公路混凝土曲线连续梁桥在移动车辆作用下的动反应研究

摘要

混凝土曲线连续梁桥作为大型互通立交枢纽的重要组成部分，应用越来越广泛。由于受力较为复杂和设计缺乏明确规范条文指导，我国混凝土曲线梁桥在运营过程中出现事故还时有发生，使得混凝土曲线梁桥设计值得研究和关注。动载试验在桥梁检测评估中的应用日益增多，实际运营过程中需要进行动力加固的混凝土曲线连续梁桥也不时发现，对动载数据进行分析和对加固效果进行评估都需要进行车-桥振动研究。而传统的车-桥相互作用分析方法因其建模困难而难以在实际工程中采用，建立一种简单而实用的移动车辆荷载引起的混凝土曲线连续梁桥动反应计算方法，对实际工程应用有着重要价值。
　　本文采用的车桥相互作用分析方法是将曲线梁桥和车辆视为两个分离的独立的振动系统。在求解车辆振动方程时，引入随机过程理论，经过求解和推导得到了作用于桥面的轮胎冲击荷载的功率谱密度函数。然后基于此功率谱密度函数，采用谐波叠加法，直接构建车轮与桥面之间的接触力，并用MATLAB软件编制了相应的计算程序。最后，建立混凝土曲线连续梁桥的有限元模型，将构建生成的轮胎动载信号样本序列作为桥梁振动方程的输入，采用直接积分法或振型叠加法进行数值求解，即可得到混凝土曲线连续梁桥的动响应。并用实桥的实测数据验证了所采用分析方法和动力分析模型的可行性和可靠性。
　　研究了桥面不平度和车辆行驶速度、曲线半径、支座布置形式、中支座外偏等因素对混凝土曲线连续梁桥动反应的影响。研究表明:桥面不平度和车辆行驶速度影响显著，随着桥面状况的恶化，作用于桥面的轮胎动载显著增大;当桥面不平度和速度固定不变时，最不利布载情况下（汽车荷载外偏行驶）端支点截面扭矩动力系数受支座布置方式的影响最为显著，曲线半径影响程度次之，中支座外偏影响程度较小;动力系数整体呈现以下规律:支点截面扭矩动力系数＞支点截面负弯矩动力系数＞跨中位移动力系数＞跨中截面正弯矩动力系数。
　　以钻孔灌注法施工的摩擦桩为对象，设计了一种在通用有限元程序中构建桩基础有限元模型的方法，该方法中考虑了桩-士间的相互作用影响。针对“墩-梁固结”类型的混凝土曲线梁桥研究了移动车辆荷载作用下固结墩和固结墩桩基础的参数变化对桥跨结构动反应的影响。研究结果表明:固结墩直径、固结墩高度对桥跨结构动反应的影响比桩基础刚度对桥跨结构动反应的影响显著;汽车横向作用位置对弯矩和位移动力系数几乎没有影响，但对支点扭矩动力系数影响明显;相比较于普通混凝土曲线连续梁桥，车辆横向作用位置对“墩-梁固结”型的混凝土曲线梁桥的扭矩动力系数的影响要更大。
　　基于振型能量理论，给出了一种判定桥跨结构的各阶“弯扭耦合”振型以竖弯（或扭转）为主的方法。按此方法确定出混凝土曲线连续梁桥桥跨结构的振型主方向后，可将其频率区分为竖弯频率和扭转频率。然后分析了曲线半径、支座布置形式、单跨跨径、一联跨数、中支座外偏、固结墩参数、固结墩桩基础刚度等因素对自振频率的影响，研究结果表明:曲线半径、支座布置形式、单跨跨径、一联跨数等因素对混凝土曲线连续梁桥低阶竖弯频率的影响与对低阶扭转频率的影响有较大差异;固结墩参数变化对低阶扭转频率的影响比对低阶竖弯频率的影响要大一些;固结墩桩基础刚度对低阶竖弯频率和低阶扭转频率的影响均较小，可忽略不计。
　　最后，基于计算分析结果对混凝土曲线连续梁桥扭转冲击系数的取值方法进行了探讨，并给出了建议公式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 冲击系数

1．2．1 冲击系数定义

1．2．2 各国规范的冲击系数计算方法

1．3 公路混凝土曲线连续梁桥设计方法

1．4 移动车辆作用下曲线梁桥的振动问题研究综述

1．4．1 公路桥梁在移动荷载作用下的试验研究概况

1．4．2 移动车辆引起的曲线梁桥振动研究概况

1．5 研究目的和内容安排

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 车辆对桥面作用的动力荷载实用计算方法研究

2．1 引言

2．2 桥梁振动对车辆振动的影响分析

2．2．1 行驶车辆振动实测曲线

2．2．2 行驶车辆内部振动时频域分析

2．2．3 桥面振动对行驶车辆振动的影响

2．2．4 桥面振动对静止车辆振动的影响

2．2．5 结论

2．3 桥面不平度的考虑

2．3．1 随机桥面不平度理论介绍

2．3．2 谐波叠加法构建桥面不平度

2．3．3 桥面不平度仿真曲线

2．4 车辆动力学模型

2．4．1 单轮平面车辆模型及系统振动方程推导

2．4．2 两轴二维车辆模型及系统振动方程推导

2．5 车辆轮胎冲击荷载计算方法研究

2．5．1 单轮平面车辆模型

2．5．2 二维两轴车辆模型

2．5．3 谐波叠加法构建轮胎冲击荷载

2．6 作用于桥面的轮胎动力荷载计算方法

2．6．1 轮胎静载的计算

2．6．2 作用于桥面的动力荷载计算

2．6．3 实例运用

2．7 本章小结

第三章 混凝土曲线连续梁桥动力分析模型与试验验证

3．1 引言

3．2 曲线梁桥强迫振动求解方法

3．3 移动车辆荷载的实现

3．3．1 车辆作用于桥面的动力荷载值

3．3．2 移动车轮荷载的施加方法

3．4 动力特性试验测试与有限元分析

3．4．1 混凝土曲线梁模型桥模态试验设计与有限元分析

3．4．2 实桥试验测试与有限元分析

3．4．3 结果分析与讨论

3．5 移动车辆引起的强迫振动试验测试与数值分析

3．5．1 强迫振动试验简介

3．5．2 实测时程曲线

3．5．3 计算时程曲线

3．5．4 实测结果和数值计算结果对比分析

3．6 本章小结

第四章 移动车辆作用下混凝土曲线连续梁桥动反应的参数分析

4．1 动力系数和动态增量计算方法介绍

4．1．1 动力系数和动态增量定义

4．1．2 静效应最大值的确定

4．1．3 动效应最大值的确定

4．2 桥面不平度和速度的影响

4．2．1 桥面不平度的影响

4．2．2 车辆行驶速度的影响

4．3 曲线半径的的影响

4．4 支座布置形式的影响

4．5 中支座外偏的影响

4．6 固结墩的影响

4．6．1 固结墩直径的影响

4．6．2 固结墩高度的影响

4．6．3 固结墩偏心距的影响

4．6．4 中墩配置的影响(高墩+矮墩)

4．7 固结墩桩基础的影响

4．7．1 桩基础有限元模型研究

4．7．2 桩基础参数计算说明

4．7．3 桩基础对动响应的影响

4．7．4 桩基础对动力系数的影响

4．8 动态增量计算结果分析与评价

4．8．1 EMPA实测动态增量成果和结论

4．8．2 动态增量分析与评价

4．9 本章小结

第五章 混凝土曲线连续梁桥冲击系数探讨

5．1 实测动态增量、计算动态增量与规范冲击系数对比分析

5．2 混凝土曲线连续梁自振特性参数分析

5．2．1 “弯-扭耦合”振型主方向判定方法研究

5．2．2 自振特性参数分析

5．3 混凝土曲线连续梁桥扭转冲击系数计算方法探讨

5．3．1 方法一

5．3．2 方法二

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

附录

作者简介

致谢