移動載荷作用下缺陷周期性高架橋的樁-土-結(jié)構(gòu)耦合模型.pdf

1、高架橋是高速鐵路的一種重要結(jié)構(gòu)形式，因此，對高速鐵路高架橋在列車移動荷載作用下的振動及其控制的研究有十分重要的工程實(shí)際意義。
　　本文主要研究缺陷周期性高架橋在移動載荷作用下的動力響應(yīng)，對缺陷跨所引起的規(guī)則周期性高架橋動力特性的改變進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，研究成果可作為對高架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動控制的理論依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)剛性支撐規(guī)則周期性高架橋(ROPV)在移動載荷作用下的動力響應(yīng)。利用 Fo

2、urier變換，得到移動載荷在頻率波數(shù)域內(nèi)的表達(dá)式，這樣原問題就轉(zhuǎn)化為求ROPV受頻率波數(shù)域內(nèi)的單位簡諧荷載作用的動力響應(yīng)問題。利用ROPV每跨梁和墩的有限元方程，梁-梁-墩聯(lián)接處的聯(lián)接條件以及簡諧載荷作用下ROPV每跨的周期性條件，可得單位簡諧荷載作用下ROPV單跨的有限元方程，由此可得ROPV在移動載荷作用下的動力響應(yīng)；利用ROPV單跨的有限元方程還可建立ROPV的特征方程。數(shù)值結(jié)果表明單位水平載荷作用下梁截面的軸向位移和軸力比單位

3、豎直載荷作用下的相應(yīng)量大若干量級；而對梁截面的橫向位移，轉(zhuǎn)角，剪力和彎矩，情況則相反。在高速載荷作用下，頻域響應(yīng)共振峰較少；對垂直荷載，ROPV的第一、第二和第三通帶都有共振峰，但主共振峰位于第一或第二通帶；對水平荷載，共振峰則都處在第一通帶內(nèi)，即能量更加集中在低頻部分。
　　(2)剛性支撐缺陷周期性高架橋(RDPV)在移動載荷作用下的動力響應(yīng)。與 ROPV的情形類似，可將求RDPV對移動載荷的動力響應(yīng)問題轉(zhuǎn)化為求RDPV對頻率波

4、數(shù)域內(nèi)的單位簡諧荷載的動力響應(yīng)問題。后者可進(jìn)一步化歸為用有限元方法求解左、右半無限周期性高架橋和缺陷跨等三個問題。左、右半無限周期性高架橋中的波場可分解為假設(shè)無缺陷跨時的自由波場和由缺陷跨所引起的散射波場。對左、右半無限周期性高架橋和缺陷跨分別應(yīng)用有限元方法可得自由波場和散射波場。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，缺陷跨會導(dǎo)致附加的缺陷態(tài)頻率；缺陷跨的出現(xiàn)不改變和ROPV相關(guān)聯(lián)的共振峰位置；由于散射波的高度衰減性，缺陷的影響往往局限在缺陷跨及其附近，而對遠(yuǎn)

5、離缺陷跨的各跨，影響不明顯。
　　(3)樁基礎(chǔ)支撐周期性高架橋(POPV)和樁基礎(chǔ)支撐缺陷周期性高架橋(PDPV)在移動載荷作用下的動力響應(yīng)。為考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，建立了頻率波數(shù)域內(nèi)樁土邊界元模型以確定樁基礎(chǔ)柔度，并通過其來實(shí)現(xiàn)上、下部結(jié)構(gòu)的耦合。對POPV和PDPV上部結(jié)構(gòu)的有限元處理和剛性支撐情形類似，區(qū)別在于這里須考慮墩底和樁頂?shù)穆?lián)結(jié)條件。通過對耦合與剛性支撐情形數(shù)值結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)ROPV和P

6、OPV頻域響應(yīng)的共振峰位置相同，但后者的峰值較前者??；ROPV和POPV時域響應(yīng)幅值相當(dāng)，但后者衰減較前者快。造成差異的原因是，POPV存在能量輻射，其特征波阻尼要大于ROPV的特征波阻尼，故而其特征波衰減更快。PDPV的缺陷跨及其附近也存在振動局域化，與RDPV不同的是，這里缺陷態(tài)頻率數(shù)量較少甚至沒有明顯的缺陷態(tài)頻率。
　　(4)提出了缺陷周期性高架橋受等間距移動荷載列作用時的共振和消振條件。此條件普遍適用于工程中含缺陷單元的直

7、線型周期性結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)乳g距荷載列中相鄰荷載時間間隔等于結(jié)構(gòu)在相應(yīng)單荷載作用下頻域某主峰周期的整數(shù)倍時，將產(chǎn)生共振；當(dāng)時間間隔等于主峰周期的半整數(shù)倍時，會產(chǎn)生消振現(xiàn)象。只有在單個載荷作用下頻域內(nèi)共振峰個數(shù)不多的條件下，受同樣速度等間距移動荷載列時，才會出現(xiàn)較明顯的共振和消振現(xiàn)象。
　　(5)建立了單個豎向和水平載荷功率和拖拽力的表達(dá)式。通過數(shù)值模擬分析二者隨速度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在v=0~300m/s范圍內(nèi)，對豎直和水平載荷，速度在v=