公路与轨道交通载荷作用下隧道动力响应分析

为研究公路和轨道交通荷载共同作用下隧道的动态响应,本文引入微观交通流模型中的元胞自动机模型来模拟公路车流荷载,利用多体动力学模型来模拟轨道车辆荷载,以上海某公铁两用隧道为例建立隧道-土体系统的三维动力有限元模型,对公路和轨道交通载荷单独作用及共同作用时的隧道动力响应进行分析,获得了公铁两用隧道的动力响应规律,为其设计提供参考。     

基于实际运营车辆荷载效应的既有桥梁可靠度研究

基于京珠、粤赣、渝湛三条高速公路车辆荷载动态称重实测数据,采用蒙特卡罗法生成随机车流。将此随机车流加载于虚拟简支梁上,通过自编Matlab程序计算车辆荷载效应,并采用GPD分布拟合车辆荷载效应的尾部分布,结合极值理论、超越概率理论,构建了现实运营车辆荷载条件下剩余服役期内的荷载效应最大值分布函数。根据既有桥梁承载能力现状,分析了现实运营车辆荷载情况下既有桥梁结构的可靠度。得出目前既有桥梁在剩余服役期内可靠度偏低,致其安全性不足的结论。     

基于GPD模型的车辆荷载效应极值估计

桥梁的服役安全问题一直广为人们关注。过去由于缺少实地通行车辆数据,新桥设计和旧桥评估都采用规范中的荷载模型。动态称重系统(WIM)能够提供准确的车辆信息,但利用WIM数据进行设计基准期内最大荷载效应估计时,又面临着概率模型在高分位点上不准确的问题。为解决这个问题,该文提出基于GPD模型的尾部拟合方法,以实现对基准期内车辆荷载效应极值较为准确的估计。该方法首先依据车辆荷载过程的特点对GPD模型的表达形式进行改进,然后利用最小均方差准则(MSE)对GPD模型中的参数进行估计,并对截尾GPD模型进行合理修正,从而得到修正的GPD模型。利用该模型,该文对国内某大桥实测车流量数据进行了系统分析和车辆荷载效应极值估计,并与规范方法进行了比较。结果表明:该文提出的基于GPD模型的计算方法能够合理预测未来车辆荷载效应的极值,而规范方法在中短评估期内对车辆荷载效应的估计存在偏低的风险。     

实际车流荷载作用的混凝土梁桥可靠度评估

为了对在役混凝土梁桥在未来服役期的承载力失效概率进行评估,首先,基于实测随机车流数据,采用蒙特卡罗随机抽样的方法建立随机车流荷载模型;然后,基于经典Rice公式,建立桥梁车致荷载效应极值的概率分布模型;最后,考虑桥梁抗力的逐年退化,基于结构可靠度理论,详细给出了在役混凝土梁桥在未来服役时间内的可靠度评估方法及步骤。实际工程的应用结果表明：(1)经典Rice公式对桥梁车致弯矩界限跨阈率的拟合效果很好,依此建立的桥梁车致弯矩极值概率分布模型有效可靠;该研究给出的在役混凝土梁桥可靠度评估方法在实际工程中应用方便,可获取在役混凝土梁桥在未来服役期的承载力失效概率、承载力达到目标可靠指标的时间节点及桥梁可靠性能冗余度;(2)中小跨径混凝土梁桥在随机车流荷载作用下的弯矩界限跨阈率取决于过桥车辆数量,而受车辆间距的影响较小;(3)随着桥梁服役时间的增加,桥梁车致荷载效应极值的均值增大,标准差逐渐减小;桥梁抗力的均值和标准差随着桥梁服役时间的增加而逐渐减小;(4)混凝土梁桥中直接承受车辆荷载作用的主梁,其承载力失效概率大于非直接承受车辆荷载作用的主梁,其中边梁承载力失效概率最大;(5)混凝土梁桥的承载...     

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。     

泰州大桥中间塔鞍座抗滑安全评估

在分析鞍座抗滑机理的基础上,建立了基于最大静摩擦系数的三塔悬索桥中间塔鞍座抗滑基本评估模型,并发展了多种鞍座抗滑评估方法。包括基于目前使用的设计规范评估鞍座抗滑安全的确定性方法;基于静态车辆数据合成随机车流,并利用Rice公式外推其荷载效应极值,进而研究鞍座抗滑安全性能的评估方法;以及基于车辆荷载效应和抗力概率模型的鞍座抗滑概率评估方法。用上述三种方法分别对泰州大桥鞍座抗滑安全性进行全面评估,表明泰州大桥中塔鞍座抗滑安全可靠。     

交通量持续增长下大跨桥梁时变极值外推分析

随着交通运输行业的迅速发展,持续增长的交通荷载逐步成为威胁既有桥梁运营安全的重要因素。为了研究现有交通荷载持续增长对大跨桥梁安全水平的影响,提出考虑交通量区间增长的车载效应极值外推方法,采用基于"时间离散"和"极值概率串联"的改进Rice公式捕捉交通量持续增长导致极值概率的时变特征,由两个数值算例验证考虑交通量增长的时变极值外推的精确性。基于某高速公路实测车流数据模拟了随机车流,预测了车流量线性增长下悬索桥运营期内的最大位移。研究结果表明:交通量增长导致荷载极值时变特征显著,基于独立同分布假定的经典极值理论与Rice公式均无法准确地对拟合高尾极值,而改进Rice公式可精准拟合并外推极值;在交通量年增长系数为1%~3%时,某悬索桥设计基准期内的车载效应放大系数为1.30~1.98;若交通量年增长系数大于3%,则该桥梁1000年重现期的最大位移将大于设计标准值。     

基于车辆荷载效应截尾分布的桥梁限载分析方法

根据车辆荷载效应右截尾分布模型, 提出一种基于结构可靠度理论的中、小跨度桥梁限载分析方法。首先以规范规定的车辆荷载效应分布为原始分布, 构造右截尾的车辆荷载效应概率密度函数;然后, 假定抗力、恒载效应及车辆荷载效应为相互独立的随机变量, 建立了考虑车辆荷载效应右截尾分布特征的限载系数反演模型;继而, 通过分析车辆荷载效应均值变化对限载系数的影响规律, 提出了理想抗力桥梁条件限载系数的确定方法, 并讨论了条件限载系数对车辆荷载效应变异系数与分布类型的敏感程度;最后, 根据原桥梁规范受弯构件承载能力设计表达式, 计算了按原规范设计桥梁的条件限载系数。结果表明, 桥梁限载取值仅与设计荷载等级、容许失效概率以及设计采用的活恒载比值有关, 而与车辆荷载效应的统计参数关系不大。所提限载分析方法可为中、小跨径桥梁提供具有一致可靠度水平的限载取值。     

考虑非平稳因素的混凝土桥梁概率极限状态评估

为建立混凝土桥梁构件的概率极限状态评估方法,借助等超概率原则分析我国在役桥梁构件评估周期及评估基准期,引入个体风险准则、社会风险准则、生命质量指标及成本优化方法确定构件运营阶段目标可靠指标,分别考虑非平稳及平稳概率模型进行荷载效应及抗力评估值确定,基于可靠度理论开展运营阶段评估分项系数校准,并以一座在役桥梁为例进行算例分析。结果发现:考虑我国在役桥梁运维实际情况,构件评估周期、评估基准期可分别取为6年、10年;对于一级、二级、三级延性破坏构件,评估目标可靠指标分别建议为3.37、3.13及2.85;采用一般运行状态或密集运行状态下平稳车辆荷载效应模型进行评估时,评估标准值可分别取为设计汽车荷载效应的0.705倍及0.805倍,考虑非平稳车载过程进行评估时,可在连续非平稳过程离散化的基础上,引入动态广义极值模型确定评估基准期内荷载效应最大值分布,并以0.95分位值作为评估标准值;对于重要性等级为一级的延性构件,恒载效应及抗力评估分项系数分别建议为1.056与1.194,一般运行状态与密集运行状态汽车荷载效应评估分项系数建议值分别为1.081与1.054,研究成果可为现行桥梁构件安全评估方法修订提供参考。     

基于BP神经网络的桥上移动荷载分阶段识别方法

移动荷载识别可作为桥梁损伤机理研究的基础,同时为交通规划提供可靠的车载信息。提出了一种基于BP神经网络的桥上移动荷载的分阶段识别新方法。建立了桥梁有限元模型和2自由度5参数车辆模型,模拟生成了神经网络训练样本。采用分阶段识别技术,分步识别了桥上车辆的位置、速度和荷载。在神经网络设计中,利用正交设计法选择训练样本集,采用正则化方法对误差性能函数进行修正,并采用遗传算法对初始权进行了优化。数值仿真了一简支梁桥的移动车辆荷载识别,并通过模型试验进行了验证。结果表明:所提出的方法能够在线、实时地识别桥上移动车辆荷载,识别精度高、收敛速度快,且具有较强的鲁棒性和抗噪能力。     

基于长期监测的特重车流作用下桥梁动态放大系数研究

基于桥梁监测系统记录的特重车交通荷载数据研究了特重车过桥的空间动力响应和动态放大系数。首先利用某高速公路大桥安装的交通信息采集系统和动态称重设备(WIM)实时采集数年的交通荷载信息形成与实际车流特征相符的随机车流样本,定义并提取特重车交通荷载工况。其次,建立公路桥梁典型车辆动力分析模型库,推导了各典型车型的质量、刚度、阻尼矩阵,并将典型车型的车辆动力分析模型嵌入到自行研发的随机车流-桥梁耦合分析软件BDANS(Bridge Dynamic Analysis System)。最后以一座6跨连续T梁桥为工程实例,计算了特重车交通荷载作用下桥梁的空间动力响应和动态放大系数,研究了动态放大系数与路面粗糙度、纵梁的横向位置以及车重的变化关系。结果表明,动态放大系数随路面粗糙度的增大而增大,随车重的增大而减小;车辆直接作用位置处的纵梁动态放大系数小于远离车辆作用位置处的纵梁;特重车交通荷载下桥梁的动态放大系数比按照规范确定的动态放大系数小。     

静载试验在公路桥梁中的应用研究

采用等效荷载试验模拟组合体系桥梁在最不利荷载作用下的工作状态,验证设计理论、计算方法及桥跨结构设计的合理性,评价桥跨结构在设计使用荷载下的工作性能,预测桥梁运营的状况,为桥梁维修、管理提供技术依据.     

基于结构可靠性理论的既有桥梁承载能力评估

由于长时间的使用、超载、环境侵蚀以及性能劣化等人为或自然因素的作用,既有桥梁在服役期间会出现各种结构损伤。如何对其承载能力及安全性能进行评估已成为世界各国桥梁工程界普遍关心的热点问题之一。该文简要介绍了用于既有结构安全评估的结构可靠性理论,并在该理论框架下分析了既有桥梁评估的特点和与新建桥梁设计的不同之处。在此基础上,讨论了结构可靠性理论在既有桥梁评估规范当中具体应用,并具体比较了中美两国桥梁评估规范间的异同,指出:1)依据实测的材料强度、几何尺寸、整体效应,并考虑构件损伤造成的不确定性增加对既有桥梁承载力进行评价;2)按照多层次的车辆荷载等级,考虑实测车流评估既有桥梁的安全状况,这两点是美国规范先进于我国规范的地方,也是我国规范发展的方向。既有桥梁的承载历史是对其承载能力的证明,依据承载历史对既有桥梁的承载力进行修正能有效提高既有桥梁的安全等级,减少不必要的加固和限行。该文最后针对我国车辆荷载的特点,通过可靠性分析提出了依据实测日通行车辆数ADTT修正活荷载分项系数的方法,并对依据既有桥梁承载历史修正其承载力提出了建议。     

采用广义Pareto分布进行车辆荷载效应极值估计的研究

为了解决车辆荷载效应数据间的相关性问题并能够充分利用样本数据,提出了一种改进的独立风暴法。首先提出了一种三次类阈值法进行数据的初步分析来获得阈值;然后考虑到简支梁桥的车辆荷载效应主要受单辆重车影响,提出了改进的独立风暴法进行独立同分布样本数据的提取;最后采用广义Pareto分布进行车辆荷载效应极值估计;利用该方法,对动态称重系统记录的国内某大桥实测数据进行了车辆荷载效应极值估计,并与超越阈值法、独立风暴法进行了对比分析,结果表明:在较短评估期(T20年)内,三种方法均可以较好地预测荷载效应极值;而在中长评估期内,改进的独立风暴法预测值较高,预测结果偏于安全。     

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。     

车辆荷载作用下桥梁动力效应的有限元分析

本文用有限元理论，研究了在车辆荷载作用下桥梁结构力响应问题，考虑了多轴及多个车辆作用于多种支承条件下的桥梁。文中用超单元法建立车辆荷载的运动方程；用三次插值函数建立桥梁结构的运动方程；然后利用振型叠加，对桥梁结构的运动方程进行坐标变换，再选用逐步积分法进行求解。     

基于车流密度的道路噪声源动态辐射模型

相较于车流相对稳定的高速公路而言,城市交通流因上下班高峰、红绿灯、交叉路口等影响,具有明显的波动性。现有噪声预测模式中,声源辐射模型采用小时流量及设计速度作为独立变量,车速与车流量没有关联,仅适用于测量常年平均声级,不能正确反映城市道路噪声的动态变化特征。文章对交通流模型进行了调查,以行车速度与车流密度制约关系为基础,结合道路车辆的物理模型及声源辐射模型,建立以车流密度为变量的噪声源动态声源辐射计算模型,描述城市道路交通噪声辐射声级随车流密度的动态变化特征,与已有模型进行对比并通过实测,验证了新模型能更好地反映城市道路车辆声源辐射声级的变化情况。     

汽车荷载作用下梁桥的动力冲击效应研究

基于D＇Alembert原理，导出了两轴汽车模型的运动方程：考虑车辆与桥梁的位移协调条件及桥面不平整度，建立移动汽车荷载作用下车辆与桥梁整体系统的运动方程，并且给出了详细的公式，采用Wilson-θ求解，编制了计算程序。对简支梁桥在移动汽车荷载作用下的动力冲击效应进行了计算分析与现场试验研究，获得了有价值的结果。     

超高车辆-桥梁上部结构碰撞荷载精细有限元模拟与简化计算

近年,超高车辆撞击桥梁上部结构问题成为城市交通安全的重要威胁。为减少超高车辆撞击桥梁上部结构造成的损失,关键是准确计算撞击荷载。该文首先基于精细有限元,对超高车辆-桥梁上部结构碰撞过程进行了模拟,对影响撞击的主要参数进行了分析。进而通过忽略次要影响因素,对车辆、桥梁受力行为进行合理简化,建立了超高车辆-桥梁上部结构碰撞的简化计算模型。简化模型与精细有限元模型的撞击力时程结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

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。