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磁流变阻尼器在大跨度桥梁上的减震理论研究

杨孟刚  
【摘要】:随着社会经济和交通运输的发展,一大批跨越江河湖海的大跨度桥梁应运而生。为了保证地震作用下桥梁结构的安全,延长桥梁的使用寿命,对大跨度桥梁进行减震理论研究是一项非常必要而有意义的课题。 磁流变阻尼器克服了现有减震设施存在的橡胶老化、金属锈蚀等问题,具有结构简单、能耗少、出力大、响应速度快等优良特性。本文基于几何非线性有限元计算理论,采用时程分析方法,将磁流变阻尼器应用于大跨度桥梁的减震研究,实现了桥梁结构—磁流变阻尼器系统的全仿真分析,是一项全新的探索。本文的研究工作和取得的成果包括: 1.基于U.L列式的虚功增量方程,推导出了空间梁(杆)单元和空间两节点悬链线索单元的切线刚度阵,提出了梁单元杆端力的精细算法,导出了索端力的精确表达式,从而建立了一套完整的杆系结构(含索)的几何非线性有限元计算理论。 2.在1的基础上,建立了一套大跨度桥梁结构空间非线性地震响应分析的时程分析算法,并基于Fortran PowerStation 4.0操作平台将其程序化(SRALB程序)。该程序可用于大跨度桥梁的抗震分析,为减震研究提供基础。 3.通过对已有磁流变阻尼器的多种力学模型的归纳比较,选取了一种能较好反映磁流变阻尼器强非线性特性的力学模型—改进的现象模型(Proposed phenomenological model),并将其应用于大跨度桥梁的减震研究,建立了大跨度桥梁减震分析模块,从而实现了桥梁结构—磁流变阻尼器减震系统的全仿真分析。数值仿真结果表明,磁流变阻尼器可有效地实现对结构的减震控制。 4.应用SRALB程序,对湖南省益阳市茅草街大桥—钢管混凝土拱桥进行了抗震计算,验证了程序的功能及可靠性。计算结果表明:茅草街大桥现有的设计方案具有足够的抗震能力;对于类似茅草街大桥的钢管混凝土拱桥的地震响应而言,几何非线性因素影响较小,而行波输入和竖向地震动分量影响较大,在进行抗震设计时不可忽视。 5.启用3中建立的大跨度桥梁减震分析模块,对广东省佛山市平胜大桥—独塔自锚式悬索桥进行了减震研究,讨论了磁流变阻尼器的输入电流、数量以及安装位置等对减震效果的影响。结果表明:随阻尼器输入电流增大或阻尼器数量增多,位移响应逐渐减小,而内力响应得到有效控制;全部阻尼器安装在主塔与主梁之间减震效果最佳。其抗震分析表明,塔梁连接形式对结构响应 博士学位论文 摘要 有较大影响。 关键词:磁流变阻尼器;大跨度桥梁 仿真分析;钢管混凝土拱桥 ;减震;几何非线性有限元;时程分析; ;独塔自锚式悬索桥


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