三塔兩主跨懸索橋瞬態(tài)地震響應(yīng)分析動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法的研究.pdf

1、懸索橋通過(guò)構(gòu)造橋塔-主纜-吊索體系，將橋面荷載依次順序傳遞給吊索、主纜和橋塔，巧妙地將可能發(fā)生的大幅度橋梁撓曲變形，轉(zhuǎn)化為微小的纜索張拉變形和橋塔壓縮變形，實(shí)現(xiàn)了大跨度橋梁的跨越，成為現(xiàn)代大跨度橋梁的主選橋型。泰州長(zhǎng)江公路大橋以其獨(dú)特的三塔兩主跨懸索橋型，實(shí)現(xiàn)了約3000米的主橋跨度，避免了采用斜拉橋-懸索橋組合橋型或者雙懸索橋拼接橋型對(duì)主航道的壓縮，節(jié)約建設(shè)成本和周期，結(jié)構(gòu)輕盈優(yōu)美，成為大跨度懸索橋型的一個(gè)重要發(fā)展方向。
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2、跨度懸索橋使用壽命長(zhǎng)，壽命期間遭遇地震的可能性增大，進(jìn)行地震響應(yīng)分析對(duì)設(shè)計(jì)和使用都是必要的。由于懸索橋結(jié)構(gòu)體量大，地震響應(yīng)的時(shí)程分析面臨計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的困難。一般情況下，不得不將計(jì)算時(shí)間迭代步長(zhǎng)取到0.1s，從而難以準(zhǔn)確把握地震波傳播特征和地震響應(yīng)特征，喪失了重要的變形和內(nèi)力等重要信息，對(duì)設(shè)計(jì)和使用大跨度懸索橋帶來(lái)了一定的盲目性。但是，若對(duì)大跨度懸索橋作瞬態(tài)地震響應(yīng)分析，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)將至少取到毫秒量級(jí)。對(duì)于大型商用有限元分析軟件

3、而言，在計(jì)算過(guò)程所消耗計(jì)算機(jī)資源將難以承受。計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，事實(shí)上導(dǎo)致了計(jì)算分析不能有效地實(shí)現(xiàn)。因此，發(fā)展精確、高效率的大跨度懸索橋瞬態(tài)地震響應(yīng)分析計(jì)算方法追在眉睫。
　　本文針對(duì)三塔兩主跨懸索橋，以泰州長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槔芯糠治鲋骼|和邊纜、加勁梁和橋塔、垂直吊索瞬態(tài)地震響應(yīng)的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法。采用組合單元法，研究分析大跨度懸索橋瞬態(tài)地震響應(yīng)分析的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法。根據(jù)具體地震分析數(shù)據(jù)，輸入多點(diǎn)地震激勵(lì)，對(duì)泰州長(zhǎng)江公路大橋進(jìn)行瞬態(tài)

4、地震響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算地震波在橋中的傳播和橋梁的長(zhǎng)期地震響應(yīng)。研究瞬態(tài)地震響應(yīng)基本特征，獲得地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，為該橋梁的使用維護(hù)和今后三塔兩主跨懸索橋的設(shè)計(jì)研究，提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
　　本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　(1)考慮橋塔和纜索的水平位移，以及彈性索的張拉作用，提出了適用于三塔兩主跨懸索橋的撓度理論。計(jì)算了單跨滿載下泰州長(zhǎng)江公路大橋的靜態(tài)變形和橋梁靜態(tài)內(nèi)力，并提出了供工程設(shè)計(jì)師使用的簡(jiǎn)化撓度理論。
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5、)基于有限位移理論，建立了能夠考慮初應(yīng)力和幾何非線性效應(yīng)的纜索單元、梁?jiǎn)卧?、吊索單元和彈簧單元的質(zhì)量陣、剛度陣和內(nèi)力陣。分別提出了適用于大跨度纜索、大跨度加勁梁和吊索瞬態(tài)地震響應(yīng)分析的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法，數(shù)值研究了方法的收斂性和瞬態(tài)地震響應(yīng)計(jì)算的有效性。
　　(3)對(duì)三塔兩主跨懸索橋采用組合單元法，組合使用所建立的纜索單元、梁?jiǎn)卧?、吊索單元和彈簧單元，提出了瞬態(tài)地震響應(yīng)計(jì)算的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法。具體計(jì)算了多點(diǎn)激勵(lì)下泰州長(zhǎng)江公路大橋的地震波

6、傳播和長(zhǎng)期地震響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法可有效節(jié)約計(jì)算過(guò)程的內(nèi)存占用，提高計(jì)算速度達(dá)16倍以上。
　　(4)計(jì)算得到了泰州長(zhǎng)江公路大橋瞬態(tài)地震響應(yīng)的基本特征:①在多點(diǎn)地震激勵(lì)下，懸索橋中存在多種類型的變形波和內(nèi)力波，波速差別大，全橋變形波形十分復(fù)雜;②吊索變形的不一致性十分明顯，吊索傾斜明顯;③靠近塔邊的長(zhǎng)吊索容易發(fā)生劇烈水平拋出現(xiàn)象，拋出量可達(dá)到0.8m，個(gè)別吊索發(fā)生了類似于共振的現(xiàn)象;④邊塔和中塔底部出現(xiàn)了較大的彎矩