基于列车动力响应的铁路桥梁损伤诊断方法

以桥梁单元的刚度下降率作为损伤指数,通过列车—桥梁耦合振动理论计算列车动力响应对桥梁损伤指数的灵敏度,并构建立灵敏度矩阵和建灵敏度方程,利用约束优化方法求解灵敏度方程得到各单元的损伤指数,实现对桥梁损伤的诊断。应用该方法对1座简支梁桥进行损伤诊断的结果表明:该方法对轨道不平顺不敏感;利用列车车体和转向架的加速度、速度和位移响应均能对桥梁进行准确的损伤诊断,但这3种响应信号中的位移响应最难测量,而且相对于转向架而言,在车体上更容易布置传感器,因此建议优先选用车体加速度和速度响应作为桥梁损伤诊断的输入;该方法既能诊断桥梁单一位置的损伤,也能识别桥梁多个位置的损伤。     

基于单元模态应变能法的桥梁结构损伤识别研究

桥梁结构损伤识别是对桥梁结构进行安全性评定的一个重要环节。本文首先根据桥梁结构损伤前后动力特性分析,导出由于单元损伤引起的结构模态振型的改变系数;然后,运用结构局部损伤因子法建立单元损伤敏感的指示因子,推导出单元损伤前后的单元模态应变能的变化,并对损伤单元与未损伤单元之间的关系进行了研究。最后,以单元模态应变能的变化率作为损伤定位的判别参数,对桥梁结构损伤定位的识别方法进行了研究,并以一座装配式预应力钢筋混凝土系杆拱桥作为工程实例,通过其在不同损伤情况下计算结果和实测结果的分析和讨论,说明该方法能够比较准确地对结构损伤进行定位识别,同时也证明本文研究方法的正确性和有效性。     

基于桥梁动力响应差和提升小波变换识别梁桥损伤

基于损伤桥梁在移动车辆荷载下的动态响应特点以及提升小波变换在奇异性检测方面的优越性能,提出了对不同大小移动车辆荷载作用下的单点桥梁加速度响应差值进行提升小波变换,通过提升小波系数峰值识别桥梁损伤的不依赖无损模型的损伤检测方法。数值分析表明,该方法可以有效识别不同程度、不同位置和多处桥梁损伤。其次,讨论了不同测点位置、荷载速度、噪声水平对损伤识别效果的影响,表明该方法具有较好的抗噪性;测点距离损伤位置越近,损伤识别效果越好;当荷载速度过大时,损伤信息易被淹没,损伤效果变差。     

基于实测应变的时域模态参与因子识别研究

提出一种基于优化结构表面应变测点实现结构振动模态参与因子的时域识别方法,该方法针对激励频率接近或高于结构基频的复杂结构振动响应测试问题,通过有限元模态分析,选择合适的应变测点数,利用D优化设计理论在适宜测试候选区内优化最佳测点位置和方向,结合优化测点组的模态应变矩阵,运用最小二乘法估计结构振动模态参与因子,由模态叠加基本原理,得到结构整体应变响应。通过悬臂梁试件激振扫频试验验证了本方法的可行性。对高速列车某型齿轮箱箱体加15%幅值误差的仿真动态应变进行模态参与因子估计,模态参与量总和为98.9%的三阶模态参与因子估计的RMS误差最大为3.66%,箱体的模态参与因子识别效果较好。     

结合桥梁梁端转角响应的损伤识别研究

基于桥梁转角响应易于获取的特点及桥梁影响线的准静态优势,以桥梁实际影响线精准提取前期研究为基础,提出一种结合桥梁梁端转角响应的损伤识别方法。针对梁式桥,结合实际转角影响线构建损伤定位指标,通过定位指标曲线局部峰值确定损伤位置。依此建立包含损伤信息的基函数,对实际转角影响线进行最小二乘拟合识别曲线系数,实现损伤定量。开展车辆过桥数值仿真研究,在20 m长简支梁模型上设置不同损伤工况,模拟二轴车过桥所致转角响应,考虑行车速度、路面平整度和测试噪声等因素影响,以此进行转角影响线的提取及损伤识别。结果表明,同等情况下损伤程度越大,识别结果偏差越小;相较2处损伤,单处损伤的定位更加准确。开展损伤识别模型试验,在5 m长试验梁不同位置处设置2处损伤,进一步进行损伤定位及定量研究。识别试验梁的损伤位置分别为2.09 m和3.05 m,损伤程度分别为0.31和0.47,均与实际值较为接近。上述研究表明：所构建的未损基函数及损伤基函数包含梁结构完整及损伤特征,结合当前状态下梁端转角响应可实现桥梁的损伤识别;损伤识别结果具备较高精度,可为直接利用梁端转角数据进行桥梁的损伤定位定量提供参考。     

基于单元模态应变能与区间分析的不确定性损伤识别

针对现有模态应变能损伤识别方法以确定性分析方法为主,而在工程实际中,测试数据不可避免会受到噪声、建模误差等不确定性因素影响,导致损伤识别精度降低,甚至可能出现误判的问题,提出基于单元模态应变能和区间分析的不确定性损伤识别方法.基于多次重复测量数据,采用区间数来量化响应的不确定性,建立区间损伤识别方程组;引入快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解方程组,计算单元刚度折减系数区间范围,采用区间重叠度与区间中值距离构造损伤定位和损伤定量指标进行损伤识别.数值算例结果表明:所提方法有效、可行,且具有较好的抗噪能力,5％噪声水平下,损伤识别误差不超过7.6％.     

基于支持向量机的静力损伤识别方法

针对使用静力测试数据进行桥梁结构损伤识别时容易出现误判的问题,基于支持向量机理论,提出1种新的静力损伤识别方法。将损伤识别过程分为损伤发生识别、损伤位置识别和损伤程度识别3个步骤。使用理论计算结果与测试数据比较的方法判断损伤是否发生,采用C-支持向量机分类算法进行损伤位置识别,利用ε-支持向量机回归算法进行损伤程度识别。将该方法与优化识别方法同时运用于1个连续梁试验中。试验结果表明:与优化识别方法相比,支持向量机方法通过分开求解损伤位置和程度,并先进行结构有限元分析,然后再使用支持向量机进行识别,将这2个过程解耦,从而降低了问题的难度,不仅能够正确地识别损伤出现的位置,而且能够得到与实际相符的损伤程度识别结果,并且具有较好的推广能力和较强的抗噪声能力,能够很好地对桥梁静力损伤进行识别。     

桥上移动荷载识别的幂级数曲线拟合法

以振动力学基本理论为基础，讨论变截面梁上的移动荷载识别问题。采用平面梁单元的有限元振动方程及车－桥耦合振动方程进行振动分析。将梁体的有限元振动方程与模态迭加法相结合推导出了根据响应识别移动荷载的基本公式。以最小二乘法为基础，结合幂级数建立了位移、应变、加速度响应分段拟合公式。根据拟合公式可以得到测点响应的幂级数多项式，从而分别求得位移、速度、加速度及应变、应变速度、应变加速度响应曲线，进而求得模态     

面向吊索损伤识别方法研究的拱桥实验模型设计

桥梁损伤模拟实验一般无法直接在实桥上进行,故整桥模型实验在桥梁损伤识别研究中尤为重要.根据基于系梁挠度进行拱桥吊索损伤识别方法研究的模型实验目的和要求,提出了该类实验模型设计的原则和吊索损伤的模拟方法,设计了一套面向吊索损伤识别方法研究的系杆拱桥实验模型.实验结果表明,该套实验模型完全可以满足基于系梁挠度的拱桥吊索损伤...     

小波分析在桥上移动荷载识别中的应用

利用小波分析技术和三次样条函数对测点的位移响应进行曲线拟合,根据拟合结果微分求得速度、加速度响应。利用梁体有限元振动方程结合模态迭加法推导出的移动荷载识别公式进行桥上移动荷载识别。对接触力的识别结果,利用小波分析技术将其在时域内分解为低频、高频部分,发现对轴重和沉浮运动引起的动荷载识别较好,识别的主要误差在于点头运动引起的动荷载。进一步的分析表明,虚假点头运动是引起误差的根源。指出在识别方法中剔除虚假点头运动将是提高识别精度的有效途径。计算机仿真计算表明,该方法具有较好的识别效果。     

考虑列车-轨道-桥梁/声屏障相互作用的高速铁路半封闭式声屏障动力响应分析

为分析列车通过时桥上半封闭式声屏障的动力响应,采用Midas建立了桥梁和声屏障的有限元模型,分析结构的自振特性。基于车辆-轨道-桥梁动态相互作用原理,建立列车-轨道-桥梁/声屏障动态相互作用模型,对列车过桥时的安全性与舒适性进行数值计算,研究半封闭式声屏障的动力响应特点。结果表明:在桥上设置半封闭式声屏障后,桥梁和声屏障整体结构的刚度有所变化;列车以不大于220 km/h的速度过桥时,车辆的安全性指标均合格,车辆的平稳性指标为优秀,桥梁的动力响应指标满足规范要求;桥梁与声屏障连接处的边界条件对声屏障动力响应的影响显著。     

基于基准有限元模型的箱梁TMD振动控制研究

针对高架桥梁结构引起的振动噪声问题,研究TMD控制箱梁结构振动的特性。为了获得精准的箱梁有限元模型,首先以铁路32 m简支箱梁桥为原型,按10:1的几何相似比设计制作简支箱梁缩尺试验模型,应用ANSYS软件建立初始动力有限元模型;对有限元模型模态分析与试验模型模态测试得到的自由模态信息进行误差分析,并采用基于灵敏度分析的模型修正技术对初始动力有限元模型弹性模量和密度进行修正,得到基准有限元模型,误差确认结果显示修正后的有限元模型更精准地反应箱梁的振动特性;进一步利用基准有限元模型,开展TMD控制简支箱梁桥振动的研究,研究结果表明TMD对于抑制桥梁竖向共振有很好的效果。     

桥上无砟轨道竖向动力特性分析

根据桥上CRTSⅡ型轨道结构形式,考虑高速列车与无砟轨道、桥梁之间的相互作用,建立基于新型车辆单元和无砟轨道-桥梁单元的车辆-无砟轨道-桥梁纵垂向耦合振动模型。运用有限元方法和Lagrange方程,分别推导车辆单元、无砟轨道-桥梁单元的刚度、质量和阻尼矩阵,建立有限元数值方程。考虑轨道平顺和轨道不平顺两种工况,求解有限元数值方程,分析梁端和跨中动力特性。计算结果表明,该模型及程序能够反映轨道结构的竖向振动响应。施加轨道不平顺,轮轨作用力增大了50%左右,梁端处钢轨的竖向加速度增加了6.5倍左右,跨中处从10 m/s~2增加到30 m/s~2。每种工况下,梁端和跨中处轨道结构的竖向位移、竖向加速度分别逐渐减小,梁端处轨道结构的振动及其位移变化都比跨中处大。     

拱肋内倾角对钢管混凝土提篮拱桥车桥动力响应的影响

为考虑拱肋内倾角对大跨度钢管混凝土拱桥的动力特性及车辆走形性的影响,以某主跨为240 m的钢管混凝土提篮拱桥为例,运用结构动力学以及有限元原理,分别建立了3种不同内倾角度(7.5°,8.5°,9.5°)下的桥梁动力分析模型和车辆模型,由动力学势能不变值原理"与形成矩阵的"对号入座"法则建立空间振动方程,并对3种情况下的车桥耦合空间响应进行了计算分析。研究结果表明:桥梁横向自振频率随拱肋内倾角的增加而明显增大;竖向自振振动频率随内倾角度的增大而减小;列车通过桥梁时,不同内倾角度下拱顶竖向位移和加速度的变化很小,而横向位移、横向加速度均随着内倾角度的增大而减小;车辆的动力响应对内倾角的变化不敏感。     

减振垫刚度变化对U型梁桥系统振动及结构噪声的影响研究

为了研究隔离式减振垫垂向刚度对U型梁桥结构振动及噪声的影响,采用多体动力学和有限元联合仿真的方法建立基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型,并将理论计算结果与以往文献对比,验证了模型的有效性。基于该模型计算了减振垫垂向刚度不同情况下的桥梁系统振动及噪声响应。结果表明:随着隔离式减振垫垂向刚度的增大,钢轨和轨道板的振动响应都有不同程度的减小,但桥梁结构的振动响应被放大,轨道结构和U型桥梁的振动幅值先是产生明显变化,随后逐渐趋于平缓;隔离式减振垫垂向刚度增加会增大桥梁结构二次噪声,所以应该选取较小的隔振垫刚度以达到抑制U型梁桥结构二次噪声的目的,但过小的垂向刚度可能会放大40 Hz以内低频区域的结构噪声。综合U型梁桥系统振动及结构噪声的计算结果,考虑到工程成本,用于高架结构的隔离式减振垫垂向刚度取为0.067N/mm~3较为合适。     

直逆向过岔时列车-道岔-连续刚构桥系统空间振动分析

针对桥上无缝道岔,运用有限单元法,建立钢轨-岔枕-桥梁系统空间振动分析模型。运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了列车-道岔-桥梁系统空间振动方程组。以温福客运专线田螺大桥为例,拟定桥上铺设了由2组38号道岔组成的单渡线,计算“中华之星”电动车组,按一动四拖的编组方式,以200 km/h的速度直逆向通过时,列车-道岔-桥梁系统空间振动响应,并与列车通过路基无缝道岔和桥上无缝线路的动力响应进行对比。计算结果表明,桥梁导致钢轨和岔枕的位移增幅较大,列车动力响应有所增加,对道岔振动加速度和轮轨力影响不显著;道岔导致桥梁振动加速度小幅增加,而列车动力响应显著增大。     

采用槽形梁桥面的大跨度钢桁拱桥车桥动力分析

槽形梁道碴桥面是适用于钢桥的一种桥面新形式,为研究该种桥面的钢桥动力性能,以某大跨度钢桁拱桥为研究对象,将列车、桥梁视为联合动力体系,建立了列车与大跨度钢桁拱桥的车桥耦合动力分析模型.在建立桥梁的有限元分析模型时,对该桥所采用的槽形梁形式桥面选用了梁格法来建模.计算桥梁的自振特性;采用计算机模拟方法,计算了ICE高速列...     

高速铁路大跨度梁拱组合桥抗震分析

大跨度梁拱组合桥由于竖向刚度较大、梁高较小成为高速铁路常用桥型。为研究梁拱组合桥的地震反应特点,对一(60+128+60)m梁拱组合桥建立动力有限元分析模型,并进行特征值分析,根据其振动模态分析梁拱组合桥的振动特点,并采用时程分析方法对该桥进行弹性和弹塑性地震反应分析。结果表明:该桥在多遇地震下满足截面偏心距要求;在罕遇地震下满足延性率要求;结构满足"小震不坏、大震不倒"的抗震设防目标。