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。     

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。     

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。     

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。     

大跨度铁路斜拉桥全桥索-梁相关振动研究

为了研究大跨度铁路斜拉桥在外部动力作用下索-梁相关振动导致的拉索振动状态,开发了非线性有限元动力时程积分方法,编制了有限元计算程序。以天兴洲大桥为研究对象,建立了斜拉桥全桥2维模型。研究了在理想外激励作用下全桥发生振动时斜拉桥的索-梁相关振动特性与拉索的共振条件。分析了不同工况列车通过桥梁时,车-桥耦合动力作用对拉索的影响。研究结果表明:对于大跨度铁路斜拉桥,发生索-梁相关振动时,斜拉桥中较长拉索更容易发生大幅非线性振动,拉索的1∶1主共振更容易发生,2∶1参数共振发生可能性较小;列车动力作用不会使拉索达到共振条件,不会造成拉索大幅振动。     

弯斜拉桥中索的主共振研究

研究由弯斜拉桥桥面振动引起的斜拉索参数共振和主共振问题。将弯斜拉桥施工及成桥状态的复杂结构进行简化,建立索-曲梁组合结构力学模型,推导考虑拉索初始垂度及几何非线性影响的索-曲梁组合结构非线性动力学方程。将索与曲梁的连接方式处理为弹性支承。运用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和主共振,并对稳态解的稳定性进行分析,同时对斜拉索参数共振和主共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下拉索的时间历程曲线。研究结果表明:桥面的低阶振动频率在索的线性振动频率附近且激励幅值在一定范围内时,桥面的小幅振动能够激励起拉索的大幅运动,影响弯斜拉桥施工与运营的安全性。     

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。     

斜拉桥拉索模态耦合非线性共振响应特性

考虑拉索垂度及几何非线性的影响,导出了斜拉索的面内外耦合非线性振动方程。通过Galerkin方法,将偏微分方程化为常微分方程,用多尺度法对耦合方程求解,得出了面内外一阶模态耦合振动特性。对典型斜拉桥拉索进行了计算,结果表明:拉索可能产生1:1内共振,共振频率区间及振动幅值与索的垂度大小有关;索内阻尼对共振特性也有较大的影响;由于非线性的影响,响应幅值与初始条件有关。     

随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测

为了预测随机车辆荷载作用下斜拉索非线性振动的响应极值,采用蒙特卡罗随机抽样法生成随机车流荷载,求解随机车流荷载在斜拉索梁端和塔端产生的位移;将索端车致位移作为斜拉索的外部激励输入,采用龙格-库塔数值方法求解斜拉索的非线性空间耦合振动响应;基于经典Rice公式极值预测理论,提出随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测方法。实际工程的应用结果表明：车辆荷载为斜拉索的梁端提供了较大的竖向和纵向位移激励,为塔端提供了较大的纵向位移激励,其对拉索的轴向和面内振动响应影响较大,对拉索的面外振动响应影响较小;斜拉索的车致振动响应极值随着车流密度和重现期的增大而增大;经典Rice公式对斜拉索车致振动响应界限跨阈次数的拟合效果很好,提出的斜拉索非线性振动响应极值预测方法有效可靠且在工程实践中应用方便。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果影响的试验研究

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一.设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学模型,研究了组合系统在具备不同力学特性时,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响.分析结果表明,主粱振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,尤其是对于有可能产生索、梁耦合大幅振动的拉索必须考虑主梁参与振动的影响.     

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。     

Integrated high-performance thousand-metre scale cable-stayed bridge with hybrid FRP cables

To overcome the limitations of conventional steel stay cables in a thousand-meter scale cable-stayed bridge, hybrid basalt and carbon (B/C) FRP cables were investigated to achieve integrated high performances in the bridge of this scale as a replacement for steel cables. First, the material properties of different cables were discussed, and static and dynamic analyses on the entire bridges with different cables were conducted by means of finite element method. Moreover, the aerodynamic stability of different cables was studied in terms of the Scruton number. Results show that (1) hybrid B/CFRP with a 28% volume proportion of carbon fibres exhibits relatively high stiffness, economical cost, a small sag effect and sufficient fatigue resistance, which was proven suitable for stay cables; (2) based on the stiffness principle, the cable-stayed bridge with hybrid B/CFRP cables exhibits linear L–D behaviour and higher stiffness compared to the bridge with steel cables under the static load, and this advantage would become more apparent with the elongation of span; (3) the hybrid B/CFRP cable processes much higher natural frequencies than steel cables, which could lower the possibility of resonance between stay cables and the bridge deck. Furthermore, the aerodynamic stability of hybrid B/CFRP cables is superior to other cables due to its designable inherent damping.     

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。     

Evaluation of FRP and hybrid FRP cables for super long-span cable-stayed bridges

This paper evaluates the safety factors, the applicable lengths, and relative cost of FRP (fiber reinforced polymer) and hybrid FRP cables that are potentially suitable for cable-stayed bridges with a super long-span of between 1000 m and 10,000 m. Following previous studies on 1000-m scale cable-stayed bridges with FRP cables, two kinds of hybrid FRP cables – the previously discussed hybrid basalt and carbon FRP (B/CFRP) cable and the newly-developed basalt and steel-wire FRP (B/SFRP) cable – as well as conventional steel cable, CFRP cable, and BFRP cable are further investigated focusing on their promise in meeting potential requirements for super long-span bridges. Some major results are as follows: (1) a three-stage model for determining safety factors of cables with different kinds and lengths is proposed; (2) a threshold of λ² is suggested to achieve both high material and stiffness utilization efficiency, based on which the applicable lengths for different kinds of cables were evaluated; and (3) hybrid B/SFRP cables and BFRP cables are comparable in cost to steel cables within a 3000 m span, while hybrid B/CFRP cables and CFRP cables demonstrate a superior performance/cost ratio over a longer span.     

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。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

京沪高速铁路南京长江大桥列车走行性分析

运用桥梁结构动力学与车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,建立了高速列车与大跨度斜拉桥的车桥耦合动力分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥3塔斜拉桥方案为例,分析了大跨度斜拉桥在ICE高速列车作用下的车桥动力响应特点;同时,基于合理的列车走行性评价指标,对高速列车通过大跨度斜拉桥时的走行安全性与舒适性进行了详细分析,初步探讨了大跨度斜拉桥用于高速铁路的可行性。