基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

自锚式悬索桥的面内稳定性

为完善自锚式悬索桥面内稳定性理论,首先通过结构稳定性的概念初步判定该桥型不存在面内分岔失稳的可能性;进而在自锚式悬索桥挠度方程中通过引入位移干扰量,以幂级数干扰位移形式反证其不会出现面内弹性分岔失稳;最后以实桥为例,通过数值模型按弹性及弹塑性稳定理论计算分析了桥梁的荷载系数、破坏模式等。结果表明:在挠度理论适用范围内,自锚式悬索桥不存在面内分岔失稳;数值分析结果显示该实桥面内分岔失稳由吊索断裂引起,超出挠度理论应用范围,而极限承载力能满足安全性要求。     

箱梁与缆索承重桥梁理论2020年度研究进展

在以大跨、轻质、高强为标志的现代桥梁结构中,箱梁与缆索承重桥梁结构是两大重要的分支。笔者曾系统综述其相关理论的2019年研究进展,具体包括波形钢腹板箱梁理论、传统箱梁空间分析理论、多塔悬索桥缆鞍相互作用、缆索承重桥梁极限承载力及UHPC技术在缆索承重桥梁中的应用5个方面,为了及时掌握相关的研究动态,对2020年关于以上内容的研究进行梳理与总结,并增加了缆索承重桥梁体系的最新发展。研究结果表明,结构体系的持续创新为精细化箱梁与缆索承重桥梁理论的不断深化提供了契机。