协作体系预应力混凝土斜拉桥动力特性与地震响应研究

摘要

协作体系预应力混凝土斜拉桥因其提高斜拉桥整体刚度、改善主梁内力、经济适用及施工便利等优点而得到广泛应用。以往对于这种结构体系的研究大多围绕在结构的静力性能方面，对于结构的动力特性及地震响应方面的研究较少。桥梁作为交通运输网中的关键要素，是抗震救灾中抢救人民生命财产和尽快恢复生产、减轻次生灾害的重要环节。因此有必要对协作体系预应力混凝土斜拉桥的动力特性及地震响应进行研究。本文以某在役协作体系预应力混凝土斜拉桥为工程背景，采用有限元软件Midas Civil及Ansys建立结构空间动力计算模型，对其动力性能及地震响应进行研究。本文主要完成了如下工作：
　　（1）利用有限元软件Midas Civil和Ansys分别建立结构空间动力计算模型，得到结构的前十阶固有频率和振型。基于该桥实桥动载试验实测数据，利用Ansys优化模块采用一阶优化算法对全桥有限元模型进行修正，修正后有限元模型的计算结果与实测数据吻合较好。
　　（2）基于修正后的有限元模型，研究了塔梁纵向连接刚度、辅助墩的设置及协作跨跨径等结构参数对协作体系预应力混凝土斜拉桥动力特性的影响。研究结果表明：随着塔梁顺桥向连接刚度的增大，结构纵漂振型的频率值逐渐增大。当连接刚度超过一定值时，结构基本上不出现明显的纵漂振型，而是和其他方向的振动相互耦合；辅助墩的设置方式对结构纵漂频率影响较少，对结构的横向振动及竖向振动有一定的影响；结构的竖向振动及横向振动频率随着协作部分刚度的增大有不同程度地提高；协作跨跨径的变化主要对结构的竖向刚度产生较大的影响。
　　（3）基于修正后的有限元模型，采用反应谱法对结构进行地震响应分析，得到结构在顺桥向、横桥向、竖向加速度反应谱及三向组合加速度反应谱作用下的地震响应规律；并基于反应谱法分析塔梁纵向连接刚度及协作跨跨径等参数对协作体系预应力混凝土斜拉桥地震响应的影响。研究结果表明：增大塔梁纵向连接刚度可显著降低纵向地震波作用下主梁纵向位移，但结构内力相应增加；协作体系斜拉桥可以通过调整协作部分刚度及协作跨的跨径，使得结构保持良好的抗震性能。
　　（4）基于修正后的有限元模型，利用人工合成地震波对结构进行动态时程分析。对反应谱法和时程分析法的计算结果进行比较，两种方法计算结果相差不大，证明了计算结果的正确性。本文研究成果可为协作体系预应力混凝土斜拉桥的设计提供参考。

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第一章 绪论

1.1课题的提出及意义

1.2斜拉桥的发展概况

1.3大跨斜拉桥动力特性及地震响应研究现状

1.4依托工程

1.5本文主要研究内容

第二章 协作体系预应力混凝土斜拉桥动力特性分析

2.1结构动力学基本理论

2.2结构振动分析方法

2.3全桥有限元模型的建立

2.4实桥动载试验

2.5动力特性结果及分析

2.6结构有限元模型修正

2.7结构参数对结构动力特性的影响

2.8本章小结

第三章 协作体系预应力混凝土斜拉桥反应谱分析

3.1概述

3.2反应谱分析基本理论

3.3结构反应谱分析

3.4结构参数对结构地震响应的影响

3.5本章小结

第四章 协作体系预应力混凝土斜拉桥动态时程分析

4.1概述

4.2动态时程分析理论

4.3结构动态时程分析

4.4时程分析结果与反应谱分析结果的对比

4.5本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢