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原文传递风及列车荷载作用下在跨度桥梁振动响应研究

论文题名：	风及列车荷载作用下在跨度桥梁振动响应研究
关键词：	大跨度桥梁;振动响应;风荷载;列车运行;动力分析
摘要：	大跨度桥梁由于柔度很大，对风荷载非常敏感，在风的动力作用下会产生较大的变形和振动。在沿江、沿海这些风速较大的地区修建跨江、跨海铁路大桥时，必须综合考虑风和列车荷载对桥梁的动力作用，以确保桥梁结构及列车运行安全。随着桥梁跨度的增大，非线性因素也愈加明显，这就给本已经非常复杂的风一车一桥系统研究增加了难度。本文在综合国内外关于车桥耦合振动及桥梁抗风研究的基础上，考虑大跨度桥梁的几何非线性因素，建立了风―列车―桥梁体系非线性动力分析模型，以综合考虑风荷载和列车荷载对桥梁的动力作用。全文内容主要包括以下五部分内容：　　1.结合国内外大跨度桥梁的修建情况，对不同结构型式的大跨度桥梁发展史及现状进行综述，回顾了车桥系统动力相互作用、桥梁风致振动以及各种型式大跨度桥梁的非线性研究情况。总结了当前研究的特点，在此基础上阐述了将风、列车和桥梁统一为一个交互作用、协调工作的耦合振动系统进行研究的必要性。　　2.研究了列车变速行驶情况下的车桥耦合振动问题，通过共振曲线解释了车辆变速运行时桥梁位移极值的变化规律。计算结果表明，车辆变速行驶与匀速行驶时相比较，桥梁的位移时程曲线振动趋势没有变化，桥梁的最大位移相差也很小，因此为简化计算，不必考虑车辆的变速作用。　　3.通过分析脉动风的特性，采用谐波叠加法对大跨度桥梁的风场进行模拟，考虑作用在桥梁上的静风力、抖振风力和自激风力，作用在车辆上的静风力和抖振风力，采用具有27个自由度的四轴列车车辆模型，分别建立了桥梁广义坐标及考虑非线性因素的动力分析模型，形成了风―列车―桥梁系统相互作用分析模型，编制了相应计算程序，并简单介绍了编程过程中能够提高计算效率的一些技巧。　　4.将所建立的风―车―桥模型应用于九江长江大桥三拱连续钢桁梁部分的动力响应研究。对桥梁进行模态分析，得到了其各阶自振频率及主梁节点振型。通过逐步施加不同的风荷载，计算了静风荷载和脉动风荷载对桥梁的作用效应；分析了风速变化对桥梁振动时程曲线及振动响应极值的影响；综合考虑了风速变化和列车速度对桥梁振动的影响。通过计算得出以下结论：　　(1)静风荷载使桥梁位移偏向一侧，而脉动风荷载使其在静风位移的基础上呈现波动趋势；　　(2)桥梁的竖向位移极值随着风速的增加而减小，横向及扭转位移极值均随着风速的增加而增大，桥梁的振动加速度均随着风荷载的增加而加剧；　　(3)车速及风速变化对桥梁的振动响应极值均有较大影响。　　5.以移动车轮-簧上质量的车辆模型为基础，考虑桥梁结构的位移与应变的非线性关系，推导了简支梁桥广义坐标下的动力平衡微分方程，采用Newmark积分与直接迭代法进行求解，并以某公路简支梁桥为例进行计算验证。在此基础上探讨了非简支梁桥在列车移动荷载作用下的非线性振动响应研究方法，作为后面采用复杂车辆模型作用下大跨度桥梁非线性振动计算的基础研究。计算了九江长江大桥吊杆初始内力及结构大位移非线性的影响。然后考虑悬索桥结构的几何非线性因素，以主跨1120 m的五峰山悬索桥设计方案为例，进行了风车桥非线性振动响应计算。研究了非线性因素、风速与车速变化对悬索桥振动的影响，并与九江长江大桥大跨度钢桁拱桥振动响应进行比较。通过计算得到以下结论：　　(1)悬索桥缆索结构在自重和恒载下的初始内力会明显增大结构刚度，使其各阶自振频率提高，但不影响其振型。　　(2)悬索桥结构的几何非线性因素没有改变桥梁节点位移及加速度时程曲线变化趋势，但由于几何刚度的存在，使各项振动响应极值有所减小；　　(3)静风荷载使桥梁结构向一侧偏移，脉动风荷载使其在静风位移的基础上产生波动，风荷载产生的作用效应对九江长江大桥和五峰山悬索桥的一致；　　(4)风速增加后，悬索桥的振动呈加剧趋势，风速变化对其横向及扭转位移、加速度产生很大影响。当风速增大到一定程度时，会使悬索桥的竖向振动加剧，对其竖向振动响应也产生较大影响，这点与九江长江大桥的计算结果不同；　　(5)车速变化对桥梁的各项振动响应均有所影响，特别是对桥梁竖向位移的影响比较明显。而横向、扭转位移及加速度则对风速变化比较敏感。　　(6)大位移非线性的影响会随着位移的急剧增大更加明显，但非线性误差与位移值并不成线性关系。
作者：	王少钦
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	夏禾;郭薇薇
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文