風(fēng)及列車(chē)荷載作用下在跨度橋梁振動(dòng)響應(yīng)研究.pdf

1、大跨度橋梁由于柔度很大，對(duì)風(fēng)荷載非常敏感，在風(fēng)的動(dòng)力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形和振動(dòng)。在沿江、沿海這些風(fēng)速較大的地區(qū)修建跨江、跨海鐵路大橋時(shí)，必須綜合考慮風(fēng)和列車(chē)荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用，以確保橋梁結(jié)構(gòu)及列車(chē)運(yùn)行安全。隨著橋梁跨度的增大，非線性因素也愈加明顯，這就給本已經(jīng)非常復(fù)雜的風(fēng)一車(chē)一橋系統(tǒng)研究增加了難度。本文在綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于車(chē)橋耦合振動(dòng)及橋梁抗風(fēng)研究的基礎(chǔ)上，考慮大跨度橋梁的幾何非線性因素，建立了風(fēng)―列車(chē)―橋梁體系非線性動(dòng)力分析模型，以綜

2、合考慮風(fēng)荷載和列車(chē)荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。全文內(nèi)容主要包括以下五部分內(nèi)容：
　　1.結(jié)合國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁的修建情況，對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的大跨度橋梁發(fā)展史及現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，回顧了車(chē)橋系統(tǒng)動(dòng)力相互作用、橋梁風(fēng)致振動(dòng)以及各種型式大跨度橋梁的非線性研究情況?？偨Y(jié)了當(dāng)前研究的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上闡述了將風(fēng)、列車(chē)和橋梁統(tǒng)一為一個(gè)交互作用、協(xié)調(diào)工作的耦合振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究的必要性。
　　2.研究了列車(chē)變速行駛情況下的車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)共振曲線解釋了

3、車(chē)輛變速運(yùn)行時(shí)橋梁位移極值的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)輛變速行駛與勻速行駛時(shí)相比較，橋梁的位移時(shí)程曲線振動(dòng)趨勢(shì)沒(méi)有變化，橋梁的最大位移相差也很小，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，不必考慮車(chē)輛的變速作用。
　　3.通過(guò)分析脈動(dòng)風(fēng)的特性，采用諧波疊加法對(duì)大跨度橋梁的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，考慮作用在橋梁上的靜風(fēng)力、抖振風(fēng)力和自激風(fēng)力，作用在車(chē)輛上的靜風(fēng)力和抖振風(fēng)力，采用具有27個(gè)自由度的四軸列車(chē)車(chē)輛模型，分別建立了橋梁廣義坐標(biāo)及考慮非線性因素的動(dòng)力分析模型，形

4、成了風(fēng)―列車(chē)―橋梁系統(tǒng)相互作用分析模型，編制了相應(yīng)計(jì)算程序，并簡(jiǎn)單介紹了編程過(guò)程中能夠提高計(jì)算效率的一些技巧。
　　4.將所建立的風(fēng)―車(chē)―橋模型應(yīng)用于九江長(zhǎng)江大橋三拱連續(xù)鋼桁梁部分的動(dòng)力響應(yīng)研究。對(duì)橋梁進(jìn)行模態(tài)分析，得到了其各階自振頻率及主梁節(jié)點(diǎn)振型。通過(guò)逐步施加不同的風(fēng)荷載，計(jì)算了靜風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)橋梁的作用效應(yīng)；分析了風(fēng)速變化對(duì)橋梁振動(dòng)時(shí)程曲線及振動(dòng)響應(yīng)極值的影響；綜合考慮了風(fēng)速變化和列車(chē)速度對(duì)橋梁振動(dòng)的影響。通過(guò)計(jì)算得出

5、以下結(jié)論：
　　(1)靜風(fēng)荷載使橋梁位移偏向一側(cè)，而脈動(dòng)風(fēng)荷載使其在靜風(fēng)位移的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)；
　　(2)橋梁的豎向位移極值隨著風(fēng)速的增加而減小，橫向及扭轉(zhuǎn)位移極值均隨著風(fēng)速的增加而增大，橋梁的振動(dòng)加速度均隨著風(fēng)荷載的增加而加?。?br>　　(3)車(chē)速及風(fēng)速變化對(duì)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)極值均有較大影響。
　　5.以移動(dòng)車(chē)輪-簧上質(zhì)量的車(chē)輛模型為基礎(chǔ)，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變的非線性關(guān)系，推導(dǎo)了簡(jiǎn)支梁橋廣義坐標(biāo)下的動(dòng)力平衡微

6、分方程，采用Newmark積分與直接迭代法進(jìn)行求解，并以某公路簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔M(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上探討了非簡(jiǎn)支梁橋在列車(chē)移動(dòng)荷載作用下的非線性振動(dòng)響應(yīng)研究方法，作為后面采用復(fù)雜車(chē)輛模型作用下大跨度橋梁非線性振動(dòng)計(jì)算的基礎(chǔ)研究。計(jì)算了九江長(zhǎng)江大橋吊桿初始內(nèi)力及結(jié)構(gòu)大位移非線性的影響。然后考慮懸索橋結(jié)構(gòu)的幾何非線性因素，以主跨1120 m的五峰山懸索橋設(shè)計(jì)方案為例，進(jìn)行了風(fēng)車(chē)橋非線性振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。研究了非線性因素、風(fēng)速與車(chē)速變化對(duì)懸索橋振動(dòng)

7、的影響，并與九江長(zhǎng)江大橋大跨度鋼桁拱橋振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較。通過(guò)計(jì)算得到以下結(jié)論：
　　(1)懸索橋纜索結(jié)構(gòu)在自重和恒載下的初始內(nèi)力會(huì)明顯增大結(jié)構(gòu)剛度，使其各階自振頻率提高，但不影響其振型。
　　(2)懸索橋結(jié)構(gòu)的幾何非線性因素沒(méi)有改變橋梁節(jié)點(diǎn)位移及加速度時(shí)程曲線變化趨勢(shì)，但由于幾何剛度的存在，使各項(xiàng)振動(dòng)響應(yīng)極值有所減??；
　　(3)靜風(fēng)荷載使橋梁結(jié)構(gòu)向一側(cè)偏移，脈動(dòng)風(fēng)荷載使其在靜風(fēng)位移的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動(dòng)，風(fēng)荷載產(chǎn)生的作用效

8、應(yīng)對(duì)九江長(zhǎng)江大橋和五峰山懸索橋的一致；
　　(4)風(fēng)速增加后，懸索橋的振動(dòng)呈加劇趨勢(shì)，風(fēng)速變化對(duì)其橫向及扭轉(zhuǎn)位移、加速度產(chǎn)生很大影響。當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，會(huì)使懸索橋的豎向振動(dòng)加劇，對(duì)其豎向振動(dòng)響應(yīng)也產(chǎn)生較大影響，這點(diǎn)與九江長(zhǎng)江大橋的計(jì)算結(jié)果不同；
　　(5)車(chē)速變化對(duì)橋梁的各項(xiàng)振動(dòng)響應(yīng)均有所影響，特別是對(duì)橋梁豎向位移的影響比較明顯。而橫向、扭轉(zhuǎn)位移及加速度則對(duì)風(fēng)速變化比較敏感。
　　(6)大位移非線性的影響會(huì)隨著位