摘 要

斜拉桥是目前大跨度桥梁采用的主要结构形式，桥梁运营状态下受到很多外荷载的作用，移动荷载是桥梁承受的主要动力荷载。在移动车辆荷载作用下，桥面的振动会引起拉索的振动，斜拉索的振动反过来会影响桥面的振动，这就是索桥耦合振动。世界上已有许多斜拉桥被观察到了耦合振动现象，该现象对锚拉板疲劳、斜拉索使用寿命和桥梁的安全运营有着不可忽视的影响，目前研究斜拉桥索桥耦合振动的成果还不多。本文主要通过建立西固黄河大桥有限元模型来分析移动荷载作用下索桥耦合振动，重点分析拉索的局部振动对桥梁动力特性和振动响应的影响，主要从以下几点进行分析：

1． 利用大型有限元软件ANSYS建立西固黄河大桥OECS模型以及MECS模型，利用静态分析和模态分析进行模型验证，然后对比两模型的模态分析结果，数据表明MECS模型模态振型与OECS模型相应振型频率偏小；

2． 本文基于MECS模型采用静力法与瞬态分析法施加移动荷载，提取相关数据进行对比分析，两者结果基本吻合，表明模型建立的正确性以及采用瞬态分析法施加移动荷载正确性；

3． 本文对比基于OECS和MECS模型的振动响应，结果表明，采用MECS模型，桥梁的振动响应有明显不同，拉索局部振动对桥梁的振动响应会产生影响。在不同车速作用下提取基于MECS模型跨中和1/4跨的位移、速度、加速度进行对比分析，该结果表明车速越大，桥梁的速度、加速度和位移振动幅度越大。并且车速越大，跨中和1/4跨竖向最大位移出现的时间越早。

关键词：斜拉桥；移动荷载；索桥耦合；有限元；斜拉索

Abstract

Cable-stayed bridge is the main form of long-span bridges structure, which operated by many state under the action of external loads. Moving Loads is the main dynamic loads for bridge to withstand. In moving loads, bridge vibration can cause vibration of the cable. Stay cable vibrations will affect the vibration of the deck as return, which is the cable-deck interaction. Many cable-stayed bridge in the world have been observed in the coupled vibration phenomenon, which has influence on security operations of bridge, tensile anchor plate fatigue, cable-stayed bridge life and can not be ignored. There are few research results of coupling vibration of cable-stayed Bridges in. In this paper, we established the Xigu Yellow River Bridge in finite element model in order to analyze cable-deck interaction under Moving Loads, which focuses on the impact of local vibration on the cable bridge dynamic characteristics and vibration response. The main analysis are followings:

1. We establish Xigu Yellow River Bridge OECS model and MECS model by the finite element software ANSYS, using static analysis and modal analysis model validation. And then compare the two models modal analysis results, which show MECS modal and OECS model corresponding modal frequencies is small;

2. We use static and transient analysis method to extract the relevant data were analyzed. Both results are basically consistent. The results show the correctness of the model and the use of transient analysis is applied to Moving Load correctness;

3. This article compared the vibration response of OECS and MECS model. The results show that the MECS model is significantly different. Cable vibration response will have an impact on bridge. Extract of MECS role model at different speeds across the span and 1/4 of displacement, velocity and acceleration were analyzed. This result indicates that the vehicle speed increases, the amplitude of the vibration of the speed, acceleration and displacement will be greater. And the vehicle speed increases, the time of span and vertical span 1/4 maximum displacement occurs sooner.

Keywords: cable-stayed bridge; moving load; cable-deck interaction; finite element; cables

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 斜拉桥简介 1

1.3 索桥耦合振动研究现状 3

1.3.1 斜拉桥索桥耦合振动研究背景 3

1.3.2 斜拉桥索桥耦合振动研究现状 4

1.4 本文的主要工作 4

第二章 斜拉桥动力分析方法 6

2.1 斜拉桥的固有振动 6

2.1.1 桥面的固有振动 6

2.1.2 斜拉索的固有振动 8

2.2 动力分析方法 10

2.3 本章小结 13

第三章 西固黄河大桥有限元模型建立 14

3.1 ANSYS在本文中的应用 14

3.1.1 ANSYS简介 14

3.1.2 大跨度斜拉桥ANSYS建模常用单元 14

3.2 西固黄河大桥OECS模型 15

3.2.1 西固黄河大桥工程简介 15

3.2.2 构件模型及主梁截面换算 16

3.2.3 拉索弹性模量换算及成桥索力的迭代 19

3.2.4 基于OECS模型的静态分析 23

3.2.5 基于OECS模型的模态分析 24

3.3 西固黄河大桥MECS模型 27

3.3.1 MECS模型的建立 27

3.3.2 基于MECS模型的模态分析 28

3.3.3 MECS模型与OECS模型模态对比分析 30

3.4 本章小结 30

第四章 移动荷载静动力对比分析与验证 32

4.1 ANSYS中的活载加载 32

4.1.1 ANSYS中的活载加载方式 32

4.1.2 移动集中力分析 32

4.2 瞬态分析法施加移动荷载 33

4.2.1 车辆模型 33

4.2.2 瞬态分析法施加移动荷载 34

4.3 静力法与瞬态分析法对比分析 36

4.4 本章小结 39

第五章 移动荷载作用下索桥耦合振动分析研究 40

5.1 基于OECS模型与MECS模型的振动响应对比分析 40

5.2 MECS模型拉索振动响应分析 42

5.3 车速对MECS模型振动响应的影响 44

5.4 本章小结 47

第六章 结论与展望 49

6.1 本文主要工作及结果 49

6.2 研究展望 50

主要参考文献 51

致谢 52

附录A 53

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，随着桥梁跨径越来越大，刚度越来越小，材料越来越轻等，桥梁结构所承受的活载占总荷载的比例增大，同时，各种各样的动力问题接踵而至。斜拉桥是目前大跨度桥梁采用的主要结构形式，桥梁运营状态下受到很多外荷载的作用，主要有桥梁自重、成桥索力、移动车辆荷载等，桥梁自重、拉索索力影响桥梁成桥静力状态，移动车辆荷载是桥梁承受的主要动力荷载，因此对斜拉桥的动力分析主要是研究移动荷载作用下斜拉桥的振动响应。

斜拉桥的拉索一般由高强钢丝或者钢绞线制作而成，且拉索长度较大，因此拉索质量较轻、柔度较大、阻尼较小，在移动车辆荷载作用下桥面的振动会引起拉索的振动。目前，世界上已经有许多地方的斜拉桥被观察到了拉索的大幅度振动，这一问题逐渐引起人们的关注。并且由于城市的快速发展，城市车辆的客运量和货运量都有了极大的提高。由于城市桥梁承受的车辆荷载及其繁重，桥梁使用寿命大大减少，损害现象运来越多。移动车辆荷载对桥梁结构振动产生的影响已经成为影响桥梁使用寿命和安全运营不可忽视的因素。因此，移动荷载产生的索桥耦合振动问题越来越引起人们的关注，对该问题的研究也迫在眉睫。

1.2 斜拉桥简介

斜拉桥又叫斜张桥，是一种由梁、塔、索三种基本构件组成的主要起跨越作用的桥梁结构体系，属于组合体系桥梁，由于斜拉桥这种桥型的跨越能力较好，其跨径已经进入特大跨径范围。斜拉桥在世界范围内的应用从世纪年代开始，到年代得到迅速发展。随着高强材料的发展、施工方式的进步、结构分析方法以及防腐蚀技术的不断发展，大跨径斜拉桥的技术难题得以解决，因此得到了迅猛的发展。并且这种桥型已经在世界桥梁中占有较大比例。