风与列车荷载作用下大跨度公铁两用斜拉桥静动力影响分析

发布时间：2020-06-19 09:29

【摘要】：在需要公路和铁路同时跨越的江河,公铁两用桥梁实现了两种线路的共用通道,节省了空间占用和施工费用,具有高效性和良好的经济性。对大跨度公铁两用桥梁而言,风与列车荷载是最常见的激励源,对桥梁结构性能的影响较大。本文以一座主跨1092m的公铁两用斜拉桥——沪通长江大桥为工程背景,计算了风与列车荷载作用下大跨度桥梁的非线性静动力响应,分析了桥梁结构安全性及桥上列车的安全和平稳性。主要研究工作及成果如下:(1)结合国内外大跨度斜拉桥特别是大跨度公铁两用斜拉桥的发展状况,回顾了风与列车荷载作用下,大跨度桥梁的静风稳定、风致振动、车桥耦合作用等问题的研究现状。阐明了对大跨度公铁两用斜拉桥进行风-车-桥系统动力响应分析的意义和必要性。(2)在沪通大桥的桥址区开展了风场实测,根据实测数据分析了自然风场中平均风与脉动风的特性指标;通过拟合得到了实测风谱归一化公式的参数;基于此,采用谱表示法模拟沪通大桥的全桥三维风速场,建立了车-桥系统的风荷载模型。(3)以多刚体车辆模型为理论基础,建立了多自由度的车辆振动系统并编制了计算程序;采用ANSYS软件建立了桥梁有限元模型并分析了结构的动力特性,考虑了缆索垂度效应、梁柱效应和大位移效应三种几何非线性因素的作用;结合车辆、桥梁和风荷载模型,建立了风-车-桥耦合动力分析系统,分别求解桥梁与车辆的运动方程,通过轮轨相互作用将二者耦联,依据全过程迭代法,编制了系统间迭代计算程序。(4)介绍了大跨度桥梁静风稳定性分析方法,编制了考虑静风荷载非线性和结构几何非线性的静风失稳计算程序,验算了沪通大桥的静风稳定性,研究了桥梁的失稳机理,比较了不同因素对结构静风失稳的影响。结果表明,沪通大桥的静风失稳形态为空间的弯曲-扭转组合变形;失稳临界风速远大于设计风速,结构验算安全;初始风攻角对桥梁静风稳定性的影响较大,随着风攻角的增大,临界风速逐渐减小并趋于稳定;受桥梁几何非线性的影响,静风失稳临界风速降低。(5)计算了风与列车荷载作用下沪通大桥及桥上车辆的动力响应,分析了风速、车速、轨道不平顺、结构几何非线性以及多线行车等多种工况下大跨度桥梁动力响应和桥上列车运行安全。结果表明:1)大跨度桥梁的横向、扭转响应主要由风力控制,而竖向响应受列车荷载的影响较大,但风速越高,列车的影响相对减弱;2)随车速的增加,车辆的多项动力响应指标逐步增大,而桥梁的动力响应受车速的影响较小,横向与扭转响应呈波动变化;3)轨道不平顺对桥梁的影响较小,而对车辆的影响较大,是车辆高频振动的最主要激励源,在考虑其他因素影响的研究中,需排除轨道不平顺的随机性带来的偏差;4)多趟列车过桥时,桥梁的竖向和扭转响应变化较大,随着行驶列车数目的增加,车辆的振动也有所增大,受风荷载作用,迎风侧车辆的动力响应最大;5)桥梁几何非线性对车-桥系统的影响明显,考虑非线性因素的作用时,桥梁与车辆的动力响应均增大。三种非线性因素中,大位移效应的影响最显著,桥梁与车辆的多项动力响应均有增大,垂度效应主要影响桥梁与车辆的竖向响应,梁柱效应的影响较小。6)单线行车时,当车速200km/h,瞬时风速达35m/s以上,或者当瞬时风速30m/s,车速达220km/h及以上时,列车的运行安全性受到威胁。多线行车时,当车速为200km/h,瞬时风速30m/s时,迎风侧列车的运行安全性受到威胁。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.27
【图文】：

示意图,斜拉桥,基本形式,示意图

斜拉桥）的形式。逡逑斜拉桥，又称斜张桥，是通过多根拉索将主梁与桥塔锚固在一起的缆索承重逡逑桥［３］，其基本形式如图１．１所示，斜拉桥的基本结构包括承弯的主梁、承压的桥塔、逡逑承拉的斜拉索以及桥墩、桥台等辅助结构。根据各结构的材料、外形的不同，斜逡逑拉桥具有外形多变新颖的特点。桥塔结构根据外形的不同可分为Ａ型、倒Ｙ型、逡逑Ｈ型、独柱等；主梁可采用混凝土、钢箱梁、钢混组合梁、桁架梁等多种形式；逡逑斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。逡逑图１．１斜拉桥的基本形式示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｄｕｌｅ邋ｏｆ邋ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ邋ｂｒｉｄｇｅ逡逑第二次世界大战之后，斜拉桥作为一种新的结构形式，迅速发展起来。世界逡逑上第一座近代斜拉桥，斯德罗姆海峡公路桥，由德国工程师迪辛格尔（Ｆ．Ｄｉｓｈｉｎｇｅｒ）逡逑研究并设计，于１９５５年在瑞典建成［３］。拉索体系的跨越优势较大，且较之悬索结逡逑构经济性好，斜拉桥在８００ｍ以内的跨度范围内优势明显，而在超过８００ｍ的大跨逡逑度桥梁中，斜拉桥也因其经济性、稳定性好、跨越能力强等优势逐渐发展起来，逡逑成为大跨度桥梁的重要桥梁形式［３，４］，在大跨度桥梁领域己成为设计中选择的最主逡逑要桥型。而随着设计方案、材料性能与施工工艺等科学技术水平的逐渐发展

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与单独的公路桥和铁路桥相比，公铁两用桥梁所承受的车辆荷载更大，且因逡逑为公路铁路分线行驶而对桥梁结构断面的要求更高。公铁两用桥梁，目前常用的逡逑主梁形式有上下两层桥面和平层桥面布置两种。图１．２给出公铁两用桥梁主梁断面逡逑的示例。图１．２ａ）为平层桥面形式，当公路线与铁路线的行车通道较多时，如采用逡逑平层桥面主梁断面的宽度较大，设计及施工难度提升，因而较少采用。图１．２ｂ）为逡逑上下层桥面形式，公路、铁路上下分层形式的主梁，较多采用钢桁架梁或钢箱梁逡逑结构，下层为铁路线，上层为公路线，在某些桥梁中，也出现过上层铁路，下层逡逑公路的分层形式。逡逑４逡逑

【引证文献】