采用减震榫桥梁非线性动力学分析计算方法EI北大核心CSCD

针对采用新型减震榫的桥梁及支座动力学分析问题,建立了基于悬臂梁横向弯曲运动理论的非线性动力学模型,提出了一种基于广义?法的时间积分算法,能够充分利用准静态实验测得的支座力学性能曲线,通过数值计算得到支座在典型激励下的动力学响应。数值算例表明:新方法具有很高的计算精度,能够准确有效地求解减隔震支座非线性动力学问题。该文的工作可为进一步评估该支座的工作性能以及改进结构设计提供参考。     

斜向三维隔震支座的非线性力学性能试验及数值模拟研究

该文针对三维隔震结构较高竖向承载力和减震效果的需求,基于铅芯橡胶支座提出了斜向三维隔震支座,并基于铅芯橡胶支座的非线性力学本构模型,建立了考虑压缩应力及刚度衰减影响的三维隔震支座非线性竖向刚度计算模型。进行了倾斜角度分别为12°和15°的三维隔震支座模型力学性能试验,试验结果得到了该三维隔震支座滞回模型呈现出加载和卸载非平行特征,竖向刚度呈现非线性变化,以及角度和竖向位移对力学性能的影响规律。进一步对理论与试验结果进行对比分析,三维隔震支座的试验结果与理论计算值吻合。最后利用通用有限元软件建立不同倾斜角度的三维隔震支座数值分析模型,基于计算理论、静力试验及数值仿真结果分析了摩擦系数、剪应变、倾斜角度对三维隔震支座非线性竖向刚度的影响。     

多点激励下隔震桥梁非线性随机振动的时域显式迭代模拟法

由于地震动的随机性与空间变异性、隔震支座的非线性特征及其安装数目少的特点,隔震桥梁地震响应分析是一典型的多输入局部非线性随机振动问题。采用Bouc-Wen模型描述隔震支座的非线性恢复力,建立多点地震激励下隔震桥梁结构的运动方程,并将得到的非线性运动方程改写为关于状态变量的拟线性方程,基于精细时程积分法和龙格-库塔法构造拟线性方程及隔震支座滞回位移方程的时域显式降维迭代求解格式。再以此高效算法为基础,应用随机模拟法计算多点激励下隔震桥梁随机地震响应的统计量。数值算例表明,所建立的方法计算速度快、精度高,可用于实际桥梁结构的抗震性能验算。     

基于散体介质的振动摩擦系统动力学仿真分析

以非线性动力学、摩擦学为理论基础,对基于散体介质振动摩擦的非线性动力学特性进行了仿真研究。建立了振动工况下的含散体介质振动摩擦非线性系统的动力学方程,应用数值分析方法对建立的动力学模型进行了仿真计算。该研究结果为进行振动摩擦的非线性机理研究提供了理论参考。     

RC 隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

本文提出基于 GPU 并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性 MDOF 剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下 RC 隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明：10 层 RC 隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。     

新型形状记忆合金隔震支座设计与分析

利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）的独特性能研制合适的隔震装置是SMA在隔震领域应用的关键之一。本文利用SMA超弹性特性设计了一种超弹性SMA隔震支座;根据该支座构造及其工作原理推导了该支座的理论模型,进而建立了有限元模型,应用理论模型进行数值模拟并与有限元结果进行了对比;数值分析了SMA棒长度、SMA棒半径和SMA棒与水平向夹角等主要参数对SMA支座力学性能的影响。结果表明,本文设计的SMA隔震支座呈现出非线性滞回特性,合理调节支座各参数能够在一定程度改善支座性能     

非线性阶段次弯矩及其演化规律试验研究

采用基于割线刚度的等效线性化方法拓展了次弯矩概念,使其能够运用于非线性阶段。进行了4根无粘结预应力混凝土两跨连续梁受力全过程试验。研究结果表明,运用等效线性化方法可以将连续梁非线性阶段的支座反力分解成为预应力等效荷载引起的以及外荷载引起的两个部分,从而分离出次弯矩和外荷载弯矩。非线性阶段,无粘结预应力连续梁的次弯矩随预应力筋拉力的增长而增长。次弯矩折减系数随中支座截面受压区相对高度的增大而增大。承载力极限状态,非线性次弯矩在数值上大于初始次弯矩。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

多铅芯橡胶隔震支座非线性力学性能试验研究及其显式有限元分析

对应用于桥梁隔震的多铅芯橡胶支座进行非线性力学性能试验,并与理论计算结果进行对比分析。研究表明:多铅芯橡胶隔震支座性能稳定、受力性能良好、安装方便,是一种理想的桥梁隔震装置。在此基础上,采用显式有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分析多铅芯橡胶支座的非线性动态特性,建立铅芯橡胶支座的FEA(有限元)模型,针对支座中心加竖向荷载和水平向循环往复位移荷载,进行了数值模拟分析,其结果与试验曲线基本吻合,从而为确定多铅芯橡胶支座的动力分析参数提供计算方法,进而可为设计新型铅芯橡胶支座提供指导。     

板式橡胶支座滑动的地震响应分析

支座是桥梁中的支承部分,是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件,板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递完全靠接触面间的摩擦力作用,在地震作用下可能会发生滑动。通过建立单墩计算模型,对板式橡胶支座滑动的动力性能进行分析。为了克服由于板式橡胶支座滑动引起的梁体移位震害的不足,以一连续梁桥为研究背景,利用Midas软件进行了非线性时程反应分析,探讨目前板式橡胶支座桥梁所存在的问题,提出将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明：该方法能够有效地控制支座以及其上梁体的地震位移,减少落梁震害的发生。     

考虑SSI三种效应的桩基础RC梁式桥抗震性能评估方法研究

桩-土-桥动力相互作用是桥梁抗震研究的热点和难点问题,需合理考虑地基土柔度效应、运动学效应及阻尼效应的影响。本文采用基于性能点轨迹法的结构非线性静力分析方法,引入FEMA440针对土-结相互作用运动学效应、地基阻尼效应的地震动需求谱修正算法,探讨建立综合考虑桩-土相互作用三种效应的桩基础RC桥梁的抗震性能评估方法。以某高速公路RC连续梁桥为算例,分别以三种设计谱及相应的人工波为输入进行非线性静、动力方法验算对比,两个水准下的计算结果表明本文建议方法在补充考虑后两种效应后,地震响应略小于以考虑第一种效应为主的动力时程法,所建议方法能用于有效评估桩基础桥梁在预期地震需求下的抗震性能。     

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。     

地震作用下板式橡胶支座滑动引起的城市立交中的动力耦合作用

地震作用下具有不同动力响应特征的桥梁不同部位之间存在显著的相互作用。在城市立交设计中板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递靠接触面摩擦作用。橡胶支座与墩顶、梁底接触面地震作用下可能会发生滑动。以城市立交工程中一多跨简支梁桥为例,按照实际结构构造充分考虑材料非线性及连接构件的非线性等因素,分别以弹塑性纤维模梁柱单元、空间滑动支座单元和接触单元模拟桥墩屈服、支座的滑动、相邻结构之间的碰撞,通过非线性时程分析综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移,并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。     

Failure study of a bridge subjected to pounding and sliding under severe ground motions

Under strong ground excitations, highway bridge structures may experience severe nonlinear behaviors including the yielding and plastic deformation of pier members, and sometimes the pounding between adjacent decks induced by the local failure of hinge bearings necessary for restraining the girders. A kind of hinge bearing requires the use of steel dowels and is typical in many existing bridges. The objective of this study is to investigate why such hinge bearing did not function and how it contributed to the deck-falling failure of one particular highway bridge stricken by the 1999 Chi–Chi earthquake (magnitude 7.3) in Taiwan. To achieve this, incremental time history analyses for discrete dynamic systems are conducted on a group of models that incorporate sliding and impacting elements, to address nonlinear behaviors as a result of the failed bearing. Causes for discrepancy in bridge responses to seismic motions between the designed and the observed are disclosed by means of comparative study of models based on different scenarios. The study demonstrates that details of the bearing can significantly change overall behaviors of a bridge. In order to ensure the expected performance of a bridge during severe earthquakes, both designer and constructor should exercise caution.     

基于静动力的在役钻机井架承载性能研究

井架作为石油钻机的重要承载设备,其承载性能直接关系到整套钻机系统的安全运行。为了准确预测安全承载能力,综合考虑静动力学特性,提出了联合静动力的分层次模型修正方法。在灵敏度分析和工程经验的基础上,以反映结构性能参数的残差最小作为目标函数,构建优化修正模型,利用一阶搜索优化算法实现模型修正问题的求解。以某在役海洋钻井平台使用的井架为例进行分析,结果表明修正后的模型能全面、正确地反映结构的静动力特性,验证了该方法的可行性和必要性。基于此,利用修正后的模型动态模拟钻井加载工况、分析多遇地震响应以及进行偶遇极端工况下的双重非线性分析,从而预测了井架的失稳状态、破坏形式和极限承载能力。为在役钻机井架的安全承载能力预测和和抵抗突发恶劣工况的预报提供一个新思路,具有一定的实用价值。     

曲线连续梁桥支座模型对结构地震反应影响分析

针对桥梁结构分析中常将聚四氟乙烯滑板橡胶支座处理成理想活动支座而忽略滑板与梁底钢板间摩擦耗能作用问题,采用双线性模型及摩擦滑动单元分别模拟滑板支座进行非线性时程分析,获得支座及结构反应。分析结果表明,理想的活动支座模型会高估桥梁的地震反应,双线性模型与摩擦滑动单元模型分析结果接近;摩擦滑动单元能考虑支座竖向力变化对摩擦力影响及曲线桥支座负反力情况,更符合实际,适用性更广。     

弯斜拉桥中索的主共振研究

研究由弯斜拉桥桥面振动引起的斜拉索参数共振和主共振问题。将弯斜拉桥施工及成桥状态的复杂结构进行简化,建立索-曲梁组合结构力学模型,推导考虑拉索初始垂度及几何非线性影响的索-曲梁组合结构非线性动力学方程。将索与曲梁的连接方式处理为弹性支承。运用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和主共振,并对稳态解的稳定性进行分析,同时对斜拉索参数共振和主共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下拉索的时间历程曲线。研究结果表明:桥面的低阶振动频率在索的线性振动频率附近且激励幅值在一定范围内时,桥面的小幅振动能够激励起拉索的大幅运动,影响弯斜拉桥施工与运营的安全性。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。