本文是一篇土木工程论文，本文以钢箱梁曲线斜拉桥在运营过程中可能存在的问题作为研究背景，把移动车辆对曲线斜拉桥桥的影响作为切入点，对某钢箱梁曲线斜拉桥的力学性能进行分析，并模拟了现实中行驶车辆钢对箱梁曲线斜拉桥的动力响应。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着交通运输事业的快速发展，近几年来，城市立交、高架桥以及高速公路等桥梁的建设越来越多。在桥梁发展并不完善的时代，道路设计往往服从桥梁设计理念，近些年由于桥梁规模的不断扩大以及城市道路的发展规划，逐渐改变为桥梁设计服从道路要求的理念。我国地形多样，有些地区重峦叠嶂，沟壑纵横，一些常规桥梁无法满足道路需求[1]。由于道路线形的控制要求，曲线桥被大量应用，而曲线斜拉桥是其中的一种分支桥型。
曲线斜拉桥是应交通线路要求而精心设计的一类桥梁类型，该桥梁因其出色的视觉景观适宜布置在都市与山地的交通工程中，并在这些领域扮演着至关重要的角色。除了具备曲线梁桥与斜拉桥的结构特色，还拥有其独到的属性。它的桥梁主体需承担极大的侧向弯曲力，而其桥塔则由原本承担压弯作用的构件转变为承受压弯和扭曲力组合影响的构件，从而强化了在结构中拉索所承受的立体受力效应。在主梁承受不同受力过程中，曲线斜拉桥的内外斜拉索可以改善曲线主梁的受力特征，抵消掉施加在主梁的引起耦合扭矩的竖向恒载作用。所以，与普通斜拉桥相比，曲线斜拉桥表现出很强的空间作用效力，主梁和桥塔均为空间单元体，不能将其简化为平面结构进行计算分析[2]。
将曲线梁与斜拉桥相互结合，在结构分析上相对复杂，再加上复杂的环境因素，相比于普通桥型，其建设难度较大[3]。随着现代计算机技术的发展、材料革新以及桥梁施工技术的发展，曲线斜拉桥这种空间力学特性明显的桥梁形式逐渐得到应用，其良好的线路适应性和景观效果，在城市桥梁和山区桥梁建设中有十分良好的前景[4]。由于其结构的特殊性，受力相对复杂，因此，对其结构进行受力分析来保证其安全性十分必要。
1.2曲线斜拉桥的受力特点及发展现状
曲线斜拉桥是由上部结构索、塔、曲线梁和下部结构墩台、基础组成的结构体系影响斜拉桥结构各部分荷载效应最根本的因素是曲线梁、塔、墩之间的结合方式，不同的结合方式产生不同的结构体系。其结构特点如下[9-11]。
漂浮体系：桥墩和桥塔固结且与主梁脱离。横梁两端有支点，其余则通过钢索吊挂，形成多连续柔性悬挂结构，可微微纵向漂移。为控制横向偏移，桥塔与横梁之间通常使用含聚四氟乙烯的板状橡胶支座，即侧向约束支座。在承受满载荷的时候，桥塔顶部的梁段不会出现负弯矩极值；因梁体随桥塔缩减而下移，所以其受热、收缩和徐变引起的内应力较低。
半漂浮体系：在桥塔之上设置垂直支撑，形成具备多点弹性承载力的多跨连续桥梁结构。这类桥型结构常以一个固定支点和三个自由动支点或全部四个自由动支点出现，在大多数普遍情形下，优先选择四个自由动支点设计，目的是为了避免不一致约束造成的温度差异性问题。它的水平位移是通过斜拉索来限制的。本文工程背景所选用的桥梁结构为半漂浮体系。
塔梁固结体系：把桥塔与主梁固结并安置于桥墩之上，从而转换斜拉索为有弹性的承载体。在这种布局下，主梁的应力分布和弯曲程度与梁身和桥塔的抗弯性能挂钩。在这套体系里，通常只有单个塔柱配备固定型支点，而其余部分则配置成可沿桥梁轴向滑动的支撑点。
第二章钢箱梁曲线斜拉桥有限元模拟
2.1工程背景
本文以某一典型钢箱梁曲线斜拉桥为研究对象。其主要结构特征如下：
该桥上部结构为双塔双索面曲线斜拉桥，下部结构桥墩采用矩形花瓶墩、盖梁式花瓶墩，桥台采用肋板式桥台、桩柱式桥台，墩台基础均采用钻孔灌注桩。见图2-1。
该桥采用分离式路基设计，桥梁中线桩号为K93+454.323，全长495 m，共有4联，联跨布置为(25+60+120+60+25)+2×24+3×30+2×30 m，平面位于圆曲线，半径R：1100 m，右偏。顶板车行道区域板厚16 mm根据受力需要设置U肋。U肋厚度、高度、上下口宽以及横向标准间距分别为8 mm、280 mm、300 mm、184 mm以及600 mm。箱梁底板厚16 mm，设置平板肋，板肋厚度、高度、标准间距为16 mm、160 mm和400 mm。中腹板厚度、高度为14 mm、1968 mm；边腹板厚度高度为30 mm、1000 mm。边、中腹板均设置纵向I型肋。
2.2有限元模型的建立
桥梁的空间结构非常复杂：由上部结构和下部结构构成。有限元分析法是分析这类复杂空间结构的常用方法，但是在建立有限元的模型时完全按照结构实际的状态建立模型，不仅工作量巨大，而且计算效率得不到保证。于是为了在保证计算效率的前提下尽可能得到符合实际结构的分析结果，就需要在模型建立的时候对实际桥梁进行一定程度的假定与简化。经过大量的理论和试验验证，这种简化是可以满足工程设计中对精度的要求[51]。
桥梁结构简化必须遵循以下基本原则[52]：(1)桥的有限元模型须和其构造的特点相吻合，以确保计算结果的准确；(2)保证几何体系不变形，并且注意不能随意附加不符合桥梁实际结构的多余约束；(3)适当减少未知量数目，以减小工作量，节约计算的时间以及计算机存储空间。(4)尽可能保证能够符合材料性质的本构关系。
本文基于大型通用有限元软件ABAQUS，根据某一典型钢箱梁曲线斜拉桥相关图纸及设计规范，建立钢箱梁曲线斜拉桥有限元模型。全桥分为主梁、索塔、斜拉索及承台四部分，在ABAQUS中有很多不同种类的单元，在建立有限元模型时要根据结构特点及分析计算的需求选择合理单元。本模型使用shell单元、beam单元和truss单元三种类型的单元模型，模型中的索塔和承台均采用beam单元，主梁采用shell单元，斜拉索采用truss单元。斜拉索和主梁与索塔之间由于使用单元类型不同，选用MPC刚性连接，主梁和索塔之间设置支座。钢箱梁曲线斜拉桥有限元模型见图2-4，有限元模型所选用材料具体参数见表
第三章 车辆荷载作用下的曲线梁振动理论 .................. 28
3.1 数值积分方法 ................. 28
3.1.1 Newmark-β法基本原理 ................... 28
3.1.2 Runge-Kutta 法基本原理 ........................ 29
第四章 车辆荷载作用下钢箱梁曲线斜拉桥力学性能分析 ................ 41
4.1 车辆荷载作用下钢箱梁曲线斜拉桥主梁跨中截面动态响应 .... 41
4.1.1 车速的影响 ......................... 41
4.1.2 车重的影响 ........................... 42
第五章 多个车辆荷载作用下钢箱梁曲线斜拉桥力学性能分析 ........ 67
5.1 多个车辆荷载数量对钢箱梁曲线斜拉桥力学性能的影响 ........ 67
5.2 多个车辆荷载速度对钢箱梁曲线斜拉桥力学性能的影响 ........ 70
5.3 多个车辆荷载间距对钢箱梁曲线斜拉桥力学性能的影响 ........ 73
第五章多个车辆荷载作用下钢箱梁曲线斜拉桥力学性能分析
5.1多个车辆荷载数量对钢箱梁曲线斜拉桥力学性能的影响
为研究多个车辆荷载的数量对钢箱梁曲线斜拉桥桥动态响应的影响，设置车辆荷载数量为1、2、3、4、5，车辆荷载速度设置为15 m/s，间距设置为20 m，单个车辆荷载质量设置为15吨，桥面不平顺度等级设置为A，匀速行驶在钢箱梁曲线斜拉桥中线车道上。
图5-1为多个车辆荷载数量对主梁跨中位移大小峰值的影响图，由图可知：
主梁跨中位移随移动车辆的数量的增加而增大，呈正比例关系，且随车辆数量增加，位移的变化速度逐渐缓慢。主梁位移不会因车辆的增加出现急剧增长，导致位移过大造成结构损坏。
第六章结论与展望
6.1结论
本文以钢箱梁曲线斜拉桥在运营过程中可能存在的问题作为研究背景，把移动车辆对曲线斜拉桥桥的影响作为切入点，对某钢箱梁曲线斜拉桥的力学性能进行分析，并模拟了现实中行驶车辆钢对箱梁曲线斜拉桥的动力响应。得到的具体成果与结论如下：
(1)建立钢箱梁曲线斜拉桥有限元模型，采用建模软件SOILDWORKS建立钢箱梁模型并导入有限元软件ABAQUS中，在ABAQUS中建立索塔模型，使用truss单元模拟斜拉索，spring2弹簧单元模拟支座并连接各个部件，并根据设计图纸设置索力大小。
(2)利用有限元软件ABAQUS对该钢箱梁曲线斜拉桥模型进行静力分析，主梁的最大位移和应力均发生在跨中截面，塔顶处存在较大位移。通过静力分析找出不利截面的位置，为后文提供了参考。随后对其自振特性进行分析，钢箱梁曲线斜拉桥没有侧倾的状况，符合了安全性的要求。
(3)模拟车辆行驶在桥梁上时，采用控制变量法，研究了车辆行驶速度、车辆质量、桥面不平度及车辆偏载对桥梁的影响，结果表明：主梁跨中位移、塔顶位移、支座反力及斜拉索应力大小随车速增加而增大，且车速对主梁和塔顶顺向位移影响较其他方向大。当车辆质量改变时，各位置位移和应力与其呈现明显正比例关系。桥面不平度对主梁跨中、塔顶、支座处的影响较大，对斜拉索影响较小。车辆偏载工况对主梁、塔顶和支座处影响较大，内外支座的反力变化受车辆偏载的影响差别较小。
参考文献（略）
