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渤海桥梁冰激稳态振动响应分析及行车安全性研究
| 论文题名： | 渤海桥梁冰激稳态振动响应分析及行车安全性研究 |
| 关键词： | 跨海桥梁;冰激振动;稳态响应;频率锁定;行车安全性 |
| 摘要： | 随着京津冀协同发展战略及环渤海经济圈的提出，修建一条跨越渤海的海上通道对实现东北振兴具有重要的战略意义。然而，渤海海域是中国冰情最为严重的海域，动冰荷载作为该海域的一种重要荷载，会使结构产生剧烈的冰激振动，而稳态振动作为其中最危险的振动模式，会对结构的安全性和耐久性造成严重威胁，甚至会对桥上车辆的行车安全性产生不利影响。因此，本文针对桥梁冰激振动问题，开展冰激结构稳态振动模型、冰激桥梁稳态振动响应、冰-风联合作用下车-桥耦合振动及行车安全性研究。本文主要研究内容和结论如下： （1）将冰体分为远场弹性变形区域和近场脆性破坏区域，构建了冰单元的总刚度，结合冰单元累计变形量确定冰力，并利用冰挤压强度-应力速率关系对冰力上限进行校正，引入断裂长度对冰单元的变形量进行折减，从而得到符合冰真实断裂特征的冰力过程。将结构简化为单自由度系统，结合冰力计算方法，提出冰激结构稳态振动模型，并分别对直立圆柱和直立方柱冰激振动模型试验进行数值模拟。结果表明，模型能重现冰力与结构位移的频率锁定现象，且模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模型的有效性。 （2）以渤海海域桥梁设计方案为例，建立桥梁有限元模型，通过土弹簧模拟桩-土相互作用，考虑水的附加质量实现动水作用。通过桥梁模态分析，获得桥梁横向一阶频率，并将全桥模型简化为单自由度体系，结合本文的冰激结构稳态振动模型，开展不同水深条件下桥梁冰激振动响应和稳态振动下频率锁定区间随冰厚、冰强度变化规律的研究。研究结果表明：冰厚和冰强度的增大会扩大桥梁频率锁定区间范围，且会使区间向大冰速方向移动；水深会影响桥梁的刚度和频率，水深越大，桥梁频率锁定区间范围越大，出现频率锁定现象概率越高；出现频率锁定现象时桥梁响应会显著提高，故在桥梁抗冰设计时应重视频率锁定现象。 （3）建立冰-风联合作用下车-桥耦合体系分析框架，考虑路面粗糙度的影响，通过罚函数法实现车-桥耦合效应。根据风洞试验测量结果获得主梁断面的三分力系数，结合渤海海域风况特征模拟得到桥梁和车辆所受风荷载。冰力由本文提出的冰激结构稳态振动模型获得，并作为外荷载输入到车-桥耦合系统中进行系统响应及行车安全性研究。研究结果表明：冰荷载对主梁和车辆的横向响应影响较大，风荷载对车辆横向响应影响显著；冰-风联合作用时，车辆的侧滑风险较只有风荷载作用时提高了12.3%-41.8%。因此，研究寒区跨海桥梁行车安全性时有必要考虑冰-风联合作用的影响。 |
| 作者： | 刘月松 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 邱文亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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