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多塔部分斜拉桥的车桥耦合振动研究

戈伟  
【摘要】:随着交通运输行业的不断发展,公路车辆逐渐向重载、高速的方向发展,桥梁的跨径也越来越大,桥梁结构则越来越轻薄,车桥动力相互作用问题愈加突出。移动车辆荷载作用下桥梁结构的安全问题一直是学者和工程师们所关注的问题,尤其对于近三十年才发展起来的部分斜拉桥而言,人们对其研究更多地集中在施工阶段静力分析以及成桥阶段地震分析,对部分斜拉桥车桥耦合振动的研究则相对较少,且绝大部分都是针对铁路部分斜拉桥车桥耦合振动展开的研究。为此,本文以一实际公路五塔部分斜拉桥为工程依托,基于一种近似初始条件的数值递推分析方法对单排车辆及多排车辆通过时桥梁各构件动力响应及动力放大系数展开了研究,主要工作及结论如下:(1)根据依托工程施工图纸,采用ANSYS建立了三维桥梁有限元分析模型,求得桥梁前十阶振型及频率,并对其自振特性进行了分析。(2)选取了轿车、卡车和货车三种常用车型,对单车辆通过桥梁时的结构动力响应及动力放大系数进行了多工况计算分析。综合考虑了车型、车重、车速、桥面等级、拉索索力以及桥梁结构体系等因素的影响,结果表明:车型对结构动力响应的影响主要体现在车重,随着车辆重量的增加,结构动力响应也随之增加;车速对于结构动力响应的影响未表现出明显的规律,相比之下,随着桥面平整度等级的降低,结构动力响应显著增大。通过对全桥斜拉索索力进行相同幅度的增加或减小发现:随着索力的增加或减小,结构动力响应及动力放大系数并未呈现出单调增加或减小的规律,而是在一定范围内波动。桥梁结构体系对于桥梁动力响应的影响较为明显,相同条件下,塔梁墩固接刚构体系的动位移、弯矩要小于连续梁体系。(3)基于静载加载效率计算结果,对单排、多排车辆以及静载加载效率最大时塔、梁、墩各构件的动力放大系数进行计算分析,并与现行桥梁设计规范中的动力放大系数取值对比,结果表明:在进行车桥耦合振动分析时,若仅采用单排车辆加载,一方面,会使动力放大系数计算结果偏大;另一方面,由于单车辆加载效应与设计车道荷载加载效应相差较大,若将由此计算得到的动力放大系数值与规范值对比则缺乏说服性,与实际情况有所不符。因此,在选择车辆加载方式时应结合规范中的设计车道荷载效应来确定,力求加载车辆的布置能够达到与设计车道荷载相同或相近的静载加载效应。另外,不同构件的动力放大系数有所不同,若按规范中全桥统一取一个动力放大系数值的方法,则可能会使得某构件所受到的动力冲击作用被低估,从而不利于结构的受力安全,建议在进行桥梁设计时,不同构件采用不同的动力放大系数值来考虑汽车荷载所引起的动力冲击作用。


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