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风浪联合作用下桥塔结构动力响应数值分析

刘宇辉  
【摘要】:随着桥梁事业的快速发展,在世界跨径排名前10名的斜拉桥、悬索桥、拱桥、梁桥4类中,中国均占了一大半。同时我国跨海大桥的建设也得到了突飞猛进的发展,无论是第一座跨海桥梁东海大桥的建成,还是具有代表性的胶州湾跨海大桥和杭州湾跨海大桥,还是正在建设的港珠澳跨海大桥和拟建的琼州海峡跨海通道,都说明我国桥梁事业正处于创新和超越阶段。但是跨海大桥所处的环境恶劣,水深浪急风大的近海条件直接威胁桥梁的安全,甚至引起整个结构的失稳或局部破坏,而桥塔又是大跨度桥梁的重要承重结构。本文的研究重点是风浪联合作用下桥塔结构动力响应数值分析,旨在通过采用数值模拟的研究手段,研究不同波浪,不同风谱下以及不同风浪联合方式下桥塔的动力响应,探索其作用机理,为合理进行桥梁设计提供基础。首先,确定桥塔结构的模型,选择沪通大桥的钻石形桥塔作为研究模型,沪通大桥主跨1092m,可满足4线铁路+6车道高速公路的荷载作用;钻石形桥塔适用于对抗风、抗震要求较高或特大跨径的斜拉桥;桥塔采用沉井基础,其刚度大,整体性好、便于施工和稳定性好且相对于群桩基础更为经济。其次,浪荷载对桥塔结构作用的动力响应分析,计算不同周期的规则波和随机波作用下桥塔的静力和动力响应;采用Jonswap谱计算结构的动力响应,数据显示随机波作用下的桥塔位移最大值在规则波所有工况的计算位移范围内。风荷载对桥塔结构的抖振响应分别采用Davenport风谱和API风谱计算,结果表明Davenport风谱下的风剖面整体上比API大,且Davenport风谱下的桥塔位移平均值与API相近,但位移最大值比API风谱大。最后,风浪联合作用下桥塔结构动力响应数值计算分析,分别采用线性叠加法和Turkstra法计算桥塔结构动力响应,线性叠加法下的桥塔塔顶位移近似等于单风工况,考虑风荷载和浪荷载不能同时达到最大值,使用Turkstra法计算风浪联合作用,考虑恒风最大值与随机波叠加和恒浪最大值与脉动风叠加两种工况,计算结果显示虽然Turkstra法下的风浪联合荷载大于线性叠加法,但Turkstra法下桥塔位移最大值与线性叠加法相等,两种组合方法就结构设计分析可以采用线性叠加法代替Turkstra法。相对于波浪荷载,风荷载对塔顶位移以及桥塔的安全设计更为重要,设计时需要重点考虑。


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