基于应力波空间分布的高架桥梁碰撞分析方法研究

摘要

桥梁作为现代国家公共交通的基础设施，不仅是城市的运输生命线，同时在抗震减灾过程中也占据了重要枢纽的地位。近年来，频发的大地震所造成桥梁的破坏现象也越来越多，这其中地震作用引发的桥梁上部结构碰撞是造成桥梁结构破坏的一个主要原因。结构的碰撞过程中伴随着应力波的产生，同时应力波不断在结构内部传播与反射，在结构的内部形成了复杂的应力波场，使得结构内的质点发生非一致振动，使得碰撞过程变得愈加复杂。然而，现有相邻结构碰撞作用的接触分析模型中，大多是假定碰撞过程中结构内部质点振动始终是同步的，无法考虑碰撞应力波传播对结构动力反应的影响。因此，本文从分布质量体系模型和应力波理论入手，采用理论与有限元模拟相结合的方法对正碰/非完全正碰条件下的碰撞应力波传播过程进行了分析和验证，并对现有的碰撞模型进行了修正，使之能够更准确的反映桥梁上部结构的碰撞过程。主要研究内容、方法以及成果如下：
　　（1）建立桥梁上部结构的分布质量体系模型，基于一维波动理论，采用瞬态波函数方法求解了体系波动方程，提出了整体加速度与整体速度的计算方法，研究了模态数、长度划分方向段数取值对结构整体响应的影响，进而研究了应力波传播对局部质点振动和结构整体振动的影响特征，分析了非完全正碰撞情况下碰撞力与碰撞持时之间的关系。
　　（2）利用ANSYS/LS-DYNA建立了桥梁上部结构有限元模型，分析正碰与非完全正碰情况下桥面板的结构动力响应，研究了桥面板宽度对碰撞过程的影响；通过与分布质量体系模型的比较分析，研究了非完全正碰情况下碰撞持时与碰撞力、碰撞持时与初始角度及初始速度之间的关系。
　　（3）结合理论模型和有限元模型分析结果，基于Kelvin模型，对完全正碰/非完全正碰下的碰撞接触刚度进行了修正，推导得到了接触刚度修正系数表达式，通过与试验结果的比较分析，验证了修正Kelvin模型的正确性和准确性。