非对称异型钢拱桥动力特性分析及抗震性能研究

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非对称异型钢拱桥造型独特,线形优美。大小拱肋均采用三点支撑,在中间桥墩附近,两条拱肋合二为一,并穿过主梁,拱梁分离,拱墩结合,这种独特的结构形式使得结构的受力比较复杂。地震作用下往往存在承受很大内力的构件,这些构件容易破坏,构件破坏会加重震灾后果。因此,研究此类结构体系的动力特性及地震响应具有重要意义。本文以某两大小跨非对称异型钢拱桥为研究背景,建立合理的有限元模型,分析该拱桥的动力特性和地震响应。本论文主要工作内容如下:(1)论文以某两大小跨非对称异型钢拱桥为研究背景,建立整体有限元模型,进行动力特性分析,并研讨了矢跨比、横撑数量和吊杆间距等参数对该钢拱桥结构动力特性的影响。钢拱桥结构基频为0.4733Hz,第一阶振型为主梁横向对称弯曲,说明横向刚度要小于顺桥向刚度和竖向刚度。该钢拱桥结构的动力特性主要表现在拱肋和主梁的横向弯曲振动、竖向弯曲振动以及拱肋的扭转振动,高阶振型复杂且伴有面内外耦合振动现象。该钢拱桥结构是由拱肋、主梁和吊杆形成的组合受力结构体系,整体性较好,拱肋和主梁在发生面内弯曲振动时基本保持一致。该钢拱桥结构抗扭刚度较小,第二阶振型就出现了大拱的扭转。随着矢跨比的减小,各阶振动模态的基频都在逐渐增大且拱肋扭转振动振型对矢跨比变化最为敏感。横撑数量为6~8根,吊杆间距为6m时,该钢拱桥结构具有较好的动力特性。(2)对该钢拱桥结构进行E1地震作用下的反应谱分析,分析地震波单向输入以及三向组合输入等工况下的地震位移响应和内力响应。三向组合地震作用下的地震位移响应和内力响应均大于单向地震作用下的地震位移响应和内力响应,反映了结构的最不利状态,因此在进行结构抗震设计时可以直接选用三向组合后的地震响应进行分析。在三向组合地震动作用下,大拱L/4处和合拱处位移响应和内力响应较大,表明这两处拱肋截面是结构的薄弱部位,在抗震设计时应予以重视。(3)选取合适的地震波对该钢拱桥结构进行E1地震作用下的线性时程分析,并将分析结果与反应谱法的分析结果进行对比,然后分析了在E2地震作用下的响应,最后考虑了矢跨比这个设计参数的变化对地震响应的影响。该钢拱桥结构在反应谱法和线性时程法下的位移响应规律、内力响应规律和最大值位置均相同。该钢拱桥结构在E2地震作用下的位移响应和内力响应规律与E1地震作用下的相同,但是数值提升较大。永久作用和地震波组合作用下,最大应力出现在大拱中拱脚截面,最大值为197.85Mpa,在Q345钢材的弹性范围内,表明在应力考察角度下该钢拱桥结构抗震性能良好。(4)研究行波效应对该非对称异型钢拱桥地震响应的影响,并讨论了不同波速的影响。结果表明:纵向行波作用下,该钢拱桥结构拱肋控制截面顺桥向位移和竖向位移峰值大幅度提升,横向位移变化幅度很小。随着行波波速的变化,拱肋不同控制截面的位移响应变化规律并不相同。在低波速下,拱肋控制截面的地震位移响应会取得极大值。行波效应对内力的影响也十分显著,不同控制截面的内力变化规律不同,在纵向行波作用下,大拱拱肋的轴力变小,面内弯矩有明显增大,小拱拱肋轴力和面内弯矩均大幅度提升。
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