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。     

基于小波分析和移动荷载动力响应的连续梁损伤识别研究

为了识别连续梁结构的损伤,以每跨25m的两跨等截面连续梁为背景,利用有限元分析,得到完好和有损伤梁在移动荷载作用下某点的位移响应,进而对其位移响应及残差进行连续小波变换,通过小波系数的变化来识别损伤。研究结果表明:可以根据小波系数灰度图进行损伤位置的识别,损伤识别效果受移动荷载速度和不同测点的影响较小。利用小波系数对数指标可以估计损伤程度,而且在存在噪声时,依然可以对损伤位置进行识别。     

公路车-桥耦合振动的理论和应用研究进展

为了推动公路车-桥耦合振动理论的发展和仿真技术的广泛应用,从公路车-桥耦合振动理论研究和应用研究2个方面系统性梳理了公路车-桥耦合振动相关领域的学术研究现况、既有研究成果、发展前景、存在的问题和对策。理论研究方面,系统总结了车-桥耦合振动研究中车-桥、桥梁、路面不平整度等参数的数学模型和车-桥耦合时变系统动力学方程的数值解法。基于调研和分析发现,经过国内外学者长期的努力,车-桥系统数值模型已经可以越来越真实地模拟实际车辆、桥梁以及路面不平整度等其他条件因素。在未来的研究中应持续改进有限元建模技术和优化数值算法,以进一步提高车-桥耦合振动仿真分析的精度和效率,扩展其应用范围。应用研究方面,以桥梁动力冲击系数、桥梁疲劳分析、桥梁结构损伤识别、桥梁振动控制、桥上行车舒适性以及桥上车辆荷载动态识别等6个问题为例,综述了车-桥耦合振动仿真技术在桥梁安全相关研究领域的应用现状,并对目前研究仍存在的局限和后续的研究方向进行了初步探讨。研究表明,车-桥耦合振动仿真技术已成为众多相关研究领域内的重要研究方法,在部分研究领域已展现了良好的应用前景。后续研究中,一方面应针对具体问题的特点改进车-桥耦合振动模型的适用性和计算精度,另一方面应针对具体研究问题进一步完善相关理论,并从工程实用性角度提出新的或改进的技术和方法。     

基于车-桥耦合振动理论的移动荷载识别

提出了基于有限元模型修正的单车通过多梁式桥梁的移动荷载识别方法.首先采用Butterworth低通滤波器对现场采集到的24 h内所有过桥车辆产生的桥梁动位移信号进行滤波处理,提取静力响应极值,并严格按照车型进行分类统计;其次,对观测桥梁进行基于静力试验的有限元模型修正,建立能够反映桥梁真实状态的基准有限元模型;最后将修正后的有限元模型输入至自行研发的BDANS软件中的多梁式车-桥耦合振动模块,以车型为单位,依据该车型车辆在桥面横向移动时各主梁竖向位移响应分配关系,结合多梁式车-桥耦合振动模块以及实测车辆过桥时各主梁静力极值响应,识别出车辆在桥面行驶的横向位置,然后根据识别出的车辆横向行驶位置和实测桥梁响应识别出车质量.结果表明:该识别方法较为可靠,识别精度较高,能按照车型批量进行识别,可大规模处理交通荷载数据.     

连续梁桥与车辆耦合振动系统冲击系数的研究

将连续梁桥简化为平面梁模型，利用模态分析的方法，计算了在移动车辆振动荷载作用下，连续梁桥的动力特性。讨论了跨径和车辆移动速度变化时，车辆振动系统对连续梁桥挠度冲击系数和弯矩冲击系数的影响，比较真实地揭示出连续梁桥结构在车辆荷栽作用下的动态受力与变形本质。     

中小跨径公路坡桥车载响应分析

坡桥发生破坏的现象较一般普通桥梁严重,以20m简支空心板和4×25m连续小箱梁桥为对象开展了中小跨径公路坡桥动力特性及车载响应研究。首先建立了有限元分析模型,研究了简支梁桥、连续梁桥在不同支座布置及不同坡度下的自振特性;其次依据现行设计规范,分析了两种坡桥下的冲击系数随坡度的变化规律,最后基于车桥耦合振动原理,在挠度、弯矩时程曲线的基础上,给出了不同坡度下连续梁桥的冲击系数并与规范值进行对比研究。结果表明,坡桥振型与相应普通桥梁相同,支座的布置方式对桥梁的频率有一定影响,当支座水平方向设置时坡桥频率比相应普通桥梁的小,当支座垂直主梁方向设置时坡桥基频与相应普通桥梁相同;坡度对基于规范法计算的桥梁冲击系数影响很小,但车—桥耦合振动下坡度对连续梁桥冲击系数的影响较大。     

不平整度桥面下连续梁桥车桥耦合振动分析

现行<公路桥涵设计通用规范>采用结构基频来计算桥梁结构的冲击系数,而基频的计算宜采用有限元方法,但如何计算,规范没有明示;而且规范给定的连续梁基频估算公式不分直桥和弯桥;再者按规范基频估算公式计算冲击系数的值有待商榷.采用一种基于有限元通用分析软件ANSYS来实现公路桥车桥耦合振动数值分析方法,对弯桥车桥耦合振动影响因素进行分析,然后分别对直线和曲线连续梁桥考虑了桥面不平整度后车桥耦合振动进行计算.分析结果表明,直桥和弯桥的动力系数不同,换算成冲击系数均大于连续梁按规范给定的基频估算值计算的冲击系数.     

车辆荷载作用下双工字钢-混组合连续梁桥振动控制研究

车桥耦合作用下，钢-混凝土组合梁桥竖向振动问题比较突出，这将影响行人的安全及舒适性。以中国某三跨双工字钢-混凝土组合连续梁桥为研究对象，对桥梁进行车桥耦合振动分析及控制。基于Newmark-β法在ANSYS中利用APDL语言建立车桥耦合振动模型，并对不同车重、车速和路面等级下的桥梁竖向加速度振动响应进行分析。在桥梁各跨跨中安装调谐质量阻尼器(TMD)对桥梁振动进行控制，采用最佳参数调整方法确定TMD参数。对安装TMD前后的桥梁振动响应进行对比分析，并结合Sperling指标对行人舒适度进行评价。研究结果表明：车速、车重和路面等级均是导致行人舒适度变差的重要因素;2辆同型号车辆按相应车道并排行驶，安装TMD后，随着车速的增大，桥梁跨中竖向加速度峰值减小率逐渐增大，当车速为120 km·h^-1时，桥梁跨中竖向加速度峰值减小率达到43.7%，Sperling指标从2.76降到2.33，振动控制效果最为明显;随着车重的增加，桥梁跨中竖向加速度峰值减小率基本呈增大趋势，当各车重为40 t时，桥梁跨中竖向加速度峰值减小率为29.1%，Sperling指标从2.20减小到1.99，行人舒适度得到了较大改善;随着路面不平顺等级的增大，桥梁跨中竖向加速度峰值减小率也逐渐增大，C级路面时加速度峰值减小率可达到29.4%，控制效果明显。因此，安装TMD对不同车重、车速和路面等级下的桥梁跨中竖向加速度响应均起到了控制作用，对双工字钢-混凝土组合连续梁桥安装TMD可以有效地改善行人舒适度。     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

多轴车辆——桥梁耦合振动响应的数值解法

针对复杂的车桥耦合振动问题,基于D’Alembert原理导出了3轴5自由度车辆的运动方程,考虑了桥面不平度和车辆与桥梁之间的协调条件,推导了车辆与桥梁的相互作用力,基于模态综合理论建立了3轴移动车辆—桥梁耦合振动的微分方程组,编制分析程序并运用HHT方法进行了数值求解。通过算例和某3跨刚架桥的动载试验研究结果验证了该方法的正确性和有效性。对于复杂的多跨桥梁的振型函数可以通过有限元方法求解然后通过插值函数得到,该方法不仅适用于单跨简支梁,也适用于多跨连续梁桥车桥耦合振动问题的求解,具有过程简单,编程方便,计算速度快,且精度很高,特别适合于工程实际问题的计算。     

连续梁结构损伤识别的小波神经网络方法研究

以含损伤的连续梁结构为研究对象,研究了识别结构损伤位置和损伤程度的小波神经网络方法。通过有限元分析和Lanczos法计算得到损伤结构的曲率模态参数,再利用曲率和应变的关系得到应变模态参数。根据连续小波变换理论并用Matlab小波工具箱,得到小波系数模极大值并判断出结构损伤的位置。以此为基础,将小波系数模极大值作为BP神经网络输入参数构造神经网络,通过损伤程度与小波系数模极大值之间的非线性关系,由神经网络的输出参数确定结构的损伤程度。建立了一种既能识别结构损伤位置又能确定损伤程度的小波神经网络方法。通过对一含裂缝的三跨连续梁的损伤识别计算分析,验证了该方法的有效性。     

高速铁路40 m简支箱梁动力响应分析

为研究高速铁路40m简支箱梁桥在列车作用下梁体及车体的动力特性及影响因素,建立车-桥耦合动力分析模型,考虑不同的桥梁刚度、轨道不平顺和残余徐变,分析梁体跨中动挠度、竖向加速度,车体脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、竖向加速度等动力特性。结果表明:梁体跨中动挠度和梁体竖向加速度受轨道不平顺幅值和残余徐变上拱幅值的影响较小;列车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力和车体竖向加速度受轨道不平顺幅值影响较大,各项指标最大值与高低不平顺幅值呈线性关系;残余徐变上拱幅值越大,轮重减载率和车体竖向加速度越大。     

公路桥梁车桥耦合振动的随机响应分析

用结构动力学理论,建立了车辆过桥时车桥耦合振动响应计算模型.采用Newmark-β积分法获得车桥耦合振动响应数值解.讨论了车辆、车速、桥面不平顺、桥的阻尼等因素对桥梁冲击系数的影响.分析表明,在设计中应综合考虑这些参数对车桥耦合振动的影响.     

曲率半径对曲线连续梁桥车桥耦合振动的影响

将曲线通过的车辆和曲线连续梁桥分为2个由非线性轮轨接触力所联系的振动子系统，运用车桥耦合振动理论，建立铁路车辆曲线通过模型动力方程、曲线梁桥的动力模型及其动力方程，应用基于激励非线性振动的数值算法，编制曲线梁桥车桥耦合振动分析软件VCBID，重点讨论了不同曲率半径对曲线连续梁桥车桥耦合振动的影响。分析结果表明在曲线梁桥的车桥耦合振动分析中应计入曲率半径的影响。     

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。     

先简支后连续梁桥车辆冲击系数影响因素研究

针对先简支后连续梁桥的结构特点,采用板单元及实体单元模拟连续梁桥,使用9自由度的三维整车模型模拟汽车荷载,考虑桥面不平顺,建立了该类桥梁的车桥耦合振动响应分析模型.结合模态综合技术和Newmark-β数值积分方法进行迭代求解.以某座典型的4跨先简支后连续梁桥为算例,分析了该桥在单车荷载作用下,行车速度、路面等级、车辆自...     

横风作用下跨座式公轨两用斜拉桥行车性能研究

跨座式单轨轨道交通是城市轨道交通系统的一种典型制式,具有转弯半径小、爬坡能力强、地形适应性强等优点。车辆通过窄轨距轮对骑跨在单根轨道梁上的走行方式,使其易受轨道结构振动影响,因此,横风作用下大跨度桥上的车辆运营性能很值得关注。建立了风-跨座式单轨车辆-桥梁耦合系统动力分析模型。以某海外工程的跨座式公轨两用斜拉桥方案为对象,基于风洞试验和数值模拟方法,获得了车-桥系统的气动参数,并通过风-车-桥耦合振动分析方法评估了横风作用下桥上跨座式单轨轨道交通的运营性能。研究表明：在桥梁风致振动激励下,当跨座单轨车辆通过桥梁主跨时,各项指标均显著增大,车体竖向加速度及稳定轮的响应增幅最为明显;在瞬时风速35 m/s横风作用下,桥上跨座式单轨车辆走行轮的轮重减载率均在0.8限值以内,能够满足行车要求。     

不等支承刚度条件下桥梁—车辆动力耦合解析理论及应用

由于支座、桥墩地基等的作用，桥梁端部实际受弹性支承约束，且因施工误差、材料老化等影响，两端支承刚度常常不等。为揭示支承、梁体、车辆之间的耦合关系及不等支承条件的影响，建立了不等支承刚度条件下桥梁-车辆动力耦合解析理论。首先，基于振型叠加法推导了考虑不等支承刚度约束的桥梁、车辆动力响应闭合解，解析了弹性支承条件对车-桥系统响应的时频影响关系；其次，建立了弹性支承条件下车-桥耦合有限元模型，验证了解析理论的准确性；然后，研究了弹性支承刚度及左、右不等程度对车-桥系统响应的放大效应；最后，探索了基于车辆响应的桥梁频率及支承刚度状态的间接测量方法。研究结果表明：(1)支承刚度衰减使桥梁频率降低，响应幅值增大，且频率阶次越高影响越显著；(2)车-桥系统响应幅值与车辆起始运行位置的桥端支承刚度成反比，从刚度弱侧支承端出发的车辆响应被显著放大，即“弱侧放大”现象；(3)车体响应中包含桥梁频率，且呈现左右对称分叉特征，证实了利用车体加速度响应识别弹性支承梁频率的可行性；(4)利用车辆正反双向行驶加速度响应的“弱侧放大”现象，可判别桥梁支承的弱刚度端，同时增强桥梁频率的辨识，且对路面平整度、结构阻尼、噪...     

基于桥面实测的刚构桥冲击系数分析

基于三维车辆模型和车-桥耦合分析程序,利用接触面间的位移协调条件与力相互作用建立车-桥耦合振动方程;以某大跨度连续刚构桥为工程背景建立桥梁有限元模型,以桥面不平整作为系统的自激激励源,分别采用有限元软件和MATLAB车-桥耦合振动分析程序,在实测桥面数据下对整体模型在车辆作用下的动力响应和冲击系数进行分析,并对国内规范和国外几种常用规范计算的冲击系数进行对比分析。