大跨度鋼索和CFRP索斜拉橋車橋耦合振動

第9卷第17期2009年9月 167121819(2009)1725245204 科學技術與工程 sciencetechnologyandengineering vol19no117sep.2009 n2009sci1tech1engng1 交通運輸 大跨度矮塔斜拉橋索力參數(shù)分析 官權 (華南理工大學土木與交通學院,廣州510640) 摘要以沙灣特大橋為研究對象,采用橋梁博士310有限元程序,建立了該橋梁最大懸臂施工階段和成橋階段的有限元模 型。對索力參數(shù)變化引起各主梁、主塔的敏感性進行分析,并提出了結構的變化趨勢及原因。所得結果可以為同類橋梁設計 和施工提供參考。 關鍵詞矮塔斜拉橋索力敏感性參數(shù) 中圖法分類號u448.29;文獻標志碼a 2009年5月14日收到 作者簡介:

斜拉橋索—塔—梁耦合參數(shù)振動——綜合考慮拉索的垂度、傾角、幾何非線性，建立了斜拉索-塔-主梁耦合振動模型，推導出三自由度非線性參數(shù)1振動微分方程組。以國內某橋為工程背景，分析參數(shù)振動可能性，研究參數(shù)振動特性，分析了傾角、初始擾動、阻尼對索振動效...

研究了斜拉橋發(fā)生索梁耦合共振的機理與條件,充分考慮了拉索振動的幾何非線性、垂度與橋面剛度的影響,建立了索梁耦合振動的數(shù)值計算模型。計算結果表明,拉索發(fā)生大幅振動與斜拉橋主梁的剛度以及拉索本身的振動特性有關,拉索可能在主梁振動的作用下發(fā)生1∶1的主共振或2∶1的主參數(shù)共振。根據(jù)計算結果討論了這兩種共振的性質,提出了抑制索梁耦合共振的方法。

根據(jù)平行鋼絲索的特點以及制作、安裝施工工藝,結合斜拉索施工過程中加扭、退扭現(xiàn)象,分析了斜拉索加扭或退扭現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和危害,提出施工防治措施及后續(xù)平行鋼絲斜拉索制作、施工建議。

目前，斜拉橋是大跨徑橋梁中常見的橋梁形式。斜拉索由于長期處于高應力狀態(tài)，且長期暴露在外，容易發(fā)生腐蝕、斷絲甚至斷索等病害，嚴重影響斜拉橋的正常使用。文章結合工程實例對大跨度斜拉橋換索的施工及監(jiān)測等過程進行了闡述。

針對大跨度組合梁斜拉橋的結構特性,結合工程實例,通過對大跨度組合梁斜拉橋拉索安裝時不同施工方法的理論分析和力學計算,得出相對優(yōu)化的結論,研究成果對同類型橋梁的施工具有一定的參考價值。

大跨度斜拉橋柔性拉索的施工技術是斜拉橋施工難點,準確的下料長度(即無應力索長)和合理的安裝方法是保證斜拉橋結構受力符合設計的兩個關鍵工序。本文推導了柔性拉索下料長度的一種新算法,闡述了吊點法安裝柔性拉索的工藝,工程實踐證明了新的計算方法和安裝技術的優(yōu)越性。

大跨度斜拉橋拉索更換施工技術

大跨度獨塔雙索面斜拉橋靜動載試驗研究——瀘州泰安長江大橋為主跨543m跨徑的獨塔雙索面斜拉橋。介紹對該主橋進行的理論分析與靜載、動載試驗研究，并將試驗結果與理論分析結果作了比較。試驗結果表明橋跨結構受力合理，具有良好的剛度與強度。

分別應用廣義虛功原理和有限元法建立車輛和橋梁的振動方程,根據(jù)車-橋兩系統(tǒng)之間隨時間變化的接觸點滿足接觸力和位移的協(xié)調條件,應用通用結構分析軟件ansys建立車橋耦合振動響應的有限元迭代分析模型,并進行數(shù)值求解。以一座公路曲線梁橋為例,分別進行了不同車速和是否計入離心力、橋面不平整度等條件下的車橋耦合振動響應分析。結果表明:離心力對橋梁豎向動態(tài)響應影響不大,但使橋梁扭轉角動態(tài)響應加劇;隨著車輛速度的增加,振動響應波動的幅值越來越大,頻率越來越低,周期變長;橋面不平整度對橋梁的車橋耦合振動影響很大,分析中應予以考慮。

為了研究碳纖維增強復合材料(cfrp)索和鋼索斜拉橋在地震響應和抗震性能方面的差異,以蘇通長江公路大橋為參考建立了有限元動力學模型。采用等軸向剛度準則進行鋼索和cfrp索的替換,利用時程分析法比較了不同索斜拉橋的地震響應值,并進行了抗震驗算和評價。結果表明:相對鋼索斜拉橋,cfrp索斜拉橋的自振頻率有明顯提高,位移和內力地震響應值減小,響應衰減較快,且抗震性能優(yōu)勢明顯,其原因是cfrp索斜拉橋自重輕、索橋耦合振動的概率小、索的材料阻尼大等;所得結論可為cfrp索在大跨斜拉橋中的應用提供參考。

雙鏈式懸索橋車橋耦合振動研究——采用單個移動質量一彈簧一阻尼模型模擬車輛，應用達朗貝爾原理和位移協(xié)調條件，推導出車橋耦合振動的運動方程．考慮幾何非線性及橋面不平度因素，就車輛沿橋縱軸向中心行駛和偏心行駛2種工況，探討單個移動車輛荷載對雙鏈懸索...

隨著跨度的增大,自重對單索的影響就越明顯,frp(纖維增強復合材料)索的自重小,在大跨度結構中應用具有優(yōu)勢。單索的理論計算是索結構進行設計的基礎。單索在自重作用下的求解,按照不同的假設,有彈性的懸鏈線解答、懸鏈線解答和拋物線解答。針對工程應用,以索端張拉軸力為已知量,推導了3種解答方法的求解方程,得到了關于張拉軸力的一元方程,方便了工程應用。另外,分別對斜拉索和水平索的懸鏈線解和拋物線解的精度進行了分析和比較,建議了2種近似求解方法的使用范圍。根據(jù)求解結果,對frp索和鋼索的極限跨度進行了分析;結果表明frp索有利于實現(xiàn)更大的跨度。frp索的極限跨度可達鋼索的4.4倍。

本文采用3-d全車模型和模態(tài)坐標法,以路面豎向不平順為激勵源,建立車-橋耦合振動微分方程,用runge-kutta法求解,據(jù)此思路用matlab編制車-橋耦合振動的計算程序,并進行了frp橋面板鋼梁橋的振動分析,模擬結果與現(xiàn)場實測結果對比符合較好,表明該方法正確有效,可用于分析各種車橋耦合振動問題。

為了評估高速鐵路上多線鐵路橋梁列車運行安全性與舒適性,以渝黔鐵路白沙沱大橋為例,采用多體系統(tǒng)動力學軟件simpack建立了crh3動車和拖車三維空間動力學模型,并通過simpack的子結構技術將動車和拖車組裝成列車動力學模型;采用有限元軟件ansys建立了橋梁的動力分析模型,計算其自振特性.根據(jù)列車和橋梁子系統(tǒng)之間的變形協(xié)調條件和力平衡條件,在輪軌接觸面的節(jié)點上進行位移和力的數(shù)據(jù)傳遞,基于simpack與ansys相結合的聯(lián)合仿真方法首次進行多線車橋耦合振動仿真,分析了橋梁動力學指標及列車安全性指標和舒適性指標,探索了多線車橋耦合振動的一般規(guī)律和對列車安全性與舒適性的影響程度.研究結果表明:(1)三線列車共同作用下,與單線單獨行車時對應動車和拖車的車輛安全性指標(脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軌橫向力)幾乎完全一致;車輛舒適性指標(車體豎向加速度、車體橫向加速度、豎向舒適度指標及橫向舒適度指標)中除個別豎向加速度約10%外,其余指標都在1%以內,表明由于橋梁剛度較大,橋梁振動對列車動力學指標的影響很小,單線和多線對應動力學指標非常接近,可近似采用單線單獨行車時車輛動力學指標推測多線同時行車的對應指標.(2)三線列車共同作用下橋梁主跨跨中豎向位移比單線疊加位移略大,相差1%以內,豎向位移影響系數(shù)在1.001~1.006之間;三線列車共同作用下橋梁主跨跨中橫向位移與單線代數(shù)疊加位移相近,相差±10%以內,主跨跨中橫向位移影響系數(shù)在1.000左右,可以近似采用單線疊加的豎向位移和橫向位移推測三線列車共同作用下的豎向位移和橫向位移.(3)三線列車共同作用下橋梁主跨跨中豎向加速度絕對值比單線代數(shù)疊加后的絕對值小,影響系數(shù)在0.636~0.771之間,可參照單線代數(shù)疊加的橋梁豎向加速度保守評定橋梁的豎向加速度;三線列車共同作用下的主跨跨中橫向加速度絕對值比單線行車橫向加速度絕對值中的最大值小,可參照單線橫向加速度絕對值的最大值保守評定橋梁橫向加速度.

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大跨度高塔斜拉索的掛設是斜拉橋施工的關鍵工程,本文通過對斜拉索的牽引、掛設施工方法的介紹,為日后同類型斜拉索的施工及運營階段的換索提供參考、借鑒。

運用車輛-線路-橋梁耦合振動理論,建立相對完善的車輛-線路-橋梁耦合動力學模型。以某座主跨為1120m的懸索橋方案為工程背景,對該方案在ice3列車以速度160～300km/h作用下橋梁、軌道和車輛的動力性能進行分析,并對主纜和吊索在不同索力下橋梁和車輛的動力響應進行對比研究。

針對現(xiàn)階段斜拉索設計所面臨的難題,提出了一種新型的基于碳纖維增強塑料(cfrp)與鋼組合斜拉索的斜拉橋方案.該方案將cfrp斜拉索與傳統(tǒng)鋼斜拉索分別應用于斜拉橋恒載活載狀態(tài),發(fā)揮cfrp材料高強輕質,鋼材料彈性模量大的優(yōu)勢而同時又彌補各自缺點.介紹了該組合方案的設計方法和關鍵力學參數(shù),并利用參數(shù)分析給出推薦取值.通過構造和全橋研究可以得出:與全鋼斜拉索斜拉橋相比,該組合斜拉索斜拉橋垂度效應小,自重輕;而與全cfrp斜拉索斜拉橋相比,其整體剛度大,價格便宜.從理論上證明了這種組合斜拉索的力學優(yōu)勢和替代傳統(tǒng)鋼斜拉索或全cfrp斜拉索應用在斜拉橋上的可行性.

為克服大跨徑斜拉橋整體剛度降低,提出一種新型斜拉橋方案,即cfrp與鋼組合拉索斜拉橋,介紹碳纖維增強塑料cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的設計理念,并提出斜拉索構造以及斜拉橋結構的設計方法,研究了cfrp與鋼組合拉索斜拉橋經(jīng)濟性能,并推導出該類斜拉橋的材料用量與造價公式.基于所推導公式,對其跨長、塔高以及價格比分別進行經(jīng)濟性能參數(shù)分析,得到cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的經(jīng)濟性能變化規(guī)律,為該類斜拉橋設計提供理論依據(jù),從理論上證明cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的經(jīng)濟性能優(yōu)勢和未來替代傳統(tǒng)斜拉索應用在斜拉橋上的可行性.

近年來，隨著我國鋼箱梁技術的成熟以及其設計理論和計算方法的不斷提高，再加上其無與倫比的競爭力和適應能力，目前鋼箱梁斜拉橋已經(jīng)在實際中得到了非常廣泛的應用。對于鋼箱梁斜拉橋來說，索梁錨固區(qū)是斜拉索與主梁之間傳遞力量的重要結構，在對斜拉橋進行設計時，需對這一部分加以特別注意。鑒于此，本文擬從鋼箱梁斜拉橋概述、犬跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構的型式以及大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構型式的比較等幾個方面來進行分析與闡述，以期加深對這一問題的認識與理解程度。

斜拉橋鋼索的腐蝕防護