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自锚式斜拉—悬索协作体系桥动力学问题研究

苗峰  
【摘要】: 自锚式斜拉—悬索协作体系桥作为一种新型的桥梁结构形式,具备了传统的斜拉—悬索协作体系桥的诸多优点,而且由于庞大锚碇的取消,更好的适应了深海软土地基的建设,在不良地质环境条件下具有强劲的竞争力,目前已被工程界采纳。但从已有的文献看,对这种桥型动力性能的研究颇为少见。本文结合以自锚式斜拉—悬索协作体系桥为研究主体的交通部西部交通建设科技项目“斜拉—悬索协作体系桥梁的研究”这一科研课题,以拟建的大连湾跨海大桥为工程背景,对该新型结构体系若干动力学问题进行了深入的研究,主要工作如下: (1)基于大位移非线性弹性理论的广义变分原理,考虑了加劲梁的压弯耦合、剪切应变能和扭转应变能的影响,建立了三跨自锚式斜拉—悬索协作体系桥的空间耦合自由振动大位移不完全广义势能泛函,通过约束变分推导出自锚式斜拉—悬索协作体系桥的竖向挠曲振动、横向挠曲振动、纵向振动、扭转振动以及主塔纵向振动和横向振动的基础微分方程,忽略非线性项的影响,进而得到线性振动微分方程。以一座主跨100m的混凝土自锚式斜拉—悬索协作体系桥为例,求出了竖向振动方程自振频率的解析解,并与数值解作了比较,吻合较好,这一理论和方法为自锚式斜拉—悬索桥的固有振动特性分析提供可靠的理论依据。 (2)桩-土-结构相互作用使体系的动力特性和地震反应与刚性基础上的结构不同,主要表现为自振周期延长、阻尼增加、内力及位移反应改变等。考虑桩-土相互作用效应,分别建立了考虑实际桩长和等效嵌固桩长的群桩模型,对结构进行反应谱和时程分析,并与墩底固结模式下的地震响应进行比较,得到了加劲梁、主塔、边墩等控制截面的内力和位移响应,并对其影响规律进行了讨论。通过对比计算结果,群桩实际桩长与群桩等效嵌固桩长两种考虑桩-土效应模式下结构地震响应值较为接近,因此,在工程上,可以采用等效嵌固桩长来代替桩的实际桩长来模拟桩基础。 (3)考虑了几何非线性及材料非线性,采用纤维模型对自锚式斜拉—悬索协作体系桥进行了弹塑性时程分析,对比弹性时程分析的结果表明,结构进入弹塑性阶段,由于塑性铰的产生,使结构控制节点的位移有了明显的增大,同时弹塑性阶段的结构控制截面的内力均有较大幅度的降低,对于半漂浮体系的自锚式斜拉—悬索协作体系桥,塑性铰的产生增大了结构控制节点的纵向位移,主要表现在主塔塔顶及主梁跨中, (4)基于弹塑性分析结果,引入粘滞阻尼器,考虑边界非线性,对结构进行了弹性与弹塑性阶段的耗能减震分析,分析结果表明,进入弹塑性阶段的结构,由于塑性铰耗散了一部分地震输入的能力,引入粘滞阻尼器后,对结构控制截面的内力改善较小但对结构控制节点的纵向位移有较大幅度的降低。 (5)利用铅芯橡胶支座叠层橡胶良好的剪切性能以及铅芯的阻尼特性,通过分析在边墩、主塔与加劲梁间设置铅芯橡胶支座的多种方案发现,设置了铅芯橡胶支座后的结构,在地震荷载作用时,由于减小了地震作用时输入到上部结构的能量,使得结构主要控制节点的位移和控制截面的内力都得到了降低。 (6)基于模糊决策理论,建立了自锚式斜拉—悬索协作体系桥多层多目标模糊优选模型,它将众多因素分层考虑,协调各因素之间的复杂关系,并应用模糊定权的方法来确定因素的权重,克服了目标函数中用线性评判指标来处理高度非线性多目标问题的不足与确定权重问题的不足。应用该模型对大连湾跨海大桥工程中所提出的动力模型方案进行优化选型,通过比较分析认为选择粘滞阻尼耗能较为合理。


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