纵向地震作用下大跨三塔悬索桥伸缩缝处双边碰撞效应研究

相邻桥跨间的碰撞效应是引起大跨桥梁引桥落梁的重要原因,本文以一座大跨三塔悬索桥为研究对象,建立了复杂的桥梁结构空间动力分析模型,采用非线性动力时程分析法,详细分析了大跨三塔悬索桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的双边碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,揭示大跨桥梁主、引桥结构振动周期比与碰撞效应的内在联系。研究结果表明：当一侧引桥基本周期小于或者接近主桥梁端位移控制振型周期,而另一侧引桥基本周期显著大于主桥周期时,双边碰撞使长周期侧的引桥固定墩墩底地震内力响应、梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应显著增大,而使短周期侧引桥梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应轻微减小。     

自锚式悬索桥的平稳/非平稳随机地震响应

通过引入均匀调制演变函数,考虑了地震激励幅值的非平稳性。同时考虑了地震动空间效应,包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应的影响,对一自锚式混凝土悬索桥结构进行了地震反应分析。计算了平稳/非平稳地面激励下主塔弯矩以及剪力反应。计算结果表明,考虑非平稳因素可使地震反应峰值减小,行波效应和相干效应使结构地震反应增大。     

脉冲型地震作用下独塔自锚式悬索桥碰撞响应试验研究

为了研究脉冲型地震作用下考虑碰撞效应时自锚式悬索桥的地震响应,以某独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了缩尺比为1∶20的试验模型,并选取三条具有不同脉冲周期的近断层脉冲型地震波,利用多子台地震模拟振动台台阵系统,进行了一致激励及行波激励下的对比试验。结果表明:一致激励下梁端碰撞效应会显著增加边墩墩底变形,但会不同程度降低支座的位移响应,且碰撞效应随碰撞间隙的增加先增强后减弱;行波激励会加剧梁端碰撞作用,使碰撞效应对边墩墩底变形和主塔塔底变形的放大作用更显著;脉冲型地震动的脉冲周期与悬索桥基本周期越接近,碰撞效应越强,对边墩墩底变形及主塔塔底变形的放大效应越显著,但对支座位移降低程度的影响不明显;因此,对自锚式悬索桥进行抗震或减震设计时应当考虑碰撞效应、行波效应及地震动脉冲特性的影响。研究成果可为桥梁结构的碰撞响应研究提供参考。     

爆炸荷载作用下悬索桥竖弯响应的数值模拟

针对大跨度悬索桥可能遭受的爆炸袭击,采用数值模拟方法研究了空中爆炸冲击波作用下悬索桥竖向弯曲响应。研究表明：悬索桥的竖弯响应过程可分为非稳态和稳态两阶段,所有构件的最大内力均发生在非稳态阶段。非稳态阶段相联构件间相互作用强烈,构件内力变化大。稳态阶段构件间的相互作用减弱,构件内力绕恒载值小幅波动。装药水平位置对加劲梁和吊杆最大内力影响显著,但对主索最大内力的影响不明显;加劲梁的最不利荷载位置在跨端,吊杆的最不利荷载位置在跨中     

行波效应对大跨越输电塔－线体系纵向地震响应影响

由于特高压大跨越输电塔－线体系塔身高跨度大,仅考虑单塔及塔－线体系的一致地震输入是远远不够的。本文考虑地震波沿大跨越线路传播时引起的地震行波效应,建立了特高压大跨越输电塔-线体系精细的三维空间有限元模型,运用几何非线性动力时程分析方法研究了纵向地震作用下大跨越输电塔－线体系的地震响应特性,并和一致地震动输入下的反应进行了对比。结果表明：行波效应既可以增加又可以减小塔身的地震响应,主要与地震动作用于大跨越两端输电塔的相位差有关;行波效应对导线跨中竖向位移响应影响十分明显,但对导线内力响应影响很小     

大跨多塔悬索桥纵向地震碰撞反应参数研究

针对大跨桥梁在地震作用下伸缩缝处的碰撞现象,以一座大跨三塔悬索桥为工程背景,建立了考虑墩柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法详细分析了碰撞刚度、碰撞初始间隙等因素对碰撞效应的影响.分析结果表明:碰撞刚度在可能范围内取值,碰撞效应的变化不明显,碰撞刚度不是敏感参数;碰撞初始间隙是一个敏感参数,其大小对于碰撞效应有一定的影响,初始间隙比的变化对主引桥相对位移和引桥梁端位移影响比较明显.     

大跨拱桥三维多点随机地震响应分析

对大跨度钢管混凝土拱桥进行三维正交地震动多点激励下的平稳随机响应分析.建立了跨径308m中承式钢管混凝土拱桥的精细有限元模型,采用多维多点平稳随机地震响应分析方法,数值仿真了该拱桥在一维P波、一维SH波、一维SV波多点激励下的地震响应以及考虑互谱的三维多点激励地震响应,研究了三维地震动、行波效应和部分相干效应对拱肋内力的影响.数值分析结果表明:考虑地震动的空间效应对拱肋内力有很大改变,地震动的行波效应对拱肋内力的影响比部分相干效应的影响更大,三维地震作用比单维地震作用的拱肋内力有较大增幅.对大跨度钢管混凝土拱桥,必须进行多维多点地震激励的响应分析,否则有可能严重低估结构的地震设计内力.     

铁路悬索桥纵向非一致激励地震响应分析

以某三跨铁路悬索桥为例,基于大型通用有限元软件ANSYS,采用行波输入与多点激励两种非一致地震激励进行铁路悬索桥地震响应计算分析。研究获得大跨度悬索桥在非一致激励输入下响应变化规律,并通过分析桥梁各响应控制振型变化获得非一致激励对桥梁地震响应影响机理,从而揭示两种非一致激励考虑方式对桥梁响应影响的根本区别,为悬索桥非一致激励下地震响应计算分析提供重要参考依据。     

基于塑性铰模型的三塔斜拉桥抗震能力时程分析

摘要：采用非线性塑性铰考虑结构构件的混凝土开裂、钢筋屈服和材料滞回效应,利用APDL语言编制二分法程序使计算机进行自动计算和减少计算量,从而建立通过不断增大地震时程作用来计算斜拉桥结构抗震能力的方法,并以该方法分析研究了一座在建的三塔结合梁斜拉桥的抗震能力和地震反应特性。研究结果表明：在抗震能力状态,三塔斜拉桥中塔底内力响应要远大于边塔,但由地震引起的塔顶位移却相差很小,所以提高中塔抗震能力可以较快地提高整体结构的抗震能力;有塑性铰模型要比无塑性铰模型具有更高的抗震能力;采用二分法循环计算程序,不仅可以降低人工试算的烦琐而且能大幅减少循环计算次数,使大型结构的抗震能力分析较为简便。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

基于Rayleigh法的独塔非对称悬索桥基频简化算法

为了便于计算独塔非对称悬索桥振动基频,采用Rayleigh法分别推导了一阶正、反对称竖弯及扭转振动基频估算公式,考虑了不对称跨径布置对振动基频的影响,并提出了非对称独塔悬索桥合理的跨径比例。将表征跨径关系的参数k取1即可得到独塔双跨对称悬索桥的基频估算公式,最后通过有限元法验证估算公式的有效性和可靠性。研究结果表明:独塔非对称悬索桥一阶正、反对称竖弯、扭转频率的有限元解和文中解的误差都在10%以内,表明推导的估算公式解与有限元解误差能满足设计阶段的要求,最后讨论了跨径相关系数变化对竖弯和扭转基频的影响并给出了合理边中跨比的建议,该公式可以方便指导独塔悬索桥方案设计和动力计算。     

自锚式斜拉-悬索协作体系桥基础微分方程近似推导

按连续体的方法描述自锚式斜拉-悬索协作体系桥在竖向荷载作用下的结构静力行为。基于分区广义变分原理,考虑了主梁和主塔的压弯耦合效应,建立了三跨自锚式斜拉-悬索协作体系桥的大位移不完全广义势能泛函,通过变分导出了自锚式斜拉-悬索协作体系桥的基础微分方程。以一座自锚式斜拉-悬索协作体系桥为例,求出其解析解,并与数值解相互比较,二者比较接近。所得基础微分方程可以用于自锚式斜拉-悬索协作体系桥的初步分析,并为阐述此类桥型的结构静力行为提供理论依据。     

空间主缆自锚式悬索桥成桥状态的确定方法

基于空间主缆自锚式悬索桥受力的内在要求,明晰了成桥状态确定的总体流程;从主梁受力合理(弯矩合理)的要求出发,获得了成桥状态吊索合理竖向力的确定方法;在阐述空间主缆找形解析法基本方程和吊索竖向力确定方法的基础上,给出了能确保收敛的空间主缆找形和吊索参数计算的具体步骤和方法;根据成桥状态吊索仅在横桥向倾斜的条件,推得了空间主缆线形变化刚度计算的递推公式。从而建立了概念明确、思路清晰、便于编程的空间主缆自锚式悬索桥成桥状态确定的高效高精度方法。杭州江东大桥的工程实例表明了该文方法的高效率、高精度。     

混凝土自锚式悬索桥竖向自由振动的理论研究

基于大位移非线性弹性理论的广义变分原理,考虑了加劲梁的压弯耦合、剪切应变能和扭转应变能的影响,建立了三跨自锚式悬索桥空间耦合自由振动的大位移不完全广义势能泛函,通过对竖向位移约束变分,推导出自锚式悬索桥的竖向挠曲振动微分方程,忽略非线性项的影响,进而得到线性振动微分方程。以一座主跨240m混凝土自锚式悬索桥为例,求出了竖向振动方程自振频率的解析解,并与数值解作了比较,吻合较好。这一理论和方法为自锚式悬索桥的固有振动特性分析提供可靠的理论依据。     

代换梁法在自锚式悬索桥上的推广应用

为了解决自锚式悬索桥活载内力计算问题,按照我国著名学者李国豪教授提出的代换梁法的基本原理,分析了自锚式悬索桥和传统地锚式悬索桥的构造和受力的不同点,对自锚式悬索桥提出了新的计算模型,由此导出了因活载对主缆产生水平拉力分量的计算公式,从而解决了确定自锚式悬索桥加劲梁内力的问题。通过一座桥例的分析,用该方法所得到的计算结果与空间及平面有限元法的分析值基本吻合。因此,该方法对设计具有实用意义。     

MTMD在钢箱梁悬索桥高阶涡激振动控制中的应用

摘要：大跨度悬索桥模态密集,常遇风速下存在多个模态发生涡激共振的可能。鉴于多重调谐质量阻尼器(MTMD)在减振效率和鲁棒性方面的优点,探讨了MTMD理论在大跨度钢箱梁悬索桥高阶竖向涡激振动控制中的应用。首先从Scanlan线性涡激力模型出发,在不考虑气动刚度项和气动阻尼项的条件下得到安装MTMD后的加劲梁位移频响函数。然后以加劲梁位移频响函数峰值极小值为目标函数,运用基于Matlab的遗传算法完成MTMD方案的初步参数优化设计。最后,从结构固有频率波动和结构固有阻尼比变化两方面讨论了MTMD的控制效率和鲁棒性。计算结果表明,在MTMD的初步参数优化设计中忽略气动刚度项和气动阻尼项是可行的,适当扩大MTMD的频率范围和阻尼比可以使其在减振效率和鲁棒性上达到更好的平衡,比传统调谐质量阻尼器（STMD）更适合悬索桥涡激振动控制。     

基于参数不确定列车作用下桥梁振动响应的桥梁损伤识别研究

该文提出了当车辆某参数值不确定时基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别方法。基于列车-桥梁耦合振动模型和响应灵敏度方法, 利用桥梁的在线响应进行损伤识别。通过计算损伤识别结果对随机车辆参数的灵敏度并由此得到损伤因子的数学期望及方差, 进一步得到各单元的损伤因子可能分布区间, 并进行了算例研究。结果表明, 当车辆参数的测量不确定度较小时, 基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别灵敏度方法仍然是可行的;车体质量、一系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较大, 而转向架和轮对质量、二系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较小。     

移动荷载作用下三塔悬索桥的强迫振动研究

针对泰州大桥开展结构动力特性计算,分析了不同移动速度以及不同移动荷载大小对于三塔两跨悬索桥结构动力响应的影响。结果表明,三塔两跨悬索桥的一阶竖弯振动基频约为0.08 Hz,远低于载重汽车的固有频率,不会形成共振条件。简单的移动荷载作用下三塔两跨连续支承悬索桥的内力、位移响应与同等静力荷载作用效果比较接近。移动荷载的质量越大、速度越大,结构的内力、位移响应就越大,并与车重呈近似正比例关系。结构内力、位移的荷载放大系数不随移动荷载质量的大小而改变。     

弹性支座对桥梁车致振动的隔振效果研究

为探讨列车高速通过桥梁时传递到桥墩的振动受弹性支座的影响,建立了12个自由度的弹簧-阻尼单元模拟支座,嵌入到车-线-桥耦合振动分析模型中。以高速铁路上典型的32 m混凝土双线简支梁桥为研究对象,采用包含支座单元的车-线-桥耦合振动分析程序进行仿真计算。结果表明:车辆的轮重减载率和竖向振动加速度受支座竖向刚度的影响很小;支座竖向刚度降低,桥梁响应中的静力成分逐渐增大,动力成分则先逐渐减小,再逐渐增大;采用弹性支座,墩顶全频域内的减振效果主要取决于优势频段20Hz~80Hz频率范围的振动衰减量;弹性支座隔振系统的自振频率为10Hz~20Hz,能够吸收中高频振动,放大自身频率范围振动,反映出弹性支座在中、高频段具有很好的隔振性能。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。