基于动力吸振原理的高墩桥梁抗震特性研究

研究目的:为提高高墩桥梁的抗震性能,利用梁体具有大质量的属性,提出一种动力吸振型高墩桥梁结构,基于扩展定点理论、有限单元法和列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,对3种墩高的高墩桥梁在4条实测汶川地震波作用下的抗震特性及列车过桥安全性进行分析。研究结论:(1)相对于常规型桥梁,动力吸振型桥梁不仅可以有效抑制地震作用下不同高度桥梁在设计固有频率处的墩顶横向位移和加速度,对梁体的横向振动也有一定程度的抑制作用;(2)动力吸振型桥梁墩体应力最大值较常规型桥梁有很大幅度的降低,即便是计算工况中最小的减震率,也达到了43. 57%;(3)由于抑制了作为列车运行基础的梁体横向振动,列车通过动力吸振型桥梁时的脱轨系数和轮重减载率均低于通过常规型桥梁时的指标,过桥安全性也得到提高;(4)本研究成果可为高墩简支梁桥抗震设计提供理论支撑。     

大跨度铁路独塔混合梁斜拉桥的动力特性

为研究大跨度铁路独塔混合梁斜拉桥结构参数对动力特性的影响,以岳口汉江特大桥为背景,利用MIDAS/Civil建立有限元模型,分析了边中跨比、结构自重和刚度、钢混比等参数及有无辅助墩和横向抗风支座对桥梁动力特性的影响。结果表明:该桥振型排列合理,耦合程度低;钢混比和边中跨比对主梁基频影响极大,辅助墩可以有效提高桥梁的整体刚度;无横向抗风支座对主梁振型影响较大,但对桥塔振型影响不大;主梁刚度和自重对本桥前3阶振型的振动频率影响显著;桥塔自重主要影响主塔侧弯和纵弯频率;斜拉索刚度主要影响主梁竖弯和主塔纵弯频率。     

公轨两用大跨度单索面钢桁梁斜拉桥动力特性研究

以某公轨两用大跨度单索面钢桁梁斜拉桥为背景,采用有限元结构分析软件MIDAS/Civil 2019建立考虑施工阶段的全桥3维有限元模型,考虑几何非线性并采用子空间迭代法对桥梁振型进行分析,对索面布置、恒载集度、塔刚度、索刚度、梁刚度、辅助墩数量进行参数改变,研究其对桥梁动力特性的影响。结果表明:单索面钢桁梁双塔斜拉桥抗弯、抗扭刚度较弱,将单索面布置改为双索面布置,可增强斜拉桥的抗扭刚度,并在一定程度上避免弯扭耦合振型的出现;选择轻型2期恒载可增强桥梁的抗震、抗风稳定性;提高塔和梁的刚度可增强桥梁的抗震和抗风稳定性,但索刚度的变化对桥梁动力特性影响较为复杂;科学地增设辅助墩可优化桥梁的动力性能。     

基于模态分析的Push-over方法在桥梁抗震分析中的应用

采用非线性时程分析是计算结构地震响应较为严格的分析方法,但它存在工作量大、计算复杂等问题。目前土木工程中常采用非线性的静力分析(Push-over分析)来评价在地震作用下结构的抗震性能。均匀分布、倒三角形分布的侧向荷载分布模式,适用于刚度大或第一阶振型为主的结构,为了考虑高阶振型的影响,本文提出了基于模态分析的Push-over方法,并将其应用到桥梁抗震分析中。这种方法需要分析结构的动力特性,尤其是振型贡献率。选出振型贡献率比较高的振型,并以此为基础,依据“侧向荷载分布模式与地震时结构惯性力的分布情况应尽量保持一致”的原则,参考《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004—89)可得到对应各振型的侧向荷载,在对主要振型进行组合后,即可获得进行Push-over分析的侧向荷载分布模式。本文采用基于模态分析的Push-over方法对一实桥进行抗震性能分析,结果表明选取主要振型参与计算与采用全部振型计算的结果基本吻合,不仅考虑了高阶振型的影响,又消除了其他次要振型的干扰,因此这种方法应用于桥梁抗震性能评价是可行的。     

青山长江大桥主航道桥结构动力特性分析

研究目的:青山长江大桥主航道桥是目前世界最大跨径全漂浮体系斜拉桥,桥塔为目前世界最高的A形桥塔,主梁为目前长江上最宽的钢箱梁,其动力特性是结构受力特性的关键,与常规斜拉桥相比具有独特之处。本文采用ANSYS建立空间有限元计算模型,对青山长江大桥主航道桥成桥状态、施工阶段最大单悬臂状态结构动力特性进行分析,从而为进一步进行结构抗震、抗风性能分析研究奠定基础。研究结论:(1)在成桥状态时,结构前3阶振型分别为纵飘、对称侧弯、对称竖弯,对应周期分别为14.22 s、6.25 s、4.78 s;在最大单悬臂状态时,结构前3阶振型分别为侧弯、竖弯、竖弯,对应周期分别为8.4 s、4.44 s、2.93 s,两种状态均属于长周期结构;(2)成桥状态和最大单悬臂状态时,结构侧向刚度均偏弱,对横向风致振动响应敏感;(3)结构采用A形桥塔、超宽主梁、空间双索面提高了结构的扭转频率和抗扭刚度,增强了结构的抗扭稳定性,边跨设置辅助墩提高了结构频率和刚度;(4)在成桥状态时,结构的高阶振型中出现了振型的耦合现象;在最大单悬臂状态时,结构的低阶振型中即出现了振型的耦合现象;(5)本研究成果可为大跨度全漂浮体系斜拉桥结构抗震、抗风设计提供依据。     

韩江北桥主桥动力特性研究

以韩江北桥主桥主跨钢管混凝土拱桥初步设计方案为对象,采用ANSYS有限元程序,考虑边跨对主跨的弹性约束作用,建立了该中承式钢管混凝土拱桥主跨的整体动力计算有限元模型,分3种工况（实桥模型;在实桥模型的拱肋间增设横向风撑;将实桥模型的端横梁的顶板、底板和腹板厚度增大1倍）计算了桥梁的振动特性.计算结果表明：实桥模型的拱肋面外刚度较小,在桥梁振动中首先出现拱肋的面外振动,且桥梁前10阶振型中有6阶为拱肋的面外振动;桥梁拱肋面外自振基频明显小于桥梁整体竖向自振基频,说明桥梁拱肋面外刚度与全桥竖向刚度相差较大;桥面系面外刚度相对较弱,桥梁前10阶振型中出现了扭转振动形式.增设横向风撑后,拱肋面外刚度明显增大,对该桥梁动力特性的影响较为明显;增大端横梁截面尺寸对该桥梁动力特性影响不大.计算结果为该桥梁的设计修改提供了参考.     

城市下承式系杆拱桥动力特性与地震响应谱分析

为了研究城市下承式系杆拱桥在地震作用下的响应,通过MIDAS建立某城市下承式钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型,计算该桥前150阶频率、周期、振型等动力特性,基于城市桥梁抗震设计规范对该桥进行了地震反应谱分析。计算结果表明:本文所研究的下承式钢管混凝土系杆拱桥的拱肋横向刚度相对系梁较小,低阶模型振型中先出现拱肋的振动,再出现全桥振动;E2地震反应谱作用下的响应较大,最大内力(剪力、弯矩、轴力)所在的控制截面位置均不相同。所得结论可以为城市下承式系杆拱桥抗震设计提供参考。     

设有板式橡胶支座桥梁的自振特性及动力响应分析

以上海局管内某线由板式橡胶支座支承的16m预应力混凝土梁体的3座桥梁为研究对象,对其动力特性分析得出其横向一阶振型是以橡胶支座做横向剪切的平面摆动,并由实测固有频率推算支座的剪切刚度,进而粗略计算梁体在机车DF4及货车作用下的有载自振频率,与机车DF4及货车某一速度下的蛇形频率进行比较,进而得出在机车DF4和货车作用下结构出现横向振幅过大的原因。     

A型高墩大跨混凝土连续刚构桥车桥动力分析

研究目的:针对A型高墩大跨混凝土连续刚构桥,具有墩高、跨度大、墩身体量轻、刚度相对小等特点,分析车桥耦合动力响应,得出车桥动力性能指标,探讨桥梁结构横向自振周期与车桥动力响应的关系。研究结论:(1)结构基频为纵向振动,频率为0.401 Hz,第二振型为横向振动,频率为0.657 Hz,一阶竖弯频率为1.125 Hz;(2)客车以200 km/h运行,车辆运行安全性和平稳性满足要求,横向及竖向舒适度指标均为优良;货车以120 km/h运行,能满足车辆运行安全性和平稳性要求;A型高墩能较好地解决大跨度连续刚构桥的动力性能问题;(3)桥梁横向第一自振周期对桥梁横向振幅影响较大,对梁体竖向、横向加速度影响规律不明确;(4)车辆响应对桥梁横向自振周期不敏感,采用桥梁横向自振周期来反映桥上车辆的运行安全性、舒适性和平稳性的规律性不明显,两者的相关性不显著;(5)本文分析成果对高墩大跨铁路桥梁设计具有指导意义。     

荷麻溪大桥动力特性与地震反应谱分析

研究目的:为检验双塔单索面部分斜拉桥的抗震性能,建立荷麻溪大桥的动力特性分析力学模型,运用有限元法进行动力特性与地震反应谱分析。采用标准反应谱作为输入的谱曲线,分别考虑纵向、横向和竖向输入下该桥的地震响应,研究地震作用下结构的内力和变形,分析该桥的抗震性能。研究结论:结构动力特性分析表明:荷麻溪大桥的1阶主振型为对称竖弯,因此大桥受竖向地震响应很大;桥的2阶振型为纵移,在纵向地震作用下,桥墩和主梁连接处将产生较大的弯矩和剪力。地震反应谱分析结果表明,主桥结构关键部位基本保持弹性,满足抗震设计要求。     

大跨公轨两用悬索桥动力特性的参数敏感性分析

为了深入研究大跨度公轨两用悬索桥的动力特性,以贵州省在建的马岭河三号特大桥为研究对象,基于Midas/Civil建立全桥三维离散单元有限元模型,采用子空间迭代法进行模态分析,得到该桥的自振频率和振型,并采用控制变量法,分析主塔刚度、主缆刚度、加劲梁刚度、吊杆刚度、恒载集度、中央扣和横向抗风支座等六类结构关键参数对其动力特性的影响。研究结果表明:该桥基频为0.172 Hz,对应振型为主梁1阶正对称侧弯,该桥自振频率较同等跨径的普通公路悬索桥高,结构整体刚度较大;增大主塔刚度,主塔侧向振动频率提高;增大主缆刚度,主梁1阶竖向振动和扭转频率提高;增大吊杆刚度,纵飘频率有一定程度提高;增大加劲梁刚度,主梁侧弯和主梁扭转振型频率的提高显著,有助于提高结构的横向刚度和改善结构的颤振性能;而增大恒载集度,以主梁振动为主的侧弯、竖弯、扭转振型的自振频率均有不同程度的降低;中央扣和抗风支座能有效提高结构的整体刚度。     

斜拉拱桥自振特性分析

以湘潭市湘江四桥为例,利用大型通用有限元程序建立了斜拉拱桥的2种三维空间有限元模型,计算该桥梁结构的自振频率和振型,分析主要结构参数对振动特性的影响,并与同等跨度的系杆拱桥自振特性进行对比分析。从计算数据可以看出,梁杆系模型具有足够的精度,是一种较为合理适用的分析方法。横向刚度对结构的稳定性起控制作用,该桥横撑位置和数目的变化对结构的自振特性影响较大,其数目适当增加,能有效提高结构的横向刚度,而斜拉索和索塔刚度对其影响相对较小。上述结果和结论可为该桥的设计、施工以及使用阶段的健康检测和维护提供技术参数和依据。     

高速铁路大跨矮塔斜拉桥地震主导振型识别

研究目的:为探明高速铁路矮塔斜拉桥地震响应特性,以某主跨(90+180+90) m矮塔斜拉桥为工程背景,基于理论推导及非线性有限元分析,采用平均模态应变能系数为指标,开展该桥型地震作用下主导振型识别,研究其动力特性。研究结论:(1)平均模态应变能系数能同时考虑结构及地震动特性,可作为矮塔斜拉桥振型识别指标,具有高效、精确等特点;(2)梁式体系矮塔斜拉桥在x和z方向主导振型较y方向敏感,反映出结构在这两个方向的动力效应更显著;(3)振型分解反应谱法和时程分析对比可得出,考虑主导振型组合能满足实际工程需求,桥梁主导振型识别对掌握结构地震响应特性具有重要意义,可为地震损伤分析、桥梁减隔震设计等提供依据。     

索梁结构应急桥抖振响应分析

针对新型索梁结构应急桥结构刚度小、质量轻的特点,开展脉动风荷载作用下应急桥的抖振响应研究。利用ANSYS软件建立桥梁结构模型,分析其动力特性。采用谐波合成法模拟脉动风场,基于准定常抖振分析模型计算了主梁节点的静风力、抖振力。运用APDL编制程序分析轻型索梁结构应急桥的抖振响应,分析气动导纳函数和自激气动力对桥梁结构抖振响应的影响,并对提出的斜拉索抗风缆方案进行抖振响应计算。计算结果表明:索梁结构应急桥抖振横向位移远大于竖向位移,说明结构侧向刚度较弱;跨中主缆应力对风速变化更为敏感,而吊杆应力波动较小;索梁结构应急桥跨中横向位移主要受主梁正对称侧弯振型的影响;竖向位移主要受主梁一阶正对称竖弯振型的影响;扭转角主要受主梁一阶正对称扭转振型的影响;不考虑气动导纳函数会使索梁结构应急桥抖振响应计算结果偏大,气动自激力对结构抖振响应影响较小。与原方案相比,斜拉索抗风缆方案能够极大地降低横向抖振位移,对竖向位移和扭转角影响较小。     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

异形独塔双层桥面斜拉桥动力特性及地震反应分析

固有频率和振型是反映结构动力特性的主要模态参数,是评价桥梁动力性能的重要依据。结合深圳皇岗—香港落马洲独塔双层桥面斜拉桥的工程设计实例,采用大型有限元分析程序建立全桥结构有限元模型,对独塔斜拉桥结构的一般动力特性进行了分析,并采用反应谱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独塔斜拉桥地震响应的最大值,为该桥的抗震、抗风分析提供参考。     

铁路桥梁刚度描述方法

针对我国新建桥梁跨度和结构形式远远超出现有桥梁设计规范的适用条件,以及国内外桥梁刚度指标和取值存在较大差异,进行铁路桥梁刚度描述方法和预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度的限值研究。提出一种铁路桥梁刚度的统一描述方法,即采用设计荷载下的梁端处桥面(轨面)的横向、竖向转角和扭转角及非梁端处桥面(轨面)的横向、竖向转角和扭转角沿桥纵向的变化率(即曲率)描述桥梁刚度,并推导出大跨度铁路预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度设计参考限值。该方法不仅能方便描述简支梁的刚度问题,与现有规范相衔接,而且能描述规范所不能涵盖的大跨度桥梁和特殊桥梁结构的刚度问题。通过代表性桥梁的车桥系统动力响应计算分析,证明了统一描述方法的可行性和较好的统一性。     

波形钢腹板组合梁桥振动特性测试与分析

以波形钢腹板组合梁桥为研究对象,采用跳车激励法对其进行了振动特性试验,根据桥梁结构的时域波形,频谱图和功率谱图,得出了其自振频率、阻尼比、振型等振动参数。利用有限元理论对结构整体进行动力特性计算,分析了结构的前20阶的自振频率和振型。对比实测和理论计算结果表明,波形钢腹板组合箱梁桥的实测自振频率、振型和计算值吻合较好。     

双弧型横向钢阻尼装置试验研究与应用分析

以商合杭客运专线颍上特大桥为工程背景,对双弧型横向钢阻尼装置的应用性能进行了试验研究.结果表明:双弧型横向钢阻尼装置具有较好的滞回特性,应用双弧型横向钢阻尼装置可以降低桥梁横桥向1阶频率,减小桥梁横向地震力,提高桥梁的抗震性能,但并未改变桥梁的振型特征.     

单索面低塔斜拉板桁组合公铁两用桥地震响应分析

建立了郑州黄河公铁两用大桥主桥第一联单索面低塔斜拉板桁组合桥的三维有限元计算模型,对该桥梁进行了自振特性分析,在此基础上进行该桥的地震响应研究,对比分析了一致激励下和考虑行波效应非一致激励下的桥梁地震时程响应的差异。计算结果表明,与竖向刚度相比,该桥梁的横桥向刚度相对弱了一些,桥梁第一振型为横桥向弯曲振动;行波效应对桥梁地震响应的影响较大;当地震波峰值加速度不超过0.15g时,该桥梁的抗震安全性是可以得到保证的。