FRP-混凝土组合桥面钢梁桥动力响应分析

摘要

与传统的钢和混凝土桥面板相比，FRP桥面板在密度、刚度、阻尼以及与主梁连接件的设置上都有很大的不同。这些差异造成使用FRP桥面板的钢梁桥的动力响应与传统的桥梁有着很大的区别，给使用这种新型桥面板的桥梁的设计方法和评估体系带来新的挑战。在这种背景下，针对一种新开发的FRP—混凝土组合桥面板，本文对使用这种桥面板的钢梁桥进行了车辆冲击作用下的动力响应分析和评估，为这种桥梁的设计和使用提供一些参考。本文的主要工作如下： （1）在查阅了大量文献的基础上，总结了使用FRP桥面板桥梁的设计特点，并对各种规范中对冲击系数和使用舒适度的规定进行了综述。 （2）在查阅大量文献的基础上，总结了桥梁动力响应分析时结构阻尼矩阵的形成方式， （3）对一种新开发的FRP—混凝土组合桥面板进行了动力特性试验，得到了该桥面板在两种不同边界条件下的模态和模态阻尼比。将试验结果与有限元分析结果进行了对比，验证了有限元模型的正确性。利用试验数据，通过参数拟合的方式得到了桥面板的瑞利阻尼矩阵的参数，证明了瑞利阻尼的合理性。 （4）对车桥耦合动力响应分析的理论和方法进行了归纳，并提出了使用商用有限元软件ANSYS和LS—DYNA进行车桥耦合分析的方法和步骤，并对两种软件的优缺点进行了比较。 （5）将FRP—混凝土组合桥面板应用到实桥上，利用有限元软件计算分析了不同车速、路面不平度、阻尼、车辆重量和板．梁连接件刚度情况下桥梁冲击系数，并对不同情况下桥梁的使用舒适度进行了评估。 最后本文对研究工作进行了总结，对其中尚需进一步研究的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.1.1FRP桥面系统及其连接体系

1.1.2应用实例

1.2问题的提出和研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1各国规范对冲击系数的规定

1.3.2各国规范对桥梁行人舒适度的规定

1.3.3车桥耦合作用下桥梁动力响应研究

1.4主要研究内容

第2章桥梁动力响应分析的阻尼模型

2.1阻尼产生的机理

2.2阻尼的数学模型

2.3 阻尼的识别

2.3.1修正的自由衰减法

2.3.2共振法测多阶振型阻尼比

2.3.3模态拟合法

2.4阻尼矩阵的形成方式

2.4.1 由结构整体阻尼比和振型频率直接形成阻尼矩阵

2.4.2 由构件阻尼比和结构整体振型频率形成阻尼矩阵

2.4.3 由构件的模态阻尼比形成整体结构的阻尼矩阵

2.4.4阻尼矩阵形成方式总结

2.5材料的阻尼比和结构阻尼矩阵

2.6有限元软件中阻尼矩阵的形成方式

2.6.1ANSYS进行时程分析时阻尼矩阵的形成方式

2.6.2LS-DYNA中的阻尼矩阵形成方式

2.7 FRP组合桥梁阻尼特性

2.8本章小结

第3章FRP-混凝土组合桥面板动力特性试验

3.1引言

3.2模态试验基本理论

3.2.1模态试验方法概述

3.2.2频域法模态拟合的基本原理

3.3测试试件

3.4有限元模态分析

3.5模态试验方案

3.5.1模态分析方法概述

3.5.2实验方法选择及仪器

3.5.3测点选取和传感器布置

3.5.4试验试件放置方式

3.5.5仪器的连接

3.5.6数据采集过程

3.6钢轴支承边界条件下试验装置安装和测试

3.6.1装置安装

3.6.2信号采集及模态分析

3.6.3结果汇总

3.7钢管夹持边界条件下试验装置安装和测试

3.7.1装置安装

3.7.2结果汇总

3.8试验结果分析

3.8.1试验结果与有限元结果比较

3.8.2瑞利阻尼参数拟合

3.9本章小结

第4章车桥耦合动力响应分析的有限元方法

4.1 引言

4.2车辆有限元模型

4.3路面不平度的模拟

4.5 ANSYS中车辆-桥梁耦合作用的模拟

4.5.1ANSYS点-面接触单元

4.5.2车辆-桥梁耦合作用的接触模拟

4.7 LS-DYNA中车辆-桥梁耦合作用的模拟

4.7.1LS-DYNA轮轨接触算法

4.7.2轮轨接触算法基本设置

4.8ANSYS和LS-DYNA计算结果比较

4.9本章小结

第5章FRP-混凝土组合桥面钢桥与车辆的有限元模型

5.1 概述

5.2桥梁有限元模型

5.2.1桥梁基本尺寸

5.2.2 板-梁式桥梁有限元建模方法

5.2.3 FRP-混凝土桥面板等效简化模型

5.2.4钢主梁、横梁有限元模型

5.3 车辆有限元模型的建立

5.3.1 车辆特征参数及单元选择

5.3.2单元特性

5.3.3车辆水平运动时竖向振动分析

5.4本章小结

第6章FRP桥面钢梁桥车致振动响应分析

6.1 概述

6.2桥梁静力及模态分析

6.2.1桥梁在车辆荷载下的静力响应

6.2.2桥梁模态分析及瑞利阻尼系数的确定

6.3路面不平度样本

6.4各种因素对主梁及桥面冲击系数的影响

6.4.1 车速对冲击系数的影响

6.4.2路面不平度对动力放大系数的影响

6.4.3桥梁阻尼的影响

6.4.4车辆重量的影响

6.4.5主梁-桥面连接件刚度的影响

6.5各种因素对桥梁使用舒适度的影响

6.5.1车速对峰值加速度的影响

6.5.2路面不平度对峰值加速度的影响

6.5.3桥梁阻尼对峰值加速度的影响

6.5.4车辆重量对峰值加速度的影响

6.6本章小结

第7章总结与展望

7.1本文研究成果总结

7.2未来工作展望

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果