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大跨度悬索桥在非一致地震作用下的车—桥系统动力分析
摘要：
本文以大跨度悬索桥在非一致地震作用下的车-桥系统动力分析为研究对象，采用有限元数值模拟方法、动态方程和模态分析方法进行各项参数的计算分析，探讨了非一致地震作用下大跨度悬索桥在车-桥耦合作用下的动态响应特性和岛间地震、台风等多种环境作用下的动力响应特性。研究结果表明，大跨度悬索桥在非一致地震作用下的车-桥系统动力响应特性受到车辆质量、桥墩间距、桥梁刚度、悬索索力等诸多因素的复合影响，该复合影响在相互协调中体现悬索桥的抗震性能，适当进行钢缆调整可以有效提高桥的抗震性能。
关键词：大跨度悬索桥；车-桥系统；非一致地震；动态响应
1.引言
大跨度悬索桥是现代化、超大型桥梁建设的一项重要标志，具有超强的承载能力，被广泛应用于连通城市快速道路的桥梁建设中。然而，地震、台风、风暴浪涌等不确定性环境因素的影响，为大跨度悬索桥的抗震性能造成了巨大的挑战。而针对这一问题，国内外学者和工程技术人员们通过大量实验和理论计算，对大跨度悬索桥的抗震性能进行了研究和分析，以期提高大跨度悬索桥的抗震性能，避免由此带来的人员安全和财产损失。
2.研究背景
大跨度悬索桥作为一种超大型桥梁结构，对于减震、减振及抗风等工程设计应该注意以下几点：
（1）车辆质量。在大跨度悬索桥的抗震性能设计中，需要充分考虑车辆的总质量和行驶速度等因素对桥梁结构产生的冲击和摆动影响，通过在车辆重心位置和车轮布置方案中对桥梁舒适性和应力分布效果进行综合考虑。
（2）桥墩间距。悬索桥剪力和扭矩都集中在主梁上，桥墩间距过小会导致桥梁结构的构造受到影响，从而引起桥梁结构的抗震能力下降，需要通过优化桥梁主梁的结构抗震设计和合理的桥墩间距布置方案，提高桥梁的整体抗震性能。
（3）桥梁刚度。大跨度悬索桥的初始刚度与应力、道路及气动荷载等有关，其刚度特性会在车辆质量、桥墩间距、地震动力、风等外部作用下的耦合作用中形成较为复杂的变化规律，需要采用适当的模拟方法进行计算分析和设计，实现动态响应特性和耦合作用的合理研究。
（4）悬索索力。悬索索力是大跨度悬索桥中重要的关键因素，其计算精度对于仿真结果产生很大影响，需要通过合理的计算方法，在保证抗震性能的同时，尽可能提高大跨度悬索桥的横向和纵向承载能力，确保工程的安全性和稳定性。
3.数值分析方法
本文采用数值模拟方法对大跨度悬索桥在非一致地震作用下车-桥系统动力分析研究进行数值模拟计算。数值模拟的过程需要建立大跨度悬索桥的三维有限元模型，采用汽车加载特性曲线和地震动力学等参数进行仿真分析，将地震动力与汽车行驶模拟相融合，得到车辆和桥梁受到环境震动时的动态响应规律。接下来将对主要内容进行介绍。
3.1建立轨道车辆模型
本文采用了小型轿车模型进行轨道车辆模拟，选用高精度有限元方法进行处理。轿车模型参数如下表所示：
表1车辆模型参数
参数|数值
车长|4.6m
车宽|1.84m
车轴距|2.8m
车重|1500kg
3.2桥梁建模和协调方案
通过建立大跨度悬索桥的三维几何模型，采用有限元方法处理其初始刚度和刚度随时间变化的规律，确定桥墩的位置和悬索索力的计算方法。采用桥梁悬索索力调整方法，对悬索索力进行重新确定，优化桥梁结构的异性设计，降低动力响应变化率，并增强桥梁的抗震性能。
3.3模态分析方法
采用模态分析方法对大跨度悬索桥进行动态响应分析，计算桥梁的自然振动频率和振动模式，在这基础上获得桥梁和车辆的动态响应特性。同时进行多模态分析，并采用响应谱法对大跨度悬索桥在非一致地震作用下的动态响应进行预测和评估。
4.结论
通过建立大跨度悬索桥的三维有限元模型、采用有限元分析方法和模态分析方法进行研究和计算分析，得到了非一致地震作用下大跨度悬索桥动态响应特性的有力支撑。本文主要研究结果和建议如下：
（1）大跨度悬索桥的抗震性能，受到车辆质量、桥墩间距、桥梁刚度、悬索索力等多种因素的影响，各因素不应孤立考虑，需要协调解决。
（2）本文采用了悬索索力调整方法，提高了大跨度悬索桥的抗震性能，可有效地降低动力响应变化率，并增强桥梁的抗震性能。
（3）大跨度悬索桥的动态响应特性对于进行桥梁结构安全设计和抗震能力评估具有重要意义，本文的研究成果为大跨度悬索桥设计和抗震能力提升提供了参考和理论支撑。
参考文献：
[1]王婉琪,余庆杰,林春,《浅谈大跨度悬索桥模型试验和有限元分析法》，科技创新与应用，2017年第4期，p.36-38.
[2]蒋伟,陈建华，《汶川地震强度下大跨度悬索桥地震响应分析》，公路交通科技，2015年第8期，p.41-44.