[博士]超大多主跨公鐵兩用懸索橋方案設(shè)計(jì)和抗震研究

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　　[博士]超大多主跨公鐵兩用懸索橋方案設(shè)計(jì)和抗震研究　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位： 博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度：2010　　 以瓊州海峽超大多主跨公鐵兩用懸索橋靜力特性和地震安全性研究為目的，采用改進(jìn)虛擬梁法進(jìn)行靜力特性研究并提出靜力可行的結(jié)構(gòu)方案，利用自編程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的一致和非一致地震作用時(shí)程分析。針對規(guī)范要求編寫基于虛擬激勵(lì)法的功率譜法求解程序，并應(yīng)用在結(jié)構(gòu)方案的地面均勻運(yùn)動(dòng)和考慮行波效應(yīng)的功率譜法分析中;基于首超破壞原理對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的地震安全性進(jìn)行初步評估，最終得到結(jié)構(gòu)方案在地震作用下的安全性和動(dòng)力可靠度初步評價(jià)。本文主要有以下工作:　　 1.通過多次方案分析和對比，根據(jù)瓊州海峽氣象、水文、地質(zhì)條件，提出了4X3000m超大連跨多主跨公鐵兩用懸索橋的一個(gè)結(jié)構(gòu)方案。初步確定了滿足鐵路懸索橋要求豎向活載撓度小于11600的主纜面積和主要構(gòu)件的尺寸以及結(jié)構(gòu)布置形式。驗(yàn)算了方案在恒載、車輛荷載和橫向極限風(fēng)荷載作用下的強(qiáng)度和剛度，并對行車安全性和舒適性進(jìn)行了評定?！　? 2.根據(jù)主纜特性和大跨懸索橋主纜計(jì)算的基本原理對虛擬梁法進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)了與虛擬梁法相配合的相容方程。通過引入橋塔縱向剛度的概念，把改進(jìn)的虛擬梁法應(yīng)用于連跨多主跨懸索橋的求解中。并以此為基礎(chǔ)，探討了塔頂縱向剛度、中央扣、主纜面積、主纜容重和碳纖維主纜等對多主跨懸索橋豎向剛度的影響。針對公鐵兩用懸索橋行車安全性和舒適性對豎向剛度要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，提出利用圖選法確定公鐵兩用懸索橋合理跨徑布置和主纜面積?！　? 3.通過利用信號學(xué)原理對地震動(dòng)的傳播規(guī)律進(jìn)行模擬，對經(jīng)典的HOP方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的HOP方法生成地震動(dòng)時(shí)程不但具備局部場地收斂性且與給定的功率譜擬合更好，可以用在頻譜密集型結(jié)構(gòu)的抗震分析中。自編程序?qū)崿F(xiàn)了改進(jìn)的HOP方法，　　并合成了瓊州海峽多主跨公鐵兩用懸索橋抗震分析適用的多點(diǎn)地面加速度人工時(shí)程。利用簡化的位移終值歸零法對人工時(shí)程進(jìn)行了校正，校正后的人工時(shí)程變化小，可以直接由于考慮靜力位移的多點(diǎn)激勵(lì)擬計(jì)算中。　　 4.引述了多點(diǎn)激勵(lì)的動(dòng)力平衡方程，以分析擬靜力位移和動(dòng)力位移的由來。根據(jù)多點(diǎn)激勵(lì)逐步積分法的基本步驟，采用完全面向?qū)ο蟮乃枷?，?dú)立編寫相應(yīng)的有限元程序，并通過理論分析和商業(yè)有限元軟件的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了自編程序的準(zhǔn)確性。編程中采用了多線程的運(yùn)算技術(shù)并生成了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫:程序中的有限元環(huán)境和動(dòng)力計(jì)算類，可以作為功率譜法編程的基礎(chǔ)和基類?！　? 5.根據(jù)基于虛擬激勵(lì)法的功率譜法的原理，編程實(shí)現(xiàn)了一致和非一致地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜的計(jì)算、基于首超破壞原理編程實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度評價(jià)。針對長周期復(fù)雜橋梁非平穩(wěn)時(shí)變功率譜計(jì)算效率低的現(xiàn)狀，推導(dǎo)單自由度系統(tǒng)在突加虛擬簡諧激勵(lì)作用下響應(yīng)的全解，并用分段解析法驗(yàn)證，以此提出了瓊州海峽超大多主跨公鐵兩用懸索橋時(shí)變功率譜估計(jì)的簡化計(jì)算方法。　　 6.分別計(jì)算結(jié)構(gòu)方案在縱向和橫向一致和非一致激勵(lì)下的時(shí)程響應(yīng)，可以認(rèn)為研究方案在E2地震作用下滿足設(shè)防目標(biāo)的要求。根據(jù)規(guī)范的要求，分別計(jì)算研究方案在橫向和縱向一致激勵(lì)下的功率譜和縱向考慮行波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜，根據(jù)功率譜的計(jì)算結(jié)果，基于首超破壞原理，對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全性進(jìn)行評價(jià)。不考慮結(jié)構(gòu)的非平穩(wěn)響應(yīng)時(shí)，研究方案由于主纜設(shè)計(jì)比較保守，動(dòng)力可靠度較高;橋塔采用混凝土材料本身的質(zhì)量較大且抗壓強(qiáng)度低，在縱向一致激勵(lì)時(shí)可靠度較低，縱向非一致激勵(lì)時(shí)動(dòng)力可靠度滿足要求。

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