大跨度鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，橋梁建筑技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。鋼管混凝土拱橋由于承載力高、跨越能力強(qiáng)、抗震性能好、施工方便而得到迅速發(fā)展。同時(shí)也是我國(guó)自1990年以來(lái)應(yīng)用發(fā)展最快的一種橋型。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論的不斷發(fā)展和完善，鋼管混凝土拱橋也向更大跨徑、更大規(guī)模方向發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用區(qū)域和范圍也不斷擴(kuò)大，目前已建成的鋼管混凝土拱橋的最大跨度已超到450

2、m。與鋼管混凝土拱橋的迅速發(fā)展相適應(yīng)，近年來(lái)，對(duì)鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)理論研究開展了很多有益的工作，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上它的發(fā)展。因此對(duì)鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究是橋梁工程中的一項(xiàng)十分緊迫的工作。 本文針對(duì)鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)基本理論進(jìn)行了研究，其目的是為鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)?；诜蔷€性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中有限變形中的U.L列式，建立了考慮大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)的空間非線性曲梁?jiǎn)卧?。在此基礎(chǔ)之上，編制了應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的

3、動(dòng)力學(xué)分析的有限元程序。并利用此程序?qū)φ诮ㄔO(shè)中的湖南南縣茅草街大橋進(jìn)行了自由振動(dòng)和地震響應(yīng)分析。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固有頻率和地震響應(yīng)的影響，同時(shí)還研究了其它因素對(duì)地震響應(yīng)的影響。具體研究主要包括以下幾個(gè)方面： 1.利用微分幾何的Frenet-Serret公式和Hamilton變分原理，建立了空間彈性拱的非線性動(dòng)力學(xué)模型。為對(duì)空間彈性拱的非線性動(dòng)力學(xué)分析奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)首次利用非線性動(dòng)力學(xué)中Liapunove-Schmid

4、t法研究了淺拱的動(dòng)力屈曲問(wèn)題，并得到了一次近似下的彈性拱發(fā)生動(dòng)力屈曲臨界動(dòng)載幅值的解析表達(dá)式。 2.利用虛功原理推導(dǎo)了基于非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有限變形的動(dòng)力學(xué)增量方程。同時(shí)利用有限元的基本原理，把動(dòng)力學(xué)的增量方程改寫成有限元的增量形式。本文還利用Hamilton變分原理推導(dǎo)了考慮阻尼和外部荷載作用下大跨度鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)方程。 3.利用當(dāng)前拉格朗日描述，建立了空間非線性曲梁?jiǎn)卧腢.L列式。這種單元可以綜合考慮大位移

5、以及大轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以方便引入簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系。同時(shí)考慮多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以比較精確地模擬拱橋中拱肋的曲線形狀。本文還推導(dǎo)了曲梁?jiǎn)卧馁|(zhì)量矩陣。 4.編制了綜合考慮幾何非線性和鋼管混凝土材料非線性的鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力學(xué)分析程序，此程序能對(duì)鋼管混凝土拱橋的自由振動(dòng)和地震響應(yīng)進(jìn)行分析。同時(shí)此程序包含了三種不同的單元，也可以推廣到斜拉橋以及懸索橋的動(dòng)力學(xué)分析，有較廣的應(yīng)用范圍。 5.以正在建設(shè)中的湖南南縣茅草街大橋?yàn)?/p>