大跨径三塔自锚式悬索桥动力特性及地震响应分析

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大型桥梁结构往往是区域经济发展的主要运输通道，也是抗震救灾时的生命要道。作为跨越能力较强的桥型之一，自锚式悬索桥因其优美的外观、较强的场地适应性与经济性等特点得到广泛的发展和应用，目前已有的自锚式悬索桥大多是采用双塔结构，但是随着跨径增加的难度越来越大，三塔自锚式悬索桥的设想被人们提出并逐渐成为城市桥梁建设中首选的桥型之一。本文以目前仍在建设中的世界上主跨最大的三塔自锚式悬索桥——银川滨河黄河大桥为对象，在现有研究成果的基础上，根据相关分析理论，研究该桥的结构动力特性及地震响应。本文主要研究工作如下：
　　（1）建立了滨河黄河大桥的动力有限元模型，分析了混凝土桥面板对叠合梁悬索桥振动特性的影响，探讨了结构重要设计参数（垂跨比、恒载集度及构件刚度）对各阶模态及频率的影响。结果表明：该桥的一阶振型频率较低，且表现为“加劲梁的纵飘”模态；加劲梁竖弯与主塔纵弯对结构的振动特性起到主导作用；混凝土桥面板单元能够避免过早的出现加劲梁的横向弯曲模态；随着垂跨比的降低，与“主塔纵弯”相关的“加劲梁竖弯”振型频率下降幅度最大；恒载集度的提高会降低加劲梁的纵飘、竖弯及扭转振型频率，且会增加“主塔的同向侧弯”振型频率；增加边塔的纵向抗弯刚度能够有效提升“加劲梁的纵飘”振型频率；而加劲梁的抗弯、抗扭刚度对自身的“纵飘”模态影响甚小。
　　（2）根据滨河黄河大桥的场地条件及相关抗震规范，确定其设计反应谱，采用振型分解法研究高阶振型对该桥地震响应结果的影响，以此确定反应谱分析时所需的振型阶数，计算分析了该桥在地震反应谱荷载作用下的内力及位移响应。结果表明：进行地震反应谱分析时应取足够的振型阶数以免遗漏了某些贡献率较高的高阶振型；在水平地震作用下，中塔塔底的弯矩及剪力响应值大于边塔，抗震设计时应注意中塔的受力特征；此外，该桥的竖向振动与纵向振动具有更强的耦合效应，而对横向振动的内力及变形基本没有贡献；
　　（3）根据拟建桥址的场地条件输入合适的地震波时程曲线，利用时程分析方法研究了一致激励下结构的动态时程响应并与反应谱分析结果进行对比，采用非一致激励法分析了行波效应对该桥地震响应结果的影响。结果表明：一致激励时程分析法与反应谱分析法的内力计算结果在整体上比较吻合；行波效应对于地震响应分析结果的影响非常复杂，对于不同截面的内力影响程度不同，对于同一截面的不同内力甚至可能出现相反结果；此外，当行波速度介于1000m/s~1500m/s之间会对主跨跨中截面及中塔塔底截面产生不利的内力响应，抗震设计时应注意确定桥梁拟建场地准确的视波速。

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作者
董培东;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科土木工程
授予学位硕士
导师姓名康俊涛;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类悬索桥;结构原理、结构力学;
关键词
三塔自锚式悬索桥; 动力有限元模型; 振动特性; 地震响应; 行波效应;

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