薄壁曲线箱梁考虑剪力滞效应的动力特征研究

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以薄壁曲杆理论和有限元法为基础,提出了薄壁曲线箱梁考虑剪力滞效应动力分析的有限段法。基于能量法原理,建立了一套适合于薄壁曲线箱梁剪力滞效应的动力分析理论和计算方法,探讨了剪力滞效应在动力问题中的变化规律。进一步丰富和完善了薄壁曲线箱梁的动力理论体系,为薄壁曲线箱梁剪力滞动力计算提供了一条有效途径。本文的主要成果如下:(1)基于薄壁曲杆理论和有限元法,提出了薄壁曲线箱梁自由振动分析的有限段法。取薄壁曲线箱梁静力控制微分方程的齐次解作为曲梁单元位移模式中的峰值函数,根据Hamilton原理,推导了曲梁单元的自由振动方程,获得了自振频率和相应振型的解,并与解析解作了比较,吻合较好。在此基础上,进一步探讨了曲率半径对于几种常见结构形式(简支、悬臂、连续)薄壁曲线箱梁自振频率的影响规律。(2)假设了薄壁曲线箱梁翼板纵向剪力滞翘曲位移函数,建立弯、扭、剪力滞耦合的曲线箱梁静力控制微分方程。取静力剪滞控制微分方程的齐次解作为梁段曲梁单元位移模式中的峰值函数,运用Hamilton原理推导出曲梁单元的自由振动方程,得到单元刚度矩阵和单元质量矩阵。通过矩阵组合,将曲线箱梁自振频率问题转化为广义特征值问题进行求解,即可获得薄壁曲线箱梁考虑剪力滞效应的自振频率和振型。(3)提出了薄壁曲线箱梁梁段曲梁单元在强迫振动下的位移模式,其位移模式中的形函数取本文自由振动时的形函数。根据能量法原理,推导出考虑剪力滞效应曲梁单元的强迫振动平衡微分方程。通过对外荷载离散,采用Newmark直接积分法解出了薄壁曲线箱梁在强迫振动时的位移、应力和剪力滞系数的时程变化,获得了强迫振动时的动力响应结果。(4)基于有限元技术,运用MIDAS/FEA中的板单元建立有限元模型,进行了薄壁曲线箱梁剪力滞动力效应的数值仿真,计算了曲线箱梁的动力特性和动力响应,并与理论结果作了比较,验证了本文方法的正确性,且具有较好的精度。(5)在理论和数值研究的基础上,结合薄壁曲线箱梁结构形式和结构几何尺寸,系统地研究了多种参数对曲线箱梁剪力滞效应的影响,从而揭示了考虑剪力滞效应的振动特性和动力响应的一般规律,获得了一些有意义的结论。依据主要影响参数,编制了一些可供工程参考的图表,具有一定实用价值。
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