在役大跨径曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析EI北大核心CSCD

为研究在役曲弦桁梁桥的动力性能和车桥振动响应,基于考虑跳车脱空时段的车桥耦合振动分析方法,进行在役曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析。以122 m跨径彩虹桥为计算示例,建立桥梁有限元模型,分析桥梁动力特性,并计算空间车队过桥动力响应,探讨车速、车辆数量、车队分布及路面不平度等因素对在役曲弦桁梁桥动力响应的影响。结果表明:桥面系竖向刚度相对较弱,桥面局部振动易被激发;桥面竖向振动及各动力响应随着汽车数量、布载车道数量增加而显著增大;桥梁下弦跨中位移冲击系数超过规范设计值,桥面振动程度较大;车辆中、后轮易发生跳车,路面等级越高,发生脱空次数越多,在路面等级良好状态下汽车也会出现跳车现象。     

车桥耦合数值模拟桥梁冲击系数随机变量的概率分布

把桥梁和车辆看作车桥耦合振动体系的两个分离子系统,基于ANSYS软件建立了车辆和桥梁的有限元模型。使用三角级数叠加以及离散傅里叶逆变换模拟了桥面不平度,采用分离迭代算法计算了车桥耦合系统的动力响应。通过对一简支梁桥车桥耦合振动的数值模拟,引入一种新的冲击系数计算方法,采用数理统计的方法得到桥梁冲击系数的概率分布及置信度为0.05的冲击系数。结果表明:桥面不平度对冲击效应的影响明显;使用三角级数叠加法计算路面不平度得到的冲击系数样本概率分布上服从正态分布,而离散傅里叶逆变换法获得的冲击系数样本服从极值Ⅰ型分布;离散傅里叶逆变换获得的冲击系数小于三角级数叠加法得到的,两者计算得到的冲击系数均大于规范计算数值。     

带弹性支撑多跨连续梁桥的车桥耦合演变随机振动

以中间带弹性支撑连续梁桥为研究对象,车辆简化为两自由度车辆移动系统,桥面不平度功率谱密度作为输入,建立了车-弹性支撑连续梁桥的耦合力学分析模型。采用转换矩阵法获取连续梁桥的模态函数,结合状态空间理论和演变随机过程一般理论,给出了整个耦合系统演变随机响应的分析方法,并结合数值算列,探讨了跨中支座条件、桥梁截面抗弯刚度、弹性支撑位置、车辆运行速度及桥面平整度对车桥耦合系统随机响应的影响。     

基于车桥耦合随机振动分析的钢桥疲劳可靠度评估

发展了一种基于车桥耦合系统随机振动分析的铁路钢桥疲劳可靠度评估方法,建立车桥耦合系统模型,选取车速和轨道不平顺作为基本随机变量进行随机振动分析,以此确定桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数的概率模型。在此基础上,建立基于S-N曲线法的疲劳极限状态函数并进行疲劳可靠度分析。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例进行了疲劳可靠度评估,并讨论了车速及轨道平顺性对构件疲劳可靠性的影响。结果表明:该文方法可有效用于铁路钢桥疲劳可靠度评估;受车速及轨道不平顺随机性的影响,列车引起的桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数均具有一定的不确定性,应视为随机变量,二者可采用对数正态分布表示;车速和轨道不平顺可显著影响桥梁构件的疲劳可靠性,疲劳关键构件的可靠度指标随着轨道平顺性增强而提高。     

特大跨缆索桥钢箱梁疲劳应力特性对比性研究

疲劳应力监测是特大跨缆索桥结构健康监测和安全评估的关键环节。研究发现,对于结构健康监测系统采集的海量应变数据,局部时段不能反映出应变的整体特性,且交通载荷和环境载荷在不同类型的大跨缆索桥如斜拉桥和悬索桥结构中产生的响应是不同的。为了对桥梁的实际运营状态和应力水平有总体而全面的认识,需要对采集数据进行统计分析。本文以润扬悬索桥和斜拉桥钢箱梁应变时程数据为基础,分析了半年内两桥疲劳应力谱的特征;拟合了各自的疲劳损伤增量的概率密度函数。研究表明：对半年样本容量的参数估计显示,润扬悬索桥和斜拉桥的相对累积损伤均不拒绝对数正态分布,且前者均值均高于后者。在相同的环境和车辆载荷下,由车辆和变温载荷所引起的总疲劳损伤增量,悬索桥高于斜拉桥,且前者为后者的两倍以上。考虑了噪声影响的应变时程比去除噪声后的应变时程所造成的损伤增量高出一倍。而耦合了引起材料热胀冷缩的温度变形的影响,其应变时程造成的累积损伤增量比不考虑其影响所造成的损伤增量高出30%。因此,需要严格控制随机干扰和温度变形的影响,将真实的动态应变信息加以提取后才能进行大跨缆索桥的疲劳状态评估。     

波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体动力冲击系数的计算分析

为合理分析和计算波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体的动力冲击系数,分别建立了波形钢腹板PC箱梁桥和车辆结构的振动方程,并根据车轮与桥面的接触关系形成两者耦合振动的动力方程。采用MATLAB和ANSYS软件分别建立了三维的车辆模型和波形钢腹板PC箱梁桥的有限元模型,并在考虑路面平整度随机激励的作用下,利用MATLAB软件求解了车桥耦合系统的动力方程,得到桥梁结点的位移振动响应;依据动位移与静位移的关系,计算出了波形钢腹板PC箱梁桥的局部及整体的动力冲击系数;对所求得的局部及整体动力冲击系数进行了不同车辆类型、不同车道数加载,不同行驶速度和不同路面情况下的参数分析,并与我国现行规范和美国现行AASHTO规范进行对比分析,最终提出了波形钢腹板PC简支箱梁桥局部及整体动力冲击系数的合理确定方法,所得结论可为波形钢腹板PC箱梁桥动力冲击系数的确定提供参考。     

考虑车桥耦合效应的大跨悬索桥钢-混组合梁疲劳损伤评估

为了研究不同疲劳车辆荷载作用下大跨度悬索桥钢-混组合梁的疲劳寿命,以及在考虑车桥耦合效应变化时运营期内钢-混组合梁疲劳损伤累积变化规律,以某主跨720 m的悬索桥为例进行了分析。基于局部梁段有限元模型静力分析确定了疲劳细节关注点,得出相应的应力集中系数;利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估;考虑车桥耦合动力效应分析了车辆载重量、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内的疲劳损伤累积的影响。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。不同部位疲劳细节关注点的累积损伤量变化趋势与速度的关系不太明确,行车载重量、交通量增长以及桥面铺装恶化均加速疲劳损伤累积的增长。     

变速车辆作用下拱桥吊杆的动态内力分析

中下承式拱桥的吊杆是重要的承重构件,同时也是最易发生破坏的构件。车辆荷载与桥梁结构的动力耦合作用,使吊杆在交变应力作用下发生疲劳损伤是吊杆破坏的重要原因。基于大型钢管混凝土拱桥结构,考虑路面不平度影响,采用三维多自由度车辆模型,进行变速车辆的车桥耦合模拟。重点针对变速车辆荷载对吊杆产生的轴向和弯曲作用进行了分析,讨论了吊杆截面不均匀分布的交变应力情况。结果表明,车辆的加速度将显著增大车辆对桥梁的冲击作用;短吊杆截面弯矩受车辆速度、加速度和路面不平度影响明显,通常横向弯矩大于纵向弯矩;车辆荷载导致的吊杆截面内动态应力分布具有显著的不均匀性,最大应力是最小应力的2倍,弯曲应力占比近30%。这些因素在这类桥梁的设计、维护、监测与评价中应予重视。     

子模型法在超大跨悬索桥钢箱梁应力分析中的应用

以国内第一大跨桥梁——润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,在对大桥整体结构进行非线性有限元分析的基础上,运用子模型法计算了该桥扁平钢箱梁各关键部位的应力。与实测数据的对比表明:子模型法计算结果准确可靠,能够较真实的反映大桥钢箱梁在各种工况下的受力状态,是分析超大跨悬索桥钢箱梁应力水平及其分布的有效方法。最后分析了该桥钢箱梁的受力特点,为同类流线形扁平钢箱梁的应力分析和设计提供参考依据。     

液压模块挂车刚柔耦合动态响应特性及摆臂疲劳分析

为了研究重型液压模块挂车动态响应特性及其摆臂疲劳强度的问题,基于有限元分析方法与刚柔多体动力学理论,建立挂车刚柔耦合多体动力学模型,以路面不平度作为仿真的激励信号,结合振动试验验证模型的准确性。对挂车在不同的运行工况下,进行动态响应仿真分析。将多体动力学仿真结果作为有限元分析的动载荷,计算获得疲劳分析所需要的应力时间历程,运用局部应力应变法对摆臂进行疲劳寿命预测。计算结果表明,摆臂应力集中部位出现在已发生断裂的断面位置及应力水平已进入塑性状态。挂车在B级、C级与D级路面下的运行,危险点的疲劳寿命均大于挂车使用年限。而在正弦形凹凸路面冲击下,危险点的疲劳寿命随正弦形幅值与车速增加而明显减短。根据仿真计算结果,可提出适用的运行工况以提高挂车运行安全性与运输效率。     

跨座式轻轨车与连续轨道梁空间振动分析

摘 要：提出了一种跨座式轻轨车与连续轨道梁空间耦合振动时域分析方法。桥梁采用常规有限单元模拟,跨座式轻轨车采用弹簧阻尼相连的多刚体模拟,可方便考虑走行轮、导向轮、稳定轮下轨道不平顺的影响,直接建立轻轨车－桥梁时变系统的空间振动方程,采用直接积分法同时求解轻轨车、桥梁的空间动力响应,并编制了相应的计算分析程序。以一联3×30 m的双线连续轨道梁为例,计算了轻轨车以不同车速通过双线轨道梁时全过程车桥动力响应。探讨了不同车速、单线行车、双线对开等不同工况对车桥动力响应的影响。计算结果表明：在设计行车速度下,轻轨车可安全舒适通过该连续轨道梁;桥梁具有良好的整体刚度。该方法可运用于跨座式轻轨车与其它大跨度桥梁的空间振动分析。     

基于模态测试的宽幅钢箱梁桥有限元模型建立、修正与分析

建立精确的宽幅钢箱梁桥有限元模型对此类结构的动力性能评估与结构设计有着重要的意义。建立了宽幅钢箱梁桥精细三维有限元模型,对宽幅钢箱梁桥不同施工阶段开展基于环境激励作用下的模态测试,采用随机子空间法与峰值拾取法识别桥梁的前十二阶模态,基于模态识别结果采用响应面法对桥梁有限元模型进行修正,详细分析了桥梁铺装层、邻跨等效质量对桥梁模态的影响。分析结果表明:建立的有限元模型具有较高的精度;铺装层会显著降低桥梁各阶自振频率,邻跨等效质量对桥梁的横向与扭转频率有显著的影响。     

混凝土连续曲线箱梁桥在多车荷载作用下的冲击效应分析

针对多跨连续曲线梁的车桥耦合振动问题,分别采用三梁式模型和12自由度的车辆模型对桥梁和车辆进行模拟,通过快速傅立叶逆变换采用三角级数方法模拟了桥面不平度及其速度项,考虑桥梁结构阻尼的影响,采用基于ANSYS的分离迭代算法研究了多个车辆荷载共同作用下连续曲线箱梁桥不同控制截面位置的内力和挠度响应的主要差异及其随车速的变化规律。研究表明：横向加载车道数对支点扭矩、跨中扭矩、支点弯矩和墩顶截面弯矩的最大动力放大系数有很大影响, 而对主梁的竖向挠度和墩柱的轴力最大动力放大系数影响很小;纵向加载车辆数对桥梁的冲击效应有很大影响;桥梁的动力放大系数随车头间距增大显著提高而最大效应则大大减小。研究结果可为多跨连续曲线箱梁桥的设计提供参考。     

考虑地形条件影响的车桥耦合系统地震响应分析

研究局部地形条件对地震作用下车桥耦合系统动力响应的影响。依据黏弹性边界理论,利用ANSYS建立了可以考虑局部地形条件的三维场地模型,并通过将输入地震动转化为作用于人工边界上的等效荷载来实现波动输入,得到考虑地形影响之后的桥梁各支点地震动时程曲线。将地震激励以速度时程和位移时程形式作用到结构上,编制计算程序,进行多点地震激励作用下的车桥耦合分析。以列车通过总长480 m的实际桥梁为算例,对考虑局部地形影响的车桥耦合系统地震响应进行了仿真分析。结果表明:考虑地形影响后,地震作用下桥梁和车辆的动力响应在峰值大小和峰值出现时间上均发生了改变,且其变化规律随桥梁所处的地形类型的不同而有所差别,说明进行车桥耦合系统地震响应分析时考虑局部地形影响的必要性。     

公路桥梁车桥耦合振动的简化算法研究

为了方便设计阶段桥梁动力性能的方案比选,避免进行复杂的车桥耦合振动计算,有必构造一种简化的车辆荷载数学模型,以利用现有动力计算软件进行快速计算。本文首先比较了人桥耦合振动和车桥耦合振动的共同点,分析了被广泛应用的行人荷载确定性数学模型的构成原理;在此基础上,分析了车辆动力荷载的组成部分,构造了车桥耦合分析中车辆荷载的确定性数学模型,并对各个参数的物理意义及取值进行了说明;最后详述了使用该车辆荷载的确定性数学模型,利用Ansys命令流结合APDL语言,计算桥梁在该车辆动荷载作用下的动力响应的方法。该方法基本概念清晰,包含车辆动荷载的主部分,且计算过程简单,有很大的研究价值和应用前景。     

基于随机振动模型的重载铁路拱桥吊杆应力冲击系数研究

为研究重载列车动力荷载作用下大跨度中承式拱桥吊杆的应力冲击系数问题,提出了基于车-线-桥耦合动力学和虚拟激励法的吊杆随机动应力分析方法。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统车辆模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题,建立了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该模型,以蒙华重载铁路某中承式拱桥为研究对象,研究了不同位置吊杆应力冲击系数的不均匀性,并分析了车速和轨道不平顺等级对吊杆应力冲击系数的影响规律。结果表明:吊杆动应力均方根峰值和应力冲击系数受轨道随机不平顺激励和车速的影响显著,并均随着轨道不平顺等级的降低而增大;吊杆最大动应力均值受车速影响较小。     

考虑桥面随机不平顺的桥梁动态响应研究

基于随机振动理论研究了桥面不平顺影响下,车桥耦合振动作用时的中小桥梁动态响应曲线。通过建立车桥耦合振动方程,基于虚拟激励法对重力引起的确定性激励和桥面不平顺引起的随机激励求解,得到了桥梁跨中挠度和应力响应的均值和标准差。运用 法则定义随机激励的确定值值域,分析了桥梁跨中位移和应力响应在不同车速和桥面不平顺等级作用下的特性,并讨论了动态响应曲线与准静态影响线的差异。结果表明：桥梁跨中挠度和应力标准差受车速和桥面不平顺等级变化的影响很大;桥梁动态响应值域范围很大,具有较强的随机性;相比准静态影响线,动态响应曲线更能体现车桥之间激励的耦合随机作用。     

波形钢腹板PC箱梁桥的车桥耦合振动分析及动力冲击系数计算

为了科学合理地确定波形钢腹板PC简支箱梁桥的动力冲击系数,依据标准车辆的车轮与桥面的接触关系建立了车-桥系统耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下,运用MATLAB软件编写了车桥耦合系统动力方程的求解程序,求得了波形钢腹板PC简支箱梁桥结点位移的振动响应,并进一步计算出了该桥型动力冲击系数的数值解。将求得的数值解与现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中动力冲击系数的规范值和文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式求得桥梁基频后获取的动力冲击系数进行对比分析。结果表明:在路面平整度为中的情况下,按照文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式在获取桥梁基频后求得的动力冲击系数,与JTG D60-2015规范中采用有限元法获取桥梁结构基频后求得的动力冲击系数以及与车桥耦合振动数值模拟获得的动力冲击系数值吻合良好,而与JTG D60-2015规范中给出的简支梁桥基频估算公式获取桥梁基频后求得的动力冲击系数有较大差异。     

变速车辆与路面不平弹性支撑桥梁的耦合振动分析

建立了适合车辆任意变速运动与任意路面不平函数的弹性支撑桥梁耦合系统的无量纲运动微分方程。作为其特例,研究了匀变速车辆与随机路面弹性支撑桥梁耦合系统,获得桥梁跨中的无量纲最大挠度、桥梁的动接触力扩大因子和车辆的舒适度随车辆的加速度、弹性支撑的刚度和路面不平度系数的变化规律。数值结果表明,车辆的加速度、弹性支撑的刚度和桥面的不平度系数均对桥梁有不同程度的影响亦对车辆的舒适度产生影响。     

车桥耦合振动下中承式拱桥吊杆汽车冲击效应

针对中承式拱桥短吊杆在实际工程中易疲劳断裂的问题,采用接触约束法实现车桥耦合振动响应的求解,以某中承式拱桥为背景研究不同类型车辆过桥时不同长度吊杆轴力的时变特性和动力冲击效应,对比分析出、入桥侧短吊杆冲击效应的差异和不同部位吊杆的疲劳损伤分布规律。研究发现：车辆过桥时吊杆最大的力学响应出现在车辆通过该吊杆时刻,但吊杆轴向应力会出现波动,且应力波动的高频分量多发生于车辆经过吊杆后的余振阶段;车桥耦合振动所导致的吊杆轴向应力波动频率和幅值随吊杆长度的减小而逐渐增强,相同条件下算例最短吊杆的疲劳损伤度为最长吊杆的3 倍;出桥侧主梁因受车辆荷载激励“方向性”的影响,导致出桥侧短吊杆的轴向应力冲击系数达到入桥侧短吊杆的2 倍,且出桥侧吊杆的疲劳损伤度和疲劳动力放大系数均表现出大于等长度入桥侧吊杆的趋势;吊杆的疲劳损伤度随着车重的增加而增加,46 t车辆作用下短吊杆疲劳损伤度可达到2 t车辆的40 000 倍以上。