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原文传递铁路部分斜拉桥动力特性及颤振稳定性分析

论文题名：	铁路部分斜拉桥动力特性及颤振稳定性分析
关键词：	铁路部分斜拉桥;波形钢腹板;三分力系数;数值模拟;颤振稳定性
摘要：	随着交通事业的发展，PC部分斜拉桥较普通斜拉桥因其施工方便、外形美观、经济合理的特点，在我国公路、城市桥梁的建设中得到了快速应用，但由于铁路对桥梁结构刚度的特殊要求，所以现已建成的铁路PC部分斜拉桥为数不多。通过对仅有的几座铁路部分斜拉桥的特点进行总结，发现其共同点为刚度大、活载所占比例大，并且通过资料发现，在大跨度铁路PC部分斜拉桥抗风性能研究方面几乎属于空白。然而随着铁路的发展，大跨度PC铁路部分斜拉桥已在铁路PC部分斜拉桥中得以应用，并且随着跨度的增加，风荷载对梁体的影响已成为不可忽略的因素。本文以拟建主跨176m城际高速铁路PC部分斜拉桥为背景，对其进行抗风性能研究，并首次利用ANSYS软件对其进行风荷载效应的三分力数值模拟分析，其主要工作及创新性成果如下: 　　1、采用大型有限元数值仿真分析软件ANSYS中的CFD模块，对大跨度高速铁路PC部分斜拉桥跨中截面的静力三分力效应进行数值模拟。通过改变不同的风攻角，得出其静力三分力效应的变化范围，以及梁体跨中横截面周围流场压力分布情况及流场流线图。　　2、通过分析不同风攻角作用下梁体跨中横截面三分力效应的变化范围及周围流场压力分布情况得出:大跨度高速铁路PC部分斜拉桥跨中截面的阻力系数受风攻角变化的影响较小，其变化值基本在1％左右;升力系数及扭矩系数受风攻角变化的影响较大，特别是在风攻角为-10度～-7度之间时，其变化值均在23％以上，并且此时的升力系数为负值，说明梁体断面所受到的升力与规定坐标轴的正方向相反。　　3、分析了波形钢腹板箱梁结构应用到铁路大跨度部分斜拉桥时，其在动力特性方面的可行性。通过Midas/Civil建立铁路PC部分斜拉桥和波形钢腹板部分斜拉桥的有限元模型，对比分析两者的振型特点得出:两者的振型变化趋势基本相同;各阶的频率变化幅度基本一致。从而说明在动力特性方面，波形钢腹板箱梁结构符合铁路部分斜拉桥的动力特性的特点。因此若在铁路大跨度部分斜拉桥之中采用波形钢腹板箱梁结构，其在动力特性方面是可行的。　　4、总结出铁路PC部分斜拉桥基频计算公式的适用范围。由于铁路规范尚未对铁路斜拉桥基频计算方法进行规定，因此本文通过对现行的所有斜拉桥基频近似计算公式进行汇总，并以大跨度高速铁路PC部分斜拉桥为实例，利用各个公式计算其基频，将计算结果与有限元模型及设计值进行对比分析得出:采用有限元软件及R.walther法可以较为准确的计算出铁路PC部分斜拉桥的基频，偏差为4.99％和6.85％，但计算速度较慢，回归系数法及公路抗风规范其精确度虽不高，但计算公式简单。因此，建议对于特大铁路PC部分斜拉桥初设阶段的基频计算可以采用“回归系数法”或“公路桥梁抗风规范法”;对于成桥阶段设计的基频计算可采用“R.walther法”或“有限元法”。　　5、由于铁路桥梁规范中未对斜拉桥的颤振稳定性做出规定，所以采用公路桥梁抗风规范对铁路PC部分斜拉桥进行了颤振稳定性验算，得出大跨度高速铁路部分斜拉桥颤振临界风速72.80m/s远远大于其检验风速38.27m/s，满足规范中的颤振稳定性要求，这为此桥的施工及安全运营提供理论依据。
作者：	刘飞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	刘世忠
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文