压缩变形，实现了大跨度桥梁的跨越，成为现代大跨度桥梁的主选桥型。泰州长江公路大桥以其独特的三塔两主跨悬索桥型，实现了约3000米的主桥跨度，避免了采用斜拉桥-悬索桥组合桥型或者双悬索桥拼接桥型对主航道的压缩，节约建设成本和周期，结构轻盈优美，成为大跨度悬索桥型的一个重要发展方向。　　大跨度悬索桥使用寿命长，寿命期间遭遇地震的可能性增大，进行地震响应分析对设计和使用都是必要的。由于悬索桥结构体量大，地震响应的时程分析面临计算复杂，计算时间过长的困难。一般情况下，不得不将计算时间迭代步长取到0.1s，从而难以准确把握地震波传播特征和地震响应特征，丧失了重要的变形和内力等重要信息，对设计和使用大跨度悬索桥带来了一定的盲目性。但是，若对大跨度悬索桥作瞬态地震响应分析，计算时间步长将至少取到毫秒量级。对于大型商用有限元分析软件而言，在计算过程所消耗计算机资源将难以承受。计算时间过长的问题，事实上导致了计算分析不能有效地实现。因此，发展精确、高效率的大跨度悬索桥瞬态地震响应分析计算方法追在眉睫。　　本文针对三塔两主跨悬索桥，以泰州长江公路大桥为例，研究分析主缆和边缆、加劲梁和桥塔、垂直吊索瞬态地震响应的动态子结构方法。采用组合单元法，研究分析大跨度悬索桥瞬态地震响应分析的动态子结构方法。根据具体地震分析数据，输入多点地震激励，对泰州长江公路大桥进行瞬态地震响应计算，计算地震波在桥中的传播和桥梁的长期地震响应。研究瞬态地震响应基本特征，获得地震响应数据，为该桥梁的使用维护和今后三塔两主跨悬索桥的设计研究，提供了重要的技术依据。　　本文的主要工作和创新点归纳如下: 　　(1)考虑桥塔和缆索的水平位移，以及弹性索的张拉作用，提出了适用于三塔两主跨悬索桥的挠度理论。计算了单跨满载下泰州长江公路大桥的静态变形和桥梁静态内力，并提出了供工程设计师使用的简化挠度理论。　　(2)基于有限位移理论，建立了能够考虑初应力和几何非线性效应的缆索单元、梁单元、吊索单元和弹簧单元的质量阵、刚度阵和内力阵。分别提出了适用于大跨度缆索、大跨度加劲梁和吊索瞬态地震响应分析的动态子结构方法，数值研究了方法的收敛性和瞬态地震响应计算的有效性。　　(3)对三塔两主跨悬索桥采用组合单元法，组合使用所建立的缆索单元、梁单元、吊索单元和弹簧单元，提出了瞬态地震响应计算的动态子结构方法。具体计算了多点激励下泰州长江公路大桥的地震波传播和长期地震响应，计算结果表明，该动态子结构方法可有效节约计算过程的内存占用，提高计算速度达16倍以上。　　(4)计算得到了泰州长江公路大桥瞬态地震响应的基本特征:①在多点地震激励下，悬索桥中存在多种类型的变形波和内力波，波速差别大，全桥变形波形十分复杂;②吊索变形的不一致性十分明显，吊索倾斜明显;③靠近塔边的长吊索容易发生剧烈水平抛出现象，抛出量可达到0.8m，个别吊索发生了类似于共振的现象;④边塔和中塔底部出现了较大的弯矩，中塔底部的弯矩值高达2500MNm，是边塔的5倍，也是最不利工况下中塔塔底静弯矩的5倍。
作者：	孔德平
专业：	工程力学
导师：	尹晓春
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文