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原文传递大跨悬浇拱桥施工态等效静力风荷载研究

论文题名：	大跨悬浇拱桥施工态等效静力风荷载研究
关键词：	拱桥;斜拉扣挂法;风荷载;抖振响应
摘要：	拱桥是现代桥梁体系的重要组成部分，桥梁技术的发展使得新建拱桥数量、跨径不断增加，在拱桥建设中斜拉扣挂法被越来越广泛地采用。然而，跨径的增加会使得拱桥施工过程中的刚度下降，导致结构在风荷载下极易产生振动，严重影响施工安全。因此，本文针对大跨斜拉扣挂施工拱桥开展抖振研究，探讨其抖振等效风荷载计算理论，并对相关影响参数进行分析，具有重要的现实工程意义。本文以某斜拉扣挂施工拱桥为工程背景，将其刚度最弱的“最大悬臂状态”作为切入点，对其抖振响应开展研究，推导了拱圈面内、外等效风荷载计算公式。主要取得如下研究成果：　　（1）基于 Hamilton 原理推导了斜拉扣挂法施工拱桥的面内、外振动控制方程，并采用 Galerkin 法对其进行一阶模态截断，探讨了拱圈面内、外基频计算近似公式。通过对比不同等效风荷载计算理论，提出了具有工程实用性的拱桥抖振响应近似计算公式，并建立了某斜拉扣挂施工拱桥的 ANSYS 有限元模型对其进行验证。研究表明：本文推导的斜拉扣挂施工拱桥面内、外基频计算公式计算精度较高，求解的面内、外频率与有限元解误差在 5%以内。本文推导的抖振响应求解公式有效性较好，其计算的拱顶位移与有限元结果较为吻合，可应用于后续等效风荷载推导。　　（2）在正确求解抖振响应的基础上，借鉴三分量法原理，提出了拱桥面内、外等效风荷载的简化公式，并通过对比有限元时域分析结果，验证其有效性。研究表明：拱圈面内位移中，本文公式结果与时域分析结果在拱脚附近的相对误差较大，但由于此区域位移值很小，两者的误差绝对值并不大；而拱顶附近两者相对误差小于 20%，吻合度较好。求解拱圈面外位移时，本文公式均会高估拱圈横向位移、扭转向位移；拱圈横向位移的相对误差分布在 7%-20%之间，拱圈扭转向位移的相对误差分布在12%-30%之间。　　（3）为研究拱圈抖振响应机理，分别探讨了不同风谱类型、背景及共振荷载分量、阻尼比、扣索及缆风索规格参数对拱圈抖振等效风荷载的影响规律。研究表明：拱圈面内、外等效风荷载可分别仅考虑竖向脉动风 w(t)、顺向脉动风 u(t)的贡献；拱圈面内、外抖振位移中，背景、共振响应均占相当比例，计算等效风荷载应同时考虑背景、共振风荷载。不同阻尼比区间内，拱圈抖振阻尼比-位移的敏感性不同，具体地，阻尼比越小的区间，改变阻尼比时抖振位移变化越剧烈。拱圈面外位移响应中，扭转位移受缆风索特性影响更大，因此通过调整缆风索规格对其抑振效果较好。　　（4）为便于工程应用，将等效风荷载计算中 I(s)取为 1，推导了面内、外等效风荷载实用计算公式，并通过三座斜拉扣挂施工拱桥对其验证分析。研究表明：采用上述公式计算的等效风荷载作用在结构上时，拱圈切向位移沿全拱轴均比时域分析结果大，但两者相对误差由拱脚向拱顶逐渐减小，拱顶处相对误差在 10%左右；拱圈竖向位移在拱脚附近较时域分析结果偏小，在拱顶附近则偏大，拱顶处相对误差在 10%以内；拱圈横向位移沿全拱轴线均比时域分析结果大，但相对误差均在 20%以内；拱圈扭转位移在拱脚附近较时域分析结果偏大 10%左右，而拱顶附近偏小10%左右。总体上能满足工程精度及实用性要求。
作者：	冯军
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	郭增伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023