边跨非对称的三跨悬索桥振动基频估算方法

为了快速计算不对称布置的悬索桥振动基频,基于双塔边跨非对称的三跨连续加劲梁悬索桥,在考虑不对称边跨对振动基频的影响下,采用Rayleigh-Ritz法分别推导了一阶正对称、反对称竖弯及扭转振动基频估算公式,并讨论了公式的通用性。将边跨不对称的三跨连续加劲梁悬索桥跨径相关的参数取极限即可得到简支单跨悬索桥的基频估算公式,最后通过有限元法验证估算公式的精度。研究结果表明:基于边跨非对称悬索桥一阶正对称、反对称竖弯频率的有限元解和文中解误差分别是9.2%和6.7%,而一阶正对称、反对称扭转频率的有限元解和文中解误差分别是5.0%和4.4%,表明推导的估算公式解与有限元解误差能满足设计阶段的要求。最后讨论了跨径相关系数变化对基频的影响,该公式可以方便指导边跨非对称的三跨或简支单跨悬索桥方案选择和初步设计。     

大跨度箱形钢拱肋气弹模型涡振试验研究

通过风洞试验研究了大跨度矩形钢拱肋气弹模型在均匀流场和紊流场中3种攻角(-3°、0°、+3°)、多种偏角(0°～90°)条件下的涡振响应.研究结果表明:均匀流场中,发现了稳定的一阶反对称竖弯和对称竖弯涡振,紊流场中未发现明显稳定的涡振;均匀流场中,一阶反对称竖弯涡振振幅很小,风速较低,锁定区也很窄;一阶对称竖弯涡振振幅很大,风速较高,锁定区也很宽;1/4断面涡振振幅大于拱顶断面涡振振幅;可以认为当偏角大于10°时,矩形拱肋不会出现涡振.     

爆炸荷载作用下悬索桥竖弯响应的数值模拟

针对大跨度悬索桥可能遭受的爆炸袭击,采用数值模拟方法研究了空中爆炸冲击波作用下悬索桥竖向弯曲响应。研究表明：悬索桥的竖弯响应过程可分为非稳态和稳态两阶段,所有构件的最大内力均发生在非稳态阶段。非稳态阶段相联构件间相互作用强烈,构件内力变化大。稳态阶段构件间的相互作用减弱,构件内力绕恒载值小幅波动。装药水平位置对加劲梁和吊杆最大内力影响显著,但对主索最大内力的影响不明显;加劲梁的最不利荷载位置在跨端,吊杆的最不利荷载位置在跨中     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

大跨度斜拉桥施工阶段抗风性能变化规律

大跨度斜拉桥是一种在风力作用下易发生变形和振动的柔性结构,其施工阶段结构抗风性能比成桥状态有所降低。采用数值模拟方法系统研究了大跨度斜拉桥单、双悬臂两大施工过程结构抗风性能的变化规律,包括结构动力特性及风致抖振响应。结果表明,随着单悬臂长度的增长,侧弯、扭转基频不断下降,侧弯基频降速较快,竖弯基频则在250m悬臂长度内呈现一个上升区段;随着双悬臂长度的增加,侧弯基频下降最快,竖弯和扭转基频下降速度呈现先变快后减慢的规律。当单悬臂长度在300m悬臂范围内,悬臂端部竖向抖振响应随悬臂长度基本呈线性增长;侧向抖振位移在200m悬臂长度范围内基本呈线性增长,超过200m之后,增速明显加快。当双悬臂长度在200m范围以内,抖振位移基本呈线性缓慢增长,当超过200m后,竖向抖振位移急剧增长,侧向位移增长速度亦加快,此时需充分考虑结构抖振响应对施工安全的影响。单悬臂端部抖振响应由主梁一阶模态起主要贡献,二阶模态亦有重要参与;双悬臂则以二阶振型,即对称振型起主要贡献。     

混凝土自锚式悬索桥竖向自由振动的理论研究

基于大位移非线性弹性理论的广义变分原理,考虑了加劲梁的压弯耦合、剪切应变能和扭转应变能的影响,建立了三跨自锚式悬索桥空间耦合自由振动的大位移不完全广义势能泛函,通过对竖向位移约束变分,推导出自锚式悬索桥的竖向挠曲振动微分方程,忽略非线性项的影响,进而得到线性振动微分方程。以一座主跨240m混凝土自锚式悬索桥为例,求出了竖向振动方程自振频率的解析解,并与数值解作了比较,吻合较好。这一理论和方法为自锚式悬索桥的固有振动特性分析提供可靠的理论依据。     

稳定型悬索桥空间非线性三阶段综合优化方法

针对稳定型悬索桥设计中的难点问题,建立其空间参数化有限元模型,提出先零阶再一阶的综合优化方法,考虑稳定型悬索桥的形成过程和几何非线性效应,分三个阶段对稳定型悬索桥进行逐步深入的优化。在优化的过程中,以跨中挠度为目标函数,以各种几何和应力边界为约束,以稳定型悬索桥设计中的关键因素,诸如缆索的初始张拉应变、吊杆的长度和桥塔的高度等为设计变量。另一方面,对零阶方法、一阶方法和综合优化方法的优化效果进行了比较研究。通过对稳定型悬索桥的全面优化,从而使稳定型悬索桥的受力和变形达到均匀而合理的状态。     

对称层合折板结构自由振动分析的移动最小二乘无网格法

提出了一种求解对称层合折板结构自由振动问题的移动最小二乘无网格法。以作者提出的折板无网格模型为基础,将对称层合折板结构视为由不同平面上对称层合板组成的复合结构。先基于一阶剪切变形理论,由移动最小二乘近似推导出各对称层合板的刚度和质量矩阵,再利用板与板间的位移协调条件,将各板的刚度和质量矩阵叠加得到整个结构的刚度和质量矩阵,推导出描述层合折板结构自由振动行为的控制方程。文末算例表明由本文方法得到的解与采用壳单元得到的ANSYS有限元解吻合良好,证明了本文方法的准确性。     

一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计

多点弹性支撑连续梁气弹模型是一种研究大跨桥梁主梁高阶竖弯模态涡激振动的新型气弹模型。为了使该模型的频率、模态质量和振型与原桥梁缩尺后的动力特征更好地匹配,提出了基于动力系统矩阵方程的模型参数优化方法。以模型的频率、模态质量和振型为优化目标,利用结构的振动方程,建立优化目标函数,采用最小二乘法获得芯梁刚度、弹簧刚度和附加质量的最优设计。通过数值分析对该方法进行了验证分析。以两座不同形式的悬索桥为例进行了该方法的可行性分析。研究结果表明:采用该方法设计的气弹模型能很好地与原结构相匹配。     

移动荷载作用下三塔悬索桥的强迫振动研究

针对泰州大桥开展结构动力特性计算,分析了不同移动速度以及不同移动荷载大小对于三塔两跨悬索桥结构动力响应的影响。结果表明,三塔两跨悬索桥的一阶竖弯振动基频约为0.08 Hz,远低于载重汽车的固有频率,不会形成共振条件。简单的移动荷载作用下三塔两跨连续支承悬索桥的内力、位移响应与同等静力荷载作用效果比较接近。移动荷载的质量越大、速度越大,结构的内力、位移响应就越大,并与车重呈近似正比例关系。结构内力、位移的荷载放大系数不随移动荷载质量的大小而改变。     

非一致激励对三塔自锚式悬索桥地震响应的影响

作为一种新型的桥梁结构形式,三塔自锚式悬索桥的静动力性能较传统双塔自锚式悬索桥更为复杂。由于其跨越能力较大,抗震分析中地震动空间效应通常不能忽略。以某三塔自锚式悬索桥为工程背景,根据实际场地条件拟合得到空间多点地震动时程,基于时程分析法研究了波传播效应、局部场地效应、失相干效应等地震动空间效应对三塔自锚式悬索桥地震响应的影响规律。研究结果表明:非一致激励会使得主塔内力增大、主塔索鞍抗滑安全系数下降、主塔纵向加速度和变形增大、主梁内力增大。因此,对于三塔自锚式悬索桥地震响应分析时应考虑多点非一致激励的影响。进一步研究表明,非一致激励对于各构件响应的影响程度不尽相同;即使对于同一构件,不同地震动空间效应的影响规律也相差较大。综上所述,非一致激励的影响规律十分复杂,需要后续更深入地探讨非一致激励对多塔悬索桥地震响应的影响机理。     

地震作用下千米级高速铁路悬索桥行车安全性研究

为研究地震作用下超大跨铁路悬索桥桥上列车的行车安全问题,以某主跨为1 120 m的公铁两用悬索桥方案为研究对象,采用虚拟横梁法建立了全桥梁格模型,并通过板梁组合模型验证了梁格模型的正确性。在此基础上,通过输入7条地震波,采用自主编制的列车-轨道-桥梁-地震分析程序TTBSAS进行仿真计算,研究了一致激励、行波激励下悬索桥-列车系统的动力响应特征,分析了列车过桥时的行车安全性。结果表明:对于悬索桥-列车系统,地震对桥梁和轨道动力响应的影响大于车辆;横向地震除了使钢桁梁主梁及桥上轨道发生大幅横向振动外,还会诱发主梁的附加扭转振动;不考虑地震行波效应会严重低估列车的行车安全性指标。对于这些计算条件,桥上列车行车安全性研究的最不利行波波速为500 m/s,在0.15g设计地震作用下列车通过主跨1 120 m悬索桥时的安全车速阈值为300 km/h。     

代换梁法在自锚式悬索桥上的推广应用

为了解决自锚式悬索桥活载内力计算问题,按照我国著名学者李国豪教授提出的代换梁法的基本原理,分析了自锚式悬索桥和传统地锚式悬索桥的构造和受力的不同点,对自锚式悬索桥提出了新的计算模型,由此导出了因活载对主缆产生水平拉力分量的计算公式,从而解决了确定自锚式悬索桥加劲梁内力的问题。通过一座桥例的分析,用该方法所得到的计算结果与空间及平面有限元法的分析值基本吻合。因此,该方法对设计具有实用意义。     

空间主缆自锚式悬索桥成桥状态的确定方法

基于空间主缆自锚式悬索桥受力的内在要求,明晰了成桥状态确定的总体流程;从主梁受力合理(弯矩合理)的要求出发,获得了成桥状态吊索合理竖向力的确定方法;在阐述空间主缆找形解析法基本方程和吊索竖向力确定方法的基础上,给出了能确保收敛的空间主缆找形和吊索参数计算的具体步骤和方法;根据成桥状态吊索仅在横桥向倾斜的条件,推得了空间主缆线形变化刚度计算的递推公式。从而建立了概念明确、思路清晰、便于编程的空间主缆自锚式悬索桥成桥状态确定的高效高精度方法。杭州江东大桥的工程实例表明了该文方法的高效率、高精度。     

悬挂式人行桥基频估算及考虑车致振动效应的行人舒适性评价

将人行桥作为车行主桥的悬挂结构,形成一个组合式桥梁,共同解决人车通行问题,然而这种结构形式在主桥车辆荷载激励下人行桥的振动舒适性还有待研究。首先推导了悬挂式人行桥的基频估算公式并通过有限元计算进行了验证,研究表明悬挂式人行桥的基频很大程度上取决于车行主桥的自振特性。采用分离迭代法对某悬挂式人行桥的车致振动响应进行了分析,结果表明车行桥路面粗糙度、车速、车流密度等都会显著影响车辆通过时桥梁的振动响应,车致振动引起的人行桥跨中竖向峰值加速度可达到仅人行激励引起的相应值的一半以上,悬挂式人行桥行人舒适性评价中应考虑会降低其舒适度的车致振动效应的影响。     

基于车桥耦合振动的车辆舒适性分析

研究车桥耦合振动引起的车辆舒适性问题对合理设计桥梁结构,从而减小车桥耦合振动响应和提高司乘人员的乘坐质量具有重要意义。分别利用有限元法和达郎伯原理建立了大跨度公路斜拉桥三维模型和9个自由度的车辆空间模型。通过位移和力的协调条件将车桥两个子系统耦合起来,求解车桥系统的振动微分方程。基于计算机软件ANSYS中的APDL语言编写了求解振动微分方程迭代计算的命令流,以ISO2631-1―1997标准建立了评价车辆舒适性的方法,并据此分析了主跨为550m的福建长门大桥在多车辆通过时考虑不同车速和车重时的车辆动力响应和车辆舒适性。计算结果表明,随着车速的增加,车辆的动力响应增加,舒适性变差;而随着车重的增加,车辆的动力响应减小,舒适性变好。     

大跨铁路斜拉桥模态特性研究

建立了大跨铁路斜拉桥的三维有限元整桥模型。利用子空间迭代法求解无阻尼自由振动的特征方程。分析计算了整桥频率和有车频率及其振型的变化趋势,模拟计算结果显示各阶有车整桥频率低于相应的无车整桥频率,并且振型也由整桥无车时,垂直面与水平面两个独立平面的振动,演变成有车时,竖向挠曲与横向弯扭的空间藕合,研究了不同停车位置和不同列车长度对斜拉桥的自振频率的影响,随着停车位置的变化,有车整桥频率发生波动,列车进桥、出桥时,整桥频率分别单调下降、上升;列车停于桥中和桥塔处,整桥频率出现驻值点,随着拖车数目的变化,有车整桥频率亦发生变化,一般趋势是:随着拖车数目的增加各阶有车整桥频率将会降低,而其变化趋势不受拖车数目影响。     

基于动力非线性有限元法的索-梁相关振动研究

根据考虑结构几何非线性的有限元动力时程积分算法,开发了有限元程序SD_FEM。使用该程序建立了精细的索-梁组合结构有限元模型,计算了结构的自振特性与结构在外部动力荷载作用下的振动响应。分别讨论了当整体结构自振频率与拉索局部自振频率有1:1、2:1和不成倍数关系时,索-梁相关振动导致拉索振动的状况。分析了数值计算结果,总结了索-梁相关振动的本质规律。