大跨度悬索桥自振特性及列车过桥响应的研究

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大跨度悬索桥是跨越海峡及大江大河的重要桥型,它的刚度和振动问题是控制其在铁路上应用的关键。同时,悬索桥的动力特性是对其进行动力分析的基础,基于能量原理的近似计算是初步设计阶段计算动力特性的一种有效方法。然而动力特性的影响因素众多,所以有必要寻找合适的近似计算公式并分析设计参数的影响。论文首先回顾了单跨悬索桥自由振动的线性微分方程,并得到方程的无量纲形式。无量纲振动方程表明,单跨悬索桥动力特性由主缆垂度和几个无量纲参数决定,即主缆的弹性拉伸参数、加劲梁关于主缆的相对刚度及恒载空间分布系数。然后通过无量纲方程的数值求解分析了无量纲参数对于动力特性的影响。对于单跨悬索桥和三跨连续加劲梁悬索桥,回顾了常用的动力特性计算公式,并推导了横向挠曲固有振动及竖弯、纵漂耦合振动频率计算公式,它们考虑了吊索倾斜引起的加劲梁重力势能。通过5座单跨悬索桥和3座三跨连续悬索桥的算例,验证计算公式的精度并分析各公式的误差来源。通过近似公式和有限元模型分析,讨论了设计参数对悬索桥动力特性的影响,包括垂跨比、加劲梁刚度、恒载集度、边中跨比,以及CFRP主缆、中央扣、连续加劲梁的影响。另外,分析了单跨悬索桥扭弯频率比的影响因素。针对某跨海峡公铁两用悬索桥,利用有限元建模研究了列车过桥时桥梁结构的动力响应,包括加劲梁、桥塔、主缆及吊索的动力响应时程曲线、包络图及动力放大系数。将移动列车模型考虑为移动荷载或移动质量,讨论了列车移动速度、列车惯性对于结构动力响应的影响。本文的研究工作表明:对于大跨度、单跨悬索桥的工程实际,竖向振动基频受主缆弹性参数及加劲梁竖向相对刚度的影响较小,扭转振动基频受主缆弹性参数的影响远小于加劲梁扭转相对刚度,假设扭转一阶对称振型为半波正弦曲线带来的误差很小;跨径(主缆垂度)是悬索桥动力特性的最主要的因素;恒载空间分布系数和加劲梁相对刚度对于扭弯频率比起决定作用;三跨连续加劲梁悬索桥的低阶固有振动仍以主跨的缆、梁共同振动为主,边跨的约束作用主要与边中跨比、加劲梁相对刚度有关;除了横向挠曲固有振动外,忽略加劲梁的连续带来频率值的误差很小;悬索桥结构的动力响应随着移动列车速度的增大而增大,但动力放大系数不大于1.10;由于未考虑梁端纵向阻尼器的作用将得到不真实的加劲梁纵向位移响应;移动荷载和移动质量作用下,悬索桥的动力响应基本没有差异。
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