自錨式懸索橋地震非線性時程響應(yīng)分析和簡化方法研究.pdf

1、隨著城市橋梁向美觀、大跨的方向發(fā)展，自錨式懸索橋的建造逐漸增多，這種橋梁的結(jié)構(gòu)力學行為和性能成為研究熱點，論文對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的研究正是基于這樣的背景。考慮作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)，在地震災(zāi)害發(fā)生后所造成的嚴重后果，同時現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范不能適用于此類橋型的抗震分析，論文全面分析自錨式懸索橋動力特性和地震響應(yīng)的研究現(xiàn)狀，詳細研究自錨式懸索橋地震分析方法，總結(jié)并概括自錨式懸索橋動力特性和地震響應(yīng)研究的最新成果。針對自錨式懸索橋自由振動特性

2、和地震激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，詳細推導了自錨式懸索橋自由振動微分方程，對多種激勵方式下自錨式懸索橋非線性時程響應(yīng)進行深入研究，提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法。論文主要開展了以下幾方面的研究工作： (1)應(yīng)用廣義泛函變分原理，采用經(jīng)典解析方法推導自錨式懸索橋自由振動微分方程?？紤]到自錨式懸索橋不同于普通地錨式懸索橋的特點，綜合考慮大纜縱向變形、加勁梁壓彎耦合效應(yīng)、剪切和垂跨比等多種因素影響，根據(jù)Hamilton原理，應(yīng)用廣義泛函變

3、分方法推導三跨連續(xù)自錨式懸索橋自由振動微分方程，針對常見自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特征，對微分方程進行簡化，推導這類橋梁的縱向振動頻率計算公式、豎向振動頻率計算公式以及自由扭轉(zhuǎn)振動的振型計算公式和簡化后的橫向振動簡化微分方程，研究加勁梁和橋塔與邊墩之間約束強弱等邊界條件對自由振動特性的影響。 (2)推導自錨式懸索橋考慮幾何非線性和初始內(nèi)力等因素的加勁梁單元剛度矩陣和纜索單元剛度矩陣表達形式。論文研究分析了采用有限元方法計算自錨式懸索橋地

4、震響應(yīng)時加勁梁單元和纜索單元的剛度矩陣的構(gòu)成。考慮自錨式懸索橋加勁梁承受軸向壓力的結(jié)構(gòu)受力特點，推導加勁梁單元剛度矩陣的表達式；忽略大變形剛度矩陣，計入線剛度矩陣和幾何剛度矩陣，推導纜索單元剛度矩陣表達式；研究整體坐標系下纜索單元剛度矩陣的轉(zhuǎn)換方法。在地震響應(yīng)分析中，針對纜索支撐結(jié)構(gòu)的單元剛度矩陣不同于一般結(jié)構(gòu)的特點，對由于荷載作用下的結(jié)構(gòu)大位移、纜索自重垂度和纜索初始內(nèi)力等因素產(chǎn)生自錨式懸索橋的幾何非線性，采用Newton-Raphs

5、on迭代法、Ernst公式和疊加初始內(nèi)力產(chǎn)生的幾何剛度項分別考慮。 (3) 采用二維相干函數(shù)模型和三角級數(shù)法編制人工地震波生成程序，利用大質(zhì)量法詳細研究不同激勵方式下自錨式懸索橋非線性時程響應(yīng)?；诙S相干模型，假定靜力非線性平衡狀態(tài)為橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的初始狀態(tài)，詳細研究人工地震波功率譜模型和部分相干函數(shù)模型后，選擇Hao二維相干函數(shù)模型，考慮垂直地震波傳播方向各支點影響，編制出可綜合考慮頻率對視波速影響以及不同支點間非平穩(wěn)

6、調(diào)制函數(shù)差異等因素的人工地震波生成程序，并合成實橋的六個支點的地震加速度時程。分別研究考慮幾何非線性、行波效應(yīng)和部分相干效應(yīng)的多點激勵，應(yīng)用大質(zhì)量法和所生成的人工地震波，詳細分析結(jié)構(gòu)在強地震荷載作用下橋塔、墩柱地震響應(yīng)特性，最后考慮材料非線性、幾何非線性等因素，對自錨式懸索橋在多維一致激勵、多維非一致激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行分析。分析研究表明：在靜力非線性平衡狀態(tài)下，幾何非線性對自錨式懸索橋地震響應(yīng)影響較??；行波效應(yīng)會使彎矩極值滯后，加勁梁

7、跨中位移隨著地震波傳播速度而增大，考慮行波效應(yīng)時橋塔、加勁梁的彎矩均比考慮一致激勵的彎矩大：考慮垂直地震波傳播方向各支點間的二維相干效應(yīng)對塔、梁交接處和塔底彎矩和位移有一定影響，但二維相干效應(yīng)不顯著，故對于自錨式懸索橋地震響應(yīng)僅考慮一維相干效應(yīng)，二維相干影響可忽略；材料塑性使能量耗散，對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值的有一定影響。 (4) 歸納總結(jié)出影響自錨式懸索橋地震響應(yīng)的4個無量綱參數(shù)，研究加勁梁參數(shù)與垂跨比參數(shù)的基準值和塔梁參數(shù)、橋塔參

8、數(shù)的設(shè)計計算曲線與表格。詳細研究自錨式懸索橋加勁梁的主跨長度、寬度、高度、橋塔高度、橋塔根部單柱截面尺寸、垂跨比和阻尼比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響，分析總結(jié)上述各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響趨勢和相關(guān)性，進一步優(yōu)選并將相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為4個無量綱參數(shù)：加勁梁參數(shù)k<,1>、塔梁參數(shù)k<,2>、橋塔參數(shù)k<,3>和垂跨比k<,4>。充分考慮橋梁主要尺寸的變化范圍和不同地震激勵模式，通過大量的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計算分析，在確定加勁梁參數(shù)基準值為0

9、.037和垂跨比基準值0.125的基礎(chǔ)上，詳細計算分析塔梁參數(shù)和橋塔參數(shù)，得到自錨式懸索橋與這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)數(shù)值曲線和表格，可供結(jié)構(gòu)方案設(shè)計或初步設(shè)計參考使用。 (5) 研究自錨式懸索橋加勁梁參數(shù)和垂跨比的計算修正系數(shù)，提出自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法，并驗證其可行性。研究加勁梁參數(shù)和垂跨比對自錨式懸索橋地震響應(yīng)的影響，通過對這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，即加勁梁寬度修正系數(shù)k<,B>和垂跨比修正系數(shù)k<,λ>，給出加勁梁寬度修

10、正系數(shù)和垂跨比修正系數(shù)相關(guān)圖表?；趶椥愿拍畈捎酶鶕?jù)應(yīng)力和位移評價地震響應(yīng)的原則，提出采用加勁梁參數(shù)、塔梁參數(shù)、橋塔參數(shù)和垂跨比4個參數(shù)的自錨式懸索橋地震響應(yīng)的簡化計算方法，由此可簡便地計算恒載應(yīng)力和地震荷載總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔根應(yīng)力放大因子)、塔加勁梁交接處橋塔恒載應(yīng)力與地震荷載產(chǎn)生總應(yīng)力與恒載應(yīng)力的比率(塔梁交接處橋塔應(yīng)力放大因子)、地震作用下加勁梁跨中最大豎向位移和塔頂最大水平位移。論文通過對5座實橋計算比較，初步驗證囊錨式