车桥碰撞冲击谱研究

针对非线性有限单元法研究车桥碰撞的动力时程响应所存在的耗时费力,适用面不广泛等缺点,参照地震动反应谱的概念提出车桥碰撞冲击谱的计算方法,通过建立7种"车辆-刚性墙"碰撞系统有限元模型并对其关键字文件进行求解,得到63条撞击力时程曲线,采用谱分析的方法求解出撞击力时程作用下单自由度体系的位移放大系数,分析得出车辆在不同速度下的放大系数与结构周期之间的统计规律,通过数学方法对周期-位移放大系数曲线进行拟合,得出车桥碰撞冲击谱的数学表达式。并提出了有使用意义的车桥碰撞冲击谱的使用方法及应用建议。     

驳船斜撞刚性墙动力时程概率模型

考虑到船桥碰撞的随机性,为获得驳船斜撞刚性墙的撞击动力时程概率模型样本,建立了6艘不同吨位的代表性驳船有限元计算模型,利用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟计算,获得了6个不同撞击速度下36条船撞动力时程样本曲线。将样本曲线无量纲化,得到了无量纲的船撞动力时程,以及撞击力均值和持续时间的参数表达式。采用21个离散点近似表示无量纲化曲线,统计分析表明各离散断面上的无量纲撞击力符合正态分布,并得到各离散断面无量纲撞击力的均值和标准差。根据随机数生成技术,生成驳船斜撞刚性墙动力时程样本。通过人工随机生成的概率模型样本与数值模拟计算得到的样本进行比较,确定该技术方法的精度较好。     

横向撞击力对铁路桥梁及行车影响的模型实验研究

高速铁路高架桥梁很多,跨越公路的桥墩被汽车撞击所引起的振动会影响列车运行安全。本文利用车—轨—桥耦合动力试验平台,通过模型试验研究了横向撞击力对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律。试验过程中采集了撞击处撞击力时程、桥墩底部动应变、墩顶动位移、墩顶加速度时程,梁1/4,1/2,3/4处的横向动位移和加速度时程,以及车辆的三向车体加速度时程,计算得到桥墩自振频率等振动特性。分析了车桥系统有无撞击力作用时的动力响应,以及撞击力对桥梁及桥上运行车辆的影响规律。结果表明,横向撞击使桥梁的动力响应大幅度增加,并对车辆运行安全有很大的影响。最后根据撞击力时程探讨了瞬态撞击力的等效静力计算方法并验证,为工程设计提供参考。     

轮船-桥墩碰撞简化荷载模型

目前各国桥梁设计规范普遍将船舶撞击力处理为等效静力,忽略了冲击荷载引起的结构动力效应,为建立更加合理的实用荷载模型,建立了5艘轮船的有限元模型,采用正撞刚性墙模型,通过数值仿真获得了45条不同撞击速度下的撞击力时程样本。提出采用修正半波正弦函数近似描述撞击力样本过程,通过数理统计确定了模型的实用参数。最后,以一座连续梁桥为例进行了接触碰撞反应分析与撞击力时程反应分析,并将修正半波正弦荷载模型的响应求解误差分为3类,分别讨论了3种误差对结构响应误差的贡献大小。算例分析结果表明,建立的轮船修正半波正弦荷载模型具有良好的求解精度,具有很好的工程实用价值。     

商用客机对核安全壳撞击破坏效应的数值模拟分析

为研究商用客机撞击下新型核反应堆安全壳安全防护性能,该文建立新舟600飞机和安全壳精细化有限元模型,采用LS-DYNA软件对撞击全过程进行数值模拟,分析安全壳结构位移响应和局部损伤破坏情况。分析表明:新舟600撞击力时程曲线中的峰值荷载是因引擎和机翼撞击安全壳所致,撞击力时程曲线与Phantom F4战斗机和Boeing 707客机撞击力时程曲线的形状大体相似,但撞击持续时间、峰值荷载大小有较大差别;在正常巡航速度撞击下核安全壳局部破坏较为严重,局部变形量超过规范许可值,密闭性能受到影响;采用在直接施加撞击荷载的计算方法不能反映安全壳真实的响应和损伤破坏。     

基于并行算法的船桥碰撞数值模拟分析

船撞桥是在巨大冲击动能作用下的复杂的非线性动态响应过程.为模拟船桥碰撞过程,建立了桥梁和船舶碰撞的三维有限元模型.采用了基于接触均衡的并行计算技术,利用上海超级计算机曙光4000A,对桥梁在船舶撞击荷载作用下的动态响应进行仿真计算.主要分析了船艏结构的损坏、碰撞力演变、能量转化以及斜拉桥主塔和桥面的动态响应.将整桥整船的船桥碰撞模型与不考虑主梁和斜拉索的船桥碰撞模型进行了比较,结果表明,后者将使计算结果偏大.     

桥梁防船撞钢套箱的碰撞力快速估算

研究船舶与单墩桥梁防撞钢套箱艏尖舱的碰撞过程,探讨碰撞力快速估算及防撞装置模块化设计的可行性。首先采用非线性有限元方法模拟1 000吨级三峡标准散货船与钢套箱式桥梁防船撞装置的碰撞过程,分析了防撞钢套箱艏尖舱在不同的斜边角和船舶碰撞速度下的能量吸收特性以及传递至桥墩的碰撞力特性,得到的结果可为防撞钢套箱外形的选择提供参考。对所选择的防撞钢套箱形式,采用Boltzmann函数拟合了撞击船速与桥梁所受横桥向及顺桥向碰撞力之间的关系,该拟合公式可以用于此类防撞钢套箱方案设计阶段的撞击力快速估算。     

基于神经网络技术的南京长江大桥桥墩船舶撞击力识别

主要研究基于神经网络技术的南京长江大桥桥墩船撞力识别。在建立了南京桥4#桥墩的空间有限元分析模型后,对4#桥墩进行了动力特性分析;基于MATLAB平台建立了“船撞力-响应”神经网络,由沃辛试验船撞力曲线计算得到了船对桥墩的撞击响应并作为神经网络训练的样本。仿真计算结果表明,由桥墩墩顶的响应可有效识别船舶撞击力的大小、方向和撞击位置,该神经网络可用于有、无噪声干扰的船撞力识别,并且具有良好的容错性和鲁棒性。     

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

本文采用Ansys/Ls-dyna对1000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对于数值计算结果的影响,分别采用了流固耦合方法和附加质量系数法来模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析了两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果。因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合方法来考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。     

十字形钢管混凝土芯柱在不同约束条件下侧向冲击作用的动力响应分析

研究十字形钢管混凝土芯柱在侧向冲击作用下的动力响应与约束条件的关系。利用有限元分析软件ABAQUS对4根十字形钢管混凝土芯柱构件在侧向冲击作用下的动力响应进行了模拟和分析比较。通过构件的位移时程曲线可知,除悬臂构件的最大侧向位移出现在自由端外,其余构件最大侧向位移都出现在冲击部位。比较分析不同约束条件下构件的位移时程曲线可以总结出,随着约束的减弱,构件侧向位移随之增大。     

流冰撞击力作用下列车–简支梁桥耦合振动分析

建立撞击荷载作用下列车‐桥梁系统动力分析模型,将现场实测的流冰撞击力时程作为系统的撞击荷载。通过计算机仿真分析,对流冰撞击作用下高速铁路桥梁的动力响应及其对桥上列车运行安全的影响进行研究。采用自编程序模拟列车过桥的全过程,计算分析7 m×24 m简支箱梁桥在流冰撞击力作用下动力响应及桥上高速列车的动力响应。计算结果表明,在实测流冰撞击力作用下,桥梁横向加速度以及车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标在列车速度250 km/h以上时超过容许值,说明流冰撞击作用对车桥系统耦合振动响应具有较大的影响。     

曲率半径对曲线箱梁桥车辆荷载作用下冲击效应的影响

针对复杂的车桥耦合振动问题,桥梁结构采用三梁式模型进行离散,首先基于ANSYS提出了简便的分离迭代解法,给出了该问题的详细推导过程和计算步骤,同时通过现场试验对所提出的方法进行了验证。通过快速傅里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,考虑车辆在曲线梁桥上的行驶偏心,分析了曲率半径和车速对曲线梁桥冲击效应的影响。结果表明:曲线梁桥的位移和内力动力放大系数大于直线梁桥的,且不同位置不同项目的内力和位移之间的动力放大系数的数值差别很大。内力和位移的动力放大系数对曲率半径的变化的敏感性各不相同,当曲率半径小于某个特征值后,动力放大系数变化很大。     

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。     

轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型

建立了3000DWT-50000DWT范围内的四艘代表轮船的碰撞有限元模型,采用LS-DYNA软件计算了船舶在1.0m/s-5.0m/s冲击速度范围内的与刚性墙面的碰撞力时间过程样本。根据对碰撞力时间过程样本曲线的观察和面向工程设计的需要,提出了三种轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型,即半波正玄荷载模型、修正的半波正玄荷载模型和分段荷载模型。碰撞时间过程的样本计算表明,碰撞力过程总的持续时间以及碰撞过程的冲量与冲击速度具有很好的简单关系,离散性很小。根据冲量相等的基本原则,提出了冲击荷载模型参数的确定方法,通过对四艘代表船舶计算结果的回归分析,得到了模型参数的统计回归关系。以轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型可建立桥梁船撞动力设计方法,以替代目前的桥梁船撞等效静力设计方法。     

基于动力能力谱法的RC结构位移放大系数

结构位移放大系数是预测结构在某一地震设防水准作用下的最大弹塑性变形,从而指导结构设计的参数。我国现行抗震设计规范尚未引入结构位移放大系数。考虑6、7、8三个设防烈度,设计了3、5、8、10、12层共15个钢筋混凝土框架结构,建立其有限元模型,并采用结构振动台试验对有限元模型进行验证,进而对结构在地震作用下的反应进行分析。采用文中提出的动力能力谱方法,研究按我国抗震设计规范设计的RC框架结构在不同设防水准下的位移放大系数需求值,并与传统静力能力谱法得到的位移放大系数需求值进行对比分析。6、7、8度设防的RC框架结构的位移放大系数需求值在中震作用下分别为0.51~1.91、0.49~1.93、0.56~2.24;在大震作用下分别为1.28~4.82、1.40~4.89、1.37~5.56。中震作用下,按我国抗震设计规范设计的钢筋混凝土框架结构未发生整体屈服,表明我国抗震设计规范比较保守。     

一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度取值研究

研究一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度的取值方法。首先,建立了摇摆式钢筋混凝土框架的有限元模型并进行了地震模拟振动台试验验证;其次,选择10条地震动曲线,研究9种不同节点相对刚度比情况下结构的动力时程响应分析;最后,利用层间位移放大系数、基底减震系数比较不同地震动作用下结构的峰值层间位移、层间剪力响应。结果表明:节点相对刚度比S取0.01~0.25为宜。     

船舶撞击作用下车桥系统动力响应及高速列车运行安全分析

将船舶撞击力时程作为系统的外部激励,建立了撞击荷载作用下的车桥系统动力分析模型。以一座 (32+48+32) m双线预应力混凝土连续梁桥和国产CRH2高速列车为例,模拟船舶撞击力作用于桥墩时列车过桥的全过程,分析了桥梁和车辆的动力响应。结果表明：船舶撞击作用大幅度增大了桥梁的横向位移和加速度响应,显著影响了桥上高速列车的运行安全。探讨了船舶撞击荷载作用下的桥上高速列车走行安全评价方法,综合分析了列车速度和荷载撞击强度对列车运行安全的影响,在此基础上给出了列车速度－撞击力强度安全阈值曲线。     

驳船撞击作用下双柱式桥梁的动力行为分析

桥梁结构在其服役期内可能受到偶然性船舶撞击的威胁。针对双柱式桥梁在驳船撞击作用下的动态响应和损伤破坏，开展了下部结构缩比模型试验和数值仿真研究。分别进行了1∶5缩尺驳船船艏和刚性体侧向撞击双柱式桥墩(double-column RC bridge pier, DCBP)模型试验，获取了撞击力时程、船艏压溃深度和桥墩的动力行为；基于LS-DYNA有限元分析软件，开展试验的数值仿真，通过对比预测结果与试验数据，验证了采用的数值模拟方法、材料模型和参数的适用性；分别建立了精细化和简化的原型驳船-桥梁撞击有限元模型，对比验证了采用纤维梁单元表征桩的简化模型的可靠性，并对驳船-桥梁撞击过程，以及驳船质量、撞击速度和角度对桥梁动力行为的影响进行了讨论。结果表明：相同撞击能量下，撞击速度对驳船船艏的永久压溃深度影响更为显著；撞击角度对撞击持时和桥梁动力行为影响更大，增加了桥梁整体倒塌风险。该研究可为双柱式桥梁抗驳船撞击评估与设计提供一定参考。     

多维结构地震位移反应的近似估计--多维能力谱法

为了合理准确估计多维结构的地震位移反应，提出了多维能力谱方法的概念及实施步骤。比较了多维能力谱方法与平面内能力谱方法的区别与联系。对不同场地条件下的两幢钢筋混凝土框架结构体系，分别采用多维能力谱方法和弹塑性时程分析方法，计算其在罕遇地震下的顶层目标位移及各楼层相对位移转角，将计算结果进行比较分析。算例分析表明：中等场地条件下，多维能力谱方法计算结果与时程分析方法结果符合较好；软土场地条件下，多维能力谱方法估计结果偏大，但经过适当修正也可应用；而对于硬土场地条件，该方法估计结果误差较大，使用中应予以注意。     

大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房荷载研究

采用有限元方法建立飞机与核电站屏蔽厂房非线性模型,利用发动机以不同速度撞击钢筋混凝土板试验验证撞击分析中飞机与核电站屏蔽厂房有限元模型非线性材料本构及参数,并分析飞机网格尺寸效应。对大型商用飞机以200m/s速度撞击核电站屏蔽厂房非线性撞击过程模拟计算及假设核电站分别为线弹性、刚性本构模型撞击过程计算。获得大型商用飞机撞击核电站屏蔽厂房的荷载时程曲线,分析飞机撞击力及核电站屏蔽厂房结构变形特点及核电站结构刚度对撞击力影响规律,并讨论在核电站初步设计中常用飞机撞击力计算方法-Riera方法的适用性。