大跨拱桥缆索吊装过程中临时索-拱结构的动力分析

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目前,缆索吊装法是大跨拱桥一种十分重要的施工方法。施工过程中,拉索与主拱通过斜拉扣挂的方式,组合成了临时索-拱结构。随着施工过程的推进,构件数目增多、结构体系变柔、刚度减小。桥跨结构在施工阶段并未形成最终体系,索-拱结构的刚度、稳定性与安全性远低于成桥状态。此时,索-拱结构的振动将严重影响施工的安全、质量以及精度,降低了安全系数,是巨大的安全隐患,因此其面内动力问题值得关注。本文以大小井特大桥(主跨450m)缆索吊装施工过程为工程背景,通过有限元软件对形成的临时索-拱结构进行面内自振特性和动力响应分析。主要研究内容与结论如下:(1)在已有文献的基础上,了解索-拱结构的特点以及非线性的影响,总结施工阶段索-拱结构动力分析基本理论,确定本文分析内容和研究方法。根据国内外对索-拱结构的研究现状,归纳出索-拱结构在施工过程中值得进一步关注的地方。(2)以工程背景桥梁为依托,分析归纳索-拱结构模态以及对应频率的分布特征,并寻找结构共振的主要参数区间。引入局部化程度参数,以数值方式定量描述结构的振动模态。分析拉索抗拉强度、主拱刚度和边界条件对结构模态分布的影响。结果表明:索-拱结构同时存在索的局部振动模态和结构的整体振动模态;随着吊装节段的增加,结构将更容易出现整体振动;主拱刚度和边界条件对结构整体振动模态分布起重要影响作用,拉索的抗拉强度对结构整体振动模态分布没有影响。(3)通过分析典型索-拱结构在周期荷载作用下的动力响应,分析不同荷载频率、荷载幅值、荷载位置和阻尼等对结构动力行为的影响。结果表明:当荷载频率与索-拱结构第1阶整体振动模态频率比值约为1:1(0.98~1.02)时,索-拱结构将发生共振,此时结构出现整体振动,位移、内力值会迅速增加;随着荷载幅值的增加,结构共振时位移、内力幅值也会增加;荷载作用位置不同时,结构产生位移、内力幅值差别较大,施工时需要注意避免一些荷载的不利位置;随着阻尼增大,位移、内力幅值将减小。
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