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超大多主跨公铁两用悬索桥方案设计和抗震研究 学科专业：桥梁与隧道工程 授予学位： 博士 学位授予单位：西南交通大学 学位年度：2010
以琼州海峡超大多主跨公铁两用悬索桥静力特性和地震安全性研究为目的，采用改进虚拟梁法进行静力特性研究并提出静力可行的结构方案，利用自编程序进行结构方案的一致和非一致地震作用时程分析。针对规范要求编写基于虚拟激励法的功率谱法求解程序，并应用在结构方案的地面均匀运动和考虑行波效应的功率谱法分析中;基于首超破坏原理对结构和构件的地震安全性进行初步评估，最终得到结构方案在地震作用下的安全性和动力可靠度初步评价。本文主要有以下工作:
1.通过多次方案分析和对比，根据琼州海峡气象、水文、地质条件，提出了4X3000m超大连跨多主跨公铁两用悬索桥的一个结构方案。初步确定了满足铁路悬索桥要求竖向活载挠度小于11600的主缆面积和主要构件的尺寸以及结构布置形式。验算了方案在恒载、车辆荷载和横向极限风荷载作用下的强度和刚度，并对行车安全性和舒适性进行了评定。
2.根据主缆特性和大跨悬索桥主缆计算的基本原理对虚拟梁法进行改进，推导了与虚拟梁法相配合的相容方程。通过引入桥塔纵向刚度的概念，把改进的虚拟梁法应用于连跨多主跨悬索桥的求解中。并以此为基础，探讨了塔顶纵向刚度、中央扣、主缆面积、主缆容重和碳纤维主缆等对多主跨悬索桥竖向刚度的影响。针对公铁两用悬索桥行车安全性和舒适性对竖向刚度要求严格的特点，提出利用图选法确定公铁两用悬索桥合理跨径布置和主缆面积。
3.通过利用信号学原理对地震动的传播规律进行模拟，对经典的HOP方法进行了改进。改进后的HOP方法生成地震动时程不但具备局部场地收敛性且与给定的功率谱拟合更好，可以用在频谱密集型结构的抗震分析中。自编程序实现了改进的HOP方法，
并合成了琼州海峡多主跨公铁两用悬索桥抗震分析适用的多点地面加速度人工时程。利用简化的位移终值归零法对人工时程进行了校正，校正后的人工时程变化小，可以直接由于考虑静力位移的多点激励拟计算中。
4.引述了多点激励的动力平衡方程，以分析拟静力位移和动力位移的由来。根据多点激励逐步积分法的基本步骤，采用完全面向对象的思想，独立编写相应的有限元程序，并通过理论分析和商业有限元软件的计算结果验证了自编程序的准确性。编程中采用了多线程的运算技术并生成了相应的动态链接库:程序中的有限元环境和动力计算类，可以作为功率谱法编程的基础和基类。
5.根据基于虚拟激励法的功率谱法的原理，编程实现了一致和非一致地震激励下结构响应功率谱的计算、基于首超破坏原理编程实现对结构动力可靠度评价。针对长周期复杂桥梁非平稳时变功率谱计算效率低的现状，推导单自由度系统在突加虚拟简谐激励作用下响应的全解，并用分段解析法验证，以此提出了琼州海峡超大多主跨公铁两用悬索桥时变功率谱估计的简化计算方法。
6.分别计算结构方案在纵向和横向一致和非一致激励下的时程响应，可以认为研究方案在E2地震作用下满足设防目标的要求。根据规范的要求，分别计算研究方案在横向和纵向一致激励下的功率谱和纵向考虑行波效应的结构响应功率谱，根据功率谱的计算结果，基于首超破坏原理，对结构的动力安全性进行评价。不考虑结构的非平稳响应时，研究方案由于主缆设计比较保守，动力可靠度较高;桥塔采用混凝土材料本身的质量较大且抗压强度低，在纵向一致激励时可靠度较低，纵向非一致激励时动力可靠度满足要求。