轨道交通空间曲线桥的理论模型及波动和振动特性研究

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随着我国交通基础设置建设的不断推进,高架桥梁在公共交通运输中起着重要的作用。曲线桥地形适应性强并能够高效利用空间,在山区和城市立交桥、轨道交通高架桥、人行桥以及大型桥梁的引桥中被广泛应用。同时,由于交通线路设计存在纵坡,因此工程中存在大量的空间曲线桥。然而关于空间曲线桥结构的设计和计算分析仍不成熟,表现为这类桥梁在工程中出现了支座脱空、梁体侧移、振动超限以及附属结构破坏等问题,存在重大的安全隐患。目前对于这类曲线桥,往往人为的忽略纵坡的影响,将空间曲线梁简化为平面曲线梁建模计算。然而由于空间曲线梁挠率的影响,竖向弯曲、横向弯曲和扭转变形相互影响,“弯扭耦合”效应更加复杂。目前对于空间曲线梁动力问题的研究十分匮乏,本文针对空间曲线梁的车致振动问题开展了基础理论方面的研究,具体研究工作如下:(1)实测某城市轨道交通空间曲线桥的典型结构构造和车致振动特性,并以曲率、挠率为定值的圆柱螺旋形曲线梁为研究对象。基于Euler-Bernoulli梁理论,采用Hamiton原理建立平衡微分方程,并通过退回平面曲线梁并与已有文献对比,验证推导的准确性;(2)基于建立的空间曲线Euler-Bernoulli梁模型,分析谐波在该波动介质中的传播,推导梁内弯曲波弥散曲线的表达式。通过与平面曲线梁和直线梁对比,验证推导的准确性。基于此,分析空间曲线梁的波动特性,研究了曲率和挠率的影响规律;(3)基于建立的空间曲线Euler-Bernoulli梁模型,采用积分变换法,分别推导梁端简支的空间曲线梁在移动力、移动简谐荷载作用下动力响应的解析表达式。通过通过退回平面曲线梁并与已有文献对比,以及与有限元模型计算结果对比,验证推导的准确性。基于此,分析空间曲线梁的振动特性和双向弯曲-扭转耦合机理,研究抗弯刚度、曲率半径、纵坡坡度、荷载等因素的影响规律以及共振现象。研究成果具有重要的科学意义,指导空间曲线桥车致振动的计算分析,为曲线桥结构的设计提供依据。
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