车桥耦合下钢桥面沥青铺装层动力响应研究

为了研究钢桥面沥青铺装层的动力响应,将车辆车体看成刚体并以匀速进行运动,车辆悬架与车轮均视为由弹簧和阻尼器所组成,将桥面沥青铺装层和钢板视为双层连续粘弹性薄板,并以铺装层表面不平度作为系统的附加激励,车辆和桥面铺装层间采用点接触模型,最终建立车辆-沥青铺装层-钢桥耦合动力学模型,进而采用Wilson-θ法求解系统方程组。在此基础上,应用Fortran语言实现模型的计算,并结合现场测试结果验证程序的准确性和可靠性。研究结果表明:对于钢桥面沥青铺装层,移动车辆产生的动力效应显著,随着后轴轴重的增加,铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间的最大剪应力呈线性增加;随着行车速度增加,铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间的最大剪应力上下波动变化,但两者均在60 km/h的行车速度下数值达到最大;桥梁跨径和桥面宽度对铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间最大剪应力的影响较为显著,桥梁跨径的影响尤为明显。     

混凝土梁式桥沥青混凝土桥面铺装层力学分析

本文结合实体工程,针对混凝土梁式桥沥青混凝土桥面铺装层的受力特点,利用ABAQUS软件建立模型,并通过对不同位置铺装层应力的分析,确定铺装层的最不利荷载位置,分析此处铺装层体系的拉应力和剪应力,确定控制铺装层破坏的力学指标,为桥面铺装设计提供力学理论依据。     

钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

沥青混凝土桥面铺装层破坏原因及预防措施研究

解决沥青混凝土桥面铺装病害的关键是加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研究,以明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数,为桥面铺装的设计提供指导。部分桥梁在通车不久桥面铺装就出现局部坑槽、角隅破坏、纵向裂缝等,给车辆的通行和桥梁的维修带来诸多不便,而且也大大降低了桥梁的使用寿命。针对公路桥面早期破坏的现象,本文分析了桥面破坏的原因,并提出了保证桥面质贡的具体措施。     

基于接触非线性的车-路耦合系统动力响应分析

采用四分之一车辆模型和三维线弹性沥青路面模型,借助ANSYS有限元分析软件,将车、路有限元模型通过接触单元联系在一起,进行了接触非线性瞬态求解。分析了车辆匀速行驶过一段路面时车-路耦合系统的动力响应特点。通过修改系统参数,计算分析了行车速度、路面平整度、基层模量、轮胎刚度、轮胎阻尼、悬架刚度、悬架阻尼等七个参数对车-路耦合系统动力响应的影响。最后分析了车-路耦合系统的共振问题。结果表明：在文章给定的路面结构组合下,最大纵向拉应力和最大横向拉应力均出现在基层和底基层结合处,容易导致疲劳破坏的产生;沥青面层层底剪应力是导致其破坏的主要原因;控制协调好车-路耦合系统中的各个参数,对提高路面寿命和行车舒适性有重要意义;车-路耦合系统的共振问题不容忽视。     

粘贴GFRP的钢桥面铺装层的剪切性能

大跨径钢桥由于桥面板厚度薄,容易出现推移、开裂等诸多病害。在桥面钢板上粘贴一定厚度的玻璃钢（GFRP）薄板,形成复合铺装结构,以提高铺装层刚度,延长铺装层使用寿命。采用ANSYS有限元软件,计算分析复合铺装结构的层间剪切应力分布状况,研究GFRP薄板的模量等对铺装结构受力的影响。结果表明,粘贴不同模量GFRP后,铺装层的应力、应变均出现了不同程度的变化。铺装层与钢板粘结处剪应力为未粘贴GFRP的1．44倍;剪应变减小为0．11％。但粘贴GFRP后铺装层层间最大剪应力和剪应变均大于未粘贴GFRP的铺装层,实际工程中应注重提高沥青铺装层的高温抗变形性能。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

复合浇筑式沥青钢桥面铺装层力学计算

钢桥面铺装的病害在大跨径桥梁上仍然很常见,钢桥面铺装已经成为制约大跨径桥梁发展的一个难题。本文采用有限元法对复合浇筑式沥青铺装层进行受力分析,将正交异性钢桥面板、铺装层作为整体,建立有限元模型,研究铺装层在行车荷载作用下的应力、应变规律。     

铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在特种活载作用下的力学响应

随着铁路钢桥跨径的增大,铁路采用柔性保护层的研究受到重视。从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发,建立高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护层-桥梁耦合体系有限元模型。通过典型铁路钢桥面系算例分析可见,保护层竖向位移、横向拉应力、纵向拉应力及钢板与保护层间剪应力峰值均出现在ZK特种活载中心作用于距横隔板1/4跨处(定义两横隔板之间距离为一跨);最大竖向位移发生在荷载作用的中心区域;最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域;钢板和保护层间最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域。此外,通过室内试验,验证环氧沥青柔性防水保护体系的抗拉和抗剪切强度满足理论分析结果和规范的要求。列车荷载作用下环氧沥青柔性防水保护层的力学响应及其分布规律,可为同类铁路钢桥桥面系保护层设计提供理论依据。     

基于OLSM的旧水泥混凝土路面加铺结构应力分析

针对开级配大粒径沥青碎石(OLSM)优良的抗变形能力,采用有限元法对基于OLSM的旧水泥混凝土路面加铺结构进行应力分析。结果表明:设置OLSM抗裂层后,在车辆作用,温度应力以及二者的耦合作用下,接缝处的最大主应力、等效应力和最大剪应力都有较大程度的减小。     

桥面跳车冲击过程下车-桥系统动力响应分析

为研究桥面跳车冲击作用下车-桥系统动力响应特征,以21自由度的4轴整车模型为研究对象,基于预设的障碍物几何模型,建立跳车过程下的车-桥耦合分析系统,并借助实际车辆跳车工况对所建立分析系统的适用性进行验证。结合有限元动力学分析方法,对跳车冲击过程中的车-桥系统力学性能进行分析。分析结果表明：所建立分析系统加速度分析结果与跳车试验测试结果吻合良好,所建立的跳车过程车-桥耦合分析系统具有良好的适用性;车辆驶过障碍物的过程中,车桥作用力最大波动值约为正常行驶的2.0倍,变化剧烈;跳车引起的驾驶不舒适体验与车速并非正相关,行车速度约为30 km?h-1跳车时的驾驶体验最差;各测点的动力响应在跳车时刻波动明显。     

地铁车辆交会对单洞双线隧道影响的数值模拟

为利用显示非线性有限元法分析地铁交会工况对南京某大型单洞双线隧道的影响,基于拟实建模方法,在LS-DYNA环境下建立了地铁车辆-单洞双线隧道-土体耦合系统的全三维有限元计算模型。模型非常接近真实情况,使用了接触方法来模拟轮轨之间,衬砌与土体之间的动力相互作用,使用了人工边界来模拟无限区域,还考虑了水压和土体预应力。对双车交会工况进行计算分析,得到单洞双线隧道在交会工况作用下的动力响应规律。结果表明:地铁交会产生的应力响应和位移响应都属于很小量级,隧道在交会工况下是稳定的。结果能为此类隧道的设计提供参考。     

车辆多轮随机动载作用下柔性沥青路面的应变分析

为进行车辆多轮随机动载作用下柔性沥青路面的应变分析,采用有限元分析软件ABAQUS建立考虑柔性沥青路面黏弹性的三维有限元模型,仿真计算车辆多轮随机动载作用下柔性沥青路面三个方向的应变响应,分析车辆多轴作用下路面应变时程变化特性,得到路面各点的最大应变。结果表明,在路面某一位置,三种沥青材料组成的沥青各层顶面和下面层底面产生的三个方向的应变大小及变化规律均不相同;沥青上面层顶面和下面层底面无论是路面长度方向还是宽度方向,各点的三个方向的最大应变均不相同,沿路面长度方向,中、后轴车轮荷载产生的应变大于前轴车轮荷载产生的应变,且横向应变大于纵向和垂向应变。研究结果可为柔性沥青路面结构设计与路面寿命分析及预测提供参考依据。     

随机车流制动状态下斜拉桥黏滞阻尼器振动控制研究

为了研究随机车流制动状态下斜拉桥的结构纵向响应以及黏滞阻尼器的振动控制效果,结合采集的交通荷载数据与交通流关键参数统计,建立3种车流密度的随机车流模型。其次基于车-桥系统耦合关系,利用改进折半查找法确定单主梁模型车辆荷载加载方法,编制单主梁模型车-桥耦合分析模块。通过建立的随机车流制动模型,对斜拉桥制动工况下结构纵向响应、纵向黏滞阻尼器振动控制效果和制动影响因素进行分析。结果表明:随机车流制动工况下,会产生相反方向的制动响应,且桥梁结构响应大于正常随机车流;纵向黏滞阻尼器可有效控制结构纵向位移,速度指数α越小,阻尼系数C越大,控制效果越突出,控制效率最大可达到90%左右;桥梁后半段制动响应和制动系数明显大于前半段的制动响应;制动车道越多,制动响应和制动系数越大;对于车流密度,制动产生的响应和制动系数大小规律为——密集流适中流稀疏流。     

考虑桥面等级退化影响的风-车流-桥梁耦合振动分析

综合考虑了车流随机性和桥面等级退化等因素,提出了一种新的分析模型,该模型能分析在役桥梁不同服役期间在交通荷载及风耦合作用下的桥梁动态响应。基于已有车辆模型,建立了一个可考虑车辆纵向振动的18自由度空间车辆模型,考虑邻近车辆影响基础之上的改进CA(Cellular Automation-元胞自动机)模型和桥面退化模型,并引入等效车轮荷载的方法,通过风、桥梁和车辆相互作用关系,建立了风-车流-桥梁系统的耦合振动分析模型。数值计算表明:该文所提出的方法能够合理的模拟风-车流-桥梁系统的耦合振动。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

双链式悬索桥在单车荷载下的振动特征

鉴于车体点头刚度对双链式悬索桥动态响应的影响很小,采用单个移动质量-弹簧-阻尼车辆模型,应用达朗贝尔原理和位移协调条件,推导出车桥耦合振动的运动方程。考虑几何非线性及桥面平整度因素,就车辆沿桥纵轴向中心行驶和偏心行驶两种工况,探讨单个移动车辆荷载对双链悬索桥振动响应的影响。针对不同车速、不同桥面平整度,分析了单个车辆对双链式悬索桥的冲击效应。引入主缆形状系数,将单链式悬索桥作为双链式悬索桥的特例,就双链式悬索桥和单链式悬索桥车振响应进行对比分析,揭示双链式悬索桥车振特征。双链式悬索桥车振响应特征的研究对该类桥设计选型、动力性能评估及动力加固设计都有积极的意义。     

大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型研究

建立了考虑整桥变形的局部梁段模型,对钢桥面铺装在整桥及车载作用下的应力进行了计算,得到整桥变形的影响系数为1.17。建立初拟的两种协同作用试验方案的有限元模型,以局部梁段模型中铺装的最大应力应变值为参考值,对两种协同作用试验方案中相关结构参数进行了修正;在此基础上,为保证设计的协同作用试验模型与原型的一致性,将修正后的试验模型与局部梁段模型在控制点位应力值进行了对比;最终得到大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型。研究成果可为钢桥面铺装室内试验模型的设计提供理论依据。     

锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁挠度计算方法研究

为探究锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁的结构力学行为及刚度退化规律，设计了3组不同应力幅作用的钢筋混凝土梁锈蚀-疲劳耦合持荷试验，分析了各试验梁的疲劳寿命及刚度演化规律。结果表明，钢筋、混凝土疲劳和钢筋的锈蚀耦合作用下，钢筋混凝土构件的疲劳寿命显著降低，疲劳梁和锈蚀疲劳耦合梁的挠度发展曲线均呈现“突增-稳定-突增”的变化规律，且锈蚀疲劳耦合梁在第二阶段的挠度发展速率要远大于同应力幅下的疲劳加载梁。该方法在既有规范基础上分别改进了现有疲劳梁和锈蚀疲劳耦合作用下结构的挠度计算方法，可以有效考虑钢筋疲劳作用、外荷载应力幅、混凝土模量退化、钢筋锈蚀等因素的影响，其计算值与试验值吻合较好，验证了该文提出的刚度计算模型的有效性。     

波浪冲击下充气式浮桥流固耦合数值模拟分析

采用多物质ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法对充气式浮桥进行多工况数值模拟分析,流体区域采用ALE描述,浮桥结构采用Lagrangian描述,并通过罚函数方法实现两者间的耦合作用。首先建立三维充气式浮桥-流体耦合动力学模型,并通过与波浪理论公式和物理模型试验数据对比,验证本文采用的数值造波和流固耦合建模方法的可行性;随后展开初始工况、移动载荷工况、波浪冲击工况下浮桥结构响应的计算和分析。结果表明:随着载重增加,囊体垂向位移和应力随着增加;相比于陆上工况,海上浮囊平衡时垂向位移增加,应力明显减小;波浪冲击中最大铰链接触力和最大囊体应力出现在浮桥两端,最大铰链弯矩出现在中段;随着波高的增加,囊体应力增大。