大跨度钢管混凝土系杆拱桥动力特性与吊杆索力研究

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钢管混凝土系杆拱桥,因其自身特有的优点被广泛运用。随着拱桥的发展,跨度的增加,列车速度的提高,桥梁结构的动力特性影响行车的安全性与舒适性。本文依托银吴客专银川南特大桥128m钢管混凝土系杆拱桥为研究背景,对拱桥自振特性,列车荷载作用下拱桥的动力响应进行分析计算;最后以Midas civil有限元软件建立的杆系单元模型、Midas FEA有限元软件建立的实体单元模型以及对杆系单元原模型拱肋与系梁联结处施加刚臂连接,对比分析三者的吊杆索力值。主要工作内容如下:(1)本文运用Midas civil建立该系杆拱桥的有限元模型,并对其进行自振特性分析,得出结论:拱桥振动形式主要为拱肋的面外振动、拱桥整体的竖向振动及扭转振动。低阶振型以拱肋面外振动居多,主要为拱肋的横向侧倾,拱肋面外刚度相对较小,分析前13阶振型,发现系梁的振动以面内竖向振动为主,系梁振动过程中引起全桥振动,由振型形式可以看出系梁的面内刚度相对较小。(2)矢跨比由1/7增大到1/3的过程中,以前4阶振型讨论,不论是以横向振动(第一阶、第三阶振型)对比,或是以竖向振动(第二阶、第四阶振型)对比,发现其自振频率均逐渐减小。保持拱桥其它参数不变,无论是对拱肋截面直径增大或者减小,其自振频率的变化量均很小。改变拱肋管内混凝土的刚度,发现其自振频率的变化量也均很小。(3)通过减少基本模型中的K字型横撑时,自振频率发生了较为明显的变化。将横撑形式由K字型变为H型之后,自振频率的变化也较为明显。在拱顶横撑形式由K字型变为H型后,自振频率相应减小,这是由于增大了拱的横向质量所产生的结果,提高了拱的横向整体刚度,特别是下承式系杆拱桥,由于拱重心的提高,横向力对拱产生的影响也愈来愈大,所以在实际工程中,需要综合考虑横向力对横撑产生的作用,不应随意的设置横向联系。(4)分析计算了移动列车在250km/h~350km/h通过拱桥时,拱桥1/2拱肋处、1/4拱肋处及3/4拱肋处结构的内力数值,计算得出的内力响应呈整体增大趋势,说明随着列车速度的增大,拱肋有着明显的动力效应,并且速度越大动力效应越明显。(5)通过对桥梁刚度、系梁跨中竖向加速度、系梁跨中横向加速度等方面对拱桥的振动响应进行评定,经计算得出梁体在高速列车荷载作用下,列车分别以250km/h、275km/h、300km/h、325km/h、350km/h速度通过拱桥结构时,根据铁路桥梁动力性能评定标准的国内外相关规范,本桥竖向和横向挠度限值、竖向和横向加速度等均远小于规定限值,说明在列车在250km/h~350km/h速度区间运行时,桥梁结构是安全的。(6)通过对原杆系单元模型、拱肋与系梁联结处施加刚臂连接的杆系单元模型、实体单元模型静力状态下计算所得的索力值进行比较分析,发现在对原杆系单元模型拱肋与系梁联结处施加刚臂连接时,短杆所受到的索力值比之前大幅度减小,而其它部位吊杆索力值无较大的变化且各吊杆计算出来的索力值与实体单元模型求解得出的索力值基本相符。(7)利用三种模型分析移动列车荷载以250km/h~350km/h速度通过系杆拱桥时,求解吊杆内力的动力系数发现,随着速度的增加,三种模型吊杆内力的动力系数均随之增加;原杆系单元模型所计算出来的吊杆内力动力系数值比其它两种模型求解出来的数值偏大;而拱肋与系梁联结处施加刚臂连接的杆系单元模型和实体单元模型求解出来的数值基本接近。建议:在对系杆拱桥检测和设计,利用Midas civil建立模型时,除了其它参数不变,需要在拱肋与系梁联结处施加刚臂连接,这样更贴近于实际情况,或者直接利用Midas FEA等进行建立实体单元模型求解。
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