弹性支座对简支箱梁桥振动特性的影响及隔振效果研究

以32 m简支箱梁桥为原型,以10∶1为几何缩尺比,设计制作了简支箱梁桥的相似模型,并依据弹性力相似律推导了原型桥与模型桥间的相似关系,之后对原型桥与模型桥的有限元模型进行模态分析,以及开展模型桥的模态试验,通过模态数据对比验证了相似模型桥的可靠性。在此基础上,通过锤击试验,研究了不同竖向刚度的弹性支座对箱梁振动特性的影响,并探讨了弹性支座在箱梁桥上部结构与桥墩间的隔振效果。结果表明:在20～200 Hz的中高频段范围内,支座刚度变化会对箱梁跨中的结构振动产生一定的影响,但影响很小;振动由顶板传递至翼板的过程中衰减慢,其次是腹板,振动由顶板传递至底板的过程中衰减最快;简支箱梁桥上部结构与桥墩间设置弹性支座可有效降低墩顶的振动,且支座刚度的大小对弹性支座的隔振效果影响很大,同时弹性支座在不同频率下的隔振效果差异较大。     

无砟轨道箱梁系统振动试验相似模型的设计与校验

为探究弹性力相似律在无砟轨道箱梁系统振动试验相似模型设计时的适用性,从理论上分析多层结构及其模型间的耦合相似关系,发现不同材料属性结构层间存在耦合效应;以双层结构为例,探讨当某一结构层几何尺寸大于另一结构层时,原型与模型间耦合关系的变化规律;以10∶1为几何比尺,依据弹性力相似律,制作无砟轨道箱梁系统相似模型;通过自由模态测试和有限元数值分析,校验相似理论及模型的正确性。结果表明:当某一结构层在荷载方向上的几何尺寸远大于其他结构层时,按该结构层材料属性导出的相似关系近似等于原型与模型间的耦合相似关系;无砟轨道箱梁系统可依据弹性力相似律设计其相似模型,相似关系只需按箱梁材料属性导出,且制作的相似模型可较为精确地反映原型结构的振动规律,最大误差为4.02%。     

混凝土箱梁相似模型面板声学贡献对比分析

以京沪高铁32m混凝土简支箱梁为研究对象,制作了1∶10的缩尺模型,通过自由模态测试验证了缩尺箱梁有限元模型的正确性。对箱梁有限元模型分析验证,建立了箱梁原型与缩尺模型两种计算模型。分别对两种模型进行简单加载,将各自振动响应作为声学边界条件,求得两种模型的结构噪声。同时,基于面板声学贡献分析理论,分别对两种模型的声压贡献与声功率贡献进行对比分析,研究发现:两种模型的声功率辐射曲线幅值相同、变化趋势一致,对应面板在对应频率处的声功率贡献分布和对应面板在对应频率处的贡献系数高度吻合,对应面板在对应频率与对应场点处的声压贡献分布也高度吻合。文中采用的方法和得到的结果对箱梁相似模型声学贡献分析和桥梁结构振动与声辐射实验研究具有参考作用。     

求解曲线箱梁空间振动特性的Cayley-Hamilton传递矩阵法

将传递矩阵法与Cayley-Hamilton定理相结合,以微分方程和矩阵分析理论为基础,提出了一种新的Cayley-Hamilton传递矩阵法。应用该方法,考虑曲线箱梁桥的空间弯曲、剪切、扭转、拉压、翘曲及其相互间的耦合作用,推导了曲线箱梁桥离散模型的振动空间传递矩阵。以某单跨简支曲线箱梁桥为例,采用所推导矩阵,对其进行计算机编程运算,得到该桥梁的自振频率与振型,并与有限元法计算结果相比较,二者吻合良好,表明本文方法有效。     

波形钢腹板PC箱梁桥的车桥耦合振动分析及动力冲击系数计算

为了科学合理地确定波形钢腹板PC简支箱梁桥的动力冲击系数,依据标准车辆的车轮与桥面的接触关系建立了车-桥系统耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下,运用MATLAB软件编写了车桥耦合系统动力方程的求解程序,求得了波形钢腹板PC简支箱梁桥结点位移的振动响应,并进一步计算出了该桥型动力冲击系数的数值解。将求得的数值解与现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中动力冲击系数的规范值和文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式求得桥梁基频后获取的动力冲击系数进行对比分析。结果表明:在路面平整度为中的情况下,按照文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式在获取桥梁基频后求得的动力冲击系数,与JTG D60-2015规范中采用有限元法获取桥梁结构基频后求得的动力冲击系数以及与车桥耦合振动数值模拟获得的动力冲击系数值吻合良好,而与JTG D60-2015规范中给出的简支梁桥基频估算公式获取桥梁基频后求得的动力冲击系数有较大差异。     

地震载荷作用下岸桥结构单参数畸变相似模型研究

据动力相似理论设计合理的缩尺模型,用振动台模型对岸桥结构进行动力学试验分析。设计中的缩尺模型各构件(梁)长度可基于原形尺寸由相似比尺推导获得,而梁截面厚度却不能与长度按同一比尺缩小,致使模型产生畸变。采用有限元预测系数法获得畸变模型的动响应预测系数从而可预测原型的动态特性。为验证用该方法所得预测系数的有效性,以相似理论制作缩尺模型并使截面厚度产生畸变,对畸变模型进行锤击模态及地震振动台试验分析。结果表明,试验结果与有限元计算结果相近,结构发生最大加速度、应变位置相似,表明畸变预测系数合理。     

单层网壳冲击动态响应相似律与数值模拟验证

根据Π定律,考虑应变率强化效应,通过修正速度相似条件得到修正模型,推导网壳在顶点受冲击时的相似律表达式。利用非线性有限元软件LS-DYNA建立与已有文献相同的模型,验证有限元分析的可靠性;在此基础上,建立满足相似律的不同几何缩比凯威特-联方型单层网壳数值模型,并分别考虑网壳未破坏和破坏的情况,对相似律进行验证。研究表明:考虑应变率效应的修正模型能较好地预测原型的动态响应,结果具有较好的精度;当应变率越高和几何缩比越小时,未修正模型预测误差越大;工程实践中,模型和原型需考虑满足应变率强化效应的相似律。     

爆破拆除塌落振动对浅埋金属管道动态响应的相似性研究

针对爆破拆除塌落振动以及浅埋金属管道的动力学响应,为了从理论上阐明模型试验的合理性及可行性,首先依据π定理推导出了考虑重力效应的离心相似律,并从能量守恒角度推导出在重力场不变情况下的相似律。利用ANSYS/LS-DYNA对重物塌落冲击地面对埋地管道的动力学响应进行数值模拟,分别针对原型和1/2、1/10两种尺寸缩比模型进行建模,然后对三种数值模型中质点振动速度、加速度以及管道应力进行对比分析,得到在两种相似律指导下,缩比模型中土体的动力学参数是完全符合相似关系的结论。金属管道的动态响应总体符合相似关系,但略有误差,相似律总体来说都是合理正确的。     

地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究

为了提高地震载荷下岸桥跳轨研究结果的准确率问题,基于简化的岸桥跳轨运动方程推导了岸桥原型与模型之间的相似关系,建立了岸桥的动力学相似模型,制作并开展了1∶20岸桥比例模型的振动台试验,研究了不同地震波载荷条件下的试验模型监测点的响应值,分析了不同工况条件下岸桥轮轨压力随时间变化的规律,测试了岸桥比例模型在振动试验中的跳轨响应结果,最后结合有限元方法将试验结果与仿真结果进行了对比。结果表明:振动台试验中模型跳轨响应结果与有限元仿真中出现的跳轨的情况吻合,基于跳轨运动方程建立的相似关系是准确可靠的。该研究为大型结构相似模型设计提供了一种理论参考。     

TMD控制高架轨道箱梁结构振动的模型试验研究

高架轨道桥梁结构的振动与噪声问题已成为制约轨道交通发展的重要因素,为研究调谐质量阻尼器(TMD)控制高架轨道箱梁桥振动的效果,以铁路32 m简支箱梁桥为原型,以10∶1为几何缩尺比,设计制作了轨道箱梁结构相似试验模型,并制作了可调谐TMD减振装置。在验证试验模型可靠性的基础上,分别附加控制1阶、2阶模态振动的TMD,通过对试验模型进行单点激振试验得到测点减振前后的振动响应,分析了TMD对箱梁桥的减振性能。研究结果表明:安装1阶、2阶TMD之前,在模态自振频率附近,振动响应出现了明显峰值;安装TMD之后,翼板和腹板的加速度有效值在模态频率附近得到了明显的抑制,并且激振频率越接近自振频率,TMD减振效果越好;当TMD质量比为0.02时的减振效果优于0.01。     

波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体动力冲击系数的计算分析

为合理分析和计算波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体的动力冲击系数,分别建立了波形钢腹板PC箱梁桥和车辆结构的振动方程,并根据车轮与桥面的接触关系形成两者耦合振动的动力方程。采用MATLAB和ANSYS软件分别建立了三维的车辆模型和波形钢腹板PC箱梁桥的有限元模型,并在考虑路面平整度随机激励的作用下,利用MATLAB软件求解了车桥耦合系统的动力方程,得到桥梁结点的位移振动响应;依据动位移与静位移的关系,计算出了波形钢腹板PC箱梁桥的局部及整体的动力冲击系数;对所求得的局部及整体动力冲击系数进行了不同车辆类型、不同车道数加载,不同行驶速度和不同路面情况下的参数分析,并与我国现行规范和美国现行AASHTO规范进行对比分析,最终提出了波形钢腹板PC简支箱梁桥局部及整体动力冲击系数的合理确定方法,所得结论可为波形钢腹板PC箱梁桥动力冲击系数的确定提供参考。     

坑道内爆炸冲击波相似律问题探讨

为研究坑道内爆炸冲击波相似律问题,进行了不同药量坑道堵口爆炸实验,并利用ANSYS/LSDYNA软件对原型坑道与模型坑道爆炸冲击波进行数值计算。结果表明:与自由大气中不同,同一坑道内不同药量爆炸产生的冲击波不符合爆炸相似律;若原型坑道与模型坑道几何相似,装药量之比为几何相似比的三次方,则原型坑道与模型坑道内爆炸冲击波符合爆炸相似律;坑道内爆炸冲击波数值模拟时,若原型坑道与模型坑道网格尺寸符合相应的几何相似比,则冲击波计算结果满足相似律,当坑道截面网格密度为1675~2977时可以达到计算精度要求。     

考虑几何偏差及重力影响的单层网壳冲击相似律研究

根据Π定律,在考虑应变率效应的基础上,分别推导了考虑几何偏差和重力影响的相似律表达式。根据已有文献的试验模型,采用非线性有限元软件LS-DYNA建立数值模型进行对比,验证有限元分析方法的可靠性。在此基础上,分别考虑几何偏差和同时考虑几何偏差及重力的影响,建立分析模型对相似关系进行验证,并将计算结果与未修正模型进行对比。研究表明:当考虑几何偏差或同时考虑几何偏差及重力影响时,修正模型均能获得满足相似关系的结果,并较好地预测原型的动态响应,具有较高的精度;而未修正模型预测结果与原型误差很大,不能用于工程实践。     

时速400 km/h铁路常用跨度预应力混凝土简支梁竖向基频限值研究

建立有限元模型,计算常用跨度预应力混凝土简支箱梁的竖向基频,以设计荷载对桥梁的动力效应不小于运营列车对桥梁的动力效应为准则,确定梁体容许动力系数;基于移动荷载模型,得到常用跨度简支箱梁在列车作用下的动力系数;在综合分析桥梁动力响应与列车类型、运营速度、桥梁竖向基频关系的基础上,提出了时速400 km/h常用跨度预应力混凝土简支箱梁的竖向基频限值。研究表明:通过调整车长与桥梁跨度之比可避开基阶振型的共振,有利于行车安全;在车长25 m左右的列车作用下,跨度24 m、32 m和40 m的预应力混凝土简支箱梁竖向自振基频限值取125/L、155/L和90/L时,可以有效地降低梁体动力响应。     

岸桥刚度畸变相似模型振动台地震模拟试验研究

动力学模型试验是研究岸桥地震破坏机制的重要手段之一。针对由岸桥不完全相似模型(即畸变模型)试验结果来预测原型动力学特性的问题,基于振动台性能参数及模型加工约束提出了弯曲刚度畸变模型试验,并采用预测系数法对试验数据进行修正。设计制作了3套刚度产生不同倍率畸变的1:20岸桥试验模型,分别进行了振动台地震模拟试验,测试了模型结构在不同地震作用下的动力响应。同时,采用ABAQUS软件建立岸桥原型有限元模型并进行地震时程计算,将计算值与试验数据进行对比,结果显示:经过预测系数修正后的试验数据与有限元计算结果吻合较好,刚度畸变模型是可以对岸桥原型的地震响应进行准确预测的。     

一种基于冲击振动响应分析的桥梁橡胶支座病害诊断方法

提出了一种利用桥梁在冲击荷载作用下动力响应诊断既有桥梁橡胶支座脱空或者受力不均病害的理论方法。以支座刚度的相对下降量为病害指数,计算桥梁冲击响应及其对病害指数的灵敏度,建立灵敏度方程,采用有限元更新技术和优化算法识别支座刚度。一座铁路简支单箱梁桥和一座公路装配式简支箱梁桥的分析结果表明,利用所提病害诊断方法可以准确识别单个或多个支座的刚度变化量,从而判断桥梁支座是否脱空或受力不均。对于铁路简支单箱梁桥,宜将冲击点和响应点布置在扭转振动较大的梁翼缘上;对于公路装配式简支箱梁桥,宜将冲击点和响应点设置在每片主梁的轴线上。     

考虑剪滞变形时箱形梁广义力矩的数值分析

为了简化变截面箱梁等复杂结构的剪滞效应分析,在明确定义相应于剪滞位移的广义力矩和有关几何特性的基础上,提出一种梁段有限元数值分析方法。选取控制微分方程的齐次解作为单元位移函数,以各积分常数为中间转换变量,推导梁段单元刚度矩阵和等效节点力向量的具体表达式,并给出用单元节点力直接计算应力的一般公式。编制了箱梁梁段有限元程序,对简支、悬臂、连续箱梁3个有机玻璃模型进行计算并与实测结果对比,验证了该文方法及公式的正确性。用所编程序对箱梁的剪滞广义力矩进行数值分析,并揭示了其变化规律。研究表明,在竖向荷载作用下,剪滞力矩与弯矩具有相似的分布规律,而且数值大小也接近。     

面向健康诊断的混凝土斜拉桥模型设计与分析

以广东惠州合生大桥为原型,基于相似理论面向健康诊断设计制作了1∶15的大比例混凝土斜拉桥模型,分析了模型设计中的问题及解决办法。建立了原型桥和模型桥的初始有限元模型(FEM),以实测数据对其进行修正,得到了符合实际的基准有限元模型,采用基准有限元模型对模型桥和原型桥的静动力特性及损伤状态下的损伤特性进行了计算和相似性分析。结果表明,模型设计中进行了各种简化和处理后,模型桥与原型桥的静动力性能及损伤状态下的损伤特性仍具有良好的相似性,采用该模型桥进行损伤识别试验研究能够较好地反映实际,为混凝土斜拉桥模型设计提供参考。     

高速铁路常用跨度简支箱梁竖向共振条件分析

通过对动车组列车作用于高速铁路常用跨度简支箱梁的竖向共振条件进行理论探讨,并对常用跨度简支箱梁实测竖向自振频率及动力响应数据进行分析,得出如下结论:明确了高速铁路常用跨度简支箱梁在动车组荷载下的竖向共振作用机理,得到了简支箱梁的共振、超谐共振及消振速度计算公式;动车组列车对桥梁的竖向加载频率主要取决于列车速度和车长,加载频率等于桥梁的自振频率或为自振频率的1/2、1/3……时,桥梁结构发生共振或超谐共振;我国高速铁路常用跨度简支箱梁在运营速度(350 km/h)范围内梁体不会发生竖向共振;对高速铁路40 m、32 m和24 m简支箱梁的实测数据分析表明,在运营速度范围内存在2阶、3阶、4阶超谐共振现象,梁体动力响应出现峰值效应,与理论分析结果吻合;简支箱梁的消振速度与桥梁跨度和自振频率相关,当满足消振条件时,桥梁竖向动力响应降低。     

大型电厂型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房动力特性研究

适用于核电厂常规岛汽机主厂房的型钢混凝土框排架混合结构是一种新型主厂房结构体系;由于工艺的要求,其在结构布置、荷载大小与分布等方面与传统火电厂"三列式"主厂房有较大差异。对该种结构体系电厂汽机主厂房的动力特性进行研究,可以作为后续确定模型结构抗震性能拟动力试验加载比的依据,同时也是解决工程共振、结构抗震计算、判断建筑结构累积损伤的基础;以某1 400 MW电厂型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房为原型结构,选取含有汽机跨、除氧间两跨三榀子结构,按照1/7缩尺比制作试验模型,并通过锤击法获得模型结构的周期、振型、阻尼比等;动力特性实测开始之前,采用ABAQUS建立了试验结构的有限元模型,预估了模型结构的动力特性参数。试验后通过对比表明:有限元计算结果与试验实测结果吻合,验证了有限元计算法与动力特性试验的正确性;建立了12榀原型结构的有限元模型,进行了模态分析,验证了模型结构与原型结构相似关系的正确性,研究了整体结构的动力特性以及结构基本周期与阻尼的变化规律。相关研究结果可为型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房的推广应用提供基础。