移动载荷作用下缺陷周期性高架桥的桩—土—结构耦合模型

发布时间：2017-06-12 15:06

  本文关键词：移动载荷作用下缺陷周期性高架桥的桩—土—结构耦合模型，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高架桥是高速铁路的一种重要结构形式,因此,对高速铁路高架桥在列车移动荷载作用下的振动及其控制的研究有十分重要的工程实际意义。本文主要研究缺陷周期性高架桥在移动载荷作用下的动力响应,对缺陷跨所引起的规则周期性高架桥动力特性的改变进行了理论分析和数值计算,研究成果可作为对高架桥结构进行优化设计和振动控制的理论依据。本文的主要研究内容包括:(1)刚性支撑规则周期性高架桥(ROPV)在移动载荷作用下的动力响应。利用Fourier变换,得到移动载荷在频率波数域内的表达式,这样原问题就转化为求ROPV受频率波数域内的单位简谐荷载作用的动力响应问题。利用ROPV每跨梁和墩的有限元方程,梁-梁-墩联接处的联接条件以及简谐载荷作用下ROPV每跨的周期性条件,可得单位简谐荷载作用下ROPV单跨的有限元方程,由此可得ROPV在移动载荷作用下的动力响应;利用ROPV单跨的有限元方程还可建立ROPV的特征方程。数值结果表明单位水平载荷作用下梁截面的轴向位移和轴力比单位竖直载荷作用下的相应量大若干量级;而对梁截面的横向位移,转角,剪力和弯矩,情况则相反。在高速载荷作用下,频域响应共振峰较少;对垂直荷载,ROPV的第一、第二和第三通带都有共振峰,但主共振峰位于第一或第二通带;对水平荷载,共振峰则都处在第一通带内,即能量更加集中在低频部分。(2)刚性支撑缺陷周期性高架桥(RDPV)在移动载荷作用下的动力响应。与ROPV的情形类似,可将求RDPV对移动载荷的动力响应问题转化为求RDPV对频率波数域内的单位简谐荷载的动力响应问题。后者可进一步化归为用有限元方法求解左、右半无限周期性高架桥和缺陷跨等三个问题。左、右半无限周期性高架桥中的波场可分解为假设无缺陷跨时的自由波场和由缺陷跨所引起的散射波场。对左、右半无限周期性高架桥和缺陷跨分别应用有限元方法可得自由波场和散射波场。数值分析发现,缺陷跨会导致附加的缺陷态频率;缺陷跨的出现不改变和ROPV相关联的共振峰位置;由于散射波的高度衰减性,缺陷的影响往往局限在缺陷跨及其附近,而对远离缺陷跨的各跨,影响不明显。(3)桩基础支撑周期性高架桥(POPV)和桩基础支撑缺陷周期性高架桥(PDPV)在移动载荷作用下的动力响应。为考虑桩-土-结构相互作用效应对结构动力响应的影响,建立了频率波数域内桩土边界元模型以确定桩基础柔度,并通过其来实现上、下部结构的耦合。对POPV和PDPV上部结构的有限元处理和刚性支撑情形类似,区别在于这里须考虑墩底和桩顶的联结条件。通过对耦合与刚性支撑情形数值结果的比较,发现ROPV和POPV频域响应的共振峰位置相同,但后者的峰值较前者小;ROPV和POPV时域响应幅值相当,但后者衰减较前者快。造成差异的原因是,POPV存在能量辐射,其特征波阻尼要大于ROPV的特征波阻尼,故而其特征波衰减更快。PDPV的缺陷跨及其附近也存在振动局域化,与RDPV不同的是,这里缺陷态频率数量较少甚至没有明显的缺陷态频率。(4)提出了缺陷周期性高架桥受等间距移动荷载列作用时的共振和消振条件。此条件普遍适用于工程中含缺陷单元的直线型周期性结构。当等间距荷载列中相邻荷载时间间隔等于结构在相应单荷载作用下频域某主峰周期的整数倍时,将产生共振;当时间间隔等于主峰周期的半整数倍时,会产生消振现象。只有在单个载荷作用下频域内共振峰个数不多的条件下,受同样速度等间距移动荷载列时,才会出现较明显的共振和消振现象。(5)建立了单个竖向和水平载荷功率和拖拽力的表达式。通过数值模拟分析二者随速度的变化规律,发现在v=0~300m/s范围内,对竖直和水平载荷,速度在v=170 m/s及v=240m/s左右,移动载荷经过一跨的功率相对较大。移动载荷经过ROPV和POPV代表性跨的平均功率和拖拽力随速度的变化规律类似。在v=0~150m/s范围内,考虑桩-土-结构耦合作用后,竖向移动载荷通过PDPV缺陷跨的平均功率和拖拽力比没有考虑耦合作用的略小,而对水平载荷的情形,二者的值则比没考虑耦合作用时大。
【关键词】：移动载荷 缺陷周期性高架桥 桩-土-结构共同作用 有限元法 边界元
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 主要符号表13-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 选题依据、目的和意义15-16
• 1.2 本课题及相关领域的国内外研究现状16-21
• 1.2.1 受移动载荷作用的桥梁16-17
• 1.2.2 一维周期性梁类结构的相关研究17-19
• 1.2.3 周期性结构的缺陷态和振动局域化19-20
• 1.2.4 桩-土-高架桥结构相互作用20-21
• 1.3 现有研究存在的问题21
• 1.4 本文的主要研究内容和创新点21-23
• 第二章 刚性支撑周期性高架桥在移动载荷作用下的有限元模型23-51
• 2.1 刚性支撑规则周期性高架桥受移动载荷作用的简化力学模型23-24
• 2.2 周期性高架桥在移动载荷作用下动力响应的表达式24-25
• 2.3 有限元法解刚性支撑周期性高架桥在单位简谐荷载作用下的动力响应25-32
• 2.3.1 梁、墩的控制方程25-26
• 2.3.2 单跨有限元运动方程26-31
• 2.3.3 刚性支撑周期性高架桥在单位简谐荷载作用下的动力响应31-32
• 2.4 刚性支撑周期性高架桥的有限元特征方程32-33
• 2.5 单个载荷的功率和拖拽力33-34
• 2.6 模型验证和算例分析34-46
• 2.6.1 模型验证34-35
• 2.6.2 刚性支撑周期性高架桥的能带35-37
• 2.6.3 刚性支撑周期性高架桥计算跨左截面的动力响应37-45
• 2.6.4 移动载荷过ROPV代表性跨的平均功率和拖拽力45-46
• 2.7 本章小结46-47
• 本章附录47-51
• 第三章 刚性支撑缺陷周期性高架桥在移动载荷作用下的有限元模型51-74
• 3.1 刚性支撑缺陷周期性高架桥受移动载荷作用的简化力学模型51-52
• 3.2 有限元法解刚性支撑缺陷周期性高架桥受单位简谐荷载作用的响应52-55
• 3.3 缺陷周期性高架桥在等间距荷载列作用下的共振与消振条件55-56
• 3.4 模型验证和算例分析56-72
• 3.4.1 模型验证56-57
• 3.4.2 不同缺陷对刚性支撑缺陷周期性高架桥在竖向单位移动载荷作用下频域响应的影响57-64
• 3.4.3 不同缺陷对刚性支撑缺陷周期性高架桥在水平单位移动载荷作用下频域响应的影响64-65
• 3.4.4 刚性支撑缺陷周期性高架桥在竖向单位移动载荷作用下第?30跨到第30跨左端截面的频域响应65-66
• 3.4.5 单位移动载荷作用下刚性支撑高架桥缺陷跨左端及其周围标准跨左端的时域响应66-67
• 3.4.6 缺陷跨左、右端频域响应的比较67-68
• 3.4.7 等间距荷载列作用下刚性支撑缺陷周期性高架桥的共振与消振现象68-71
• 3.4.8 移动载荷过RDPV缺陷跨的平均功率和拖拽力71-72
• 3.5 本章小结72-74
• 第四章 桩基础支撑周期性高架桥在移动载荷作用下的动力响应74-95
• 4.1 桩基础支撑规则周期性高架桥受移动载荷作用的简化力学模型74-75
• 4.2 桩土相互作用的边界元模型75-78
• 4.2.1 频率波数域内桩土耦合边界元模型的建立75-77
• 4.2.2 桩基础的柔度77-78
• 4.3 桩基础支撑周期性高架桥在单位简谐荷载作用下的的动力响应78-80
• 4.4 桩基础支撑周期性高架桥的有限元特征方程80-81
• 4.5 模型验证和算例分析81-94
• 4.5.1 桩基础柔度结果81-82
• 4.5.2 模型验证82-83
• 4.5.3 桩基础支撑周期性高架桥的能带83-84
• 4.5.4 桩基础支撑周期性高架桥计算跨左截面的动力响应84-89
• 4.5.5 桩基础支撑周期性高架桥计算跨墩顶截面的动力响应89-92
• 4.5.6 移动载荷过POPV代表性跨的平均功率和拖拽力92-94
• 4.6 本章小结94
• 本章附录94-95
• 第五章 桩基础支撑缺陷周期性高架桥在移动载荷作用下的动力响应95-110
• 5.1 桩基础支撑缺陷周期性高架桥受移动载荷作用的简化力学模型95
• 5.2 有限元法解桩基础支撑缺陷周期性高架桥对单位简谐荷载的动力响应95-97
• 5.3 模型验证和算例分析97-109
• 5.3.1 模型验证97-98
• 5.3.2 不同缺陷对单位移动载荷作用下缺陷跨左端响应的影响98-100
• 5.3.3 不同缺陷对竖向单位移动载荷作用下缺陷跨墩顶响应的影响100-104
• 5.3.4 不同缺陷对水平单位移动载荷作用下缺陷跨墩顶响应的影响104-105
• 5.3.5 等间距荷载列作用下桩基础支撑缺陷周期性高架桥的共振与消振现象105-108
• 5.3.6 移动载荷过PDPV缺陷跨的平均功率和拖拽力108-109
• 5.4 本章小结109-110
• 第六章 结论与展望110-113
• 6.1 本文研究结论110-111
• 6.2 展望111-113
• 参考文献113-122
• 致谢122-123
• 在学期间参与课题与完成论文123

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本文编号：444304