考虑复杂空间力学效应的钢-混凝土组合箱梁桥-列车耦合系统动力分析

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钢-混凝土组合箱梁桥具有自重轻、跨越能力强、抗扭刚度大和施工周期短等优点,目前已广泛应用于国内外公路和铁路桥梁建设中。在运营阶段各种荷载作用下,钢-混组合箱梁表征出的界面滑移、剪力滞、约束扭转和畸变效应会影响桥梁结构的受力性能和行车安全舒适性,因此对考虑复杂空间力学效应的车桥耦合动力问题研究愈发重要,本文将对此问题开展深入研究。本文首先在Vlasov薄壁杆件约束扭转理论和Umansky第二扭转理论的基础上,引入界面双向滑移函数、扭转翘曲位移函数、混凝土板和钢梁剪力滞翘曲强度函数,建立考虑界面滑移、剪力滞、约束扭转和畸变效应的2节点26自由度有限梁单元模型。结合过往文献研究,通过算例对比分析验证了本文所提一维理论模型的准确性和适用性。然后,基于开发的有限梁单元模型,通过虚功原理推导了单元刚度矩阵和质量矩阵,依据Rayleigh粘滞阻尼理论得到阻尼矩阵,进而建立考虑复杂空间力学效应的钢-混组合箱梁运动方程。选用27自由度车辆模型,采用竖向密贴和横向简化Kalker线性蠕滑的轮轨关系,建立车辆运动方程。考虑轮轨位移接触条件和轨道不平顺,建立起考虑界面滑移、剪力滞、约束扭转和畸变效应的钢-混凝土组合箱梁桥-列车耦合系统动力分析模型。基于车桥耦合系统的时变性,使用Newmark-?法对车桥耦合系统运动方程进行求解。对比分析文献实桥实测数据和本文动力模型计算结果,验证了本文车桥耦合系统动力分析模型的准确性。最后,使用2节点26自由度有限梁单元模型对钢-混组合箱梁开展参数分析,研究了滑移刚度、剪力滞效应、扭转翘曲和横隔板数量对组合梁受力性能的影响。基于考虑界面滑移、剪力滞、约束扭转和畸变效应的钢-混凝土组合箱梁桥-列车耦合系统动力分析模型,开展车桥耦合动力响应分析,研究了界面滑移、剪力滞效应、扭转翘曲和畸变翘曲对桥梁竖向位移、加速度和车辆竖向加速度动力响应的影响,并分析了横隔板数量对畸变行为动力响应的约束效果,为钢-混凝土组合箱梁桥在铁路方面的设计和应用提供一些理论依据和数据参考。
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