快速重载条件下桥桩—土—结构动力相互作用分析

发布时间：2020-05-25 02:22

【摘要】：由于高速铁路高标准的线路要求,工程建设主要以桥梁为主,而且高速列车的运行速度远高于普通火车,因此高速铁路桥梁的动力响应远高于普通铁路桥梁,而且在很多情况下,不可避免要采用大跨高墩桥梁形式,在地质条件复杂,尤其是在软土地基的情况下,列车振动引起的桩-土相互作用将对结构动力行为产生影响。目前对于高速铁路的相关研究还远没有成熟,因此针对高速铁路桥梁应进行更加深入的研究。过往研究中,有单纯针对地基土-桩动力相互作用进行研究的,这些研究中有些建立整个地基土模型进行分析,或者将桩-土相互作用等效为连续分布的弹簧-阻尼器单元,也有把地基土的贡献等效为弹性抗力附加到墩底进行考虑的。而针对上部结构的研究中,可以将列车等效为多体模型,建立列车与轨道耦合动力方程,这些研究从力学原理出发揭示车-桥耦合动力行为的本质特征。但这些研究过于复杂,且缺乏实用性,因此很难应用到实际工程。因此如何合理的考虑列车振动荷载,并简化桩-土相互作用分析模型,使之更加有效的在实际工程中考虑桩-土相互作用对高速铁路桥梁的影响,具有重要意义。本文主要研究内容包括:(1)通过总结高速列车振动荷载相关研究,给出高速列车振动荷载简化表达式,本文将采用基于轨道不平顺法所推导的列车振动荷载进行下一步的分析。同时介绍了求解移动荷载作用下的时变系数微分方程组的几种逐步积分方法。(2)基于动力Winkler地基梁模型,建立不考虑轴向力影响的动力平衡微分方程,利用Laplace变换和传递矩阵法求得动力荷载作用下的水平动力阻抗,同时求得群桩动力相互在作用因子和群桩动力阻抗,通过模型计算结果验证其频率相关性,同时推导了多荷载分量振动荷载作用下的水平动力阻抗。(3)根据研究内容,选择合适的ANSYS单元,建立考虑与不考虑桩-土相互作用的86m×142m×86m三跨高速铁路刚构桥有限元模型,分析高速列车通过时两种模型的动力响应,通过与相关试验结果对比,验证该模型的合理性。(4)分析列车运行速度、墩高、土层压缩模量、桩长和轨道不平顺等参数对于桥梁动力响应的影响,计算结果表明,各参数变化均会对桥梁动力响应产生影响,为高速铁路桥梁在设计阶段考虑桩-土相互作用影响提供依据。
【图文】：

模型图,竖向振动,列车,模型

同时将介绍大型有限元分析究中的相关成果。首要任务就是确定列车运行时对下难点，，目前主要有两种方法，第一方程，但是由于列车—轨道耦合动到实际工程中。第二种是考虑车速列车运行因素众多，因此很难用于工程问题的简化表达式是有可种轨道振动加速度看作随机过程,是则是基于轨道不平顺所引起的的振动模型如图 2.1 所示。

单元,盆式支座

元共有四个节点，每个节点具有 6 个自由度，分别为沿 X、Y、Z 轴的平动自由度和绕X、Y、Z 轴的转动自由度，可以较好地模拟各类线性和非线性行为，Shell63 单元如图4.6 所示。（2）盆式支座。本文所建立的三跨连续刚构桥边墩和主梁采用盆式支座连接，有限元模型中通过水平两方向的非线性弹簧 COMBIN40 单元和竖向的线性弹簧COMBIN14 单元组合模拟边墩盆式支座，通过建立重合节点实现。盆式支座的水平方向基本参数主要有：Ku(屈服前刚度)、Kd(屈服后刚度)、Qd(屈服力)和阻尼比。而 ANSYS中的 COMBIN40 弹簧单元的实常数主要有：K1，K2和 C(阻尼)等。根据文献[51]对盆式支座力学性能的相关研究，本文边墩支座中水平单元 COMBIN40 实常数设为K1=20MN/m ， K2=20MN/m ， C=5×104N s/m ；竖向弹簧单元 COMBIN14 单元取为K=38.6MN/m。（3）承台。采用 Solid185 单元模拟混凝土承台，该单元是三维实体单元，通过八个节点定义，每个节点有沿 X，Y，Z 方向平移的三个自由度，具有超弹性、应力刚化和大变形能力，可以用于构造各类三维实体结构。Solid185 单元如图 4.7 所示。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.15

【参考文献】