基于Matlab的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

论文摘要

钢管混凝土以其优良特性在大跨度结构中得到广泛应用，国内外许多学者对其进行了大量的理论探索和试验研究。钢管混凝土在桥梁上的应用，解决了拱桥在高强度材料和施工技术方面的两大难题，使得拱桥结构更加轻巧，给拱桥的发展注入了新的活力。但是，由于现行的设计规范对钢管混凝土的冲击性能未能给出专门的规定，这样在桥梁的设计过程中仍采用公路桥规、按基频给定的冲击系数，这是否合适，需进一步研究确定。本文针对这些问题展开了钢管混凝土系杆拱桥的车桥耦合振动响应及冲击系数方面的研究。本文首先推导了目前研究公路桥梁车桥耦合振动响应的几种常用车辆模型；将桥面不平度视为符合一定路面功率谱密度函数的静态随机过程，利用三角级数叠加法和快速傅立叶逆变换法模拟了A、B、C级路面不平顺。以泰兴滨江大桥为例，根据下承式钢管混凝土系杆拱桥的结构特点，采用大型通用有限元软件ANSYS对该桥进行有限元离散。采用梁单元beam4模拟钢管混凝土拱肋（内部混凝土及外部钢管）、系杆及横梁等构件，用杆单元link8模拟吊杆，用壳单元shell63模拟桥面铺装层，用实体单元solid45模拟桥面系的预制空心板部分，建立了系杆拱桥的空间计算的有限元模型，进行模态分析，得到各阶自振频率及振型。建立四分之一车辆模型作用下的拱桥车桥耦合振动模型，并利用MATLAB语言编制程序，分析了移动车辆荷载作用下下承式钢管混凝土系杆拱桥的响应，系统地得到了该桥在不同车速，不同车道，不同阻尼，不同路况的振动响应等力学性能。根据数值模拟计算的钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数，分析了影响系杆拱桥冲击系数的多种因素；通过与各国规范和学者对钢管混凝土拱桥的冲击系数研究的对比，确定了目前我国公路桥梁设计规范对冲击系数规定的可行性。本文所得出的主要结论和有关研究成果可为大跨度钢管混凝土系杆拱桥设计时的冲击系数取值，研究车辆对系杆拱桥的冲击性能和后期桥梁养护确定荷载效应分析提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题背景及研究意义
• 1.2.1 拱桥的发展
• 1.2.2 钢管混凝土拱桥动力特性研究的意义
• 1.3 车桥耦合振动研究历史
• 1.4 钢管混凝土拱桥动力特性及车桥耦合振动研究现状
• 1.4.1 钢管混凝土拱桥动力特性的研究现状
• 1.4.2 车桥耦合振动研究现状
• 1.5 车桥耦合振动主要求解方法
• 1.6 本文主要工作
• 第二章 车辆振动简化模型的建立及分析
• 2.1 引言
• 2.2 移动车轮加簧上质量车桥耦合振动模型
• 2.3 四分之一车辆车桥耦合振动模型
• 2.4 二分之一（三轴）车辆模型
• 2.5 整车车辆模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 桥面不平顺的模拟分析
• 3.1 路面不平度表示方法
• 3.2 路面不平度模型建立
• 3.2.1 路面不平度傅立叶逆变换路面模型建立
• 3.2.2 路面不平度谐波叠加法模型建立
• 3.3 谐波叠加法模拟路面不平度实例分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 钢管混凝土系杆拱桥模型建立及动力特性分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 ANSYS 模型建立
• 4.2.1 模型单元划分
• 4.2.2 拱肋的处理
• 4.2.3 桥身的处理
• 4.2.4 吊杆及系杆部分的处理
• 4.2.5 约束处理
• 4.3 系杆拱桥动力特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢管混凝土系杆拱桥车桥耦合振动模型建立及响应分析
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 车-桥耦合模型
• 5.1.2 选取四分之一车模型的车桥耦合振动模型的原因分析
• 5.2 车桥耦合振动数值分析计算
• 5.2.1 常用数值积分方法比较
• 5.2.2 计算流程图
• 5.3 MATLAB 程序编制说明
• 5.4 钢管混凝土系杆拱车桥耦合振动响应分析
• 5.4.1 钢管混凝土系杆拱振动响应曲线
• 5.4.2 钢管混凝土拱车桥耦合振动响应影响因素分析
• 5.4.3 钢管混凝土拱桥冲击系数的影响因素分析
• 5.4.4 数值模拟冲击系数与各国规范对比研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录 A 程序
• matlab 程序
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢