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斜拉桥车—桥动力相互作用研究

朱定国  
【摘要】:由于斜拉桥具有外形独特美观、材料能有效利用、巨大的跨越能力和其他一些显著的优势,在最近的几十年里已经被广泛地推广与应用。但是随着1940年塔科马大桥戏剧性的倒塌,桥梁的动力响应特性研究得到了很大的重视。在随后的几十年里,人们进行了大量的理论和实验研究为了掌握和研究影响桥梁动力响应的因素以及求解桥梁动力响应的方法。其中移动车辆荷载的作用对桥梁动力响应的影响十分巨大,它将直接导致桥梁结构维修费用的增加和服役时间的减少。 目前移动车辆荷载对桥梁动力响应的研究主要是在普通桥梁上开展的,它们不能直接运用于斜拉桥。因为斜拉桥是一种由多种不同性质的结构构件组成的复杂结构。因此十分有必要来研究斜拉桥这种复杂结构对于移动车辆荷载的动力响应。 本文针对上述问题,首先系统地介绍了斜拉桥的主要特点、发展概述,以及国内外斜拉桥车-桥动力相互作用的研究历史和现状。随后归纳和总结了车-桥动力相互作用研究中车辆分析模型、桥梁分析模型、路面粗糙度模型、数值计算方法等几个方面的主要成果。在此基础上,具体介绍了本文所采用的针对于斜拉桥的车辆分析模型、斜拉桥简化分析模型、斜拉桥弹性支撑弹簧刚度求解方法以及桥面粗糙度模型。通过车轮和桥梁接触点出力的平衡条件建立车桥系统动力方程,通过运用有限差分方法和振型叠加理论迭代求解车-桥动力相互作用方程。 以上过程的求解通过采用MATLAB软件编程迭代来实现。本文给出了程序具体的迭代步骤、收敛条件以及迭代流程图。随后以均匀简支梁为研究对象,采用编写的程序对简支梁在车辆荷载下的动力性能进行分析研究。结果表明程序计算所得的桥梁前20阶频率、位移、弯矩与理论解析值基本一致,验证了此方法的准确性与有效性。在此基础上,研究了所取模态阶数、车辆模型、车辆速度、桥梁自身质量、桥梁跨度以及抗弯刚度等参数对桥梁动力响应的影响。最后通过一个斜拉桥算例再次验证了程序的有效性与可靠性。 以黄河胜利大桥为工程背景,用MATLAB程序分析了大跨度斜拉桥的车桥耦合振动问题。详细研究了车速、车重、不同路面等级以及车辆模型等参数对桥梁动力响应的影响,得出了一些有益的结论,为大跨度斜拉桥的车桥系统耦合振动分析提供一定的科学依据。


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