徐州和平大桥动力特性分析
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摘要
斜拉桥的出现为世界桥梁的发展注入了新的活力。斜拉桥以其超强的跨越能力和出色的自身优点日益向大跨度方向迈进。随着跨度的增大，有很多问题随之而来，其中桥跨结构的自振特性、抗震、抗风以及车辆荷载的冲击振动等动力学问题尤为突出。
本文在收集有关斜拉桥及动力学资料的基础上，以徐州市和平路跨铁路站场斜拉桥为背景，使用ANSYS软件建立了空间有限元模型，实施了桥跨结构的自振特性分析；并分析了影响斜拉桥自振特性的参数；同时详细介绍了三维空间模型的各种简化方法和形式，并对几种形式的简化模型的自振特性进行了对比。在徐州市和平路跨铁路站场斜拉桥的瞬态动力分析中，采用Newmark积分法，考虑移动荷载速度的影响，对移动荷载作用下桥梁的动态响应进行了研究。模拟分析了移动荷载分别以5m／s、10m／s、15m／s及20m／s不同的速度通过桥面时的时间历程动力响应，并对桥跨结构在移动荷载作用下的动力放大系数作了较为详细的分析。
斜拉桥动力学特性的研究为桥梁的抗震设计、抗风设计以及车辆振动分析等方面的内容提供理论基础。通过动力学分析能够更真实地揭示斜拉桥的桥跨结构在汽车车辆荷载作用下的受力与变形状况，并能够描述桥跨结构在地震作用和风荷载作用下的结构响应。
The appearance of cable-stayed bridge injected new vigour into the world bridges. Now, cable-stayed bridges are being designed to the direction of long span because of its spanning ability and self advantages. With the overgrowth of the span, many problems have appeared. Moreover, the dynamic problems caused by wind, quake and moving load are severe in chief.
In this thesis, on the basis of existing data collected of cable-stayed bridges and dynamics, taking the example of Xuzhou-heping cable-stayed bridge, 3-D finite element models of it with software ANSYS are established and its free-vibration is analyzed. The parameters which affect its free-vibration are also analyzed. This thesis also introduced some kinds of simplified methods of 3-D space model, and made comparison of the free-vibration property between them. During the transient dynamic analysis of Xuzhou-heping cable-stayed bridge, with the Newmark integral method, taking into account the influence of the moving load, the dynamic responses of the bridge are discussed under the effect of moving load. The time history responses of the structure under the moving load with the speed of 5m/s、10m/s、15m/s and 20m/s are analyzed, and the amplification coefficients of deflection and internal forces of the structure are intensively analyzed.
The study of cable-stayed bridge dynamic property provides fundamental theory for aseismatic design、wind resistance and analysis of vehicle vibration. Through the analysis of dynamic, it can reveal more truly the structure stresses and deflection under the effect of vehicles. Then it can figure the responses of bridge structure when earthquake and wind loads affected.
本文在收集有关斜拉桥及动力学资料的基础上，以徐州市和平路跨铁路站场斜拉桥为背景，使用ANSYS软件建立了空间有限元模型，实施了桥跨结构的自振特性分析；并分析了影响斜拉桥自振特性的参数；同时详细介绍了三维空间模型的各种简化方法和形式，并对几种形式的简化模型的自振特性进行了对比。在徐州市和平路跨铁路站场斜拉桥的瞬态动力分析中，采用Newmark积分法，考虑移动荷载速度的影响，对移动荷载作用下桥梁的动态响应进行了研究。模拟分析了移动荷载分别以5m／s、10m／s、15m／s及20m／s不同的速度通过桥面时的时间历程动力响应，并对桥跨结构在移动荷载作用下的动力放大系数作了较为详细的分析。
斜拉桥动力学特性的研究为桥梁的抗震设计、抗风设计以及车辆振动分析等方面的内容提供理论基础。通过动力学分析能够更真实地揭示斜拉桥的桥跨结构在汽车车辆荷载作用下的受力与变形状况，并能够描述桥跨结构在地震作用和风荷载作用下的结构响应。
The appearance of cable-stayed bridge injected new vigour into the world bridges. Now, cable-stayed bridges are being designed to the direction of long span because of its spanning ability and self advantages. With the overgrowth of the span, many problems have appeared. Moreover, the dynamic problems caused by wind, quake and moving load are severe in chief.
In this thesis, on the basis of existing data collected of cable-stayed bridges and dynamics, taking the example of Xuzhou-heping cable-stayed bridge, 3-D finite element models of it with software ANSYS are established and its free-vibration is analyzed. The parameters which affect its free-vibration are also analyzed. This thesis also introduced some kinds of simplified methods of 3-D space model, and made comparison of the free-vibration property between them. During the transient dynamic analysis of Xuzhou-heping cable-stayed bridge, with the Newmark integral method, taking into account the influence of the moving load, the dynamic responses of the bridge are discussed under the effect of moving load. The time history responses of the structure under the moving load with the speed of 5m/s、10m/s、15m/s and 20m/s are analyzed, and the amplification coefficients of deflection and internal forces of the structure are intensively analyzed.
The study of cable-stayed bridge dynamic property provides fundamental theory for aseismatic design、wind resistance and analysis of vehicle vibration. Through the analysis of dynamic, it can reveal more truly the structure stresses and deflection under the effect of vehicles. Then it can figure the responses of bridge structure when earthquake and wind loads affected.
引文
[1] 于建华，谢用久，魏泳涛．高等结构动力学．四川大学出版设．2001
[2] 宋勇，艾宴清，梁波．精通ANSYS7.0有限元分析．清华大学出版社．2003
[3] 易日．使用ANSYS6.1进行结构力学分析．北京大学出版社．2002
[4] 刘士林，梁智涛，侯金龙，孟凡超．斜拉桥．人民交通出版社．2002
[5] 李国豪．桥梁结构稳定与振动．中国铁道出版社．2002
[6] 朱伯芳．有限单元法原理与应用．第二版．中国水利水电出版社．2000
[7] 宋一凡．公路桥梁动力学．人民交通出版社．1999
[8] 陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．北京：中国铁道出版社．2001
[9] 张立明．Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例．人民交通出版社．2003
[10] 劭旭东．桥梁工程．人民交通出版社．2004
[11] 赵国藩．高等钢筋混凝土结构学．中国电力出版社．1999
[12] 李景涌．有限元法．北京邮电出版社．1999
[13] 郝超，强士中，马栋君译．移动荷载作用下桥梁的振动控制．国外桥梁．1999．第3期
[14] 马建敏，吕景林．用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算．机械科学与技术．1998．第6期
[15] 肖新标，沈火明．移动荷载速度对简支梁动态响应的影响．西南交通大学学报．2001．增刊
[16] 韩景泉，王鑫．简支梁在动荷载作用下竖向动挠度的计算理论研究．森林工程．2000．第6期
[17] 刘清华．大跨高墩连续刚构桥三维动力响应的时程分析：[西南交通大学硕士学位论文]．成都：西南交通大学．2004
[18] 文坡．金江金沙江大桥斜拉桥动力特性分析：[西南交通大学硕士学位论文]．成都：西南交通大学．2005
[19] 王应良．大跨度斜拉桥考虑几何非线性的静动力分析和钢箱梁第二体系应力研究：[西南交通大学博士学位论文]．成都：西南交通大学．2000
[20] 喻梅．多塔斜拉桥结构特性分析：[西南交通大学硕士学位论文]．成都：西南交通大学．2003
[21] 王新明．路面表面特性与汽车动载研究：[西安公路交通大学硕士论文]．西安：西安公路交通大学．2000
[22] 李清海，谭笃光．车辆荷载作用下桥梁动力效应的有限元分析．振动与冲击．1994．第1期
[23] 刘春华，巩海帆，顾明．大跨度桥梁抖振响应的空间非线性时程分析法．同济大学学报．1996．第4期
[24] 李龙安．大跨度桥梁动力特性近似计算分析．人民长江．2000．第1期
[25] 王永平，陈彦江，傅金科．单车荷载下简支梁桥的动力特性和响应的试验研究．土木工程学报．1995．第5期
[26] 蒲怀仁，李三珍，宁晓骏．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．第6期
[27] 陈幼平，周宏业．斜拉桥的动力分析模型．中国铁道科学．1995．第1期
[28] 朱宏平，唐家祥．斜拉桥动力分析的三维有限单元模型．振动工程学报．1998．第1期
[29] 倪燕平，赵会东，周世军．独塔斜拉桥动力分析．甘肃科技．2005．第6期
[30] 杨达文．辅助墩对斜拉桥动力性能的影响．广东土木与建筑．2003．第6期
[31] 哈鸿，朱乐东．桥塔型式对斜拉桥动力性能的影响．同济大学学报．1999．第2期
[32] 刑宝卉编译．斜拉桥弯曲及扭转第一自振周期的简易算法．铁道工程学报．1994．第4期
[33] 王元丰，J．F．Wha．多跨连续曲线梁在移动荷载下的动力响应．土木工程学报．1999．第4期
[34] 闰永伦，周建廷．关于我国现行《公路桥涵设计通用规范》“冲击系数”规定的几点探讨．公路．2003．第1期
[35] 林韵炜，单德山．荷载列作用下简支曲线梁的动力响应．浙江交通职业技术学院学报．2001．第1期
[36] 王超，李红云，刘正兴．计算结构动力响应的分段精细时程积分方法．计算力学学报．2003．第2期
[37] 季润东．梁受移动荷载时的弯矩分析．连云港化工高等专科学校学报．2000．第2期
[38] 田玉梅，何东坡，徐岩．桥梁冲击系数的探讨．东北林业大学学报．2001．第1期
[39] 王彦明，董新梅，侯和涛．移动荷载作用下简支梁最大挠度的一种实用算法．1999．第1期
[40] 刘念超．移动荷载作用下板的动力分析．长沙交通学院学报．1994．第3期
[41] 刘念超．移动荷载作用下壳的动力分析．长沙交通学院学报．1997．第3期
[42] 施洲．钢管混凝土拱桥动力特性分析：[西南交通大学硕士学位论文]．成都：西南交通大学．2003
[43] 翁晓红，管鄂，潘武生．斜拉桥缆索动力特性研究．武汉水利电力大学学报．1998．第1期
[44] 盛国刚，赵冰．移动振动系统作用下梁的动力分析．长沙交通学院学报．2002．第2期
[45] 刘念超．动力影响线初探．长沙交通学院学报．1994．第1期
[46] Hillerborg A. Dynamic influces of smoothly running loads of simply supported griders[M].Stockholm:Kungl. Tekhn. Hogskolan,1951:1-30
[47] Michaltsos G, Sophianopoulos D, Kounadis A N. The effect of a moving mass and other parameter on the dynamic response of a simply supported beam[J].Journal of sound and Vibration.1996:191(3)357-362
[48] Inglis C E .A Mathematical Treatise on Vibration in Railway Bridge[M].Cambridge: Cambridge University Press, 1934:1-50
[49] Adeli, A dynamic programming method for analysis of bridge under multiple moving ioads, lnternational Journal for Numerical Methods in Engineering,1989,Vol.28,1265-1285
[50] J. M Caicedo. Comparision of Modeling Techniques for Dynamic Analysis of a Cable-Stayed Bridge[C].Proceedings of the Engineering mechanics specialty onference[A].Austin, Texas.2000
[51] Ayre, R.s, Ford, and Jacobsen, Transverse vibrations of a teo-span beam under action of a moving constant force, ASME Journal of Applied Mechanics,1950,Vol.17,pp.1-12
[52] Wei-xin Ren, Ultimate behavior of long-span cable-stayed bridges. Journal of bridge engineering, February 1999
[53] H. Adeli and J. Zhang, Fully nonlinear analysis of composite girder cable-stayed bridges. Computers & Structures Vol.54,No.2,pp.267-277,1995
[54] Klasztaorny, M and Langer, J. Dynamic response of single-span beam bridge to a series of moving loads, Earthquake Engingeering and Structural Dynamics,1990,Vol.19,pp.1107-1124
[2] 宋勇，艾宴清，梁波．精通ANSYS7.0有限元分析．清华大学出版社．2003
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[46] Hillerborg A. Dynamic influces of smoothly running loads of simply supported griders[M].Stockholm:Kungl. Tekhn. Hogskolan,1951:1-30
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[53] H. Adeli and J. Zhang, Fully nonlinear analysis of composite girder cable-stayed bridges. Computers & Structures Vol.54,No.2,pp.267-277,1995
[54] Klasztaorny, M and Langer, J. Dynamic response of single-span beam bridge to a series of moving loads, Earthquake Engingeering and Structural Dynamics,1990,Vol.19,pp.1107-1124