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地震及汽车作用下长大混凝土桥梁振动研究

周勇超  
【摘要】:随着经济和社会的发展,鉴于线路平顺性和稳定性要求、环境保护等诸多因素的考量,可能建造连续几公里甚至是几十公里的长大桥梁。桥梁结构,尤其是预应力混凝土结构桥梁,在公路交通线路总长的比重日益增加。在地震多发区域,一方面,长大桥梁的不同支撑可能经受差异较大地震作用,而对地震动的空间变异性研究相对滞后;另外一方面,汽车行驶在桥梁上遭遇突发地震作用的可能性大大提高,地震及汽车联合作用下桥梁耦合振动响应需要深入研究,然而国内外的相关研究几乎是一片空白。在总结和吸取前人研究成果的基础上,本论文以长大混凝土桥梁为背景,重点对地震动空间变异性、地震及汽车联合作用下桥梁耦合振动这两个方面的关键问题进行了研究。 本文主要的研究内容和结论如下: 1.深入研究了地震波空间变异性机理,提出了一套切实可行的地震动模拟方案:在已知场地特征、空间相关模型条件下使用无条件模拟技术产生多点地震加速度时程样本;在给定参考点地震波、空间相干模型条件下使用有条件模拟技术产生多点地震加速度时程样本。针对地震波中存在的误差问题,系统的研究了剔除方法,给出了各种方法的适用性。 2.采用解析方法研究简支梁遭遇两点地震激励的振动问题,并结合数值方法给出了梁体的动力响应。研究结果表明地震波中相位成分的变化对结构的动力响应有显著的影响。 3.针对桥梁抗震计算方法中存在的误区,研究了精确求解法、大质量法、大刚度法的适用性。研究结果表明:不同的时程输入方式对数值求解方法的收敛速度、计算精度有较大影响;精确求解法中输入地震加速度时程只能用于线性分析,输入地震位移时程的求解方法可以用于非线性分析;相对于大刚度法而言,大质量法求解精度较高。 4.选取某连续刚构桥梁作为研究对象,选定一条实际地震加速度时程记录作为参考,采用有条件模拟技术生成满足空间变异特征的多点地震加速度时程,借助于零残余位移法对其进行修正,消除误差影响,并施加到桥梁纵向上;采用大质量法求解结构动力响应。数值分析结果表明:在实际桥梁抗震分析过程中,地震波失相干性的影响不可忽略,只有充分考虑完全变异特性才能得到偏于安全的分析结果。 5.提出了地震激励及汽车联合作用下桥梁耦合振动问题,并建立了相关分析模型。将耦合系统划分为桥梁、车辆两个子系统;引入刚体部件,基于有限元方法推导并建立车辆运动方程;采用有限元方法建立桥梁子系统模型,并使用振型叠加法缩减动力自由度;桥面平整度作为耦合系统的自激励源,而地震荷载直接施加到桥梁结构上;使用耦合关系将两个子系统联结在一起。提出了数值求解流程以及其中关键问题的解决方案,并编制DIARVB计算软件。 6.应用地震及汽车联合作用下桥梁耦合振动分析模型及DIARVB计算软件,分析一辆两轴货车以不同行驶速度通过三跨预应力混凝土连续刚构桥梁遭遇突发地震作用时耦合系统的动力响应。研究结果表明:桥梁子系统的动力响应完全由地震激励决定;地震激励通过桥梁结构传递给汽车子系统,会导致其振动放大的现象,从而危及汽车的行走安全;车速对汽车系统动力响应影响较大;地震波的频谱特性改变了汽车-桥梁耦合振动系统的动力响应规律以及峰值。


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