風及列車荷載作用下在跨度橋梁振動響應(yīng)研究.pdf

1、大跨度橋梁由于柔度很大，對風荷載非常敏感，在風的動力作用下會產(chǎn)生較大的變形和振動。在沿江、沿海這些風速較大的地區(qū)修建跨江、跨海鐵路大橋時，必須綜合考慮風和列車荷載對橋梁的動力作用，以確保橋梁結(jié)構(gòu)及列車運行安全。隨著橋梁跨度的增大，非線性因素也愈加明顯，這就給本已經(jīng)非常復(fù)雜的風一車一橋系統(tǒng)研究增加了難度。本文在綜合國內(nèi)外關(guān)于車橋耦合振動及橋梁抗風研究的基礎(chǔ)上，考慮大跨度橋梁的幾何非線性因素，建立了風―列車―橋梁體系非線性動力分析模型，以綜

2、合考慮風荷載和列車荷載對橋梁的動力作用。全文內(nèi)容主要包括以下五部分內(nèi)容：
　　1.結(jié)合國內(nèi)外大跨度橋梁的修建情況，對不同結(jié)構(gòu)型式的大跨度橋梁發(fā)展史及現(xiàn)狀進行綜述，回顧了車橋系統(tǒng)動力相互作用、橋梁風致振動以及各種型式大跨度橋梁的非線性研究情況?？偨Y(jié)了當前研究的特點，在此基礎(chǔ)上闡述了將風、列車和橋梁統(tǒng)一為一個交互作用、協(xié)調(diào)工作的耦合振動系統(tǒng)進行研究的必要性。
　　2.研究了列車變速行駛情況下的車橋耦合振動問題，通過共振曲線解釋了

3、車輛變速運行時橋梁位移極值的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，車輛變速行駛與勻速行駛時相比較，橋梁的位移時程曲線振動趨勢沒有變化，橋梁的最大位移相差也很小，因此為簡化計算，不必考慮車輛的變速作用。
　　3.通過分析脈動風的特性，采用諧波疊加法對大跨度橋梁的風場進行模擬，考慮作用在橋梁上的靜風力、抖振風力和自激風力，作用在車輛上的靜風力和抖振風力，采用具有27個自由度的四軸列車車輛模型，分別建立了橋梁廣義坐標及考慮非線性因素的動力分析模型，形

4、成了風―列車―橋梁系統(tǒng)相互作用分析模型，編制了相應(yīng)計算程序，并簡單介紹了編程過程中能夠提高計算效率的一些技巧。
　　4.將所建立的風―車―橋模型應(yīng)用于九江長江大橋三拱連續(xù)鋼桁梁部分的動力響應(yīng)研究。對橋梁進行模態(tài)分析，得到了其各階自振頻率及主梁節(jié)點振型。通過逐步施加不同的風荷載，計算了靜風荷載和脈動風荷載對橋梁的作用效應(yīng)；分析了風速變化對橋梁振動時程曲線及振動響應(yīng)極值的影響；綜合考慮了風速變化和列車速度對橋梁振動的影響。通過計算得出

5、以下結(jié)論：
　　(1)靜風荷載使橋梁位移偏向一側(cè)，而脈動風荷載使其在靜風位移的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)波動趨勢；
　　(2)橋梁的豎向位移極值隨著風速的增加而減小，橫向及扭轉(zhuǎn)位移極值均隨著風速的增加而增大，橋梁的振動加速度均隨著風荷載的增加而加劇；
　　(3)車速及風速變化對橋梁的振動響應(yīng)極值均有較大影響。
　　5.以移動車輪-簧上質(zhì)量的車輛模型為基礎(chǔ)，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)變的非線性關(guān)系，推導(dǎo)了簡支梁橋廣義坐標下的動力平衡微

6、分方程，采用Newmark積分與直接迭代法進行求解，并以某公路簡支梁橋為例進行計算驗證。在此基礎(chǔ)上探討了非簡支梁橋在列車移動荷載作用下的非線性振動響應(yīng)研究方法，作為后面采用復(fù)雜車輛模型作用下大跨度橋梁非線性振動計算的基礎(chǔ)研究。計算了九江長江大橋吊桿初始內(nèi)力及結(jié)構(gòu)大位移非線性的影響。然后考慮懸索橋結(jié)構(gòu)的幾何非線性因素，以主跨1120 m的五峰山懸索橋設(shè)計方案為例，進行了風車橋非線性振動響應(yīng)計算。研究了非線性因素、風速與車速變化對懸索橋振動

7、的影響，并與九江長江大橋大跨度鋼桁拱橋振動響應(yīng)進行比較。通過計算得到以下結(jié)論：
　　(1)懸索橋纜索結(jié)構(gòu)在自重和恒載下的初始內(nèi)力會明顯增大結(jié)構(gòu)剛度，使其各階自振頻率提高，但不影響其振型。
　　(2)懸索橋結(jié)構(gòu)的幾何非線性因素沒有改變橋梁節(jié)點位移及加速度時程曲線變化趨勢，但由于幾何剛度的存在，使各項振動響應(yīng)極值有所減?。?br>　　(3)靜風荷載使橋梁結(jié)構(gòu)向一側(cè)偏移，脈動風荷載使其在靜風位移的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波動，風荷載產(chǎn)生的作用效

8、應(yīng)對九江長江大橋和五峰山懸索橋的一致；
　　(4)風速增加后，懸索橋的振動呈加劇趨勢，風速變化對其橫向及扭轉(zhuǎn)位移、加速度產(chǎn)生很大影響。當風速增大到一定程度時，會使懸索橋的豎向振動加劇，對其豎向振動響應(yīng)也產(chǎn)生較大影響，這點與九江長江大橋的計算結(jié)果不同；
　　(5)車速變化對橋梁的各項振動響應(yīng)均有所影響，特別是對橋梁豎向位移的影響比較明顯。而橫向、扭轉(zhuǎn)位移及加速度則對風速變化比較敏感。
　　(6)大位移非線性的影響會隨著位