摘 要

斜拉桥作为一种结构轻盈、跨越能力大的桥型，凭借其特殊的力学性能而在桥梁建设中被广泛使用。十多年间，在斜拉桥领域取得了很大的进步，并且渐渐向着大跨度斜拉桥的方向进步。在斜拉桥的研究领域中，对其动力响应的分析是很重要的一方面研究内容，因为在动力特征方面，与梁式桥相比较来说，斜拉桥有它自身的一些特征。随着斜拉桥桥梁跨度的增大，桥跨结构的自振特性、以及车辆荷载等冲击荷载引起的振动等动力学问题更为突出，斜拉桥在冲击荷载下的动力响应的问题的研究就更加重要。

本文结合某大跨度斜拉桥——西固黄河大桥，采用有限元软件MIDAS建立了该桥的空间有限元模型，对该桥在冲击荷载作用下所产生的一系列的动态响应进行了分析，也为大跨度斜拉桥的工程设计贡献了一些具体的理论依据。本文的主要内容和结论如下：

(1) 对西固黄河大桥进行了自振特征的分析，详细地描述了该桥的动力特性的相关内容。并且利用模型通过减少斜拉索以及不计索力等方式得出了自振频率等数据，通过数据比较分析了斜拉索成桥索力的计入与否以及斜拉索的数目对斜拉桥自振频率的影响。

(2)模拟了不同速度的车辆荷载通过桥面，得到了桥梁的动力响应曲线，并进行了一定的分析。

（3）在中跨跨中以及四分之一跨跨中施加集中力荷载对此桥进行瞬态动力分析，模拟了桥跨结构所产生的时间历程动力响应。

关键词：斜拉桥；冲击荷载；自振特性；车辆荷载；动力响应。

Abstract

Cable-stayed bridge is widely used in bridge construction because of its special mechanical properties. More than a decade, in the field of cable-stayed bridge has made great progress, and gradually toward the direction of long-span cable-stayed bridge. In the field of cable-stayed bridge, the analysis of its dynamic response is very important on the one hand, because in the dynamic characteristics, compared with the beam bridge, the cable-stayed bridge has its own characteristics. With the increase of the span of the cable-stayed bridge, the dynamic characteristics of the bridge-span structure, such as the vibration load caused by the impact load such as vehicle load, are more prominent, and the dynamic response of the cable-stayed bridge under the impact load Is even more important.

In this paper, a finite element software (MIDAS) is used to establish the spatial finite element model of the bridge, and a series of dynamic responses of the bridge under the impact load are analyzed. But also for the long-span cable-stayed bridge engineering design contributed some specific theoretical basis. The main contents and conclusions of this paper are as follows:

(1) The analysis of the natural characteristics of the Xigu Yellow River Bridge is carried out, and the relevant contents of the dynamic characteristics of the bridge are described in detail. And the data of the natural frequency are obtained by reducing the cable stayed cable and the cableless force. The data comparison is used to analyze the cable force of the cable-stayed cable and the number of cable- The effect of natural frequency.

(2) The load of the vehicle with different speed is simulated and the dynamic response curve of the bridge is obtained through the bridge deck, and some analysis is carried out.

(3) The transient dynamic analysis of the bridge is carried out by applying the concentrated load in the mid-span span and the quarter-span span, and the dynamic response of the bridge-span structure is simulated.

Key Words: Cable - stayed bridge ,impact load ,self - vibration characteristic ,vehicle load ,dynamic response.

目录

第1章 绪论 1

1.1 斜拉桥的发展 1

1.1.1 国外斜拉桥的发展 1

1.1.2 国内斜拉桥的发展 2

1.2 斜拉桥的动力研究意义 3

1.3 国内外的研究现状 3

1.4 本文研究内容 4

1.5 本章小结 4

第2章 MIDAS模型的建立 5

2.1 工程概述 5

2.1.1 桥梁设计概况 5

2.1.2 设计技术标准 5

2.1.3 大桥总体设计 5

2.2 主要材料 6

2.3 结构体系 6

2.4 斜拉桥模型的建立 6

2.4.1 结合梁模型 6

2.4.2 斜拉桥斜拉索模型 8

2.4 荷载和边界条件 9

2.5 本章小结 12

第3章 斜拉桥自振特性的分析 13

3.1 结构动力模型 13

3.2 特征值分析 13

3.2.1 特征值分析的概念 13

3.2.2 自振特性分析时注意的问题 13

3.3 斜拉桥的自振特性分析 14

3.3.1 斜拉桥自由振动特性分析的经验公式法 14

3.3.2 斜拉桥自由振动分析的三维空间有限元法 14

3.3.3 成桥状态下的斜拉桥自振特性分析 14

3.4 影响斜拉桥自振特性的因素 20

3.4.1 是否考虑成桥斜拉索力对斜拉桥自振频率的影响 20

3.4.2 斜拉索的疏密程度对斜拉桥的自振频率的影响 21

3.5 本章小结 22

第4章 斜拉桥的动力响应分析 23

4.1 移动荷载的时程分析 23

4.2 匀速车辆荷载通过桥面时的动力时程分析 23

4.2.1 匀速移动车辆荷载通过桥面的跨中挠度动力响应 24

4.2.2 匀速移动车辆荷载通过桥面时主梁的轴力的动力响应 29

4.2.3 匀速移动车辆荷载通过桥面时拉索索力动力响应 32

4.2.4 匀速移动车辆荷载通过桥面时主梁弯矩动力响应 35

4.3 冲击荷载作用下动力响应分析 37

4.3.1 冲击荷载作用下的主梁挠度动力响应分析 37

4.3.2 冲击荷载作用下的斜拉索索力动力响应分析 40

4.4 本章小结 41

第5章 结论与展望 43

5.1 主要结论 43

5.2 展望 43

参考文献 44

致 谢 46

第1章 绪论

1.1 斜拉桥的发展

斜拉桥还有另外一种叫法称之为斜张桥，斜拉索与主梁可以共同承担外荷载，再由桥塔将外荷载传至基础，这也就增大了斜拉桥的跨越能力。

1.1.1 国外斜拉桥的发展

在大部分人的认知当中斜拉桥出现的时间可能不是太早，但是实际上斜拉桥出现的时间还是比较早的，斜拉桥是由一开始的由藤索起到支承作用的桥梁逐渐改进演变得来的。早在十七世纪就已经出现了关于斜拉桥的设想，在那个时候意大利人是最早制得斜拉桥的设计略图的。1784 年完工的斜拉桥是一座主跨长度是32米的木头制造的斜拉桥，这也是世界上的第一座斜拉桥^[1]。在斜拉桥最初的发展历程当中，因为设计者对力学知识以及建设材料的了解不够使得斜拉桥发生了比较多的倒塌事件，后来高强度的材料慢慢被研究制得，斜拉桥又开始发展的越来越好，其中，德国在斜拉桥的发展过程当中起到了比较大的作用。

1938年来自德国的设计师迪辛格尔(Dischinger) 在汲取先人的不足之处以后，对一些理论进行了新的研究分析，选择适当的材料，得到了以前没有发现到的关于斜拉桥的一些优越之处，逐渐对斜拉桥展开了新的研究。1955年的时候，迪辛格尔设计成功的Stromsund 桥便成为了当时世界上首座有着现代含义的斜拉桥。那个时候刚好是二战以后，斜拉桥在当时作为一种新型桥不单单技术先进，而且外形上以及造价方面都有着很大的优越性。所以，当时斜拉桥出现了之后，很快就得到了人们的认可，并且越来越普及。斜拉桥发展了五十多年以后，其技术也越来越先进。根据当代斜拉桥的进步发展情况不难看出，对于20 世纪 70、80 年代出现的斜拉桥，其跨径的扩大没有什么太多的变革，然而自 20 世纪 80 年代中期以后，对于斜拉桥的跨径增大的发展的越来越快。与国外比较来说，我们国家的斜拉桥进步与发展的就要慢一些，主跨长度为76m的云阳桥是我国的第一座斜拉桥，是1975年在四川建造完成。我国在后来的差不多十年的时间当中一共建成了11 座斜拉桥，这些斜拉桥的跨径从最开始云阳桥的七十多米慢慢加到了到两百多米，即是在原来的基础上扩大了将近三倍左右。慢慢地，在汲取他国成功的经验的基础上，我国在斜拉桥领域也是发展的越来越快，越来越好。尤其值得一提的是苏通大桥，该桥设计跨径 1088 米，在当时处于世界第一，现在是世界第二大跨径的斜拉桥。其规模之大，工程难度之高都创造了我国斜拉桥建设的记录。这么多年以来所有的事实都证实了我国在斜拉桥发面的进步和成就。

1.1.2 国内斜拉桥的发展

我国的斜拉桥的发展相较于世界水平来讲就要慢很多，我国的第一座斜拉桥直到1975年才被建造完成，其主跨仅有 76m。但是在后期，我国斜拉桥的发展也是越来越快。在初期，因为计算机以及有限元分析软件的发展是比较慢的，接着到了1982年的时候建造完成的我国的第一座密斜拉索的斜拉桥--山东济南黄河大桥才打破了这一僵局。