摘 要

随着计算机技术和材料科学的蓬勃发展以及斜拉桥设计理论的不断完善，斜拉桥在过去的半个世纪里实现了飞速发展，成为了建设大跨度桥梁时的首选桥型之一。在斜拉桥的整个服役期内，交通荷载为其主要承受的动力荷载之一，而斜拉桥在此荷载作用下的振动会影响到斜拉桥的使用与安全以及行车舒适性等，故而有必要对车辆荷载作用下斜拉桥的动力响应进行精确研究。

本文以湖北省襄阳汉江三桥为工程背景，在前人工作的基础上利用大型有限元软件ANSYS分析了襄阳汉江三桥的动力特性，揭示了其桥跨结构在动力荷载作用下的动力响应规律，为实桥使用安全性提供了可靠依据。本文主要内容和结论如下：

(1) 详细介绍了斜拉桥动力学的有限元数值分析方法，为后续章节的自振特性及动力响应分析提供了理论依据。根据襄阳汉江三桥的设计资料，编写了APDL建模命令流，采用AutoCAD三维几何线导入的方式，在ANSYS中建立了该桥的三维有限元空间杆系模型。

(2) 对襄阳汉江三桥进行了模态求解，对比分析了其前15阶的自振频率与振型，同时讨论了增设辅助墩、斜拉索的疏密程度和索塔划分粗细对该桥自振特性的影响。

(3) 在瞬态动力学分析中，采用了不同速度的移动荷载模型来模拟车辆以不同的行车速度过桥时斜拉桥的动力响应情况，以研究行车速度对于动力放大系数的影响；采用三角形脉冲荷载来模拟行驶中车辆由于桥面不平顺等原因对桥梁的冲击作用。分析结果表明，匀速移动荷载过桥时会引起动力放大效应，且放大效应与速度正相关；在冲击荷载作用下斜拉桥会出现显明的振动效应，且斜拉桥的动力放大效应比匀速移动荷载作用下的动力放大效应要大。

关键词：大跨度斜拉桥；ANSYS；动力特性；时程分析

Abstract

With the rapid development of computer technology and material science and the continuous improvement of theory of cable-stayed Bridges, cable-stayed Bridges have achieved rapid development in the past half century and become one of the preferred bridge types for the construction of long-span Bridges. During the whole service period of the cable-stayed bridge, the traffic load is one of its main dynamic loads. The vibration of bridge structure under the moving vehicle load will affect the use and safety of cable-stayed bridge as well as driving comfort. So it is necessary to accurately study the dynamic response of cable-stayed Bridges under vehicle loads.

Based on The Wolong Bridge in Xiangyang, Hubei province, this paper analyzes the dynamic characteristics of the bridge by using the large finite element software ANSYS on the basis of the previous work, and reveals the dynamic response law of the bridge span structure under the dynamic load, which provides a reliable basis for the safety of this bridge. The main contents and conclusions of this paper are as follows:

(1) The finite element numerical analysis methods of dynamics of cable-stayed bridge are introduced in detail, which provides theoretical basis for the analysis of natural vibration characteristics and dynamic response in the following chapters. According to the design data of The Wolong Bridge, the APDL modeling commands were compiled, and the three-dimensional finite element space beam model of the bridge was established in ANSYS by importing the AutoCAD three-dimensional geometric model.

(2) The modal solution of The Wolong Bridge is carried out, and the natural vibration frequency and mode of the first 15 steps were compared and analyzed. At the same time, the influence of adding auxiliary piers, the quantities of cables and the mesh size of cable tower on the natural vibration characteristics of the bridge is discussed.

(3) In the transient dynamic analysis, the moving load model is used to simulate the dynamic response of the cable-stayed bridge when the vehicle crosses the bridge at different speeds, so as to study the influence of driving speed on the dynamic amplification coefficient. The triangular impulse load is used to simulate the impact of vehicles on the bridge due to the unevenness of the bridge deck. The results show that the dynamic amplification effect is caused when the uniform moving load crosses the bridge, and the amplification effect is positively correlated with the velocity. The cable-stayed bridge will have obvious vibration effect under the impact load and the dynamic amplification effect in this situation is larger than that under the uniform moving load.

Key Words: Long-span cable-stayed bridge; ANSYS; Dynamic characteristics; Time history analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 斜拉桥的发展与展望 1

1.1.1 国外斜拉桥的发展 1

1.1.2 国内斜拉桥的发展 1

1.1.3 斜拉桥的发展展望 3

1.2 研究问题的提出与发展 3

1.3 本文主要研究内容 4

1.4 本章小结 4

第2章 斜拉桥动力学理论 6

2.1 动力学分析的内容及方法 6

2.2 斜拉桥动力学的有限元数值分析法 6

2.2.1 有限元数值分析法 6

2.2.2 结构自振特性的有限元数值分析 7

2.2.3 结构动力响应的有限元数值分析 8

2.3 本章小结 10

第3章 ANSYS有限元模型的建立 11

3.1 背景桥梁简介 11

3.1.1 工程概况 11

3.1.2 主要材料 11

3.2 斜拉桥有限元模型的建立 12

3.2.1 斜拉桥主梁模型 12

3.2.2 斜拉索模型 13

3.2.3 主塔模型 15

3.2.4 ANSYS模型建立流程综述 16

3.2.5 静力分析模型验证 17

3.4 本章小结 17

第4章 斜拉桥自振特性分析 19

4.1 襄阳汉江三桥自振特性分析 19

4.2 斜拉桥自振特性影响因素分析 22

4.2.1 辅助墩对斜拉桥自振特性的影响 22

4.2.2 斜拉索疏密程度对斜拉桥自振特性的影响 24

4.2.3 索塔单元划分对斜拉桥自振特性的影响 25

4.3 本章小结 26

第5章 襄阳汉江三桥瞬态动力学分析 27

5.1 瞬态动力学分析方法 27

5.2 匀速移动车辆荷载下的斜拉桥动力响应 27

5.2.1 匀速移动荷载作用下主梁挠度的瞬态响应 28

5.2.2 匀速移动荷载作用下主梁轴力的瞬态响应 30

5.2.3 匀速移动荷载作用下斜拉索索力的瞬态响应 33

5.2.4 匀速移动荷载作用下主梁与主塔弯矩的瞬态响应 35

5.3 冲击荷载作用下的斜拉桥的动力响应 38

5.3.1 冲击荷载作用下主梁挠度的瞬态响应 39

5.3.2 冲击荷载作用下主梁轴力的瞬态响应 40

5.3.3 冲击荷载作用下斜拉索索力的瞬态响应 41

5.3.4 冲击荷载作用下主梁与主塔弯矩的瞬态响应 42

5.4 本章小结 43

第6章 结论与展望 45

6.1 结论 45

6.2 进一步研究建议 45

参考文献 46

致 谢 47

第1章 绪论

本章主要讲述了国内外斜拉桥的发展及其发展展望，并结合国内外研究现状探讨分析了对斜拉桥进行动力特性研究的必要性，最后阐述了本文所要进行的具体分析事项。

1.1 斜拉桥的发展与展望

1.1.1 国外斜拉桥的发展

斜拉桥(Cable-Stayed Bridge)是一种利用斜拉索直接将主梁悬吊在桥塔上的桥梁^[1]，其构思是由早期的藤索支承桥梁演变而来的。意大利工程师Verantius于1617年建造了一座具有木质桥面，铁质斜拉链的桥梁，此桥为欧洲斜拉桥的雏形。在此后的100多年里，受技术水平与桥梁分析理论等的限制，斜拉桥并未取得实质性的发展，直至高强度钢材出现，斜拉桥又重新回到人们的视线中。

现代斜拉桥的发展始于20世纪前中叶，联邦德国工程师在斜拉桥的发展历程中发挥了举足轻重的作用。世界上首座被设计出的现代斜拉桥——Theodore-Heuss 桥出自德国桥梁工程师Leonhardt之手。世界上首座建成的现代斜拉桥Stromsund桥同样也出自于联邦德国。1959年，德国工程师G·Lohmer建成了主跨跨径302m的赛弗林大桥(Severins Bridge)，此桥是世界上第一座漂浮体系钢斜拉桥，它的出现为斜拉桥抵抗地震作用提供了新思路。由于斜拉桥是高次超静定结构，在电子计算机未应用于结构分析以前，斜拉桥的求解计算只能通过人工进行，其计算工作量相当繁重，故而早期桥梁工程师们所建造的斜拉桥均为超静定次数相对较低的疏索体系斜拉桥。疏索体系斜拉桥由于拉索数量较少，主梁仍需采用较高的截面且配筋较多，由此疏索体系斜拉桥的结构受力仍存在不合理之处。上世纪60年代初期，计算机的迅速发展使得密索体系斜拉桥的建设成为了可能，由此斜拉桥的发展迎来了一次质的飞跃——从疏索体系过渡到密索体系。经过半个世纪的发展，斜拉桥建造技术日益成熟，斜拉桥跨径的世界记录不断被突破刷新。迄今为止，在建斜拉桥的主跨跨径已突破1100m，其世界记录被主跨跨度为1104m的俄罗斯岛大桥保持着。

1.1.2 国内斜拉桥的发展

与国外相比较，我国现代斜拉桥的建设起步较晚，但在国内桥梁科技工作者的不懈努力下，我国斜拉桥建设事业飞速发展，斜拉桥建造技术现已跻身于世界前列，桥梁正在成为中国展示给世界的一张新“名片”。我国修建的首座斜拉桥为主跨跨径75.84m的四川云阳汤溪河桥，此桥修建于1975年。于1977年由法国桥梁专家J.Muller建造的主跨跨径为320m的混凝土斜拉桥(Brotonne Bridge)和于1978年由美国工程师Arvid Grant设计建造的主跨跨径为299m的混凝土斜拉桥(Pasco-Kennewick Bridge)为混凝土斜拉桥的设计树立了的典范，由此国内混凝土斜拉桥的建设得到了迅速发展。1980年我国建成了第一座预应力混凝土斜拉桥——三台涪江大桥^[2]，次年于广西建立了我国第一座预应力混凝土铁路斜拉桥——红水河铁路斜拉桥^[3]。1982年山东济南黄河大桥的成功建成才打破我国只有稀索体系斜拉桥的僵局，拉开了国内密索体系斜拉桥建设的序幕。