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硕士学位论文开题报告姓名:杨宝山导师:上官兴徐海燕教授斜拉钢管混凝土拱桥动力特性研究一、课题的来源、目的和意义二、桥梁动力分析的研究现状1、拱桥振动理论的发展2、拱桥固有振动理论的研究现状3、车桥耦合振动的研究现状4、有限元全桥结构仿真分析研究现状三、本课题研究的主要内容和重点四、技术方案五、实施方案所需的条件六、存在的主要问题和技术关键七、预期能达到的目标八、课题研究计划进度九、研究经费预算十、主要参考文献目录一、课题的来源、目的和意义本课题来源于湖南路桥建设集团项目“湖南天子山大桥质量鉴定”。湖南天子山大桥是世界上第一座斜拉钢管砼组合拱桥。它将钢管拱、斜拉索和预应力连续梁三者优点组合在一起,在V形峡谷中仅以钢人字桅杆等简易吊装工具,即可向百米大跨径进军,其结构新颖合理,在多种拱桥结构中,具有最佳的综合性能,被认为是桥梁建设史上的重大突破。2003年建成通车两年多以来,性能优良。此外,原设计需投资1271.75万元,改为钢管砼组合拱桥结构后总投资不足960万元,节省投资311.75万元。由此可见,对该类型桥梁的施工工艺与整体性能进行研究,促进此类桥梁的推广建设,对于我国的公路交通建设及西部交通的大开发有重要意义,必将带来巨大的经济效益和社会效益。鉴于这种桥型的优良特性,使得其具有向大跨径发展的极大潜能,因此弄清该种桥型的动力特性自然成了急需解决的重要问题。斜拉索钢管混凝土主拱圈永州岸红水岭岸断缝断缝锢固墙锢固墙图1天子山大桥桥型图二、桥梁动力分析的研究现状1、拱桥振动理论的发展拱桥是公路桥梁的基本形式之一,近几十年来,随着拱桥结构型式向着大跨度、小重量、轻结构发展,振动问题愈来愈受人们重视。近几十年来,国内外己建造了不少跨度在300m以上的拱桥。从八十年代起,中国和日本的学者便开始致力于研究钢管混凝土拱的动力性能,但是这些研究仅限于试验,特别是对钢管混凝土结构的空间动力性能研究的更少。ThakkarArya[3]在七十年代提出了地震作用下拱桥的地震响应;GangaRao[4]又对公路桥梁的振动进行了探讨;八十年代同济大学李国豪教授[1][2]提出了地震作用下曲梁桥的有限元方法;项海帆和胡世德[5]也对拱桥的横向抗震的问题给出了实用计算方法。随着计算机仿真技术的发展和有限单元法理论的完善,给拱桥的动力分析带来了革命性变化。各种动荷载作用下的拱桥振动响应都可统一成规格化的形式,用通用程序来处理,对实际拱桥结构的精确模型进行非线性的时程分析也同样没有困难,因此目前者都是通过计算机进行研究。2、拱桥固有振动理论的研究现状钢管混凝土拱桥的自振特性是其动力性能分析的重要参数,它包括自振频率、振型及阻尼比等,反映了桥梁的刚度指标。它取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支承条件等。但是拱桥自振特性的解析分析法是十分复杂的,即使对于最简单的二铰等截面圆弧拱,也难以得出其解析解,而工程中的实际结构远复杂于此,对于拱轴线比较复杂的情况,解析法很难精确求解,只能通过假定近似振型函数,或数值方法等手段来近似求解。在计算机有限元技术甚为发展的今天,钢管混凝土拱桥的固有频率和振型的求得主要依赖于计算机方法,通常采用大型通用软件或自行编制的软件计算获得。另外一个途径就是通过实桥测试。解析法的优点是从推导的自振频率解的结果和振型方程中可以直接看到各种参数对自振频率的影响与否和影响程度,这对桥梁在动力学性能方面的设计与理论研究有重要的意义。对桥梁进行动态分析,必须考虑哪些因素影响桥梁的振动,以及其主次关系。对于钢管混凝土拱桥结构振动,影响因素主要有以下几个:⑴桥梁的跨径;⑵桥梁的质量;⑶弹性模量;⑷截面惯性矩。从许多己建钢管混凝土拱桥的固有频率和振型的结果也可以看出,大跨度钢管混凝土拱桥属于较柔结构。其自振特性研究的重要性不可忽视[6]。对己建钢管拱桥的动力特性计算数据的统计[7],可见钢管混凝土拱桥具有下述基本特点:(1)钢管混凝土拱桥一般属于较柔性结构;(2)面外刚度一般弱于面内刚度,因此其横向振动和稳定性问题是关键;(3)面外振动时,桥面系的振型滞后于拱肋振型,且中下承式桥面系振动较上承式的剧烈。桥梁的主要作用在于承受车辆荷载,因而桥跨结构在车辆荷载作用下的动力反应一直倍受关注[8-11]。对车辆强迫振动的研究由来已久,车桥共振研究始于1844年法国和英国对Britannia桥进行的模型实验,其后美、英、苏等各国均对此做了大量研究。近年来,美国Florida大学的HuangDZ和WangTL采用有限元数值计算等方法对T梁桥、板梁桥、箱梁桥、斜腿刚构桥以及斜拉桥等的车辆振动问题均进行了分析研究[12-14]。国内相关的研究开展得较晚,在钢管混凝土拱桥的车桥振动方面也做了一些研究[15][16]。3、车桥耦合振动的研究现状现代的研究者们求解车桥共振问题通常可分为两种思路[17]:一种思路是将桥梁车辆震动问题视为两组运动微分方程,一组是桥梁的微分方程,另一组是针对车辆的;然后用迭代的思路考虑车桥接触处的相容条件。该思路的优点是,在迭代运算过程中,运动微分方程中的各动力矩阵恒定不变,这样能减少计算量;缺点是,当车型改变时,车辆的运动微分方程也要随之变动,并且,当桥上行驶车型较杂、车辆较多时,使得接触点增多,导致迭代收敛的速度很慢。另外一种思路是将车辆和桥梁系统综合起来考虑,列出动力耦合微分方程组,在每个时间步中,不需进行迭代运算,直接求解该耦合方程。该方法的主要缺点是耦合系统的动力微分方程是时变的,对于每一个时间步来说,其动力矩阵都是变化不断的,因此也必须重新生成与分解,导致计算量的增大,并且随着桥上车辆的增多,耦联的自由度也将越来越多,求解起来难度加大。其中第一种方法采用分离的车辆、桥梁运动方程,通过分别求解车辆、桥梁的运动方程,用迭代过程来满足车桥间相容条件,可以避免在每一瞬间步长都重新计算对应时刻的系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,减小计算工作量,加快车桥响应计算速度;并且求解过程给人很清晰的感觉。所以,这种方法被大量研究者采用。该法简述如下:无论是车桥耦合还是汽车桥梁共振,或者是桥面车型、车数的变更,我们都可以分别列出桥梁和车辆的运动方程:式中和是相互关联的,它们之间的关系由实际车桥耦合振动情况列出动力方程而决定。bbbbbbbMUCUKUPvvvvvvvMUCUKUPbPvP近年来,研究者们致力于考虑更为周详和实际的车桥模型,特别是对应于各种桥型和各种车载情况[18-23],并寻求能降低计算量的思路,提高计算效率。笔者认为,目前,计算方法的可选用性以及计算设备的高级化使得车桥模型的建立成为车桥耦合震动计算分析中的重点(诸如桥面不平顺的激励、桥头跳车的振动影响等可归属于车桥耦合振动计算分析中的随机、不确定因素)。桥梁形式的变化,车辆类型和数量的不同,均使得建立桥梁和车辆的模型有所差别:主要是模型的选取以及模拟真实性的精度问题。要尽可能真实地反映某桥梁的车致振动以及行驶于其上的车辆的运行情况,必须针对性地建立桥梁和车辆各自的复杂而完备,凸现真实空间结构的模型。4、有限元全桥结构仿真分析研究现状采用有限元方法对桥梁进行全桥结构仿真分析的实质是建立完整、统一的整座桥梁结构分析体系,在该体系下构造全桥所有承载构件的组合形式数学模型,准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用等;在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算,由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。全桥结构仿真分析摒弃了多年以来在桥梁分析计算中采用的人为假设,比传统的桥梁分析计算有实质性的提高,可以更广泛地应用到桥梁结构计算分析、桥梁施工过程模拟、以及其动力分析等。以往在对拱桥稳定性进行分析时,由于计算手段的限制,只能把实际的空间结构简化为平面模型进行分析。这夸大了空间结构的侧向刚度,本质上认为空间结构的侧向刚度无限大,计算结果偏于不安全。因此,在拱桥动力分析中,应采用精确的空间计算模型。一般对于钢管混凝土拱肋的材料特性的主要处理方式有两种:(1)换算截面法:将钢管混凝土截面换算为一种材料,不考虑套箍效应,然后当作单一截面计算截面特性。下面给出对钢管混凝土截面按钢材进行等代公式:scxxsxcyysycsscccsAAnAIInIIInIAAAEnE(2)统一理论:把钢管混凝土视为统一体,它是钢材和混凝土组合而成的一种组合材料,它的工作性能随着材料的物理参数、统一体的几何参数和截面形式以及应力状态而改变,这种变化是连续的、相关的,而计算是统一的。该理论由哈尔滨工业大学钟善桐教授于上世纪九十年代提出。CScsMCCSSCCSSIIIAAAEIEIEIEAEAEA可以看出这两个理论的轴压弹性模量的计算方法是一致的,但是抗弯模量的计算结果并不相同。进行拱桥结构分析其拱圈或拱肋可以离散为曲梁单元或直梁单元,采用曲梁单元时需要划分的单元较少,但这种单元形成切线刚度矩阵时需进行数值积分,计算工作量较大;采用直梁单元时为了满足足够的精度要求,单拱圈划分的单元数目不应少于16-24个单元,当然单元划分得越细,结果就越精确。目前大多数学者均采用这种方法,计算结果能够满足设计和施工的需要。对于桥面系,根据简化思路的不同,可以简化为:脊梁模式、三主梁模式以及形模式。具体的有限元求解过程可见图三、本课题研究的主要内容和重点天子山大桥首次将组合拱中的刚性拉杆改为柔性拉索,从而形成了新的桥型,该桥既保留了拱式推力结构,又保留了梁式结构受力明确的特性,同时结合了斜拉索,具有可调索力的特点,其结构新颖合理。本文结合湖南天子山大桥项目工程,通过对其进行动力特性的有限元分析,试图对天子山桥这类斜拉钢管混凝土拱桥的设计提供科学的手段,对这类拱桥的动力测试提供一定的参考,同时为桥梁使用过程中的健康检测和维护提供基础性数据。本文的主要工作如下:1、天子山大桥全桥有限元模型的建立及动力特性分析;2、探讨对该桥型进行动力特性优化的思路;3、车桥耦合振动研究;4、最不利施工阶段稳定性研究。本课题的重点是拱桥模型的数值模拟。四、技术方案1、根据天子山大桥的结构的特点,提炼简化计算模型。计算模型的模拟关键在于结构的刚度、质量和边界条件的模拟。在最大程度的保证简化后的有限元模型的质量、刚度不变性以及边界条件的合理性的前提下,对拱桥的有限元模型作一些合理的假定。2、建立有限元素模型所需输入的资料,如节点、坐标资料、材料特性、边界条件以及负载条件等。3、根据动力学有限单元法原理,主要是通过采用集中质量法,建立体系的力学模型,应用ANSYS软件建立拱桥结构振动特性的多自由度模型(有限元模型),并对其进行自振特性分析。在此基础上,通过对原始结构模型更改结构或构造形式,从而探讨不同设计参数对拱桥动力特性的影响;4、利用ANSYS软件对该类拱桥的车桥耦合振动进行初步的、尝试性的探讨。5、建立最不利施工阶段结构计算模型,分析其稳定性。五、实施方案所需的条件1、天子山大桥的相关设计资料、技术参数;2、计算机、ANSYS应用软件以及其他相关软件。六、存在的主要问题和技术关键1、钢管混凝土拱肋建模的处理方法以及主梁简化形式的选取。2、斜拉索应力的施加(即成桥后斜拉索的应力)。3、车桥耦合振动模型的选取以及模真实性拟的精度问题。技术的关键在于如何运用ANSYS进行数值模拟,以及车桥耦合振动模型的选取七、预期能达到的目标1、通过对天子山桥的自振特性的分析,掌握该类型拱桥的自振特点;2、通过对有限元模型结构或构造形式上的更改,了解不同设计参数对该类型桥梁动力特性的影响,并探讨对该类型桥梁进行动力特性优化的途径;3、初步探讨该类型桥梁车桥耦合振动研究方法,了解该类型桥梁在车辆荷载作用下的动力效应。八、课题研究计划进度1、2006.2—2006.3:收集相关资料,确定总体方案。2、2006.3—2006.4:研究ANSYS软件,对动力学及有限单元法等基础原理做更深入的理解。3、2006.4—2006.5:利用ANSYS软件进行建模并进行自振特性分析。4、2006.5—2006.6:更改有限
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