钢管混凝土拱桥的动力特性及车桥共振分析
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摘要
近年来，钢管混凝土拱桥作为一种新兴的应用新材料的桥型，由于自身的优点以及与我国的桥梁建设的实际情况相适合，因此得到了极大的发展。
然而，对于钢管混凝土拱桥设计理论的研究而言，其发展现状相对落后于工程实践，在动力性能方面的探索更落后于静力方面的成果。目前，钢管混凝土拱桥正朝大跨、轻型的方向发展，因此，该类型桥梁的动力特性也日益引起重视，象地震、风振、车振等桥梁的典型动力问题也是该类桥梁所无法回避的。
本文以某铁路钢管混凝土拱桥(野三河大桥)为背景，运用通用有限元软件ANSYS对其进行动力分析，主要开展了如下的工作：
1、对整桥建立空间有限元模型，进行动力特性的计算，且对建模的思路和方法方面做了比较和探索；在计算结果的基础上，结合其他同类型桥梁的理论计算和试验结果，分析了该类型桥梁的动力特征。从分析结果来看，钢管混凝土拱桥一般属于较柔性结构。作为该类型的大跨度桥梁，应重视其动力问题。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；特别是对于宽跨比较小，承载较大的铁路桥梁。
2、在结构型式和构造等方面对上述模型进行更改，计算分析随之所引起的动力特性变化情况，对影响因素加以剖析，探讨优化该类型桥梁动力特性的思路，以期在相关的设计过程中起到参考作用。从分析结果来看，从变更横撑数目、布局，变化吊杆布置形式，更改约束条件等方面可以较显著地优化整桥动力特性。
3、对车桥耦合振动这一业内的难点进行了理论上的分析，引入了一种建立和求解车桥耦合振动系统方程的较为典型的方法，提出了一份自行编制程序的流程简图；借用ANSYS软件对该桥做了车桥耦合振动的初步模拟计算，探索车桥共振的基本特点。然而，车桥耦合振动是一个复杂且随机性很强的动力学过程，文中车桥共振的研究工作尚属于一种方法上的探索和尝试的阶段——只有采用更为复杂而真实的桥梁和车辆模型，应用更为合适的计算思路和更有针对性的程序，考虑可能存在的各种随机因素，方可有效地应用于工程实际。
In recent years , as a new-type bridge, concrete-filled steel tubular(CFST) arch bridge has been deeply developed in our country's construction, for its own merits and can luckily make agreement with the factual situation of bridge engineering.
However, the study on design theories of CFST arch bridge gets relatively behind the engineering practice, and the search on dynamic performance of this structure get relatively behind the production on static feature of this structure. Presently, CFST arch bridges develop in the direction of large-span and lightweight style, accordingly, investigators and devisers should increasingly attach more importance to their dynamic behaviour, and some typical dynamic matter of bridges, such as seismic response, wind induced vibration, coupled dynamic vibration between bridge and vehicle should not be ignored.
In this thesis, taking the example of some railroad CFST arch bridge (Yesanhe bridge), with the help of ANSYS, one universal FEM software, author analyze its dynamic behaviors and abstract it as follows:
1. Establish 3-D finite element model of this whole bridge, calculate its dynamic characteristics, besides ,compare and study ways of establishing FE model; on the basis of this result, comparing the theorial and practical results of other bridges of such type, summarize dynamic characteristic of these bridges .
2. Modify above model along with altering structural form or the constitution of the bridge, calculate the variety of dynamic character, analyze this factors which will affect, discuss appropriate ways to optimize the dynamic character, wishing provide certain use of reference to design.
3. As to vehicle-bridge system coupling vibration, this difficulty in engineering industry, it was abstractly summarized in this thesis, and introduce a method to establish and resolve equations about such coupling vibration, bring forward a flow chart to write correlative software; with the help of ANSYS , make out some work about preparatory simulation, so as to research basic point of chicle-bridge system coupling vibration .
然而，对于钢管混凝土拱桥设计理论的研究而言，其发展现状相对落后于工程实践，在动力性能方面的探索更落后于静力方面的成果。目前，钢管混凝土拱桥正朝大跨、轻型的方向发展，因此，该类型桥梁的动力特性也日益引起重视，象地震、风振、车振等桥梁的典型动力问题也是该类桥梁所无法回避的。
本文以某铁路钢管混凝土拱桥(野三河大桥)为背景，运用通用有限元软件ANSYS对其进行动力分析，主要开展了如下的工作：
1、对整桥建立空间有限元模型，进行动力特性的计算，且对建模的思路和方法方面做了比较和探索；在计算结果的基础上，结合其他同类型桥梁的理论计算和试验结果，分析了该类型桥梁的动力特征。从分析结果来看，钢管混凝土拱桥一般属于较柔性结构。作为该类型的大跨度桥梁，应重视其动力问题。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；特别是对于宽跨比较小，承载较大的铁路桥梁。
2、在结构型式和构造等方面对上述模型进行更改，计算分析随之所引起的动力特性变化情况，对影响因素加以剖析，探讨优化该类型桥梁动力特性的思路，以期在相关的设计过程中起到参考作用。从分析结果来看，从变更横撑数目、布局，变化吊杆布置形式，更改约束条件等方面可以较显著地优化整桥动力特性。
3、对车桥耦合振动这一业内的难点进行了理论上的分析，引入了一种建立和求解车桥耦合振动系统方程的较为典型的方法，提出了一份自行编制程序的流程简图；借用ANSYS软件对该桥做了车桥耦合振动的初步模拟计算，探索车桥共振的基本特点。然而，车桥耦合振动是一个复杂且随机性很强的动力学过程，文中车桥共振的研究工作尚属于一种方法上的探索和尝试的阶段——只有采用更为复杂而真实的桥梁和车辆模型，应用更为合适的计算思路和更有针对性的程序，考虑可能存在的各种随机因素，方可有效地应用于工程实际。
In recent years , as a new-type bridge, concrete-filled steel tubular(CFST) arch bridge has been deeply developed in our country's construction, for its own merits and can luckily make agreement with the factual situation of bridge engineering.
However, the study on design theories of CFST arch bridge gets relatively behind the engineering practice, and the search on dynamic performance of this structure get relatively behind the production on static feature of this structure. Presently, CFST arch bridges develop in the direction of large-span and lightweight style, accordingly, investigators and devisers should increasingly attach more importance to their dynamic behaviour, and some typical dynamic matter of bridges, such as seismic response, wind induced vibration, coupled dynamic vibration between bridge and vehicle should not be ignored.
In this thesis, taking the example of some railroad CFST arch bridge (Yesanhe bridge), with the help of ANSYS, one universal FEM software, author analyze its dynamic behaviors and abstract it as follows:
1. Establish 3-D finite element model of this whole bridge, calculate its dynamic characteristics, besides ,compare and study ways of establishing FE model; on the basis of this result, comparing the theorial and practical results of other bridges of such type, summarize dynamic characteristic of these bridges .
2. Modify above model along with altering structural form or the constitution of the bridge, calculate the variety of dynamic character, analyze this factors which will affect, discuss appropriate ways to optimize the dynamic character, wishing provide certain use of reference to design.
3. As to vehicle-bridge system coupling vibration, this difficulty in engineering industry, it was abstractly summarized in this thesis, and introduce a method to establish and resolve equations about such coupling vibration, bring forward a flow chart to write correlative software; with the help of ANSYS , make out some work about preparatory simulation, so as to research basic point of chicle-bridge system coupling vibration .
引文
[1] 陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．人民交通出版社，1999
[2] 陈宝春．钢管混凝土拱桥实例集(一)．人民交通出版社，2002
[3] 彭大文、王忠．中承式钢管混凝土肋拱桥的动力特性研究．福建建筑，1997(增刊)．57～59
[4] 刘东．大跨度钢管砼拱桥自振特性分析．重庆交通学院学报，2002．9：1～3
[5] 曹雪琴．桥梁结构动力分析．中国铁道出版社，1987
[6] 严志刚．钢管混凝土拱桥的发展优势．东北公路，2002．25：31～33
[7] 李小珍．高速铁路列车——桥梁系统耦合振动理论及应用研究：[博士学位论文]．成都：西南交通大学
[8] 胡人礼．普通桥梁结构振动．中国铁道出版社．1988
[9] 许士杰．钢管混凝土肋拱桥与车辆动力相互作用的研究．哈尔滨建筑大学学报．1999(增刊)
[10] KINKEAD A N . Vehicle-Bridge Interaction Element for Dynamic Analysis. J.Struct.Eng, 1997. 123:1512～1518
[11] 项海帆、刘光栋．拱结构的稳定与振动．人民交通出版社，1991
[12] 王勖成、邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．清华大学出版社，1997
[13] 王焕定、焦兆平．有限单元法基础．高等教育出版社，2002
[14] K·J·巴特、E·L·威尔逊．有限元分析中的数值方法．科学出版社，1985
[15] (美)S．S．劳尔、傅子智译．工程中的有限元法．科学出版社，1991
[16] 赵经文、王宏钰．结构有限元分析．科学出版社，2001
[17] 崔国华．计算方法．华中科技大学出版社，1996
[18] 户川隼人．振动分析的有限元法．地震出版社，1985
[19] 张汝清、殷学纲．计算结构动力学．重庆大学出版社，1987
[20] 林家浩、曲乃泗、孙涣纯．计算结构动力学．高等教育出版社，1989
[21] 阮毅、宗周红、任伟新．混凝土独塔斜拉桥动力特性．结构工程师增刊(全国结构计算理论与工程应用学术会议论文集)，2003．418～421
[22] 彭雪林、任伟新、葛继平．大跨度斜拉桥的建模与模态分析．结构工程师增刊(全国结构计算理论与工程应用学术会议论文集)，2003．414～417
[23] 任重．ANSYS实用分析教程．北京大学出版社，2003
[24] V．克里斯特克[捷]．箱梁理论．人民交通出版社，1988
[25] 杜庆华．材料力学(下册) ．高等教育出版社， 1957
[26] 陈伯真．薄壁结构力学．上海交通大学出版社，1988
[27] 范立础．桥梁抗震。同济大学出版社，1997
[28] 陈水盛、陈宝春．钢管混凝土拱桥动力特性分析．公路，2001．2：10～14
[29] 苏成、韩大建、王乐文．大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立．华南理工大学学报，1999．11：51～56
[30] 曾攀、钟铁毅．大跨径斜拉-悬索协作体系桥动力分析．计算力学学报，2002．11：472～476
[31] 蒲怀仁、李三珍、宁哓骏．大跨斜拉桥的动力计算模型和动力特性的分析及研究．昆明理工大学学报，2002．12：96～98
[32] 彭大文、陈昀明．钢筋混凝土加劲桁架悬索桥的模态分析．地震工程与工程振动，2001。12：40～45
[33] 韩大建、苏成、王乐文、谭学民．香港汀九大桥动力特性研究．华南理工大学学报，1999．11：29～35
[34] 吴定俊、王小松、项海帆．高速铁路尼尔森拱桥车桥动力特性．铁道学报，2003．6：96～100
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[36] 张石波、裴若娟．浅谈尼尔森体系的钢管混凝土提篮拱在铁路桥梁中的运用前景，桥梁建设，2001．4：56～58
[37] 田学民、李乔、张清华．高速铁路大跨提篮拱桥的静力刚度及模型试验研究．桥梁建设，2002．4：12～15
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[41] 林梅、 肖盛．桥梁车辆振动分析理论评述． 重庆交通学院学报， 1998．9：1～9
[42] 满洪高、袁向荣．车桥耦合振动问题的发展进程与研究现状．铁道工程学报，2001．6：26～29
[43] 刘织．桥梁车振问题与刚架拱静动力特性研究：[硕士学位论文]．福州：福州大学，2002
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[48] Eul-Seung Hwang and Andrzej S.Nowak. Simulation of Dynamic Load For Bridges. Journal of Structural Engineering, 1991. 117 (5): 1413～1434
[49] Biggs,J.M、Suer,H.S.,and Louw,JM. Vibration on simple-span highway bridges. Transportation of the American Society of Civil Engineers, 1959. 124: 291～318
[50] Fertis,D.G . Safety of long span highway bridges based on dynamic response . Proceedings of Bridges and Transmission Line Structures Cogress, 1987. 8: 449～468
[51] 谭国辉、巴梅特G．H．汤比勒南D．P．桥梁与车辆相互作用模型分析．国外桥梁，1999．4：253～257
[52] 谭国辉．桥梁与车辆相互作用的系统模拟．土木工程学报，1998．6：34～41
[53] Yeong-Bin Yang and Yean-Seng Wu. A Versatile Element for Analyzing Vehicle-bridge Interaction Response. EngineeringStructures, 2001. 23:452～469
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[57] 程远胜．列车-轨道-桥梁动力相互作用分析．华中科技大学学报，2002．1：84～86
[58] 博嘉科技编著．有限元分析软件：ANSYS融会与贯通．北京：中国水利水电出版社，2002
[59] 龚曙光、谢桂兰、邱爱红等．ANSYS工程应用实例解析．北京：机械工业出版社，2003
[60] 叶先磊、史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例，北京：清华大学出版社，2003
[2] 陈宝春．钢管混凝土拱桥实例集(一)．人民交通出版社，2002
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[59] 龚曙光、谢桂兰、邱爱红等．ANSYS工程应用实例解析．北京：机械工业出版社，2003
[60] 叶先磊、史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例，北京：清华大学出版社，2003