刹车状况下桥上随机车流动态演化及车-桥耦合振动分析

为实现刹车时桥上多状态车流并行动态演化的高真实度模拟和时变汽车荷载与桥梁运动状态的时时耦合，首先从宏观和微观上丰富随机车流模拟方法，宏观上沿用交通荷载调查数据中的车辆顺序、车辆基本特性等不变量，以车辆间距为服从正态分布的限幅随机变量，形成深度融合交通荷载调查数据和交通流理论的随机车流高真实度仿真方法；微观上对车辆间距随机变量确定的关键状态-阻塞状态，引入加权速度，实现阻塞密度时车流的走走停停动态描述，采用考虑驾驶人状态的概率分布方法确定车辆时距；实现多密度随机车流的高真实度仿真。其次细化刹车过程模拟，建立车流差异化刹车模型：采用顺次对比方法，筛选桥长范围最不利刹车车流；引入停车视距，考虑驾驶人反应，区分头车和跟驰车辆，精细模拟车辆刹车动态过程和刹车车流演化过程，差异化确定各车辆刹车参数；实现桥上多状态车流并行动态演化模拟。第三建立刹车力学模型，并融入至已有正常车流的车-桥耦合系统，构建可考虑刹车状态的分析系统。最后确定桥梁典型响应和分析指标，以一座大跨斜拉桥为例，对多刹车工况下的桥梁响应进行分析。结果表明：桥上刹车状况一般会产生超过正常行驶状况下的桥梁响应，最不利单车道刹车状况下的塔根弯矩甚至达到跑车工况的2.7倍，简单采用规范冲击系数方法很难实现刹车响应的包络；刹车过程中的桥梁响应最值不仅与采取刹车的车辆数目和桥上车辆保有量有关，还受刹车作用与桥梁原响应趋势的顺逆程度控制；桥梁及桥上刹停车辆的总质量和桥上正常行驶的车辆决定桥梁响应时程曲线趋势振幅；典型桥梁响应的总体趋势，与车流密度和刹车车道数相关性较小，不同时段车流会对梁端顺桥向位移和塔根弯矩产生影响。     

随机车载下连续刚构桥动力可靠度分析

引入车流-桥梁耦合振动模型至桥梁结构可靠度分析中,提出了随机车流作用下大跨桥梁动力响应的简化分析方法,应用于桥梁动力位移极值外推与首超失效概率评估。基于中国某高速公路的动态称重数据,模拟了稀疏和密集状态的随机车流,建立了主跨为200m连续刚构桥梁的车载效应概率模型。工程实例分析结果表明:随机车流-桥梁耦合振动分析结果为时程曲线,可视为随机过程的一个样本,而Rice公式可捕捉到该曲线的概率特征,可用于研究考虑车流-桥梁耦合振动效应的极值外推;随着输入车流样本的增长,桥梁响应均值与标准差趋于稳定,随机车流作用下大跨桥梁的荷载效应满足平稳随机过程假定;连续刚构桥在密集车流作用下的关键失效点位于中跨跨中,当现有密集车流占有率由1.2%增大到3.6%时,该桥梁的位移首超可靠指标从5.76下降至5.60。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

实测车辆荷载作用下桥梁位移响应及其相关性分析

为研究实测车辆荷载作用下桥梁的位移响应,以安庆长江公路大桥为工程背景,基于参数修正方法建立有限元模型,计算得到跨中位移影响线;基于动态称重系统(WIM)及拍照系统提取车流数据,将实际车流信息施加于位移影响线,分析实测车辆荷载下桥梁跨中位移的反演值,并与GPS系统监测得到的位移值进行对比。结果表明:基于车辆荷载反演桥梁位移响应的方法能较为准确地反演出车辆过桥时主跨跨中位移值的变化情况,车辆荷载作用下桥梁跨中位移存在时滞效应,选取120s用于修正安庆长江公路大桥GPS监测值和反演值时程曲线,消除时滞效应后两者吻合较好;车辆荷载不仅引起桥梁下挠,同时造成位移响应振荡效应,且荷载越大振荡效应越明显;单车辆荷载作用下GPS监测值与反演值两者相差小于10%,多车辆荷载作用下两者相差较大。该方法可为桥梁健康监测以及GPS监测值校验提供参考。     

基于车辆WIM监测数据的大跨桥梁作用效应极值分析

在中国交通荷载急剧增长的现实情况下,重载交通下既有桥梁的结构安全问题日益突出。为了推测实际车流长期作用下的桥梁最大荷载效应,提出了基于随机车流的桥梁作用效应极值概率分析方法。首先,基于某高速公路车辆的动态称重数据建立了随机车流荷载模型,并提取了关键车队加载工况;其次,模拟了某悬索桥的车桥耦合振动效应的位移时程曲线,建立了最优的Rice界限跨阈率模型;最后,分析了交通量线性增长对桥梁极值的影响,校验了设计作用标准值。数值分析结果表明:Rice界限跨阈率模型可捕捉车辆荷载的动力效应,从而实现动力效应极值分析;当交通量的年线性增长率为4%时,桥梁位移极值增加约7.7%,极值增长速率逐步降低;在设计标准值的1950年重现期条件下,某悬索桥的位移极值上限为1.9 m,满足变形上限L/300的要求。     

基于实测车流的中小跨径桥梁车载动力效应极值研究

为评估现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平,提出了车辆荷载冲击作用下桥梁效应极值外推方法。基于高速公路车辆动态称重数据,研究了简支T梁桥的车载动力效应极值,校验并评估了现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平。研究结果表明:基于实测数据的随机车流模型融入了车辆的概率信息,为桥梁车载动力效应极值的概率外推提供了有利条件;欧洲与英国规范的设计车辆荷载效应的重现期远大于美国和中国设计规范;随着桥梁跨度的增加,欧洲与美国荷载模型的重现期随着桥梁跨度的增加而减小,英国荷载模型随桥梁跨度的增加呈先增加后减小的趋势,中国荷载模型的重现期随桥梁跨度增加而增加。     

随机重载车辆作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为研究实际重载交通荷载作用下简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于随机重载车流的既有桥梁疲劳可靠度分析方法。基于高速公路桥梁动态称重车流数据建立了重载随机车流模型,采用响应面方法分析随机车辆对桥梁产生的等效疲劳应力,模拟了考虑车辆超载率上限的疲劳应力谱,估算了运营期内交通变化对简支梁桥疲劳可靠指标的影响。研究结果表明:总重相等的不同车型对简支梁桥产生的等效疲劳应力幅不同,主要表现在随着车轴数量的增长,桥梁的等效疲劳应力幅有所降低;在未控制超载车辆时,桥梁的疲劳应力谱表现出明显的双峰特征,而采用超载率上限控制措施之后,高幅疲劳应力概率密度峰值有所降低;交通量增长导致桥梁疲劳可靠指标显著降低,且随着运营期的增长该下降趋势更加明显;设置100%和50%的车辆超载率上限,将导致40m简支T梁桥在运营期内疲劳可靠指标分别由2.54升高至2.74、2.91。     

多车道桥梁交通荷载特性及结构响应研究

多车道公路桥梁各行驶车道的车流和荷载特性分布具有显著的差异性,由这些差异性引起的结构响应特性应是桥梁管养关注的重点。根据某单向4车道高速公路实测的WIM数据,分析其运营阶段的交通荷载特性,及在实际车流荷载作用下桥梁结构的真实响应。研究结果表明:不同行驶车道的车型分布具有显著差异性,90%以上的货车偏向于外侧两个车道行驶;车辆总重和轴重水平较规范基础数据有明显的提高;各行驶车道随机车流产生的荷载效应最大值基本大于规范值,外侧车道上荷载效应远大于内侧超车道,说明目前规范基于车道荷载独立同分布的假定与实际情况不相符,车辆荷载模型已无法满足实际的结构设计评估要求,建议修正。     

随机车流-风联合作用下沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳寿命预测

为了预测沿海大跨度斜拉桥拉索在车流、风和波浪等变幅荷载长期作用下的疲劳寿命，提出了沿海大跨斜拉桥拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下拉索应力谱的计算方法和步骤，并基于线性疲劳累积损伤理论建立了斜拉桥拉索疲劳可靠度的计算框架。首先，根据桥上实测车流数据，建立了随机车流模型，基于桥址处风浪观测数据，运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型。然后，将生成的随机车流及风浪荷载作为外部激励，基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台，实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。最后，基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式，并以一座沿海大跨斜拉桥为例，结合桥址处的实测车流、风和波浪数据，计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明：车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值，风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分，而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小，可以忽略。此外，在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下，拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布，并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低，为121年。研究成果可为沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳可靠度分析及疲劳寿命预测研究提供参考。     

基于元胞自动机的随机车流模拟与桥梁疲劳响应分析

为了研究类似云南省这样的高原山区低等级公路桥梁实际运营状态下的交通荷载特性及车辆荷载作用效应,首先,基于动态称重获得了云南某低等级公路桥梁的监测数据,得到了该区段车型、车重、车速、车长、轴距和轴重等数学模型。其次,基于传统的元胞自动机模型,对元胞长度、更新步长、换道、行驶的规则及其边界条件做进一步细化研究,提出了适用于山区低等级公路桥梁交通流模型的具体参数值,建立了精细化的元胞自动机模型。最后,根据影响线加载的方式,对该路段上某简支钢箱梁桥在随机车流模拟作用下的荷载效应进行了分析,并且利用雨流计数法整理得出了符合本地区实际交通状况作用下的应力幅和循环次数。结果表明:该元胞自动机模型可以较好地还原车型比例、车速、车长、车头时距等特征参数,模拟车流与实际交通状况吻合较好,从而验证了模型的准确性,该模拟方法可为同类问题提供参考依据。根据随机车流加载得到的车辆荷载效应,对比了《公路钢结构桥梁设计规范》、英国BS5400规范、美国AASHTO规范中的疲劳荷载计算模型作用下的应力幅值。实际交通模拟得到的应力幅值高于规范计算值,表明山区低等级公路由于交通管控不力,导致超载现象严重,桥梁的疲劳问题更加突出。     

日本新西海钢管混凝土拱桥的动力分析

自1990年以来，钢管混凝土拱桥在中国得到了迅速发展。有关方面的研究多集中在静力特征、温度应力及安装技术方面，而关于这些桥梁动力特性的研究则不多。新西海桥是日本第一座公路钢管混凝土拱桥。利用桥梁结构有限元模型及单车模型，分析了桥梁在移动车辆荷载作用下的动力响应，阐述了其响应特征和响应级别。分析结果表明，新西海桥的主桥及人行桥在移动车辆荷载的作用下均具有较好的动力性能。     

大跨径Y形钢箱肋拱桥地震风险评估

为解决现有桥梁地震失效概率计算方法耗时长、计算复杂的问题，提出了一种联合响应面法(RSM)和蒙特卡洛法(MCM)的评估方法，并以此对泾河大桥的地震风险进行了评估。首先通过Midas Civil建立有限元模型，计算桥梁在不同程度地震有效峰值加速度作用下的地震响应，以副拱中部位移为响应值，利用响应面法构建地震有效峰值加速度与位移值的响应模型，求解完成后检验响应模型的精度，最后根据蒙特卡洛原理建立风险极限状态方程，计算得到桥梁在地震作用下的失效概率。研究结果表明，Y形钢箱肋拱桥的地震风险概率为1.81%,桥梁比较安全；RSM的拟合效果较好，能够准确求出影响因子与计算目标的关系；联合响应面法和蒙特卡洛法能够快速、准确地对桥梁地震风险进行评估。     

随机车流作用下拱桥荷载效应极值外推与校验

为了研究实际车流作用下既有桥梁的安全水平,提出基于随机车流模型的桥梁车载效应极值外推方法,并采用长期模拟数据校验外推极值的精度。以典型数值算例为例验证了所提方法的有效性,并由拱桥的算例分析验证了该方法的适用性。研究结果表明:随机车流荷载模型融入了实际车流的概率特征,可用于生成桥梁车载效应极值概率模型所需的大量样本数据;基于广义极值分布函数的外推结果精度与拟合样本点时长有关,在样本点时长大于外推时长时方可保证外推结果误差为1%;交通量增长对桥梁车载效应极值外推有较大的影响,某拱桥的日交通量年增长系数为6%,导致最大值增长幅度为9.5%。     

雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究

面向特异风环境桥梁风振实时推演，开展了雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究。以苏通大桥实测数据为基础，分析了风场参数与主梁抖振响应之间的相关性，确定了桥梁雷暴风效应的主要关联参数。基于前馈神经网络(FNN)、卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等典型神经网络模型，以主要风场关联参数及历史抖振响应作为输入，开展了桥梁抖振响应预测网络架构与模型训练，并对比分析了4种模型的预测效果。研究结果表明：雷暴风作用下大跨度桥梁的抖振响应主要与平均风速、平均风向、脉动风速均方差、紊流积分尺度等风场参数密切相关；待预测的桥梁抖振响应与历史风场及桥梁状态参数有关，需考虑二者的记忆效应；FNN与CNN未能较好地表征该记忆效应，故预测结果与实测值仅趋势相近，预测误差相对较大；GRU与LSTM的预测效果总体较好，GRU在雷暴风风速较大时的预测效果最优；LSTM在高风速下的预测效果略低于GRU,但在风速较低时的抖振预测精度最高，即具有更强的泛化能力。研究结果可为雷暴风易发区大跨度桥梁的安全运维提供借鉴与参考。     

基于实测车流的悬索桥黏滞阻尼器多目标控制研究

为了研究不同黏滞阻尼器参数对车流荷载作用下大跨径悬索桥响应的影响,建立了一座大跨径钢桁架悬索桥的有限元模型。首先对交通荷载监测系统采集的实际交通流数据进行了分时段分车道筛选,得到小时车重极值时段的车流数据,利用格林希尔兹模型模拟形成了基于实测数据的高真实度车流。接着采用等参元方法将车辆荷载简化为集中力荷载分配加载,分析了车流作用下不同黏滞阻尼器参数对结构关键指标响应的影响,包括主梁梁端纵向最大位移、主梁梁端累计位移、主梁跨中弯矩、主塔塔顶位移、主塔塔顶加速度、主塔塔根弯矩、主缆力以及吊杆力变化趋势。最后采用变异系数法计算了指标权重,利用TOPSIS法确定了指标响应的理想解与负理想解,基于各参数方案结构指标响应的相对接近度对阻尼器参数方案进行了评价。分析结果表明:黏滞阻尼器可以有效降低车流作用下的梁端最大位移、梁端累计位移及塔顶加速度;对塔顶位移、塔根弯矩、主缆力及吊杆力的影响并不明显,不同指标对应速度指数和阻尼系数的变化规律不完全一致;速度指数对车流作用下结构响应的影响更为明显,速度指数越小,阻尼器的控制效果提升越明显,在慢速运动时能发挥更好的控制作用,阻尼系数增大亦可提升控制效果,但阻尼系数较小时对应的最大设计速度更大。     

曲线钢管混凝土组合桁架梁桥车桥耦合响应分析

为研究曲线梁桥在匀变速车辆作用下的车桥耦合效应，以干海子特大桥第1联为研究对象，通过建立二轴七自由度车辆整车模型，采用有限元分析方法，分析了匀变速行驶车辆加速度、桥面不平度、车辆离心力等参数对曲线钢管混凝土桁架梁桥动力响应的影响。研究结果表明：匀加速行驶状态下曲线钢管混凝土桥梁动力响应得到增强，桥梁外弧侧扭转趋势加大；匀加速行驶车辆加速度、离心力、桥面不平度对桥梁结构影响较大；桥面不平整度能够显著影响结构竖向动位移响应；曲线桥梁考虑离心率作用能够更加准确反映结构真实响应；匀加速车辆作用下该桥梁结构动位移冲击系数为匀速车辆状态下实测值的3～4倍，为规范取值的6～9倍；由于桥梁结构存在某一特征速度使得结构达到共振效应，各种动力响应在此速度处发生由增大到减小的突变。     

非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统

自锚式悬索桥独特的锚固形式使其主梁承受主缆传递的巨大轴向压力,为了研究主梁刚度在初内力及活载作用下的弱化问题对自锚式悬索桥结构静动力响应的影响,首先,结合自锚式悬索桥的非线性特点引入初应力刚度矩阵,考虑随机车流过桥时几何非线性的时变性,采用分离迭代法建立非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统,并编制相应的非线性分析模块。其次,以某三跨混凝土自锚式悬索桥为例,选取集中力匀速过桥工况,利用ANSYS软件对非线性分析模块的可靠性进行验证。最后,分别设置2种极端工况：第1种是单车工况,近似认为只有恒载作用下产生的几何非线性;第2种是密集交通流工况,认为是恒载和最不利活载共同作用产生的几何非线性,并采用元胞自动机模型对密集车流进行模拟,研究自锚式悬索桥恒载和活载初内力引起的几何非线性对桥梁响应的影响程度。研究结果表明：单车工况下,梁塔恒载初内力对自锚式悬索桥的车辆过桥结构响应影响显著,主梁和主塔初内力贡献程度明显不同,主梁初内力对结构刚度矩阵变化的影响贡献较大而主塔贡献微小;相对于恒载,密集车流作用下初内力效应引起的几何非线性对自锚式悬索桥结构刚度影响微小,对结构响应的非线性影响也不明显。     

基于健康监测的大跨径桥梁车辆荷载效应分析

健康监测系统记录了大跨径桥梁在各类荷载作用下的响应特性,可以用于桥梁运营荷载的评定及结构性能评估。本文依托某斜拉桥健康监测位移数据,首先基于动力测试结果对桥梁有限元模型进行了修正,获得了规范车辆荷载作用下的位移响应,这是桥梁性能评估的基础参考;其次分别采用移动平均法和平滑窗口法分析了车辆荷载作用下的位移响应分量;最后,基于车辆荷载效应通过构建极值模型外推了不同评估周期内位移响应极值。研究表明该桥梁在超过10年评估周期就会出现外推位移极值超过规范计算水平,存在一定的风险,届时需要加强过桥车辆管理及桥梁状态监测。     

佛开高速八车道交通特性与桥梁汽车荷载效应研究

利用安装在广东佛开高速公路上的动态称重(WIM)系统,分别在两个不同位置的四个断面采集了为期将近一年的测试数据,对不同车道车流的分布及荷载组成进行了统计,总结了佛开高速公路车流的交通量、车重、轴重分布以及车头时距和车头间距分布规律。并对桥梁结构在实测荷载作用下的效应进行了分析研究。     

隔震连续梁桥地震作用下梁间碰撞响应的研究

铅芯橡胶支座隔震的桥梁在地震作用下相邻梁体间容易产生碰撞.以3等跨连续梁桥为对象,建立了考虑隔震支座非线性的桥梁碰撞模型,通过非线性时程分析研究了纵向地震作用下相邻联梁体间的碰撞响应.计算结果表明,隔震桥梁在地震作用下更容易发生梁间碰撞,碰撞产生相当大的撞击力,使主梁的轴力响应巨幅增大,但主梁的位移及墩的剪力、位移响应增大不明显.影响碰撞响应的主要因素是相邻联的周期比和基本周期的大小、伸缩缝间隙的大小.铅芯橡胶支座在桥梁地震碰撞中能消耗碰撞能量,可以有效地减小碰撞响应,对桥梁起到一定保护作用.