结构参数对大跨度缆索参数振动的影响

研究结构参数对特大悬索桥施工中缆索参数振动的影响。将塔顶振动位移考虑为主缆的参数激励项,利用Newton定律,考虑缆索垂度、大变形等因素,建立缆索的参数振动控制方程,运用多尺度摄动方法分析缆索参数振动,以矮寨特大悬索桥缆索为例,分析了结构参数发生变化时,缆索参数振动的幅频响应、位移响应及索力增量变化过程。结果表明:桥塔的激励幅值对参数振动影响最为显著,其次为主缆的初张力,垂度变化对参数振动响应影响最小。在特大悬索桥施工过程中,为避免缆索产生参数振动,应重点控制桥塔塔顶局部振动幅度。     

基于初弯曲梁单元的大跨度悬索桥主缆弯曲刚度分析

针对大跨度悬索桥主缆的精细化分析中不能同时考虑主缆弯曲刚度、主缆初始弯曲、索鞍及缠丝等因素的影响,提出了一种新型的初弯曲梁单元来模拟主缆的弯曲刚度和初始弯曲,通过虚功增量方程推导其切线刚度矩阵,并编制了主缆非线性有限元程序,建立大跨度悬索桥主缆施工过程的有限元模型,计算中考虑了索鞍处主缆线形的修正及由缠丝引起的主缆弯曲刚度的变化.结果表明:弯曲刚度使主缆在恒载作用下的竖向变形减小,成桥状态时由此引起的主缆线形计算偏差没有超过工程精度的要求;成桥状态时靠近桥塔的吊索吊点处主缆的弯矩及弯曲应力显著,需要在大跨度悬索桥主缆设计和施工中加以考虑.     

三塔四跨悬索桥合理结构布置形式研究

为明确不同结构布置形式应用在三塔四跨悬索桥中的合理性,构建了主跨600～1 400m范围内的5座三塔四跨悬索桥,对汽车荷载作用下结构竖向刚度及主缆抗滑系数这两项控制指标进行了计算分析,并深入探讨了不同主跨跨径下塔梁连接形式、缆梁连接形式及缆索系统布置形式对结构产生的影响。研究表明:三塔四跨悬索桥在单跨满布汽车荷载下,随主跨跨径的增大,"中塔效应"越易缓解;当对鞍座进行适当改进以提高主缆与鞍座间的名义摩擦系数后,三塔四跨悬索桥桥跨布置可大幅拓宽;塔梁连接形式对"中塔效应"的影响体现在其纵向约束存在与否,无纵向约束体系的竖向刚度及主缆抗滑系数显著降低;缆梁连接形式对"中塔效应"的影响非常明显,但其导致了中央扣及部分吊索的疲劳、锚固及索夹滑移问题;缆索系统布置形式对"中塔效应"影响较弱,协作体系仅会产生不利的影响。综合对比分析表明:从缓解"中塔效应"的角度出发,不设置中央扣,塔梁间设置纵向约束的平面缆体系更适用于三塔四跨悬索桥。     

悬索桥吊索锈蚀的力学影响分析

悬索桥的吊索锈伤是影响悬索桥结构安全性和耐久性的关键因素之一。应用有限元方法研究了悬索桥在吊索锈蚀过程中结构响应的变化规律,提出并验证了锈蚀过程中主缆位移的弱相干性原理和吊索索力的相邻影响原理,即锈蚀吊索在吊索锈蚀过程中,除对自身吊点影响较大外,对非锈蚀吊点的主缆位移影响很小,对相邻吊索内力影响很大,而对非相邻吊索则不产生显著影响。对一座三跨钢筋混凝土加劲桁架悬索桥的模拟计算表明,单根吊索锈蚀时,运用该原理可以诊断锈蚀拉索的位置和程度;多根吊索同时发生锈蚀时,结构响应趋于复杂,主缆位移的影响可近似等效单吊索锈蚀影响的线性叠加,弱相干性仍然明显,而索力变化率最大的吊杆位置发生漂移,相邻性原理不再适用。     

超大跨度悬索桥长吊索涡振特性及其控制研究

针对超大跨度悬索桥长吊索风振突出的问题，以张靖皋长江大桥为背景，开展了超大跨度悬索桥长吊索涡振特性及其控制研究。基于嵌套网格技术，开展了2种直径长吊索涡振的数值模拟，并分析了吊索低阶与高阶涡振响应的特性。采用减振锤作为控制措施，开展了阻尼器参数设计，并通过节段模型风洞试验验证了减振装置对吊索涡振的控制效果。研究结果表明：不同直径的吊索在单索股和双索股情况下均可能发生涡振；不同阶次模态发生涡振的位移振幅接近，但高阶涡振的加速度幅值显著增加；考虑涡振对吊索疲劳性能的影响，采用减振锤能够有效抑制涡振响应。     

具有刚性中央扣的大跨度悬索桥随机地震响应研究

为分析刚性中央扣对悬索桥地震响应的影响,以一座具有刚性中央扣的大跨度悬索桥为例,建立大跨度悬索桥的空间有限元模型,基于随机振动法对比分析刚性中央扣对悬索桥动力特性的影响、地震动功率谱密度函数的选择对地震响应的影响以及悬索桥在三向地震作用下的地震响应。结果表明:刚性中央扣减少了加劲梁纵飘及与主缆振动相关振型出现的次数并增大了相应的频率;在纵向地震作用下,中央扣减小了加劲梁的位移,但是明显增大了加劲梁的内力;地震动功率谱密度函数模型采用Clough-Penzien模型时所得到的随机地震响应要较杜修力模型大,且两者的计算结果均大于采用规范反应谱的计算结果;在三向地震作用下,导致加劲梁在中央扣位置处形成内力集中,地震响应也更为不利,桥塔最大纵向弯矩位于塔底,最大横向弯矩位于横梁交界处和塔底。     

多塔悬索桥附属结构耐久性参数研究

附属结构作为桥梁结构中的重要构件,其耐久性会影响桥梁整体结构的使用寿命。由于多塔悬索桥整体结构更柔,变形更大,附属结构处累积位移量也更大,因此附属结构耐久性问题在多塔悬索桥下更为突出。为了定性分析桥梁结构的体系参数（包括塔梁连接方式和缆梁连接方式）对附属结构耐久性的影响,建立某四塔悬索桥的有限元模型,利用影响线加载的方式进行计算,得到不同塔梁连接方式以及缆梁连接方式下的梁端以及支座位置处的位移累积量。结果表明：采用塔梁固结方式减少梁端纵向位移和转角位移累积量的效果最显著;塔梁纵向连接的约束越强,梁端以及支座处纵向位移越小;设置中央扣的方式有利于减少纵向位移累积量,同时也能减少转角位移的累积量。     

特大跨悬索桥动力特性及参数分析

鉴于当前对影响悬索桥动力特性的一些关键参数少有系统研究的现状,采用有限元法分析了四渡河悬索桥的动力性能,并从中央扣的设置与否,主缆、吊索、加劲梁和索塔的刚度变化以及边界条件变化等方面进行了自振特性的参数影响分析,得出了若干结论,为悬索桥的优化设计提供理论依据。     

缆索协作体系桥梁静力特性研究

缆索协作体系是一种融合了悬索桥和斜拉桥优点的新型缆索承重桥梁结构,为研究此类桥梁结构的主要静力特性,指导设计,以某主跨1 700m双层缆索协作体系桥梁方案(主跨跨中1218m为悬吊部分,其余为斜拉部分)为背景,采用桥梁非线性分析程序BNLAS对桥梁主要结构进行计算分析。结果表明:缆索协作体系与常规悬索桥相比具有较大的竖向刚度,采用钢混接头断开方案,可释放钢混接头处的较大内力,过渡段悬索部分加劲梁会产生纵向相对位移和梁端转角,可考虑设置纵向拉杆作为限位装置;通过在边跨设置辅助墩、采用混凝土主梁及塔梁固结等措施增加结构刚度,可适当改善长拉索及端吊索的疲劳问题;缆索协作体系与相同跨度的悬索桥相比,主缆截面有所减少;悬索-斜拉组合体系交汇处吊索可采用刚性吊杆。     

中央扣对大跨悬索桥动力特性和汽车车列激励响应的影响

为了探讨大跨悬索桥在动力激励下中央扣的作用,以四渡河悬索桥为研究背景,建立了该大跨钢桁架加劲梁悬索桥的3种中央扣模式的空间动力计算模型,对其动力特性和在移动汽车车列激励下的时程反应进行了空间非线性分析。研究结果表明:中央扣提高了结构的反对称抗扭刚度,限制了结构的纵飘特性;在静车列作用下,中央扣对全桥内力分布影响很小,但是在移动车列激励下,中央扣使得加劲梁的应力动响应显著增加,且随车列速度增加而增大;中央扣对加劲梁纵桥向位移的限制作用在常规速度车列激励下表现不明显;中央扣的设置方式宜采用刚性中央扣或3对柔性中央扣。     

基于能量法的组合梁桥拥堵车辆怠速振动所致疲劳损伤评估

针对拥堵车辆怠速振动造成的城市桥梁疲劳失效风险，利用ABAQUS建立车辆拥堵荷载作用下的车-桥耦合有限元模型，通过动力响应分析和应力循环计数，采用能量法以总应变能密度为损伤参量，计算4种拥堵工况下城市组合梁桥钢箱构造细节的疲劳累积损伤，并通过与规范标准疲劳车畅通运行状态时的损伤对比，综合评估车辆拥堵对城市组合箱梁桥疲劳性能的影响。结果表明：城市组合梁桥在车辆拥堵荷载作用下弹性应变能在总应变能密度值中占主导地位，其疲劳行为是典型的高周疲劳，疲劳损伤主要来自于怠速振动初始的3~5个高应力幅循环；钢箱底板-腹板焊缝构造细节的疲劳累积损伤为母材的2~5倍，焊缝是疲劳性能较薄弱的部位；当典型拥堵车流只包含小汽车及公交车时，拥堵状态下的疲劳损伤可偏于安全地采用1辆标准疲劳车怠速振动进行评估，但在某些未限制货车通行路段，车辆拥堵造成的疲劳损伤显著增大；由于发动机怠速振动动力效应致使等效应力幅增大65%，1辆标准疲劳车1次拥堵作用下的疲劳损伤是畅通状态下疲劳车单次过桥产生损伤的14.7倍，构造细节疲劳破坏风险增大；考虑车辆拥堵影响后疲劳累积总损伤增大，疲劳损伤受拥堵工况、交通量及拥堵时长影响，日均拥堵4 h情况下，考虑拥堵后的疲劳损伤可达不考虑时的3.5倍。该文可为类似桥梁疲劳评估提供借鉴参考，为保障既有城市钢桥的安全运营提供一定的基础理论支撑。     

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。     

基于桥面不平顺的车桥耦合振动分析

把车辆和桥梁结构看成相互作用的两个子系统,分别建立二者的力学模型和振动微分方程。在求解过程中,通过位移协调条件和两个子系统间相互作用力相等的原则把两个子系统的振动微分方程耦合起来。利用有限元分析软件ANYSYS的二次开发语言APDL编写了求解车桥系统耦合振动微分方程的迭代计算命令流。以桥面不平顺为激振源,分析了主跨为550 m的福建长门大桥当多车辆通过时在各级桥面不平顺情况下的动力响应。计算结果表明,随着桥面不平顺程度的增加,桥梁结构和车体的动力响应均呈非线性增大,其中桥梁主跨跨中位移、主跨最外侧拉索应力和车辆加速度变化显著。     

考虑附加变形的公路-磁浮合建桥车桥耦合动力响应研究

为了解温度变化和汽车荷载布置引起的附加变形对大跨度公路-磁浮合建桥及磁浮列车动力性能的影响,以某三塔四跨公轨合建大跨度斜拉桥为背景,采用UM及ANSYS软件建立磁浮列车、桥梁、悬浮控制器模型,分析温度、汽车荷载作用下的附加变形对车桥动力响应的影响。结果表明:温度附加变形对桥梁及磁浮列车的动力响应影响较小;汽车偏载作用对桥梁和磁浮车辆的横向动力响应影响较明显,6车道对称布载作用对磁浮列车的加速度和Sperling指标的影响不大,但悬浮间隙波动范围增大了30%;汽车荷载对公轨合建桥梁车桥动力响应的影响较大,需予以重点考虑。     

人行索桥合理结构形式研究

为得到适合山区人行索桥的合理结构形式,通过对目前大部分山区人行索桥安全隐患及事故的调查,并对悬索桥和索道桥进行理论计算和对比分析,提出索桁结构概念。索桁桥结构由上主缆、下桥面缆索及吊杆组成,通过在空载下张拉下桥面索形成一个类似桁架结构的空间体系。通过对索桁桥、悬索桥、索道桥3种结构形式的对比分析可知,在山区修建人行索桥采用索桁结构体系是比较合理的,索桁桥可以降低活载挠度,节省工程造价。     

公路桥车桥耦合振动的隐式和显式分析方法研究

求解公路桥在车辆荷载作用下的振动响应,不仅能为设计提供参考,还可以为桥梁运营阶段的管理和养护提供依据。对比分析车桥耦合振动的隐式和显式分析方法,分别在Matlab自编程序和LS-DYNA有限元程序中建立隐式模型和显式模型,以一座简支空心板梁桥为算例,用两种分析方法分别求解该桥在移动车辆荷载作用下的振动响应,并将数值计算结果与实测结果对比,分析两种方法的合理性。研究结果表明,两种建模分析方法各有利弊,显式建模计算结果峰值偏大,综合考虑,建议采用隐式建模分析方法求解车桥耦合振动响应。     

桥面不平顺对下承式系杆拱桥振动影响的试验和模拟研究

为了获得下承式系杆拱桥的汽车荷载冲击系数，在桥面间隔布置橡胶减速条带以形成周期性的不平顺输入，对下承式钢管混凝土系杆拱桥的动挠度进行现场实测。结合自编的车桥耦合（VBI）单元，建立车-桥耦合振动三维有限元分析模型，通过与实测结果对比验证VBI单元的正确性。在此基础上，引入另外3座标准拱桥以形成涵盖4种跨径的下承式系杆拱桥研究对象，输入规范规定的A~D级不平顺，研究车速、车重和桥梁基频对系梁冲击系数的影响。研究结果表明：汽车通过周期间隔布置的减速带时会形成稳态激振，当激振频率接近桥梁的前2阶基频时，引起的系梁动挠度响应最大；系梁的汽车荷载冲击系数随着桥梁基频的增加呈现出先增大后减小的趋势，当小汽车（总重低）行驶于差桥面（D级不平顺）时，规范值明显低估了系梁的冲击系数。     

基于车辆制动激励和小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法

近年来，因基础冲刷引发的桥毁事故频发，冲刷会造成桥梁下部结构周围土体被破坏进而导致基础承载力下降，并且由于冲刷位置隐蔽增加了识别检测的难度。为了精准识别桥梁下部结构的基础冲刷损伤，利用车辆制动作用可引起更为显著的桥梁下部结构纵桥向动力响应这一特点，提出了一种基于车辆制动作用下桥梁动力响应小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法。该方法选择典型三轴车制动作用作为动力激励，利用小波包对冲刷前后的车辆制动作用下桥墩顶纵桥向加速度响应进行分解，提出以小波包能量方差变化率作为冲刷识别指标，实现基础冲刷位置识别；进而通过数值模拟方法建立包含多种冲刷程度与对应测点冲刷指标值的样本库，拟合分析确定冲刷识别指标值与冲刷程度间的函数关系，通过识别出的各测点冲刷指标值基于模式反演方法实现冲刷程度的量化识别。一座混凝土连续梁桥工程实例的分析结果表明，该方法能够实现梁桥基础冲刷的定位和定量识别，抗噪能力强，且识别结果受桥面不平度、制动位置、车质量和初始车速等因素影响较小。该方法在试验过程仅需在桥墩顶安装加速度传感器，可借助常规的桥梁荷载试验项目实现，具有测试简便易行、识别精度好等特点，适于公路梁桥基础冲刷的快速检测。     

基于有限元的曲线连续梁桥车桥耦合振动分析

考虑车桥耦合振动计算了汽车通过曲线连续梁桥时车辆和桥梁的振动。把车辆和曲线连续梁桥视作两个分离子体系,分别应用广义虚功原理和有限元法推导了两者的各自振动方程组,通过位移协调方程及车桥相互作用联系方程把车辆和曲线连续梁桥振动耦合起来,建立了车桥耦合振动方程,给出了采用有限元通用分析软件ANSYS实现公路曲线连续梁桥车桥耦合振动的计算方法。数值算例表明,该计算方法仅经3次迭代即可获得较高精度及可靠的数值结果,并与连续梁按规范给定的基频估算值计算的冲击系数进行对比,在平整桥面情况下,两者基本吻合,在桥面不平度等级为C级时,两者相差较大,这说明按现有规范计算曲线连续梁桥的冲击系数,在某些特定的条件下,有可能是不安全的。从而为公路曲线连续梁桥动力性能评价寻求了一种方便可靠的数值分析方法。