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原文传递地震作用下车桥系统动力响应分析的若干关键问题研究

论文题名：	地震作用下车桥系统动力响应分析的若干关键问题研究
关键词：	铁路桥;地震作用;车桥耦合系统;动力响应
摘要：	近些年来，中国的高速铁路事业取得了巨大的发展，很大程度上解决了大城市之间的交通问题，提高了人们的出行效率。为了保证高速铁路运行的平顺性和稳定性，并尽量避免影响铁路沿线的既有环境，高速铁路线路中桥梁的比例不断增加，使得在地震多发区域地震发生时列车正在桥梁上行驶的概率大大提高。因此，研究地震作用下的车-桥动力相互作用问题将具有十分重要的意义。　　在研究地震作用下车桥耦合动力问题时，地震动空间变异性和桩土动力相互作用是两个不能忽略的影响因素，在分析计算时应充分考虑。场地地形条件作为地震动空间变异性的一个重要方面，其对地震作用下车桥耦合系统动力响应的影响也不容忽视。为了研究场地地形条件及桩土相互作用对地震作用下车桥耦合系统动力响应的影响，本文基于国内外已有的研究成果，建立了考虑桩土相互作用的车桥耦合系统动力分析模型以及考虑地形条件的地震作用下车桥耦合动力分析框架，对上述两种因素分别进行了研究和讨论。主要工作及创新之处如下: 　　1)基于Duhamel积分的高效车桥耦合动力分析方法　　基于Duhamel积分理论，推导了单自由度体系在折线荷载作用下的解析解。基于该解析解，假设列车与桥梁之间的相互作用力在指定时间步长内呈线性变化，通过迭代求解车桥耦合系统在任意时刻的动力响应。以簧上质量过桥简化模型和一节四轴客车匀速通过32m简支梁模型为算例，将计算结果与传统的Newmark-β方法进行对比，对该方法的适用性进行了验证并对比了两种方法的计算效率。分析结果表明，基于Duhamel积分的车桥耦合动力分析方法能够有效提高计算效率，为后续研究奠定了基础。　　2)基于地震动位移输入模式的车桥耦合地震响应分析模型　　通过簧上质量过桥的算例，分析了结构拟静力项对车桥耦合系统地震响应的影响。对基于地震动位移输入模式的结构动力分析的振型分解法进行了验证，并在此基础上，建立了基于地震动位移输入模式的地震作用下车桥耦合系统动力分析模型。该模型不仅成功考虑了结构拟静力分量的影响，而且避免了复杂的分析计算。相较于传统抗震分析中的加速度输入模式，该方法适用于各种轮轨关系模型，具有更普遍的适用性。　　3)桩土相互作用对车桥系统动力响应的影响分析　　提出了考虑桩土相互作用的车桥耦合动力分析框架，并在框架中成功考虑了桩基础阻抗函数的频率相关性。依据子结构方法，将完整的列车-桥梁-桩基础-地基系统动力分析模型分解为列车-桥梁动力相互作用子系统和桩基础-地基动力相互作用子系统。分别建立两个子系统在时域内的运动方程，通过迭代求解得到两个子系统的动力响应。以一列8节编组的列车通过5跨简支梁为算例，研究了桩土相互作用对车桥耦合系统动力响应的影响，并尝试确定桩土相互作用的影响可以被忽略的土体剪切波速阈值。　　4)地形条件对车桥系统地震响应的影响分析　　首次在车桥耦合系统地震分析中考虑了场地地形的影响。基于有限元方法和粘弹性边界理论，建立了桥梁所在场地的土体模型，并通过将地震动转化为作用于粘弹性边界上的等效荷载来实现地震动的输入，经过时程分析，获得考虑地形条件影响的桥梁各支撑处的地震动时程。将获得的地震动时程以位移时程的形式施加于车桥耦合系统，通过编制相关程序，最终获得考虑地形条件影响的地震作用下车桥耦合系统的动力响应。基于上述分析框架，依次研究了场地地形、地震波类型及入射角度、列车行驶速度等因素对车桥耦合系统地震响应的影响，获得了一些有意义的结论。
作者：	乔宏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	夏禾;杜宪亭
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文