公轨人三线合一空间缆索悬索桥动力响应与行人走行舒适度研究

摘要

空间缆索体系悬索桥不仅具有传统平行索面悬索桥跨越能力大的特点，同时还具有较好的横向刚度，可以提高结构的动力稳定性。该体系与超大跨径是本世纪悬索桥的两个发展方向。但是目前对空间缆索体系悬索桥的研究不够多，尤其是动力方面的研究。本文依托某公轨人三线合一空间缆索体系悬索桥，从行人舒适度出发，对该类结构的动力特性以及荷载作用下的动力响应进行研究，并采用调谐质量阻尼器（TMD）对结构进行振动控制。论文主要内容如下： 首先，依托桥梁结构非线性分析软件BNLAS，从空间缆索体系悬索桥索面倾斜程度、跨矢比、桥塔刚度、加劲梁刚度以及是否布置中央扣几个方面，对该类悬索桥动力特性进行研究并总结规律。结果表明空间缆索体系可以明显提高悬索桥的横向刚度，但是当跨度较小，加劲梁横向刚度较大时，横向支座对加劲梁的约束会掩盖空间缆索体系对结构横向刚度的加强效果；随着跨矢比的增大，加劲梁1/4跨处竖向刚度增加，1/2跨处竖向刚度减小；随着加劲梁高度的增加，空间缆索体系悬索桥的竖向刚度逐渐增加；布置中央扣以后，空间缆索体系悬索桥纵飘刚度显著增加，而且中央扣锚固在上层桥面比锚固在下层桥面效果更为明显。 其次，在对比各国规范对行人走行舒适度的规定后，运用有限元分析软件ANSYS对该桥进行汽车、列车荷载作用下的动力时程分析，汽车与列车采用移动质量块模型模拟，忽略行人荷载作用，研究列车车速，汽车车速、质量以及行车间距对结构动力响应的影响，并依据德国规范对桥上行人走行舒适度做出评价。结果表明车辆速度和质量越大，结构响应越大；汽车行车间距越大，结构响应越小，当汽车行车间距为22.5m时，车辆激励频率与结构三阶竖弯振动频率接近，激发结构共振现象，位移和加速度响应幅值明显增大；双向列车过桥时，结构动力响应比单向行车时大很多。可以通过限载、规范汽车行车间距、避免双向列车同时过桥等措施减小结构动力响应。 最后，论文在考虑轨道不平顺对列车效应带来的影响后，采用常量的轴重荷载和不平顺引起的简谐荷载叠加后的列车激励，对该桥进行动力分析，并且采用STMD与MTMD 系统对结构进行振动控制，使桥上行人舒适度从“不舒适”进入“中度舒适”。研究过程中也对两类系统中子TMD进行参数敏感性分析，了解抑振效果随子TMD设计参数的变化规律，同时对比结构自身频率改变时 STMD 与 MTMD的抑振效果，得出MTMD具有更好的鲁棒性，且TMD个数越多，鲁棒性越好。 悬索桥由于其刚度较小，容易振动，可能导致行人走行不舒适，通过安装TMD调谐质量阻尼器可以有效控制结构振动，改善行人舒适度。

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摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 空间缆索体系悬索桥的发展

1.1.2 桥梁存在的振动问题

1.1.3 TMD的发展及应用

1.2 本文的研究意义和研究现状

1.2.1 研究意义

1.2.2 研究现状

1.2.3 本文研究方法及内容

第2章 空间缆悬索桥动力特性研究

2.1 引言

2.2 空间索面倾斜程度对动力特性的影响

2.3 跨矢比对动力特性的影响

2.4 桥塔刚度对动力特性的影响

2.5 加劲梁刚度对动力特性的影响

2.6 中央扣对动力特性的影响

2.7 本章小结

第3章 基于行人舒适度的动力响应分析

3.1 引言

3.2 有限元模拟

3.2.1 结构阻尼确定

3.2.2 移动荷载模拟

3.3 行人舒适度评价准则

3.3.1 各国舒适度准则研究

3.3.2 舒适度评价方法的比较

3.4 列车激励下行人舒适度研究

3.4.1 单向行车列车速度对舒适度的影响

3.4.2 列车双向行车时的舒适度研究

3.5.1 双向行车车队重量对舒适度的影响

3.5.2 双向行车车队间距对舒适度的影响

3.5.3 双向行车车队速度对舒适度的影响

3.6 列车与汽车车队共同激励下行人舒适度研究

3.7 本章小结

第4章 TMD振动控制研究

4.1 引言

4.2 周期荷载作用下结构动力分析

4.2.1 集中简谐荷载激励

4.2.2 移动简谐荷载激励

4.2.3 列车简谐荷载列激励

4.3 TMD减振原理及构造

4.4 STMD振动控制研究

4.4.1 STMD最优参数确定

4.4.2 子TMD放置位置研究

4.4.3 STMD对一阶竖弯抑振分析

4.4.4 STMD系统参数敏感性分析

4.5 MTMD振动控制研究

4.5.1 MTMD最优参数确定

4.5.2 MTMD对一阶竖弯抑振分析

4.5.3 MTMD系统参数敏感性分析

4.6 TMD系统鲁棒性分析

4.6.1 结构自身频率变化的鲁棒性分析

4.6.2 子TMD个数对抑振系统鲁棒性的影响

4.7 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的工程项目及发表的论文