锚索式悬浮隧道断索动力响应及安全设计分析

针对锚索式悬浮隧道的结构特点，提出锚索突然失效作用下结构动力响应分析与安全设计的技术框架。采用ABAQUS有限元软件建立了断索发生前悬浮隧道在管体剩余浮力、锚索预张力作用下的初始状态；在有限元程序中进行了悬浮隧道跨中截面单根锚索骤断时的动力响应分析，得到了结构振动过程中的响应最大值以及断索后剩余结构的内力重分布形式，并分别采用动力放大系数、冲击系数评估了剩余结构承受的断索冲击效应。进而提出基于动力放大系数、冲击系数的结构响应简化分析方法，与动力计算结果进行了对比。结果表明：对部分锚索施加预张力，使得悬浮隧道恒载作用下初始受力状态更为合理；局部断索引起的结构振动非常明显，导致断索截面附近管体的较大变形；结构安全设计时，取动力放大系数为2.0对悬浮隧道管体位移、弯矩进行分析较为适用，取冲击系数为1.8预测断索过程中剩余锚索最大索力，安全储备更高。     

多重四边形环索-张弦穹顶局部断索冲击分析

多重环索-张弦组合屋盖为复杂的弦支穹顶结构。任一拉索瞬断均会对屋盖结构产生十分显著的动力冲击作用。针对多重环索-张弦穹顶屋盖的结构特点,提出基于AP法的断索冲击动力分析方法。针对断索失效路径、断索持续时间、结构阻尼比及屋盖初始荷载等参数开展敏感性分析,得到适用于多重环索-张弦屋盖的断索冲击动力分析的适用参数。剩余屋盖结构的动力分析结果表明:拉索瞬断冲击下,剩余屋盖的位移及内力响应均会不同程度地大于拉索静力失效,拉索瞬断引起的冲击效应不可忽视。而且,部分结构响应的动力放大系数会大显著大于规范所推荐的放大系数DAF=2.0。不同类型的拉索瞬断分析结果表明:同一重环索中任一拉索瞬断引起的动力效应大致相同;外环索瞬断引起的动力效应会显著大于其他拉索;虽然外环索和张弦索的瞬断均会引起较大的动力响应,但是两者的分布规律差异较大;多根拉索瞬断引起的动力响应并非总是大于单根拉索瞬断。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

弹塑性索和黏滞阻尼器系统用于斜拉桥横向减震分析

旨在研究弹塑性索对与黏滞阻尼器组合减震系统用于大跨度斜拉桥横向抗震设计作用。依据Caltrans规范构建了弹塑性索对的非线性本构关系,基于永宁黄河大桥弹性索对与黏滞阻尼器组合减震系统设计,通过调增地震波幅值,使弹性索进入塑性状态并分析结构响应。研究结果表明:容许拉索进入塑性可以显著增加其变形能力,进而提高整个结构应对强震作用的能力;与塔梁固定的常规体系相比,引入弹塑性索与黏滞阻尼器组合体系可以大幅降低主塔塔底弯矩及主梁加速度响应;与理想弹性索对工况相比,采用弹塑性索对虽然会导致较大的主梁残余位移,但对于控制最大索力和改善主梁加速度响应效果明显,同时塔梁、墩梁最大相对位移和塔底弯矩基本不变。     

大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究

以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,应用考虑拉索侧向振动影响的车桥耦合振动分析方法研究了钢索和CFRP索斜拉桥的交通振动响应,比较了车辆计算模型、行车速度对计算结果的影响,并分析了斜拉桥的动力冲击系数。研究结果表明,大跨度斜拉桥主梁的振动响应以静位移和长周期振动成分为主,拉索局部侧向振动不明显,车辆计算模型对结构振动响应的影响十分有限,行车速度的提高增加了结构的动力系数,两种拉索材料对斜拉桥在车辆荷载下的振动响应影响很小,斜拉桥的动力系数离散性大且与构件类型有关。     

千米级斜拉桥空间非线性合理恒载索力分析

建立了斜拉桥索力调整的空间非线性有限元分析模型，以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数、结构应力及索力为约束条件，采用一阶最优化计算方法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。应用该法分析了某千米级斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明，该方法简单、有效。     

CFRP拉索预应力超高性能混凝土斜拉桥力学性能分析

为了探讨碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和超高性能活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)在超大跨度斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 008 m的大跨度钢主梁斜拉桥设计方案为例,采用拉索的等强度原则将原桥钢索替换成CFRP索,考虑截面刚度、截面应力和局部稳定等要求,将原桥钢主梁替换成RPC主梁,拟订了一座等跨度的CFRP拉索、RPC主梁斜拉桥方案。采用有限元法分别对两种方案结构的静力特性、动力特性、稳定性能以及抗风性能等进行了分析与比较。结果表明:从结构受力性能角度而言,采用超高性能混凝土主梁和CFRP拉索构成千米级跨度混凝土斜拉桥的结构体系是可行的。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

跨走滑断层斜拉桥地震响应特性研究EI北大核心CSCD

为揭示跨走滑断层斜拉桥的地震响应规律,以一座主跨360 m的斜拉桥为对象,采用OpenSees建立全桥三维非线性动力分析模型,以3组带有永久位移的走滑断层地震动作为输入,重点关注跨断层地震动作用下不同构件的响应特点。通过对比跨断层和近断层斜拉桥的地震响应以研究断层跨越效应的影响,同时分析斜拉桥在不同永久位移幅值和断层跨越角度时的响应规律。研究结果表明:相比于近断层斜拉桥,跨断层斜拉桥的地震响应显著增大,这主要体现于下塔柱横向响应、桥墩的纵向和横向响应、主梁的横向弯矩和扭矩,同时桥塔和主梁在震后还会有很大的残余变形;永久位移幅值和断层跨越角度是影响结构响应的重要因素,当跨越角度不为90°时,桥塔的纵向和扭转响应随永久位移呈增大趋势,桥塔也表现出纵向大残余变形,因此垂直跨越对桥塔一般较为有利,但此时主梁的横向及扭转响应又较非垂直跨越时更大,且对永久位移的大小很敏感;此外,受索、塔、梁之间耦合效应的影响,主梁的竖向响应和索力在非垂直跨越断层时也会发生较大改变。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

地震作用下全浮漂大跨斜拉桥耗能减震控制研究

以某实际全浮漂大跨斜拉桥为研究应用对象,探讨了全浮漂大跨斜拉桥阻尼器的布置原则,考虑桩-土的相互作用,建立了全桥空间有限元分析模型,针对该非比例阻尼体系,通过基于应变能理论的振型阻尼分别考虑上部结构阻尼、下部结构阻尼和阻尼器阻尼,从而实现结构不同部分不同阻尼引入到有限元分析模型。然后进行了粘滞阻尼器参数优化,得到了最优阻尼系数和最优阻尼速度指数,并进行减震效果分析。研究结果表明：采用粘滞阻尼器可有效控制结构的地震响应,主塔顶位移、主梁位移和主塔底弯矩分别减小为普通全浮漂体系的60.4%、56.7% 、71.8%,各个桥墩支座位移减震效果;随着阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小,梁端位移、塔顶位移和阻尼器位移减小,主塔墩底弯矩单调减少,当达到阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小到一定值时主塔墩底弯矩控制效果基本稳定。     

随机车辆荷载下三塔悬索桥钢箱梁疲劳关键断面分析

泰州大桥为世界首座千米级三塔悬索桥,建立泰州大桥的三维全桥模型,通过简化的车辆荷载模型,将随机车流加载于大桥有限元模型上,计算泰州大桥主梁不同位置竖向位移和弯矩的振动响应值,分析车流作用下大桥主梁应力变化最大位置,从而确定主梁的疲劳分析的关键位置。     

Seismic response analysis of a double-deck long-span cable-stayed bridge under multi-support excitations

In this article, the effect of earthquake ground motions, especially spatially varying motion, on the seismic response of a long-span double-deck cable-stayed bridge is investigated. Static and dynamic response analyses, with the focus on internal forces on web members, are carried out on the Shanghai Minpu Bridge which is the longest long-span double-deck cable-stayed highway bridge. Firstly, a program for the generation of multi-ground motions has been developed, based on the multivariate stochastic processes of the weighted amplitude wave superposition method in FORTRAN. Secondly, a refined finite element model composed of beam and shell elements and a simplified model using equivalent beam elements to model girders of the bridge are established in ABAQUS. Geometrical nonlinear static analysis is performed to get initial equilibrium configuration of the bridge for both the above models. Modal analysis is carried out on the initial equilibrium configuration and the natures of mode shapes for the refined model are discussed in detail. The dynamic response analyses under two groups of uniform seismic excitation indicate that the two models result in approximately identical results. Thirdly, the effect of nonlinear viscous dampers, located between the tower and the girder, on movement due to seismic excitation is investigated on the simplified model under uniform excitation. Results show that the dampers magnify the shear force and moment on lower tower columns in the longitudinal direction, but have relatively small effect on the upper tower columns. The shear force and moment of the tower base increase with the damping coefficient in a certain range. Finally, the characteristics of internal force for towers, subsidiary piers, and web members (vertical and oblique web members and side oblique chords) under multipoint excitation are examined. It is concluded that the abrupt changes on the shear envelope curves at the intersection of the tower column and the lower transverse beam are aroused due to the eight nonlinear fluid viscous dampers. The lateral moment of the subsidiary piers increases with the distance from the tower to subsidiary piers. The maximum axial forces of web members of side-span vary acutely, especially those of the vertical and oblique members close to the piers. For side oblique chords, the maximum axial force is uniformly distributed with the exception of members at the piers and the mid-span sections. Therefore, attention should be paid to the fluctuation forces of cables in seismic analysis of long-span cable-stayed bridges, since the uplift of girder ends may cause severe damage to bridges.     

CFRP索斜拉桥动态特性的有限元分析及动态试验

介绍了国内首座CFRP索斜拉桥的工程概况;建立了该桥的三维空间梁壳杆系有限元动态分析模型,进行了结构动态特性有限元分析;进行了环境激励下国内首座CFRP索斜拉桥结构动态特性的测试,结合试验结果对国内首座CFRP索斜拉桥的动态特性进行了分析。同时,将实桥动态试验结果与有限元动态特性分析结果进行了对比分析。结果表明,有限元动态特性分析的低阶频率和振型与试验测得的频率与振型结果基本吻合。笔者等试验及相关研究分析结论可为CFRP索桥梁的动态建模、动态特性分析、抗震抗风设计及CFRP新型缆索材料在桥梁工程中的进一步推广应用提供一定的参考依据。     

CFRP拉索设计对大跨度斜拉桥力学特性的影响

以跨度600m～1400m的桥梁为对象,对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行了研究。通过活载作用下的最不利内力和变形、抗风性以及弹塑性稳定性、振动特性等方面的对比,分析了碳纤维拉索在各种大跨度斜拉桥中的适用可能性。研究结果表明:碳纤维拉索的刚度虽然低于钢索,但使用这种材料不影响大跨度斜拉桥的结构设计内力,相反由于拉索使用效率的提高和较高的侧向刚度有利于主梁结构的设计。碳纤维拉索的设计安全系数在2.5～3.5之间可以满足桥梁结构设计的强度和刚度要求。但经济性是影响碳纤维拉索适用于跨度小于1000m斜拉桥的重要因素之一。     

基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。     

澳凼第三大桥斜拉桥的动力特性及线性地震反应分析

结合一座澳门澳凼第三大桥斜拉桥的工程设计实例,采用大型有限元分析程序 ANSYS,选取空间BEAM188、BEAM4 及 SHELL63 单元建立动力计算模型,对比研究了主塔墩底在假定固结和考虑桩土共同工作这两种边界约束处理方式下的动力特性。采用反应谱法和时程分析法对该桥进行了线性地震反应分析,讨论了在两种振型组合方法和三组振型数情况下结构地震响应的最大值。在时程分析中,合理地选取三条地震波分别沿桥的纵、横向输入,得出了主梁和中塔的内力、位移分布规律及时程响应。