【博士】地基—路面结构体系的静动力特性研究【2006】

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内容简介

　　学科专业：防灾减灾工程及防护工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：西安建筑科技大学　　学位年度： 2006年　　近年来随着国家投资政策向基础设施建设倾斜，全国公路、机场、码头的建设得到迅猛发展，与此对应基于地基一路面结构体系静动力特性的研究也越来越引起相关科研工作者的重视。过去人们对地基一路面结构体系的计算，应用最多的是以较粗略、较简单的Winkler模型为基础的计算方法。随着公路运输的快速发展，公路上各种重型车、特种车辆的猛增，车流密度增大，路面上各种车载等不确定因素的增加，使问题研究起来比较复杂，目前的研究成果还不能完全满足实际的需要。　　本文在分析研究国内外有关地基一路面结构体系分析方法及其研究状况的基础上，分别利用解析法(用重富里叶级数分析)、数值法(有限元一无限元耦合法)，对路面结构进行了静、动力特性分析，特别是建立了随机有限元一无限元耦合模型，给出了地基一路面结构体系在随机移动荷载作用下的随机分析计算方法及计算程序。其主要工作如下：　　(1)提出地基一路面结构体系解析分析理论和方法．把重富里叶级数法推广到分析基于弹性地基上薄板，中厚板，复合材料路面板结构在各种边界条件下静力、振动和屈曲问题。特别是振动和屈曲问题用了独创的解法，把此问题转换成矩阵的广义特征值问题，使计算极大简化。更重要的是能方便的解各种弹性支承问题，例如，点支承、变系数曲线支承和非匀质地基等。同时还把重富里叶级数解法应用到除矩形路面薄板以外的路面厚矩形板、路面复合材料矩形板、正交各向异性矩形路面板、各向异性矩形路面板以及各向异性平行四边形路面板等。　　重富立叶级数解法使用不多的原因是级数收敛慢，以前的作者或只作理论推导或将其转换成单富立叶级数解，这样就没有多大的使用价值。现在计算机已经很普及，并且性能已极大的提高，重富立叶级数收敛慢的问题己不再是问题，况且还采取了加快级数收敛的方法，使得重富立叶级数解能达到足够的精度。　　(2)提出了基于分区广义变分原理建立的解决路面板与基础相互作用中的接触与脱离问题的分析方法，从板-地基接触系统的分区广义势能泛函出发，通过建立和分析板单元区，地基单元区和连接板一地基的接触单元区的势能泛函，给出求解基础一路面结构体系受任意移动荷载作用下的动力响应问题的分区广义协调元法。　　求解了地基-路面结构体系在任意移动荷载作用下的动力响应问题。利用纽马克(Newmark)法经MATLAB编程叠代数值计算验证了文中方法分析地基～路面结构动力响应问题是有效的。　　(3)提出了弹性半空间体模式地基的静、动力特性的数值法计算方法．建立有限元一无限元耦合模型，给出了计算基于弹性地基上路面结构的静、动力特性的计算方法和计算程序。解决了以前单用有限元方法很难解决实际边界问题的难题，有利于工程实际的应用。　　(4)提出了弹性半空间模式地基上地基-路面结构体系的静、动力特性的数值法计算方法。路面板采用四节点矩形板单元有限元模型、板下基础利用三维8节点六面体模型，无限元区采取三维8结点单向空间无限元模型和7结点五面体双向无限元模型，板一地接触处采用接触元模型，根据达朗贝尔原理，建立体系的运动方程并对其静、动力特性进行分析。求解了弹性半空间体上矩形薄、厚板受任意移动荷载作用下的动力响应问题。利用编程计算出不同瞬时、移动动荷载作用在不同位置时地基—路面结构体系上各点的动力响应值。通过数值计算验证了的动力响应问题是有效的。　　(5)本文提出了基于弹性半空间体地基-路面结构体系的随机响应分析模式，同时考虑材料参数的随机性和车辆荷载的随机性，给出了随机有限元分析方法，完成了计算程序的设计。　　利用随机空间实体随机有限元-无限元耦合法对路面结构体系在移动荷载作用下的动力响应进行了研究。为路面结构体系设计提供了更为有效的计算理论和方法。　　

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