大跨度鋼管混凝土拱橋的動力學研究.pdf

1、近幾十年來，隨著科學技術(shù)的進步，國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，我國橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，橋梁建筑技術(shù)也有了很大的進展。鋼管混凝土拱橋由于承載力高、跨越能力強、抗震性能好、施工方便而得到迅速發(fā)展。同時也是我國自1990年以來應(yīng)用發(fā)展最快的一種橋型。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論的不斷發(fā)展和完善，鋼管混凝土拱橋也向更大跨徑、更大規(guī)模方向發(fā)展，同時應(yīng)用區(qū)域和范圍也不斷擴大，目前已建成的鋼管混凝土拱橋的最大跨度已超到450

2、m。與鋼管混凝土拱橋的迅速發(fā)展相適應(yīng)，近年來，對鋼管混凝土拱橋的動力學理論研究開展了很多有益的工作，但遠遠跟不上它的發(fā)展。因此對鋼管混凝土拱橋的動力學進行研究是橋梁工程中的一項十分緊迫的工作。 本文針對鋼管混凝土拱橋的動力學基本理論進行了研究，其目的是為鋼管混凝土拱橋設(shè)計理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。基于非線性連續(xù)介質(zhì)力學中有限變形中的U.L列式，建立了考慮大位移和大轉(zhuǎn)動的空間非線性曲梁單元。在此基礎(chǔ)之上，編制了應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的

3、動力學分析的有限元程序。并利用此程序?qū)φ诮ㄔO(shè)中的湖南南縣茅草街大橋進行了自由振動和地震響應(yīng)分析。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率和地震響應(yīng)的影響，同時還研究了其它因素對地震響應(yīng)的影響。具體研究主要包括以下幾個方面： 1.利用微分幾何的Frenet-Serret公式和Hamilton變分原理，建立了空間彈性拱的非線性動力學模型。為對空間彈性拱的非線性動力學分析奠定了理論基礎(chǔ)。同時首次利用非線性動力學中Liapunove-Schmid

4、t法研究了淺拱的動力屈曲問題，并得到了一次近似下的彈性拱發(fā)生動力屈曲臨界動載幅值的解析表達式。 2.利用虛功原理推導(dǎo)了基于非線性連續(xù)介質(zhì)力學有限變形的動力學增量方程。同時利用有限元的基本原理，把動力學的增量方程改寫成有限元的增量形式。本文還利用Hamilton變分原理推導(dǎo)了考慮阻尼和外部荷載作用下大跨度鋼管混凝土拱橋的動力學方程。 3.利用當前拉格朗日描述，建立了空間非線性曲梁單元的U.L列式。這種單元可以綜合考慮大位移

5、以及大轉(zhuǎn)動，也可以方便引入簡單應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系。同時考慮多個節(jié)點，可以比較精確地模擬拱橋中拱肋的曲線形狀。本文還推導(dǎo)了曲梁單元的質(zhì)量矩陣。 4.編制了綜合考慮幾何非線性和鋼管混凝土材料非線性的鋼管混凝土拱橋的動力學分析程序，此程序能對鋼管混凝土拱橋的自由振動和地震響應(yīng)進行分析。同時此程序包含了三種不同的單元，也可以推廣到斜拉橋以及懸索橋的動力學分析，有較廣的應(yīng)用范圍。 5.以正在建設(shè)中的湖南南縣茅草街大橋為