交通随机荷载作用下西安城墙结构动力响应分析

摘要

随着我国经济的飞速发展,道路交通显著体现为车速加快、车辆增多,载重量增大等现状。车辆振动荷载属于一种随机荷载,随之产生的地面振动也具有随机性。车辆荷载长期作用诱发的地面振动,将使其邻近的建筑物产生动力反应、出现墙体结构开裂、松动、地基下沉、损伤积累、强度的降低等现象。西安城墙是目前全国保存下来最大和最完整的古城墙。它不仅是西安城市的标志,而且也是中国古建筑中最具代表性的建筑类型之一。虽然历经沧桑,但在日渐增强的地面交通长期振动作用下,由于动力疲劳和地基下沉等将会导致古城墙的破坏或寿命缩短,其安全性受到严重的威胁。本文的主要研究对象为西安南门古城墙,在对其进行地面交通振动响应监测的基础上,就地面交通振动对城墙的动力响应及其影响进行了分析研究。同时,建立城墙-地基土的三维有限元模型进行模拟分析对比,为古城墙的保护提供理论基础。主要研究内容如下:
　　(1)振动信号的处理:首次对西安城墙进行连续24小时的试验监测,试验测得了地面交通振动反应(加速度和位移)。通过对监测振动信号进行去直流、平滑和消除趋势项等预处理,排除了外界噪音的干扰,使数据更切实际,从而对地面交通振动反应进行分析研究打下基础。
　　(2)振动反应分析:选取典型时段,确定加速度幅值作为振动评价量,并对振动反应进行时域和频域分析。在参数识别方面,直接利用实测的地面交通振动响应数据,借助于随机减量法得到其自由衰减响应,然后以此为输入,用MATLAB软件编制相应的计算程序,利用ITD法完成对南门城墙结构的模态参数识别。
　　(3)数值模拟与数据分析:查阅古城墙和随机荷载相关资料,运用ANSYS建立城墙-地基土的三维有限元模型。通过模态分析,得到了古城墙的自振频率和相应周期;选用经典的车辆模型,通过施加车辆随机荷载进行模拟,得到了车辆在不同车速,单双线行驶时引起的地面交通振动对城墙的动力反应,对其结果进行分析,得出了地面交通振动对城墙的振动影响和衰减规律。同时与监测数据进行对比分析,结果表明城墙结构模型和车辆模型是合理可取的。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 交通振动对周围环境的影响

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 西安城墙地面交通振动响应监测

2.1 引言

2.2 西安城墙概况

2.3 西安城墙地面振动监测

2.4振动监测数据的预处理

2.5振动监测数据的结果分析

2.6本章小结

第三章 地面交通振动引起的西安城墙反应分析

3.1 引言

3.2 地面交通振动的随机特性

3.3 地面交通振动的随机振动分析

3.4 地面交通振动信号的时域分析

3.5 地面交通振动信号的频域分析

3.6 城墙结构的动力参数识别

3.7 本章小结

第四章 随机荷载下城墙的动力有限元分析

4.1 引言

4.2 有限元模型的建立

4.3 动力方程的建立及其算法

4.4车辆荷载模型

4.5计算结果及分析

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文