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交通荷载作用下桥梁振动与噪声问题研究

作　者: 张鹤
导　师: 谢旭
学　校: 浙江大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 车桥耦合振动 低频噪声 瞬态噪声 地面声反射 降噪设计 异形钢管混凝土拱桥 斜拉索非线性振动 钢板梁桥
分类号: U441.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着交通运输的发展,交通荷载引起的桥梁结构振动问题日益突出,尤其是复杂异形桥梁的车桥耦合振动、交通荷载作用下斜拉桥及斜拉索的振动问题以及由车桥振动衍生的低频噪声问题等,这些问题为桥梁工程的相关理论研究提出了新的挑战。传统方法和理论模型已无法满足复杂结构、新结构、新问题提出的新要求,因此有必要发展新的理论模型和计算方法。本文针对复杂异形钢管混凝土拱桥,建立考虑吊杆局部振动影响的空间索-拱-梁组合有限元模型。针对吊杆采用空间铰接杆模型,并引入自由度凝聚概念,以吊杆基本振型代替索单元体系的所有自由度,从而克服传统以索单元直接计算吊杆振动所造成的计算效率低的缺点。以宁波长丰大桥的设计方案为对象,应用新型桥梁模型结合多质点体系车辆模型的车桥耦合振动理论,研究路面粗糙度、行车速度、结构阻尼对车辆轮压荷载、拱肋和主梁的挠度及拉索张力冲击系数的影响。针对中等跨径斜拉桥的交通振动问题,建立考虑拉索侧向振动的有限元方法,以杭州湾跨海大桥北航道桥为例,分析该类斜拉桥的交通振动特性和动力冲击效应。针对超大跨径斜拉桥的拉索振动问题,建立基于车桥耦合振动理论的柔性拉索在支点激励下非线性振动理论,以跨径1400 m的斜拉桥设计方案为对象,分析不同行车条件下钢和CFRP拉索的非线性振动响应,探讨CFRP拉索在斜拉桥中的应用前景。针对车桥耦合振动辐射低频噪声问题,本文开展了细致深入的研究。首先采用基于点声源的解析解法对简支钢板梁桥振动辐射低频噪声进行数值模拟,这里建立考虑剪切板影响的格子梁模型并采用有限单元法(FEM)计算得到车桥耦合振动响应。其次,针对桥梁辐射声场推导三维边界积分方程,并采用边界元法(BEM)进行求解并自行开发BEM程序代码,从而与钢板梁桥结构动力分析的FEM构成车桥耦合振动辐射低频噪声的FEM-BEM混合求解体系。最后,采用镜像法考察地面边界对声波的反射作用,综合评估车桥耦合振动辐射低频噪声在桥梁附近空间的分布特性和声压水平。将所提FEM-BEM混合求解体系用于简支和连续钢板梁桥车桥耦合振动辐射低频噪声的稳态和瞬态响应分析。通过与桥梁振动辐射噪声现场实测数据的对比,验证三维边界积分公式和BEM程序的正确性以及FEM-BEM混合求解方法的计算精度。给出了振动桥梁附近噪声水平的数值结果、声压的空间分布及其随时间的变化规律。详细讨论了路面粗糙度、车速度以及桥面距地高度的变化对声压水平和声场分布特性的影响。利用所提FEM-BEM混合方法开展桥梁减振降噪研究。以连续钢板梁桥为例,提出桥梁减振降噪设计方案,并采用该方法评估各方案的可行性和降噪效果,最终提出有效的减振降噪措施。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-14
第一章 绪论  14-32
  1.1 交通荷载引起的桥梁振动新问题  14-19
    1.1.1 异形景观桥的车桥耦合振动问题  15-16
    1.1.2 斜拉桥动力冲击效应和拉索振动问题  16-18
    1.1.3 交通荷载作用下桥梁振动引起的噪声污染  18-19
  1.2 国内外研究现状  19-29
    1.2.1 车桥耦合振动  20-24
    1.2.2 交通荷载作用下斜拉桥及斜拉索的振动  24-25
    1.2.3 振动辐射噪声  25-29
  1.3 本文的主要工作  29-32
第二章 车桥耦合振动计算理论  32-46
  2.1 桥梁运动方程  32-41
    2.1.1 薄壁结构空间梁单元  32-35
    2.1.2 空间索单元  35-38
    2.1.3 考虑剪切板的空间梁格单元  38-41
  2.2 车辆计算模型及运动方程  41-43
  2.3 路面条件的模拟  43-45
  2.4 车桥耦合振动分析步骤  45-46
第三章 交通荷载作用下异形拱桥冲击系数研究  46-60
  3.1 桥梁概况以及车辆行驶条件  46-50
    3.1.1 桥梁概况及车辆模型  46
    3.1.2 路面不平整条件  46-50
  3.2 计算结果及分析  50-58
    3.2.1 结构自振特性  50-51
    3.2.2 车轮轮压荷载和结构振动响应  51-53
    3.2.3 结构挠度和吊杆张力的冲击系数  53-57
    3.2.4 阻尼比对冲击系数的影响  57-58
  3.3 本章小结  58-60
第四章 交通荷载作用下斜拉桥冲击效应及拉索振动  60-92
  4.1 斜拉桥动力冲击效应分析  60-73
    4.1.1 桥梁概况及计算模型  60-63
    4.1.2 车辆模型及路面条件  63-64
    4.1.3 计算结果及分析  64-73
  4.2 大跨度斜拉桥拉索非线性振动  73-89
    4.2.1 计算理论  73-76
    4.2.2 桥梁计算模型及自振特性  76-80
    4.2.3 拉索计算模型及参数  80-82
    4.2.4 计算结果及分析  82-89
  4.3 本章小结  89-92
第五章 声辐射计算理论  92-116
  5.1 声学参量及声传播的基本假设  92-96
    5.1.1 运动方程  93-94
    5.1.2 连续性方程  94-95
    5.1.3 物态方程  95-96
    5.1.4 三维声波方程  96
  5.2 点声源的一般解  96-97
  5.3 基于Helmholtz方程的声辐射问题边界元求解方法  97-103
    5.3.1 控制方程  98
    5.3.2 边界条件  98-99
    5.3.3 微分方程的基本解  99
    5.3.4 边界积分方程  99-100
    5.3.5 积分核的奇异性  100-101
    5.3.6 声压和声功率  101-102
    5.3.7 边界积分方程的数值求解  102-103
  5.4 瞬态声波的边界元求解方法  103-113
    5.4.1 控制方程  103-104
    5.4.2 边界条件  104
    5.4.3 初始条件  104
    5.4.4 边界积分方程  104-107
    5.4.5 积分核的奇异性  107-110
    5.4.6 积分方程的时域积分  110-112
    5.4.7 积分方程的空间域积分  112-113
    5.4.8 瞬时声压  113
  5.5 地面边界的声反射  113-116
第六章 车桥耦合振动辐射低频噪声的点声源解  116-130
  6.1 计算方法  116
  6.2 桥梁概况  116-118
  6.3 计算模型及计算条件  118-120
  6.4 车辆计算模型  120-121
  6.5 计算结果及分析  121-128
    6.5.1 桥梁结构振动特性及计算模型差异分析  121-123
    6.5.2 桥梁结构振动响应  123-124
    6.5.3 桥梁振动辐射低频噪声  124-126
    6.5.4 路面条件的影响  126-127
    6.5.5 车辆计算模型的影响  127-128
  6.6 本章小结  128-130
第七章 车桥耦合振动辐射低频噪声的稳态分析  130-152
  7.1 桥梁概况  131-132
  7.2 桥梁计算模型  132-135
    7.2.1 主梁  132-133
    7.2.2 横梁  133-134
    7.2.3 纵肋  134-135
  7.3 车辆模型及参数  135-136
  7.4 计算结果及分析  136-151
    7.4.1 桥梁自振特性  136-139
    7.4.2 桥梁振动响应  139
    7.4.3 低频噪声实测结果  139-140
    7.4.4 理论声压精度验证  140-141
    7.4.5 声场空间分布  141-146
    7.4.6 地面声反射的影响  146-151
  7.5 本章小结  151-152
第八章 车桥耦合振动辐射瞬态噪声分析  152-164
  8.1 测点布置及路面条件  152-154
  8.2 桥梁振动响应  154-155
  8.3 噪声声压时程响应  155-157
  8.4 声场的空间特性  157-160
  8.5 行车条件的影响  160-163
  8.6 本章小结  163-164
第九章 连续钢板梁桥的减振降噪研究  164-184
  9.1 加强桥面刚度  165-171
    9.1.1 加固横梁  165-167
    9.1.2 加固纵肋  167-168
    9.1.3 SFRC加固桥面板  168-171
  9.2 降低桥头冲击效应  171-176
    9.2.1 加端横梁  171-173
    9.2.2 增加桥墩支座数量  173-176
  9.3 改善路面粗糙程度  176-183
  9.4 本章小结  183-184
第十章 结论与展望  184-188
  10.1 全文工作总结  184-186
  10.2 工作展望  186-188
参考文献  188-200
致谢  200-202
作者攻读博士学位期间发表的论文清单  202-203

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学 > 桥梁振动及减振设备
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