大跨径连续梁拱桥自振特性及车桥耦合动力响应研究

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经济的快速发展使得人们对交通的需求越来越大,列车的载重和速度逐渐增高。为了保证桥梁的动力可靠性和行车安全性,研究其动力效应至关重要,但目前国内外对大跨径连续梁拱桥动力特性研究尚不充分。因此,开展大跨径连续梁拱桥自振特性及车桥耦合动力响应研究具有重要的现实意义。本文以某高速铁路大跨径连续梁拱桥为研究背景,总结了桥梁自振特性、车桥耦合振动、动力系数的研究现状。利用Midas/civil进行连续梁拱桥自振特性及其敏感性分析,移动荷载列振动响应敏感性分析,随后使用MATLAB得到列车时变荷载后进行大跨径连续梁拱桥动力系数分析并与各国规范动力系数进行了对比。本文研究成果为进一步拓宽大跨径连续梁拱桥在桥梁建设领域应用提供了理论基础,为同类型桥梁及新型桥梁结构的设计、铁路提速以及高速重载铁路的发展提供一定的依据,具有重要的理论意义和工程价值。本文主要研究工作如下:(1)利用Midas/civil建模,用子空间迭代法进行分析,比较了主梁刚度、拱肋刚度、吊杆刚度变化对结构自振特性影响。可知此连续梁拱桥基频为1.2254Hz,主振型为主梁面内一阶对称振动;主梁刚度变化对结构面内振动影响较大且与自振频率呈正相关。当主梁刚度增大20%,基频增长3.78%。拱肋刚度变化在所有构件中对结构面外影响最大。吊杆刚度对结构面外振动影响很小,对结构基频影响较大,吊杆刚度按1.2倍调整时,基频增长3.53%,故提高吊杆刚度以增加梁拱结构刚度具有很好的经济性。(2)选用移动荷载列模拟列车,Midas/civil计算特征点竖向位移振动响应、吊杆轴向应力;得出其在主梁刚度、拱肋刚度、吊杆刚度变化下的动力响应敏感性规律。对于连续梁拱桥,主梁是其最关键构件,主梁刚度对桥梁各构件动力响应均有较大影响。而拱肋刚度变化仅对其本身影响较大。吊杆刚度增加会减小主梁中跨竖向位移,对中跨跨中节点竖向位移敏感因子为-0.439;但又会增大拱肋竖向位移,对拱顶竖向位移敏感因子为0.352,应注意到吊杆刚度变化对主梁与拱肋的不同影响。吊杆刚度与主梁刚度对吊杆应力影响均较大,拱肋刚度对其影响小。(3)利用MATLAB编写了简易车桥耦合振动程序,其中列车选用二自由度模型,并选用离散傅里叶逆变换法生成不同轨道粗糙度的德国谱轨道不平顺样本;计算得到列车加速度,进而得到列车等效荷载。计算不同轨道不平顺等级、不同车速等不同工况下车桥耦合振动响应,得到不同工况下的连续梁拱桥主梁及拱肋竖向位移、内力及吊杆轴向应力动力系数并进行了规律分析。桥梁各特征节点竖向位移动力系数大部分随车速的提高而增加;低干扰工况下中跨与边跨竖向位移最大动力系数在车速400km/h时最大,接近1.09。桥梁主梁各特征截面内力动力系数随车速波动。且不同吊杆的轴向应力动力系数随车速的变化趋势不一样,需具体吊杆具体分析,但在低干扰工况下其值均小于1.06。不同轨道不平顺工况下桥梁动力系数随车速变化趋势基本一致,但其值有一定的差异。轨道不平顺对桥梁内力动力系数的影响比竖向位移动力系数小。不同轨道不平顺值对吊杆内力动力系数影响较大,但是吊杆轴向应力值远小于其屈服应力,故研究吊杆内力动力系数时可以减少对轨道不平顺的考虑。本桥在不同等级德国轨道谱、车速200km/h-400km/h范围内动力系数最大值为1.145,建议连续梁拱桥动力系数取值不小于1.2。
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