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[博士]自錨式懸索橋地震非線性時(shí)程響應(yīng)分析
內(nèi)容簡介
[博士]自錨式懸索橋地震非線性時(shí)程響應(yīng)分析 學(xué)科專業(yè):橋梁與隧道工程 授予學(xué)位: 博士 學(xué)位授予單位:西南交通大學(xué) 學(xué)位年度:2007 隨著城市橋梁向美觀、大跨的方向發(fā)展,自錨式懸索橋的建造逐漸增多,這種橋梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和性能成為研究熱點(diǎn),論文對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的研究正是基于這樣的背景。考慮作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu),在地震災(zāi)害發(fā)生后所造成的嚴(yán)重后果,同時(shí)現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范不能適用于此類橋型的抗震分析,論文全面分析自錨式懸索橋動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的研究現(xiàn)狀,詳細(xì)研究自錨式懸索橋地震分析方法,總結(jié)并概括自錨式懸索橋動(dòng)力特性和地震響應(yīng)研究的最新成果。針對自錨式懸索橋自由振動(dòng)特性和地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng),詳細(xì)推導(dǎo)了自錨式懸索橋自由振動(dòng)微分方程,對多種激勵(lì)方式下自錨式懸索橋非線性時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行深入研究,提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計(jì)算方法.論文主要開展了以下幾方面的研究工作: (1)應(yīng)用廣義泛函變分原理,采用經(jīng)典解析方法推導(dǎo)自錨式懸索橋自由振動(dòng)微分方程??紤]到自錨式懸索橋不同于普通地錨式懸索橋的特點(diǎn),綜合考慮大纜縱向變形、加勁梁壓彎禍合效應(yīng)、剪切和垂跨比等多種因素影響,根據(jù)Haanilton原理,應(yīng)用廣義泛函變分方法推導(dǎo)三跨連續(xù)自錨式懸索橋自由振動(dòng)微分方程,針對常見自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特征,對微分方程進(jìn)行簡化,推導(dǎo)這類橋梁的縱向振動(dòng)頻率計(jì)算公式、豎向振動(dòng)頻率計(jì)算公式以及自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振型計(jì)算公式和簡化后的橫向振動(dòng)簡化微分方程,研究加勁梁和橋塔與邊墩之間約束強(qiáng)弱等邊界條件對自由振動(dòng)特性的影響。 (2)推導(dǎo)自錨式懸索橋考慮幾何非線性和初始內(nèi)力等因素的加勁梁單元?jiǎng)偠染仃嚭屠|索單元?jiǎng)偠染仃嚤磉_(dá)形式。論文研究分析了采用有限元方法計(jì)算自錨式懸索橋地震響應(yīng)時(shí)加勁梁單元和纜索單元的剛度矩陣的構(gòu)成.考慮自錨式懸索橋加勁梁承受軸向壓力的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),推導(dǎo)加勁梁單元?jiǎng)偠染仃嚨谋磉_(dá):忽略大變形剛度矩陣,計(jì)入線剛度矩陣和幾何剛度矩陣,推導(dǎo)纜索單元?jiǎng)偠染仃嚤磉_(dá)式;研究整體坐標(biāo)系下纜索單元?jiǎng)偠染仃嚨霓D(zhuǎn)換方法。在地簇響應(yīng)分析中,針對纜索支撐結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)偠染仃嚥煌谝话憬Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對由于荷載作用下的結(jié)構(gòu)大位移、纜索自重垂度和纜索初始內(nèi)力等因素產(chǎn)生自錨式懸索橋的幾何非線性?! ? (3)采用二維相干函數(shù)模型和三角級(jí)數(shù)法編制人工地震波生成程序,利用大質(zhì)量法詳細(xì)研究不同激勵(lì)方式下自錨式懸索橋非線性時(shí)程響應(yīng)?;诙S相干模型,假定靜力非線性平衡狀態(tài)為橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的初始狀態(tài),詳細(xì)研究人工地震波功率譜模型和部分相干函數(shù)模型后,選擇Hao二維相干函數(shù)模型,考慮垂直地震波傳播方向各支點(diǎn)影響,編制出可綜合考慮頻率對視波速影響以及不同支點(diǎn)間非平穩(wěn)調(diào)制函數(shù)差異等因素的人工地震波生成程序,并合成實(shí)橋的六個(gè)支點(diǎn)的地震加速度時(shí)程.分別研究考慮幾何非線性、行波效應(yīng)和部分相干效應(yīng)的多點(diǎn)激勵(lì),應(yīng)用大質(zhì)量法和所生成的人工地震波,詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震荷載作用下橋塔、墩柱地震響應(yīng)特性,最后考慮材料非線性、幾何非線性等因素,對自錨式懸索橋在多維一致激勵(lì)、多維非一致激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析。分析研究表明:在靜力非線性平衡狀態(tài)下,幾何非線性對自錨式懸索橋地震響應(yīng)影響較小;行波效應(yīng)會(huì)使彎矩極值滯后,加勁梁跨中位移隨著地震波傳播速度而增大,考慮行波效應(yīng)時(shí)橋塔、加勁梁的彎矩均比考慮一致激勵(lì)的彎矩大;考慮垂直地震波傳播方向各支點(diǎn)間的二維相干效應(yīng)對塔、梁交接處和塔底彎矩和位移有一定影響,但二維相干效應(yīng)不顯著,故對于自錨式懸索橋地震響應(yīng)僅考慮一維相千效應(yīng),二維相千影響可忽略;材料塑性使能量耗散,對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值的有一定影響。 (4)歸納總結(jié)出影響自錨式懸索橋地展響應(yīng)的4個(gè)無量綱參數(shù),研究加勁梁參數(shù)與垂跨比參數(shù)的基準(zhǔn)值和塔梁參數(shù)、橋塔參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算曲線與表格。詳細(xì)研究自錨式懸索橋加勁梁的主跨長度、寬度、高度、橋塔高度、橋塔根部單柱截面尺寸、垂跨比和阻尼比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響,分析總結(jié)上述各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響趨勢和相關(guān)性,進(jìn)一步優(yōu)選并將相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為4個(gè)無量綱參數(shù):加勁梁參數(shù)k1、塔梁參數(shù)kZ、橋塔參數(shù)ks和垂跨比k4。充分考慮橋梁主要尺寸的變化范圍和不同地震激勵(lì)模式,通過大量的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算分析,在確定加勁梁參數(shù)基準(zhǔn)值為0.037和垂跨比基準(zhǔn)值0.125的基礎(chǔ)上,詳細(xì)計(jì)算分析塔梁參數(shù)和橋塔參數(shù),得到自錨式懸索橋與這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)數(shù)值曲線和表格,可供結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)參考使用?! ? (5)研究自錨式懸索橋加勁梁參數(shù)和垂跨比的計(jì)算修正系數(shù),提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計(jì)算方法,并驗(yàn)證其可行性。研究加勁梁參數(shù)和垂跨比對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響,通過對這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正,即加勁梁寬度修正系數(shù)k,和垂跨比修正系數(shù)kx,給出加勁梁寬度修正系數(shù)和垂跨比修正系數(shù)相關(guān)圖表。基于彈性概念采用根據(jù)應(yīng)力和位移評價(jià)地震響應(yīng)的原則,提出采用加勁梁參數(shù)、塔梁參數(shù)、橋塔參數(shù)和垂跨比4個(gè)參數(shù)的自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計(jì)算方法,由此可簡便地計(jì)算恒載應(yīng)力和地震荷載總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔根應(yīng)力放大因子)、塔加勁梁交接處橋塔恒載應(yīng)力與地震荷載產(chǎn)生總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔梁交接處橋塔應(yīng)力放大因子)、地震作用下加勁梁跨中最大豎向位移和塔頂最大水平位移。論文通過對5座實(shí)橋計(jì)算比較,初步驗(yàn)證自錨式懸索橋地震響應(yīng)簡化計(jì)算方法的可行性。
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