连续梁-钢管混凝土拱组合公路桥冲击系数研究

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连续梁-钢管混凝土拱组合桥造型美观、跨越能力强,近年来在公路建设中得到了快速发展。由于该类桥梁构件较多,受力较为复杂,且多属于柔性结构,设计规范中关于冲击系数计算方法是否适合此类结构值得商榷。现有研究普遍认为桥梁冲击系数与桥面平度、车辆等外部激励因素以及桥梁阻尼比、刚度等结构特性有关。目前,国内外学者对连续梁-钢管混凝土拱组合公路桥冲击系数研究较少,且大多仅对主梁进行研究。为了深入研究该类桥梁动力特性,本文以某三跨连续梁-钢管混凝土拱组合公路桥为研究背景,采用Ansys建立组合桥空间梁单元模型和三轴半车辆模型,运用Matlab软件生成4种桥面平度样本,依据接触约束法,考虑车桥耦合响应、桥面平度等多种因素,对组合桥冲击系数开展分析研究,主要内容和结论如下:(1)综述目前车桥耦合理论和桥梁冲击系数研究现状,讨论桥梁、车辆、桥面平度等在车桥耦合分析中建模特点和对冲击系数影响;针对各国设计规范冲击系数计算方法,按照跨径和自振频率,讨论不同设计规范取值差异性,明确基频相比于跨径更能直接反映桥梁的动力特性,在此基础上梳理本文主要研究内容和方法。(2)建立桥梁模型和车辆模型,按照挠度等效方法确定车队,分析显示纵向4辆车与设计荷载所引起桥梁竖向挠度响应接近;通过接触约束法实现车桥耦合分析和桥面平度输入;桥梁模态分析表明依托桥梁拱肋刚度比主梁刚度弱;选用竖弯频率为基频,按照规范方法计算该桥冲击系数为0.05。(3)针对桥面平度、车速、车辆数和车辆间距,研究不同外部激励对依托桥梁冲击系数影响。分析表明:桥面平度对桥梁冲击系数影响较大,当桥面平度等级在B级以上时,冲击系数大于规范值;不同构件、同一构件不同位置、同一位置不同响应冲击系数均存在差异,吊杆轴力冲击系数相对较大,组合桥中挠度冲击系数和弯矩冲击系数均大于轴力冲击系数。(4)针对结构刚度比、吊杆截面积和阻尼比,分析桥梁不同结构特性对组合桥冲击系数影响。分析表明:梁拱刚度比对组合桥冲击系数影响较大;桥梁阻尼比对组合桥冲击系数影响较小,在特定情况下可忽略不计;吊杆截面积增大,冲击系数先增大后减小。(5)应用最小二乘法理论,给出主梁和拱肋冲击系数与桥面平度、车速的回归公式,并以实桥冲击系数实测值进行验证。分析表明:冲击系数-桥面平度和车速二元二次回归公式考虑桥梁和车辆因素,与桥梁受车辆冲击作用的实际状况更吻合;依据桥面平度和车速,利用回归公式可快速估算类似桥梁冲击系数。
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