基于压电悬臂梁的铁路钢桁梁桥振动能量收集方案研究

为了研究在铁路钢桁梁桥布设能量收集装置的最佳位置,了解其给桥梁健康监测系统供电的可行性,基于压电悬臂梁能量收集基本原理,以一座有砟轨道96m双线下承式简支钢桁梁桥为背景,进行铁路钢桁梁桥振动能量转化为电能的收集方案研究。首先以压电悬臂梁作为能量收集装置,基于机电耦合理论,得到可收集能量与桥梁加速度响应的关系;其次应用车-线-桥耦合振动理论,分析该桥在列车过桥时不同构件的加速度响应;然后根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数,采用MATLAB编程求解桥梁不同位置的可收集能量;最后提出6种振动能量收集方案并对比分析。结果表明,桥梁不同位置处动力响应不同,需根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数;桥面系尤其是横肋中点处,适宜布置能量收集装置,可收集的能量可以满足桥梁健康监测系统的最小能量需求。     

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响，以某四塔公铁两用斜拉桥为背景，进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载，并通过桥梁和列车节段模型风洞试验，测得计算所需气动力系数；在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型，研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明：突风效应会导致列车横向位移达到最大值，遮风效应会使列车横向加速度达到最大值；随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加，列车动力响应随之增加；风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数，并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大；仅在风速不大于10 m/s时，列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。     

铁路钢板梁桥疲劳及剩余寿命分析

在列车荷载作用下,铁路钢板梁桥的腹板间隙处因面外变形容易产生疲劳裂纹,影响桥梁使用安全与剩余疲劳寿命。对某铁路钢板梁桥采用ANSYS进行全桥仿真模拟,通过计算模型计算出关键部位在列车荷载下的应力历程,并与实测结果进行对比分析;并利用S~N曲线、线性累积损伤理论对各个测点的疲劳寿命进行评估。计算和分析结果表明,腹板间隙处在较低应力幅状态下仍会出现疲劳裂纹。因此,建议缩短桥梁的检测年限,并且认为设置止裂孔的维修方法不能有效地阻止面外变形疲劳裂纹的继续扩展;大部分测点的疲劳寿命趋于无限寿命,有个别测点的剩余疲劳寿命只有50年。     

大跨度提篮式人行拱桥的振动病害分析与改造

针对柔性桥面系动力性能不佳,在行人步伐荷载作用下振动过大,甚至可能发生人桥共振的问题,对一实例桥梁进行自振特性分析,提出提篮式拱桥的前几阶竖向自振频率主要由拱肋性能决定,竖向高阶频率主要由桥面系性能决定,提高桥面系刚度不能有效错开行人步频和结构竖向自振频率,但能有效地减弱动力响应,提高桥梁的使用性能和安全性。根据此类桥梁的这一动力特性,可以有效地诊断出其振动病害并寻求合理的改造加固措施,通常有增加桥面系刚度或增设耗能减振系统两种方法,后者更有效,也可以将这两种方法结合使用。动力响应分析法能有效地进行人行桥振动病害分析和加固前后动力性能对比分析。     

宁东铁路跨下伏输水隧洞的静动力计算及可行性分析

为了评价铁路修建的可行性及运营期间列车荷载对下伏输水隧道钢筋混凝土结构的安全性影响,开展了岩基-隧道钢筋混凝土结构的静动力计算研究,分析了移动列车荷载作用下岩基和衬砌的质点最大位移、最大主应力、振动位移和振动速度的变化规律。结果表明,列车移动荷载引起的岩基及衬砌结构的最大应力低于材料的容许应力;振动位移和振动速度时程曲线具有明显的三阶段特征,且同一列车速度时振动曲线特征点的对应时刻基本相当;振动位移的影响深度随列车速度的增加而增加,衰减完成的时间随列车速度的增加而减少。在输水隧洞上方修建铁路对其钢筋混凝土衬砌结构的安全性影响甚小,无需加固处理。     

基于疲劳寿命的40 t轴重重载单线隧道隧底参数优化

基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建40 t轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析。考虑不同围岩等级、轴重、结构参数以及行车速度等的多种工况,采用动力有限元方法得到列车动载作用下隧底结构疲劳危险部位的应力时程曲线即应力水平,而后根据疲劳累积损伤理论,创新性地考虑应力疲劳与材料碳化的耦合,得到了不同工况隧底混凝土结构的使用寿命。最后给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数,探讨了轴重和行车速度对结构疲劳寿命的影响规律。     

地铁列车振动荷载引起的隧道动力响应分析

已开通运营地铁工程长期承受地铁列车振动荷载的影响,会造成地表不均匀沉降,管片结构附加应力增大,地表振动频率过大易出现城市环境振动污染,影响居民正常生活。以某运营城际铁路为工程依托,采用人工数定激振力函数模拟地铁列车振动荷载,建立了地铁列车振动荷载下隧道动力响应分析模型,对隧道管片结构弯矩及上部地层竖向位移进行监测分析,将地表竖向位移振动加速度换算为等效声级,结合城市环境振动标准,可知列车行驶过程中,地表振动环境污染符合城市环境振动标准规定的限值。     

地震与风联合作用下大跨桥梁车-桥耦合振动分析

为了研究大跨桥梁在风、车及地震联合作用下的动力响应,在已有风-车-桥耦合振动分析程序的基础上,利用大质量法模拟桥梁受到的地震作用,建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,通过质量-弹簧-阻尼系统模拟车辆模型,利用有限元方法建立桥梁模型,采用谱表示法模拟路面粗糙度、风场和地震动,通过分离迭代方法求解地震-风-车-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。     

下穿铁路隧道爆破施工动力响应研究

针对新建公路隧道爆破施工下穿既有铁路隧道时，引起既有铁路隧道动力响应问题。运用有限元数值软件模拟分析了下穿公路隧道与既有铁路隧道中心位置不同时，既有铁路隧道的动力响应规律。研究结果表明:爆破施工至铁路隧道正下方中心时，既有铁路隧道底部最大振动速度为5.97 cm/s，小于规范允许值6.00 cm/s，数值模拟结果符合现场振动监测数据值；对既有铁路隧道的变形影响，从公路隧道开挖至近侧、中心、远侧、贯通，四个阶段最大变形值为4.86 mm，未超过规范允许值10.00 mm。     

狮子洋隧道洞口列车振动流固耦合分析

根据车辆-轨道耦合模型，采用弹性地基梁板模型，得到列车轨下激振力。按广深港高速铁路狮子洋盾构隧道洞口资料，建立精细的三维数值模型，通过FLAC3D软件对列车荷载引发的隧道动力响应进行了数值模拟，分析了列车振动作用下狮子洋隧道洞口水-土耦合规律。结果表明:在列车振动荷载作用下，孔隙水压力增长区域位于隧道周边的一定范围，主要分布在隧道底部地层, 在左右两隧道之间的隧道下方地层，超孔隙水压力值最大；地层受振位移响应等值线呈倒钟状分布，隧道上方影响范围大，且衰减缓慢，隧道下方影响范围小，且衰减迅速；管片左侧近域地层位移响应最大，列车振动对相邻隧道附近地层的影响不明显，其位移值远远小于左侧的地层位移。     

南京长江大桥双曲拱桥铺装改造设缝的研究

南京长江大桥公路落地引桥及分叉落地桥均采用具有我国民族特色的双曲拱桥。南京长江大桥双曲拱桥以及有填料的上承式拱桥,均存在因填料跨墩连续铺筑产生的主墩处的横桥向裂缝所导致的铺装体系耐久性破坏问题。本次改造设计对拱上建筑进行了彻底改造:拱上填料更换为泡沫混凝土,顶面增设钢筋混凝土板及双层沥青。通过对桥面铺装层体系进行方案深入比选以及对桥面进行合理分联设缝,优化了结构受力状态,杜绝了桥面病害。     

上海长江大桥主桥竖向容许刚度研究

上海长江大桥轨道交通与道路交通处于同一桥面,且公路车道明显多于轨道交通,因此如何确定大桥合理的竖向刚度设计值是桥梁建设中的关键技术之一.以列车过桥走行性为控制因素,首先采用传统方法将活载产生的桥梁挠曲线静态线形作为轨道车辆行走时的不平顺的激励,初步确定满足列车走行性时的桥梁设计的竖向刚度最小限值,然后采用道路车辆、轨道列车与桥梁共同耦合振动的分析方法进行车桥动力响应计算,分析2种方法计算结构的差别,并对前述大桥刚度最小限值进行修正,最后提出上海长江大桥主桥容许的竖向刚度最小设计限值.     

泰州长江大桥钢塔疲劳计算随机车辆荷载模拟

通过对江阴长江大桥实际行驶车辆的概率统计分析,采用分段多项式曲线拟合方法得到了货车和客车的随机车重概率近似表达式。通过泊松方法建立车辆随机间距的数学模型,将采用数学模型的计算结果与实际观测数据进行了对比分析,表明了建立的数学模型的有效性。基于以上的数学模型和随机过程理论,建立了泰州长江公路大桥钢塔疲劳计算随机车辆荷载模型,以便能够更好的重现公路桥梁实际车辆的统计特性。     

用能量法分析钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性

介绍了沥青混合料的滞后回路方程和能耗分析方法,并用能量法分析了钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性, 提出了疲劳寿命预测公式。通过南京长江第二大桥钢桥面铺装体系疲劳试验结果的实例分析,表明能量法可用于分析钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性,其疲劳寿命预测结果是较为精确的,而且指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

九江长江大桥列车振动对钢桥面铺装复合体系的影响研究

为研究列车振动对钢桥面铺装复合体系力学行为的影响,以九江长江大桥公路正桥(改造后,采用正交异性钢桥面铺装复合体系)为背景,采用Abaqus有限元软件建立加载公路车辆荷载的模型与同时加载公路车辆荷载和列车振动荷载的模型,对比分析2种模型钢桥面铺装复合体系力学响应的变化规律。结果表明:与仅承受公路车辆荷载相比,列车振动与公路车辆荷载耦合作用不会改变公路路面与横隔板位置处的应力分布规律,最大应力的位置也保持不变,虽然会大幅度增加钢桥面铺装复合体系的应力,产生较大的竖向位移,但整体上在可控范围内;在设计和施工等阶段需采用更高的标准来保证桥梁结构的使用性能。     

钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究

随着公路交通运输的发展,车辆荷载不断提高,导致钢桥面板疲劳问题日益突出,尤其是对桥面系安全使用危害很大的顶板疲劳开裂问题。采用超高性能混凝土(UHPC)形成钢-UHPC组合桥面,因有望解决该类疲劳问题而成为近年来的研究热点。以武汉军山大桥改造工程为背景,利用工程现场的运输卡车,开展了钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究。试验结果表明:顶板与U肋连接处疲劳细节控制测点应力幅约为改造前的1/4~1/10,U肋与横隔板连接处疲劳细节DPS01.1控制测点应力幅约为改造前的1/10;疲劳细节C.6多轴疲劳效应显著,疲劳细节C.6.1控制测点应力幅约改造前的26%~29%;其余疲劳细节控制测点应力幅普遍约为改造前的1/2,U肋嵌补段疲劳细节UU01控制测点应力幅约为改造前的1/2。若大桥原钢桥面板抗疲劳设计寿命按5年计,则改造后有望解决其顶板疲劳开裂问题。     

自平衡测试技术在国内桥梁桩基检测中的应用实例

介绍了桩承载力自平衡测试技术近5年来在国内桥梁桩基检测中的应用情况，包括润扬长江大桥、苏通长江大桥、杭州湾跨海大桥、南京长江三桥等国家重点工程。被检捡桩最大桩径为2．8m。最大桩长125m，最大承载力达12000t。检测结果直接用于工程实际中，充分发挥了大直径超长桩基的承载潜能．取得了显著的经济效益。     

新西海桥的振动特性及舒适性评价研究

以日本首座公路钢管混凝土拱桥——新西海桥为对象,进行该桥的自由振动特性分析,采用考虑路面不平整的桥梁与车辆相互作用力学模型,分析了在移动车辆作用下该桥的动力特性,包括冲击系数和舒适度评价。研究结果表明,在移动车辆作用下钢管混凝土拱桥主跨的拱肋和桥面冲击系数都较小,钢管混凝土拱肋的振动小于主桥桥面的振动。从振动舒适性的观点看,采用纵横梁格构桥道体系的新西海桥在车辆荷载作用下拱肋、桥面和人行桥均满足舒适性要求,具有较好的行车性能。     

南京大胜关长江大桥主桥上部结构设计

京沪高速铁路南京大胜关长江大桥为主跨336 m的连续钢桁拱桥,设计速度目标值300 km/h,设计荷载为6线铁路荷载。主桁采用整体节点,弦杆采用箱形带肋杆件;桥面采用正交异性板整体钢桥面,分块制造、安装;为提高截面刚度、改善气动性能及增加阻尼,吊杆设计成八边形截面并预留阻尼器安装空间;平面及横向联结系采用刚度大、有利于3片主桁内力均匀分配的X形构造;使用墩旁托架及拉索辅助钢梁安装,利用拉索调整主跨合龙口位移。大桥施工进展顺利,2009年9月底主桥钢梁安装完成,预计2010年上半年达到铺轨条件。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。