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原文传递基于车桥耦合振动的在役连续刚构桥受力性能研究

论文题名：	基于车桥耦合振动的在役连续刚构桥受力性能研究
关键词：	连续刚构桥;车桥耦合振动;裂缝损伤;冲击系数
摘要：	随着公路交通行业的持续发展，公路桥梁的数量与日俱增。连续刚构桥由于自身的优势以及国内的地理特性，其成为我国修建的主要桥型之一，因为连续刚构桥最适合高墩大跨结构，故在我国山区更为常见。就全国范围来看，主要集中在北方，其以陕西省内集中。在桥梁长期服役中，随着车辆不断的行驶以及自然环境等因素的不断影响，会出现较多的病害，如：梁体开裂、钢筋锈蚀、墩身开裂等等，其中梁体开裂一直国内外学者研究的重难点。尤其在当今社会，车量的日益增加以及车重的不断增大，使得连续刚构桥不断出现开裂。因此，本文以陕西省内一座已损伤的连续刚构桥为依托，研究结构损伤前后不同车辆参数的动力响应变化规律，并研究不同损伤下的连续刚构桥的车桥耦合振动进行参数分析，主要工作内容和结论如下：　　（1）根据对陕西省内的连续刚构桥损伤调查报告，对连续刚构桥裂缝出现的位置以及数量进行整理，发现中跨跨中位置处、中跨1/4位置处以及中跨1/3位置处正裂缝较为集中，故本文对这三处截面位置的正裂缝进行模拟。　　（2）以裂缝实测数据为基准，根据统计学原理对裂缝的长度、宽度以及高度进行统计，建立裂缝损伤统计参数，将具有相似尺寸（裂缝高度差值应小于梁高的1/10）的裂缝区域进行合并，得到简化后的裂缝单元区段，对该裂缝单元的截面应力状态进行分析，通过数值法建立截面应力关系平衡式，求解得出截面总弯矩和预应力钢筋以及钢筋合力，对截面总弯矩和钢筋合力进行迭代直至收敛，得到梁刚度折减系数的值。　　（3）基于对公路桥梁上的车流量和车型调查，可得高速公路上主要车辆为双轴车和三轴车，故本文采用双轴车和三轴车车辆模型，并根据双轴车和三轴车建立四自由度平面双轴车辆、五自由度平面三轴车辆、七自由度空间双轴车辆以及九自由度空间三轴车辆四种不同自由度的车辆模型，并推导相应车辆模型运动方程。　　（4）基于建立的损伤结构模型和车辆模型，为了兼顾计算精度和运算效率，建立包含梁单元和实体单元的多元多尺度混合单元有限元模型，研究车辆速度、车辆类型及车体质量三种车辆参数对损伤桥梁中跨跨中、中跨1/4截面位置以及中跨1/3截面位置的动力响应规律。研究结果表明：在对车速参数研究中，发现损伤桥梁对车辆速度为90km/h这一速度最为敏感，无损桥梁对80km/h车速最为敏感；在对车型参数研究中，发现不同的车轴数和轴距对桥梁结构的动力响应不同，车轴数多的和车轴质量大的动力响应越大，故车型对桥梁结构的动力响应表现在车轴数及轴重上面；在对车重参数研究，发现车体质量越大，无损伤和已损伤桥梁结构的动力响应越大，并且在相同车重时，已损伤桥梁动力响应比无损桥梁要大。通过对车辆参数的单因素分析，选出车辆参数的“典型值”并研究对不同损伤程度桥梁的动力响应，结果显示：在不同损伤程度，各个截面的动力响应在不同损伤范围内是不一样，并且随着桥梁刚度不断折减，跨中动力响应越大，1/4截面次之，1/3截面最小。因此，出于对桥梁的安全性考虑，建议及时加固防止继续开裂。　　（5）基于不同车辆参数对无损伤和已损伤桥梁在车桥耦合振动下中跨跨中截面、中跨1/4截面及1/3截面的应力分析及不同损伤下桥梁结构各个截面应力响应研究。对损伤桥梁的中跨跨中跨1/4L截面以及中跨1/3L截面处的动位移和冲击系数进行研究分析。从车辆速度、车体质量以及车体质量三个参数进行研究分析，结果显示：在不同的车速条件下，已损伤桥梁对90km/h这一车速具有较高的敏感度。基于这一研究结果，分析车辆类型对损伤桥梁的动力响应影响，发现不同车型对桥梁动力响应不同，车型对结构的动力响应表现在车重上。而对车体质量参数的研究分析，正好发现并验证车体质量越重，各个截面的动力响应就越明显，冲击系数就越大。并且，随着桥梁持续损伤，各个截面的位移都在递增，跨中截面位置增加的最大；对比无刚度折减的桥梁，当桥梁结构出现刚度损伤后，冲击系数会增大。
作者：	姜聪
专业：	建筑土木工程
导师：	王凌波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022