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原文传递公路钢拱塔斜拉桥车致振动及地震响应研究

论文题名：	公路钢拱塔斜拉桥车致振动及地震响应研究
关键词：	钢拱塔斜拉桥;车致振动;地震响应;数值分析;有限元法
摘要：	桥梁的车致振动和地震响应分析研究是桥梁动力分析的两项非常重要的内容。一方面，近年来，随着交通事业的发展，公路桥梁车辆通过密度日益增加、重载货车的载重量大幅增加并大量使用，车速也在不断提高。同时，为适应公路交通和桥梁事业的发展，桥梁结构的设计在向大跨度、轻型和柔性方向发展，这样就使得车辆与桥梁两个系统之间的耦合振动问题日趋突出。研究桥梁的车致振动问题将有助于人们更好地完善桥梁结构设计、规范车辆荷载、控制车辆通行速度并减少桥梁损坏。另一方面，桥梁作为生命线工程的一个重要组成部分，其抗灾害的能力尤为重要。历次地震中桥梁的大量破坏，使得桥梁的抗震问题受到广泛关注。一些按照抗震规范设计的桥梁震害仍然十分突出，所以尤其是对于一些特殊结构桥梁来说，其抗震设计理论和方法还需要进一步的研究和改进。在桥梁的地震响应计算中，考虑土-结构动力相互作用下建立桩-土-桥整体计算模型对全桥地震响应进行分析很有必要。因此，本文以沈阳三好桥（钢拱塔斜拉桥）为工程背景，对这一新型结构斜拉桥进行车致振动和地震响应分析研究。　　(1)首先对钢拱塔斜拉桥进行了现场实桥动载试验，测得了其成桥状态索力、自振特性、强迫振动响应，同时为数值研究提供基础数据和校验手段。　　(2)分别建立了平面车辆模型和空间车辆模型，给出了两种车辆模型的动力平衡方程及车-桥耦合作用力。采用三角级数叠加法模拟生成路面不平度样本，供桥梁车致振动数值分析使用。利用迭代法求解桥梁车致振动问题并编制了计算程序。　　(3)对钢拱塔斜拉桥总体车致振动进行了数值模拟研究。采用空间梁单元模拟混凝土主梁和钢拱塔，空间杆单元模拟斜拉索和水平索建立了钢拱塔斜拉桥的有限元模型。车辆模型采用3轴平面模型。分析了路面不平度、车速、桥梁阻尼和车辆悬架刚度对钢拱塔斜拉桥总体车致振动的影响，并且比较了移动力和车辆模型过桥时引起桥梁的车致振动响应情况。　　(4)对钢拱塔斜拉桥局部车致振动进行了数值分析研究。采用板单元模拟混凝土箱梁和钢拱塔，空间杆单元模拟斜拉索和水平索建立了钢拱塔斜拉桥精细化有限元模型。车辆模型采用3轴空间模型。比较了斜拉桥局部车致振动数值结果和动载试验结果，验证了数值计算的精确性和可应用性。分析了路面不平度、车速、桥梁阻尼和车辆悬架刚度对钢拱塔斜拉桥局部车致振动的影响。同时比较了斜拉桥主梁总体动力放大系数和局部动力放大系数的异同。　　(5)对钢拱塔斜拉桥这一新型斜拉桥进行了常规地震响应分析研究。建立了适合于钢拱塔斜拉桥地震响应分析的三维动力有限元模型，并对其进行了动力特性计算和地震响应的反应谱分析。采用El-Centro波、迁安波和两条人工波对钢拱塔斜拉桥的地震响应进行了时程分析，并且比较斜拉桥地震响应的反应谱分析结果和时程分析结果。　　(6)采用了一种具有较高计算精度的粘弹性人工边界来处理无限域的外源波动问题，并在通用有限元程序ANSYS得以实现。利用波场的局部分解技术，将无限域地基中的波动传播效应转化为基于粘弹性人工边界的等效荷载作用，同时给出了平面地震波竖直入射时地震波输入的等效荷载形式，并且通过算例验证了本文平面地震波竖直入射的输入方法的有效性。　　(7)最后，建立了钢拱塔斜拉桥的桩-土-桥三维有限元模型，采用整体法分别以P波、S波（纵桥向振动）和S波（横桥向振动）竖直入射时对斜拉桥进行了地震响应数值分析研究，并对整体法与未考虑土-结构相互作用效应的情况进行了对比分析。　　研究成果对钢拱塔斜拉桥结构设计及桥梁运营安全具有理论指导意义和实际应用价值。尽管本文是以钢拱塔斜拉桥为工程背景，但是文中对桥梁车致振动和考虑土-结动力相互作用下地震响应分析方法同样适用于其它桥梁。
作者：	李鑫
专业：	工程力学
导师：	梁力
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文