多动力作用下高速铁路轨道-桥梁结构体系动力学及关键技术研究

摘要： 针对多动力（列车、地震、侧风）作用下高速列车-轨道-桥梁系统动力学理论与关键技术存在的诸多技术疑难,持续开展了高速铁路轨道-桥梁结构体系模型试验、现场测试、理论分析与数值仿真,提出基于概率密度演化理论的多动力作用下轨道-桥梁系统随机振动分析方法和基于可靠度理论的桥上行车安全评定方法,研发了高速铁路轨道-桥梁系统试验平台和成套试验技术,提出高速铁路轨道-桥梁系统抗震设防和防风设计理念和评估方法,并研发了抗震防风及减灾技术,研究成果已在高速铁路轨道-桥梁结构体系设计与运营维护中推广应用。     

钢筋混凝土基础冲切强度的可靠性分析

本文通过对现行规范(TJ10—74)的钢筋混凝土基础冲切强度的可靠度校准计算,分析了影响基础冲切强度可靠度的主要因素,并提出了与建筑安全等级相应的抗力分项系数建议值。     

基于多维激励应变能响应Rayleigh阻尼系数计算方法

Rayleigh阻尼模型广泛应用于结构地震响应计算,致使Rayleigh阻尼系数计算方法将显著影响结构响应,而地震多维激励是同时作用于结构,且应变能响应能较好地反映结构力学行为,因此,本文对基于多维激励应变能响应的Rayleigh阻尼系数计算方法进行了研究。根据单维地震激励时应变能响应的计算公式,构建出用于计算应变能响应的合理虚拟激励形式,应用于多维激励体系,提出计算多维激励时应变能响应的虚拟激励法,并构建出振型阻尼比变化量平方的新型权重系数,提出基于多维激励应变能响应的Rayleigh阻尼系数计算方法。分别以不带楼板的双向对称、单向偏心和双向偏心的大跨空间钢结构,以及带楼板的对称双塔、非对称双塔和非对称三塔钢筋混凝土结构为工程案例,以多条实际地震波作为激励,对提出的算法进行验证。结果表明：对于双向对称空间钢结构,基于各类阻尼系数计算方法求得的结构响应误差均较小,对于单向偏心和双向偏心空间钢结构,基于二阶振型阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为5.89%和19.64%,基于多维激励应变能响应阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为0.00%和6.10%,对于对称双塔、非对称双塔和非对称三塔结构,基于二阶振型阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为5.76%和51.17%,基于多维激励应变能响应计算求得的结构响应误差最小值和最大值分别为0.07%和4.48%,证明该计算方法是合理的。     

考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁变形计算的折减刚度法

钢梁和混凝土之间的相对滑移效应使钢-混凝土组合梁变形增大.组合梁变形计算的现行换算截面法未考虑滑移效应,导致变形计算值偏小、偏于不安全.本文提出用折减刚度法考虑滑移效应对组合梁变形的影响,建立了刚度折减系数的简化实用计算公式.利用本文方法算得的组合梁在使用荷载作用下的挠度计算值与实验结果吻合良好.     

高温下无黏结预应力混凝土受弯构件的非线性有限元分析

采用混凝土和钢筋的增量型温度-应力耦合本构模型,在充分考虑高温下无黏结预应力筋总变形协调条件和其对梁单元有限元列式影响的基础上,将无黏结预应力筋内力与未知结点位移共同作为待求列矢,推导高温下无黏结预应力混凝土受弯构件非线性有限元全过程分析的增量有限元格式,建立其高温下非线性有限元计算模型,并提出其非线性有限元平衡方程组的求解方法,编制NAUPCLF非线性有限元程序,并对进行的高温试验及有关试验资料完成实例计算。结果表明,计算数值基本能反映其高温下变形及预应力筋应力的变化规律,计算理论较充分地表现了无黏结预应力混凝土受弯构件的无黏结特性及高温受力特点,可为建立高温下无黏结预应力混凝土受弯构件的耐火极限计算方法、进一步深入研究预应力混凝土结构的抗火性能和完善其基于抗火特性的设计方法提供手段和参考。     

高温后Q235钢材力学性能试验研究

通过对高温后Q235钢材力学性能的试验研究,描述了高温后钢材的表面特征,探讨了钢材受热温度和恒温时间对高温后钢材力学性能的影响,并建立了高温后钢材屈服强度-受热温度、极限强度-受热温度、泊松比-应力比和拉伸应力-应变关系曲线拟合方程.试验表明:随着受热温度的升高,高温后钢材的屈服强度、极限强度整体上呈降低趋势,而弹性模量和泊松比则基本不变;恒温时间对力学性能的影响不太明显;所拟合的高温后钢材屈服强度—受热温度、极限强度—受热温度、泊松比—应力比和拉伸应力—应变关系曲线方程均与实测结果吻合较好.     

圆钢管混凝土结构非线性有限元分析

基于合理的钢管混凝土拉、压材料数值本构模型,采用U.L.列式单元增量平衡方程,引入分层梁单元材料非线性分析理论,通过调整截面形心应变和曲率,使梁端内外力平衡,完善了分层单元法,编制了相应的非线性有限元程序,并对已有钢管混凝土结构面内受力,如钢管混凝土偏压柱、不等端弯矩钢管混凝土偏压柱、钢管混凝土压弯构件和钢管混凝土模型拱肋等试验资料进行双重非线性有限元分析。结果表明:几组钢管混凝土模型拱和钢管混凝土压弯构件的荷载-变形曲线和极限承载力与试验结果最接近,验证了本文方法与程序的可靠性,通过与其他学者计算结果相比,表明本文方法具有较高的计算精度。     

非线性动力方程的改进分段直接积分法

对现有的求解非线性动力方程v=H.v+f(v,t)的分段直接积分方法进行了改进,提出了新的预估式。该方法为显式预估-校正、自起步的单步四阶精度的精细积分算法,避免了对f(v,t)求导。算例表明:该文改进方法可用于求解多自由度、强非线性、非保守系统的动力响应问题;对研究解的稳定性也是一个有效的工具,而且比现有的分段直接积分方法和经典的Runge-Kutta方法计算精度高。     

自然扩散条件下混凝土中氯离子的沉积

采用浸泡试验方法,通过测定不同条件下混凝土内部不同位置处外渗氯离子的含量,研究了混凝土组成与配比、溶液中氯离子浓度、浸泡方式等因素对自然扩散条件下混凝土中氯离子沉积的影响规律,并采用不同的试验测试方法分析了混凝土中以化学结合、物理吸附或游离方式沉积的氯离子含量.结果表明:较高水胶比(>0.42条件下,水胶比的变化对混凝土表层沉积的氯离子数量无显著影响.混凝士中沉积的氯离子数量随外部环境中氯离子浓度的增加而呈不同程度的增加.相对于一维浸泡方式,三维浸泡的混凝土表层沉积的氯离子有一定程度的提高.与酸溶法相比,混凝土中水溶性氯离子的沉积量约降低30%.     

高速铁路桥梁及场地土交通振动分析

以高速铁路32m单箱单室简支梁为例,建立了考虑土-结构动力相互作用的车-桥-墩-桩-土耦合振动系统整体三维有限元分析模型。车辆采用具有二系悬挂的多自由度车辆模型,场地土采用京沪高速铁路沿线实勘软土地基土层数据,在土体截断处采用粘弹性人工边界模拟半无限域土体,采用基于库伦接触算法的动力三维接触单元模拟轮轨接触。分析了桥墩和桩基等下部结构对车桥耦合振动的影响,以及车桥耦合振动对周围场地土振动的影响。计算结果表明车桥耦合振动受桥墩和桩基影响显著;周围场地的振动振级随着距离的增大而逐渐减小,相对水平振动而言,竖向振动衰减的更加明显;地面振动的高频分量衰减速度大于低频分量的衰减速度,远场地面振动以低频分量为主;地面振动与列车速度不是简单的线性递增关系,与上部结构桥梁的振动有关。