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大跨刚架系杆拱桥动力分析
大跨刚架系杆拱桥动力分析
自工业革命以来，桥梁的建设水平一直在不断的提高。拱桥是一种建筑结构，以一定的半径曲线为轴，在另一端相对称地出现，两端之间为梁体，其整个构造呈一曲线形的自重式结构，广泛应用于道路、铁路、河流、山谷等地形之间的通行。而近年来，越来越多的大跨拱桥（跨度大于500米）被建造出来。这些大跨拱桥不仅要承受来自荷载、温度变化等外部因素的影响，还要考虑它们自身结构在强烈风威力下的动力响应。
在这篇论文中，我们将对大跨刚架系杆拱桥的动力响应进行分析。
1.桥梁基本情况
我们选取跨度为1000m，位于美国圣地亚哥的科罗纳多大桥作为本次研究的对象。这座桥梁建造于1969年，是一座具有里程碑意义的工程。
科罗纳多大桥的整体长度为2.12km，其中主跨1000m，两侧支跨各为330m。桥梁宽度为28.8m，由一条8车道高速公路和两侧的人行道组成。桥梁采用刚架系杆结构，桥墩采用钢筋混凝土结构。根据桥的设计方案，主拱最大高度为152.4m，宽度为7.62m。桥面坡度为2.5%，顶部高程跨度由4.26m变为9.14m。桥面两侧支撑拱的直径为3.66m，长度为69.20m，支撑拱上的斜拉索共计162对，每对长175m。斜拉索均为淡蓝色，形态独特，是科罗纳多大桥的一大特色。
2.桥梁的动力分析
在大桥的设计和施工过程中，通常会考虑到其性能在外部荷载下的动力响应。大桥受到的外部荷载主要包括车辆行驶荷载、风荷载、温差荷载、地震荷载和水流荷载。在桥梁的动力分析过程中，我们主要关注风荷载对桥梁结构的影响。目前，国内外研究表明，风是影响桥梁结构的主要外部荷载之一。
2.1风荷载的计算
根据国际桥梁标准，桥梁受到的风荷载大小是根据引起荷载的风速、荷载系数、路面形态、边界层的高度和反应其光滑度的表面参数等因素考虑而确定的。
风荷载的计算首先需要确定风速，通常可以根据气象观测数据来计算。其次，需要考虑荷载系数。国际上有两个标准：美国桥梁规范AASHTO（美国公路和运输官员协会）和欧洲标准EN。在本文中，我们采用AASHTO规范计算，荷载系数接近于1的情况下，增加荷载是不必要的。最后，需要考虑路面形态和边界层高度对风荷载的影响。
2.2动力响应的计算
接下来，我们需要计算桥梁在强风引起的横向摆动响应。桥梁的动力响应可以用自然频率和阻尼比等参数来描述。自然频率是桥梁在没有外部荷载时的固有振动频率，阻尼比是桥梁动力过程中能量耗散的比例。
对于刚架系杆结构的大跨拱桥，可以使用模态分析来计算其自然频率和阻尼比。模态分析是桥梁动力分析的一个常用方法，也可以用来计算桥梁的静载和动载响应。
3.结论
通过对科罗纳多大桥的动力分析，我们可以得出以下结论：
首先，风荷载是影响桥梁结构的主要外部荷载之一。在桥梁设计和施工过程中，需要考虑风荷载对桥梁结构的影响。
其次，模态分析是桥梁动力分析中常用的方法，可以用来计算桥梁的自然频率和阻尼比。
最后，刚架系杆结构的大跨拱桥具有较好的抗风性能。科罗纳多大桥的刚架系杆结构采用了斜拉索的支撑，可以大大提高桥梁的抗风能力。
总的来说，大跨刚架系杆拱桥的动力响应分析是桥梁设计和施工中非常重要的一环。通过对桥梁动力行为的分析，可以为桥梁的设计和建造提供重要的参考信息，保证桥梁的耐久性和稳定性。