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古桥洞大桥施工图设计.rar

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    桥洞 大桥 施工图 设计
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    古桥洞大桥施工图设计1原文影印出自 :March April 2012 Volume 17,Number 2 ISSN 1084-0702 CODEN:JBENF2车辆激下励钢结构拱桥的振动与分析方法黄东周,中国工程博士学位摘要:这项研究的目的是调查在粗糙的桥面移动的多个车辆荷载的钢桥面拱桥与双行车道的动态行为。提供分析理论的简要说明,包括车辆模型、 桥梁模型和数值计算方法。车辆和桥梁被视为三维模型。对叠加模式和纽马克数值方法的进行有效性的调查目前还在研究。这项研究中考虑的最重要的因素是影响桥梁的动态响应。桥面、 柱、 拱边界条件的影响,并分析影响桥面、列和拱肋的因素比较与那些根据当前的美国协会的国家公路和运输官员 (AASHTO) 规格确定。研究结果对桥梁工程师及桥梁工程研究人员有着重大作用。美国土木工程师协会标题: 拱桥、 桥面、 钢、 振动、 车辆、 数值模型。作者关键字: 拱桥、 钢桥、 振动、 影响因子、 车辆型号、 道路表面模型、 数值计算方法。引言钢拱桥的历史超过了一个世纪 ; 国内的最常见的类型是拱桥。高强度钢的发展使这种类型的钢桥,有一个比较高的活恒载比系数。在桥梁设计中主要关注的是从车辆运动的动态负载和桥梁的动力响应,自 1847年 (Willis1847) 以来一直是重要和有趣的研究课题。虽然已经取得了相当大的成就,能很好地了解由车辆荷载引起的公路桥梁的动态行为,以前在这一领域大部分的研究工作的重点是大型梁桥 (王和黄 1992b ;黄绍兴文理学院 1995a,b,1992 年,1993 ;黄和古桥洞大桥施工图设计2王 1992年)。对于继承复杂性的拱桥,从拱桥动态加载方面已发表了几篇论文。由李 (1956 年) 调查自由和强迫振动的拱桥,忽略了空腹结构刚度影响,并开发了一个近似影响因子方程式预测了列车从铁路拱桥引起的动态加载。他的研究中,行驶的列车是作为集中的周期载荷进行建模。1973 年,李研究了钢拱公路桥在开幕仪式在桥中观察到的行人诱导的振动(1973年,1983 年)。Chatterjee和马塔 · 巴塞 (1995 年) 使用集中和统一的大规模方法的分析拱桥在移动荷载作用下的动态行为。黄 (2005 年) 研究冲击载荷和动态行为的中承式拱桥,提出了一种估算这种类型的拱桥的动力响应方法。在他的研究中,桥梁和车辆用三维建模表现。Lacarbonara 和克隆 (2007 年用)丽思卡尔顿能量法研究了高速列车从拱桥上通过的动力响应。大多数以前调查的桥面拱桥的动力分析可能会有不足之处的部分表现为以下几个方面: (1) 刚度影响的桥面纵梁、 地板梁和拱肩梁被忽略 ;(2) 桥面被假定作为平滑 ;(3) 车辆被假定为固定数量而不考虑其可变性。移动车辆在拱桥桥面上的的动态行为仍然很大程度上难以确定。该论文调查了在粗糙的桥面移动的 多车辆对钢桥面拱桥加载的动态行为。车辆和桥梁被视为三维结构。若要获取更准确的影响因素,可利用分析两个不同数值的方法。最后,由3美国高速公路协会和运输机构(AASHTO)当前所记载的影响因子方程进行求值。运动方程车辆的运动方程AASHTO研究 设计由HS20三轴拖车对桥梁引起的动态分析。卡车被建模为非线性汽车模型组成的五个排演群众的拖车、 半挂车、 转向/轮轴套、 拖拉机轮轴/集和拖车车轮车轴设置 (见图 1)。卡车的位移向量可以写为:{δt}=[yt1yt2ya1ya2ya3θt1φt1φt2φa1φa2φa3]T其中 yti 和 yai= 垂直位移的拖拉机/半挂车和轮轴/集分别为何 ;Θt1= 绕横轴 ; 拖拉机旋转Φti 和 ϕ ai 单独 = 关于拖拉机/半挂车和轮轴/套,纵向古桥洞大桥施工图设计3轴旋转。卡车悬浮力组成的线性弹性弹簧力和常量插页摩擦力 (王和黄 1992b)。轮胎弹簧和阻尼器所有被假定为线性。可以通过由如下方式使用拉格朗日的公式派生车辆的运动方程:ddt ∂T∂{δ̇ t} −∂T∂{δ t} +∂V∂{δ t} +∂D∂{δ ̇t} =0V = T = D ={δ t} {̇ δ t}= [Mt]{̈ δ t}+ [Dt]{̇ δ t}+ [Kt] {δ t}={pt}[K t ]=f (K syi , l i , s i , d i , K tyi ) = [D t ]=f (D syi , l i , si , d i , D tyi ) = [M t ]=f (mti , m ai , I xti , I zti , I xai )={pt }=f (mti , m ai , I xti , I zti , I xai , l i ,d i , s i , K tyi , Utyi , Ubyi , U ybi , w ryi , F yi )=质量,质量的惯性矩的惯性和纵向,横向的车辆,分别;MAI,Ixai=质量的惯性矩,分别纵向静;K,悬浮液和轮胎刚度Ktyi=性;D,Dtyi=阻尼的悬架和轮胎比;Utyi,U百一=位移的轮胎和桥梁;Wryi=道路表面粗糙度;F 一=摩擦力悬浮;与l i =距离车辆车轴。基本的推导过程和数据可以在王和黄的论文中发现(1992年)Fig. 1. 车辆模型古桥洞大桥施工图设计4桥梁的运动方程对拱桥的动力响应进行有限元分析。桥被划分成一系列的三维梁单元与每一端的六个自由度(图2)。该单元的节点位移参数{δ}e=[δiδ j]T (4)对于{δ i }=[u i ,v i ,w i ,θ xi ,θ yi ,θ zi ] T 和 {δ j }=[u j ,v j ,w j ,θ xj ,θ yj ,θ zj ]T ;U,V,W=横向位移X,Y,和Z方向,分别和θ;X,Yθ,θZ=转角,在X,Y,和Z方向。单元刚度矩阵可以写成K = K L +K 1和K G =标准性刚度矩阵和几何刚度初始轴向力P,表示对该元件的弯曲刚度的影响(黄2005)。单元的一致质量矩阵是用于研究见王和黄 1992 年的 [M B ]{δB}+[DB]{δ B }+[KB ]{δB }={pB }[ M ] = B [κB ] = [ b ] = {δb } {δ b } { } δ B{ Pb}= 。Fig. 2. 桥梁模型车辆和桥梁相互作用方程:F iTB =K tyi Utbi+Dtyi U tbi(i=1to 6) (7)古桥洞大桥施工图设计5其中 KT=刚度 i 轮胎;D 缇=阻尼系数 i 轮胎;U TBI = U tyi−Ubyi 一−W ryi = i轮胎和桥之间的相对垂直位移。点上标表示微分相对于时间。路面仿真高斯假定桥面为一个实现了平稳随机过程,可以由一个功率谱密度(PSD)描述的功能和可以写成如下:Wsr(x)=∑ i=1 N4S(ω i) −−−−− √ Δωcos(ωix+θi) (8)在WST(x)=模拟道路纵断面;X=纵向位置点的产生;(ωi)=PSD函数(黄2001年);ωi=圆频率;θ我=随机数的均匀分布的从0到2π,N = 200。理论的细节见王和黄(1992b),刘等人(2002)。数字方法该车辆的运动方程是非线性的,而桥梁是线性的,忽略了轴向力的影响的条件下对电缆和梁的车辆造成的。考虑到这些运动方程的不同特点,我们采用四阶Runge-Kutta积分计划(王和黄1992b)求解运动方程。目前,这是经常使用的移动车辆桥梁结构动力分析的两种方法:(1)模态叠加法(黄、王1992年)和(2)直接积分法,如纽马克的方法(黄2001 年)。评估的数值方法可能更适合桥梁结构动力分析,这两个模态叠加法和Newmark方法求解运动方程的桥梁。模态叠加法模态叠加法的基本概念是整体节点位移向量{δb}式(6)可以在广义位移的扩{δ}=[Φ]{Y}其中,[Φ]是Φ模态矩古桥洞大桥施工图设计6[Φ]=[{ϕ 1 }{ϕ 2 }…{ϕ n }]在这{φ i}={φ模态对应的固有频率和{y }=广义坐标的n维向[Φ] T [M B ][Φ]=[I]and[Φ] T [K B ][Φ]=[Ω]在这Ω]=频率向量可以写成[Ω]= ω 1 0 ω 2 … 0 ω n在ωi=频率;和[i]=N×n阶单位矩阵。利用瑞利阻尼矩阵(巴斯1982),式(6)可以转化为一组n个独立的正常的坐标方程{Y }+2[ζ][Ω]{Y }+[Ω] 2 [Y]=[Φ] T {p B }在[ζ]=模态阻尼比矩阵。每个单元的节点力计{S}={S1+S{2在这{S 1 }=[k] e [Φ] e {Y} and {S 2 }=[m] e [Φ] e [Ω] 2 {Y};上标e =元[M] E =单元质量矩阵的模态叠加法的一个显著特点是,它大大降低了桥梁的运动方程的尺寸(N通常小于30)。然而,在有限元法中的振型是不准确的,因为有限的节点,尤其是高的模式。为此,本文方法可以有效如果只有第一几个低阶模态可以充分地描述桥梁动力响应。纽马克方法Newmark积分方案也可以被理解为一个扩展的线性加速度法。详细的理论见巴斯(1982)。使用Newmark积分方案的完整的算法如下:1 { 0δ b} {0 δ b} {0δb2。选择时间步长ΔT和参数α和β,计算积分常β≥0.5,α≥0.25(0.5+β) 2 ,a 0 =1 αΔt 2 ,a 1 =β αΔt ,a 2 =1 αΔt ,a 3=1 2α −1, a 4 =β α −1,a 5 =Δt 2 (β α −2),a 6 =Δt(1−β),a 7 =Δtβ3。形成有效的刚度矩阵古桥洞大桥施工图设计7[ˆ] = [κ] [ M ] + 0 + 1 [ C ](14)4。计算的有效载荷,在时间t +Δ{ t+Δt R ˆ }={ t+Δt R ˆ }+[M](a 0 { t δ}+a 2 { t δ }+a 3 { t δ })+[C](a 1 { tδ}+a4{t δ }+a5{ tδ }) (15)5。解决在时间t +ΔT位[Kˆ]{t+Δt δ}={ t+Δt Rˆ} (16)6。在时间t +ΔT计算加速度{t+Δt U }=a 0 (Ut+Δt }−Ut})−a 2{t U }−a 3{t U } (17){t+Δt U }={ t U }+a6{t U }+a7{ t+ΔtU } (18)直接集成方法,包括所有的振动模式的车辆的动态响应的影响。一般来说,这种方法提供了更准确的结果,虽然它可能需要更多的时间和计算机的随机存取存储器,作为桥梁的运动方程比模态叠加法的大得多。随着计算机的进一步发展,这一问题将减少。动态分析与结果桥梁分析古桥洞大桥施工图设计8获得拱桥桥面一般的动态行为,现有的桥梁在州际(我)84在明德,康涅狄格州(见图3)被选定,稍微修改的动态分析。它的跨度,上升,和跨比上升59.234米,8.84米,1 / 6.7,分别。巷道宽度是10.363米,两车道。桥面是由五根和八根的纵向钢桁梁。拱肋的形状是一个二次抛物线。该桥由两肋两端铰支。桥配置和截面特性在图3和表1所示图3。桥梁分析古桥洞大桥施工图设计9表1几何特性表格1. 几何特性截面特性 拱 肋(10ײ ) 纵 向 梁( ² 10× ) 横 向 梁(10ײ ) 安 矫 形 支 架( ² 10× ) 柱( ² 10× )A(m 2 ) 8.5410 1.39375 1.81875 1.1938 2.5869Ix(m 4) 1.3705 0.05536 0.16608 0.04453 0.08957Iy(m 4) 0.4864 0.00633 0.00533 0.00228 0.10096Iz(m 4) 0.7272 0.00012 0.00015 0.00135 0.19599车辆数据表2显示的卡车HS-20AASHTO设计数据。这些值是在 AASHTO规范和报道黄卡车的试验数据的基础上,确定(1960)、王、黄(1992年)。表格2 车辆分析数据项目 参数刚度(kN/mm ) Ksy1=K sy0.243=2 , K sy3=Ksy1.903=4 ,Ksy5=K sy1.969=6 , K ty1=Kty0.875=2 ,Kty3=K ty3.502=4 , K ty5=Kty3.507=6阻 尼 系 数(kN. s/mm ) Dsy1=D sy0.0022=2 , Dsy3=Dsy0.007=4 ,Dsy5=D sy0.0074=6 , Dtyi =0.0 (i=1 to 6)摩擦力(kN) F steer-axle=1.334 ,F tractor=F trailer=14.234古桥洞大桥施工图设计10表格2 车辆分析数据项目 参数质 量(kN. s2/mm ) mt0.0021=1 , mt0.02615=2 ,ma0.000979=1 , ma0.001632=2 ,ma0.001305=3质 量 惯 性 矩(kN. mm . s 2 ) Ixt2.0210=1 , I zt8.5416=1 ,Ixt33.1443=2 , I zt181.1671=2 ,Ixa 0.4926=1 , Ixa 0.8210=2 ,Ixa 0.6568=3自由振动图4显示了前六阶振型形状的桥梁与两个铰链和固定拱两种不同的边界条件。从图4,我们可以看到第一振动模式的扭转和垂直弯曲和第二振动模式是由垂直弯曲控制为主。知道了拱结构的影响,表3显示三种不同的频率桥模型案例:案例1所代表的实际结构;(2)在2例,对桥梁横向方向柱转动惯量减少200倍模拟在地板上的纵桁的简单的支持梁和条件;(3)在 3例,对桥梁的纵向和横向方向的200 倍和100倍,分别,减少柱的转动惯量模拟完全忽略了拱上结构的刚度影响的条件。从表3中,我们可以看到,完全忽略拱上结构的刚度效应将显着低估的频率,特别是对两铰拱。
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