风-车-桥耦合振动研究现状及发展趋势

为推动风-车-桥耦合振动理论和应用研究的进一步深入开展,从分析框架、气动干扰、评价准则和大跨桥梁设计荷载4个方面系统梳理风-车-桥耦合振动国内外学术研究进展和热点前沿,并探讨研究不足和发展趋势。分析系统方面,首先从风作用模拟、耦合关系角度综述风-列车-桥分析系统由简化到精细的研究历程,然后沿车辆元素的精细研究历程对风-汽车-桥分析系统研究进行综述。气动干扰方面,从结构模拟精细程度、特殊工况、干扰对象等角度综述研究进展。评价准则方面,分别综述汽车和列车评价准则由简单到复杂、由确定性到不确定性的发展历程。大跨桥梁设计荷载方面,分别从现行多国规范和理论研究2个角度对大跨桥梁风和汽车荷载研究进行综述。综合分析表明：分析框架过去处于并将一直处于从简化到精细的过程中,元素模拟的精细化及相应耦合关系的重构推动分析框架升级和应用范围的扩大;气动干扰研究的干扰对象逐步增多,模拟逐步细致,数值模拟理论和风洞规模、试验测试设备及技术是限制其发展的关键因素;车-桥系统评价方面,主体结构和系统安全是评价的基础层面,附属构件和功能性的评价将越来越受到重视,且评价将由确定性向可靠性发展;大跨桥梁设计荷载方面,汽车荷载将由简单套用中小跨径桥梁设计荷载的方式,逐步过渡为考虑地区荷载特性、行驶行为等复杂模式,风和汽车荷载组合时的工况设置、计算风速的确定、荷载叠加准则、分项系数和组合系数等方面都有很大细化和深入研究的空间。     

车辆对倒梯形钢桁梁桥风荷载影响的风洞试验研究

车辆与桥梁间显著的气动干扰随着大跨桥梁的建设和高速铁路的发展已成为人们关注的焦点,但现有研究大多以汽车或流线型高速列车和钝体简支梁为研究对象,且关注的重点往往是桥上列车的平均风荷载或列车对主梁平均三分力系数的影响。以大跨铁路常用的倒梯形钢桁梁桥为背景,对不同风攻角、车桥组合方式下车-桥系统的整体气动力进行测试,将车桥组合时桥梁受到的整体平均和脉动风荷载与单独成桥状态时的风荷载进行对比,分析横风下车-桥间气动干扰对车-桥系统所受总体气动力的影响规律,研究成果可为类似工程的风荷载取值提供参考。     

风-浪联合作用下大跨度桥梁车-桥耦合振动分析

为研究波浪对跨海桥梁风车-桥耦合振动系统的影响,针对跨海桥梁所处风大、浪高的极端环境,建立了波浪-风-列车-桥梁动力模型,将风场视为空间相关的平稳高斯过程,高速列车采用质点-弹簧-阻尼器模型模拟,精细化全桥模型通过有限元方法建立,考虑风-列车-桥梁之间的耦合作用,波浪作为外部荷载施加到该耦合体系中。以主跨532 m某海洋桥梁为例,通过自主研发的桥梁科研软件BANSYS （Bridge Analysis System）,分析了波高、风速、车速对耦合模型车辆和桥梁响应的影响。结果表明：风车-桥耦合振动体系的车辆和桥梁响应受波浪影响显著,车辆和桥梁响应在与波浪荷载一致的方向增加显著,15 m·s^-1风速下,考虑波浪影响的车辆横向加速度最大值约是不考虑波浪时的1.3倍,考虑波浪影响的跨中横向位移最大值约是不考虑波浪时的22倍,而在非一致方向波浪对车-桥响应的影响较小;不同风速下,波浪对车辆横向加速度影响显著,考虑波浪影响的车辆横向加速度约是不考虑波浪时的1.2倍,而车辆竖向加速度、轮重加载率、倾覆系数等指标主要受风速的影响;波浪基频与桥梁横向位移响应谱主峰频率一致,波浪已成为影响桥梁横向位移响应的控制因素;波浪减弱了车速对车-桥响应的影响,随着波高的增加,车辆和桥梁响应对车速的变化更不敏感。     

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。     

大跨度公铁两用钢桁梁悬索桥整体静动力特性分析

为给大跨度公铁两用悬索桥的设计提供参考,以某主跨1 092m公铁两用钢桁梁悬索桥为工程背景,采用MIDAS Civil建立该桥整体有限元模型,分析列车荷载不同加载长度对结构内力和变形的影响,提出合理的列车荷载图式加载长度;计算列车、汽车活载作用下的加劲梁挠跨比以及结构温度效应;分析结构的基本动力特性,并对铁路悬索桥合理约束体系进行探讨。结果表明:不同列车荷载图式加载长度对桥梁构件内力的影响不大;列车、汽车活载作用下的加劲梁竖向挠跨比为1/488,横向极限风作用下的加劲梁横向挠跨比为1/1 181;温度作用对加劲梁竖向挠度影响明显;该桥基频为0.094 8Hz,对应1阶正对称横弯,1阶竖弯频率为0.164 7Hz,扭弯频率比在2.0以上。     

“桥梁风致振动理论与试验技术进展”专刊导语

<正>随着"五位一体"总体布局和"一带一路"等重大区域合作倡仪的推进,一大批陆上超长公(铁)路和跨海连接工程已建成或待建中,桥梁作为关键的道路基础设施,对中国交通事业发展起着重要的支撑作用。自进人21世纪以来,中国桥梁建设技术不断提升,桥梁跨度记录持续刷新,结构体系更柔,阻尼更小,风敏感性更强。中国沿海和内陆地区频繁遭受强/特异风侵袭,强/特异风作用下的大幅风致振动是威胁桥梁施工和运     

拖拉机、汽车等代荷载的计算

公路桥涵设计规范中,建议采用拖拉机、汽车等代荷载来设计桥梁,以减少计算工作量。规范中的等代荷载表,仅适用于拖拉机、汽车的技术指标和布置图式,符合规范规定的情况。但有时却要用没有列入规范中的拖拉机、汽车、汽车列车来设计,或验算某些桥梁,和其他构造物。此时,就不能使用那些现成的等代荷载表。用实际荷载进行计算,又不如用等代荷载简便。     

封底层混凝土对深水群桩抗震性能的影响

随着桥梁建设理论的不断完善和施工工艺的日渐成熟,大跨径特殊结构桥梁逐步成为跨海跨江主体结构的首选。鉴于复杂的深水地质环境及上部结构力学性能的要求,群桩基础被广泛的应用于大跨径深水桥梁基础结构设计当中。为满足深水群桩基础的抗震设计需求,本文建立刚度承台模型及弹塑性桩身模型,研究封底层混凝土对桥梁结构抗震性能的影响。研究结果表明:封底层混凝土将增加群桩基础的整体刚度,提高了桥梁抗震性能的安全储备。     

基于CFD方法的大跨高墩刚构桥梁风荷载数值识别

针对峡谷地区典型特大跨高墩桥梁结构风荷载的不确定性问题,采用计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法,对大跨变截面主梁和超高双柱薄壁桥墩的风荷载进行数值识别。研究不同气流攻角对主梁结构风荷载的影响、不同气流风偏角对超高薄壁墩风荷载的影响、考虑尾流干扰效应的双柱薄壁桥墩气动力变化过程。同时,从气流作用微观角度分析了气流对大跨高墩刚构桥梁结构风荷载的作用机理。通过数值计算,为设计人员进行大跨高墩桥梁风荷载的取值提供了参考,对目前我国相关桥梁设计规范的缺陷进行了有效的补充。     

基于可靠度理论的混凝土桥梁安全性评估方法研究

通过分析我国公路桥梁设计规范承载能力设计表达式,提出了汽车荷载效应调整系数和抗力调整系数的概念,确定了不同破坏形式下在役混凝土桥梁安全性能评估表达式和目标可靠指标,建立了相应的可靠度评估方法。在此基础上,从便于工程应用的角度出发,建立了基于不同需求的在役混凝土桥梁安全性能实用评估方法——基于"双控"思想的安全性实用评估方法,即抗力控制法和汽车荷载效应控制法,并通过工程实例验证了该方法的可行性。     

新老规范设计汽车荷载效应对比

鉴于新老桥梁设计汽车荷载模型的不同和对桥梁限载取值的研究,系统对比了不同时期、不同荷载等级桥梁设计汽车荷载效应的差异程度。根据不同的设计汽车荷载模型,以跨径为6～30m的简支梁桥为计算对象,分别计算汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级、汽车-超20级以及公路-I级和公路-Ⅱ级汽车荷载作用下的跨中弯矩和支点剪力。研究结果表明：对于跨径L在6～30m内的简支梁桥,新老规范设计汽车荷载作用下的跨中弯矩随跨径的变化趋势是相同的,然而两者支点剪力的变化趋势差异很大。计算跨径越小,新老规范设计汽车荷载作用下的内力效应差值越小,利用新规范对老规范设计的桥梁进行升级加固越有利。     

侧风影响下大跨桥梁行车安全驾驶模拟研究

随着经济的发展,大跨桥梁数量增加,跨度不断增大。大跨桥梁通常位于开阔的水面上或狭窄的山谷间,桥面高度较高,同样天气条件下桥面风速比地面高度处的风速大。特别是对于东部、南部沿海地区,台风频发,风环境复杂多变。相比于一般墩式桥梁,大跨桥梁柔性更大,在风的作用下会出现比较明显的振动。当车辆行驶在大跨桥梁上并遭遇较强的侧风时,同时受到桥梁振动的影响,车辆运动复杂。采用驾驶模拟的方法研究大跨桥梁行车安全问题,基于多自由度驾驶模拟器建立外力激励下的驾驶模拟平台,建立大跨桥梁视觉场景,并将侧风和桥梁振动融合到驾驶模拟平台中,完成了侧风影响下考虑桥梁振动的驾驶模拟实验。     

重载列车-轨道-桥梁纵向动荷载限值研究

为研究重载列车不同运行条件下的轨道-桥梁纵向动态传递规律,以多跨32m预应力混凝土简支梁桥为对象,建立考虑多车编组牵引及制动作用的重载列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,对轨道-桥梁的纵向动力响应特征、桥墩纵向受力影响因素和有效制动力率进行研究。结果表明:当机车以最大能力牵引时,作用于桥墩的有效牵引力率为0.134,紧急制动时,有效制动力率为0.155,紧急制动工况比牵引工况更不利;桥墩纵向受力随跨数的增加而增大并逐渐趋于稳定,随列车轴重的增加呈线性增大;不同列车编组模式下,列车的等效制动力率不同,最大值为0.141;桥墩纵向设计荷载限值应根据列车轴重进行选取,当轴重大于33t时,应进行动力检算。     

冰击荷载作用下高速车辆-轨道-桥梁系统耦合振动分析

为了探明流冰撞击桥墩对高速车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学行为的影响,采用精细化有限元模型模拟了流冰撞击桥墩的过程,计算获得了不同冰排特性下流冰撞击力时程曲线,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,以流冰荷载作为外激励,建立了高速车辆-轨道-桥梁-冰击动力学分析模型.以5跨32 m简支梁为例,通过研究不同冰击荷载作用下桥...     

船舶撞击桥梁分析方法探讨

船舶与桥梁相撞的事件时有发生,已成为桥梁工程设计的一个重要问题。船舶撞击桥梁是个短时程动态过程,本质上是一个复杂的冲击动力学问题。随着中国沿海岛屿的开发,正在和将要建设众多的跨海湾、跨海峡的桥梁工程,解决船舶撞击桥梁的问题及制定相应的设计规范成为摆在桥梁工作者面前的一项重要任务。文中归纳了船舶与桥梁碰撞分析的几种方法,并对各种分析方法的特点进行了总结。     

多荷载作用下考虑支座接触滑移的大纵坡梁桥受力分析

受地形影响,山区高速公路桥梁常设计为大纵坡,在温度、自重、汽车等多种荷载作用下,大纵坡桥梁底与支座接触易发生滑移破坏,桥梁安全性和适应性受到影响。为研究多种荷载组合作用下考虑支座接触滑移的大纵坡高速公路桥梁的受力性能,文中运用ANSYS有限元软件建立精细化多片简支T梁模型,采用非线性弹簧单元模拟滑移支座,通过建立水平滑移模型,对不同摩擦系数下大纵坡桥梁在多荷载组合作用下的受力性能进行对比分析。结果表明,增大支座摩擦系数,可减小大纵坡高速公路桥梁的跨中挠度,但会使主梁纵向应力与应变增大。     

长大桥梁关键技术综述

随着经济的腾飞,中国兴建了大量的桥梁工程,其中苏通大桥、卢浦大桥,石板坡大桥等保持斜拉桥、拱桥和梁桥的世界跨径记录.2008年又建成通车了世界上最长的跨海大桥--杭州湾大桥.随着桥梁技术的迅速发展,一些跨海桥梁工程已提到议事日程,如港珠澳跨海工程、琼州海峡跨海工程等.修建跨海桥梁工程将面临着十分严峻的挑战:台风、巨浪、强震、船撞、深水基础和结构体系等.同时,桥梁工程全寿命设计、安全风险评估等新型设计理念需要在跨海桥梁工程设计中进行综合考虑.面对未来跨海桥梁工程建设的技术挑战,中交公路规划设计院有限公司桥梁技术研究中心开展了相关的研究.本文将综述大跨桥梁的关键技术问题,同时介绍桥梁技术研究中心正在开展的一些研究工作.     

大跨桥梁在不同荷载作用下的动力响应监测

桥梁结构的动力特性是结构动力计算和抗震分析的基础,也是桥梁健康状况监测的一个重要指标。该文根据加速度响应时程曲线分析了某大跨斜拉桥在重车、船撞、大风、爆破地震等各种荷载作用下的振动响应,得出大跨桥梁在不同荷载作用下的动力响应特性。     

公铁两用悬索桥列车与汽车荷载和风荷载组合分析

以连云港至镇江线五峰山大桥为依托工程,研究了公铁两用悬索桥列车荷载与汽车荷载及风荷载的组合问题。通过分析建立了汽车荷载和风荷载产生的悬索桥吊索索力与主缆拉力概率模型,基于已有的列车荷载概率模型和建立的汽车荷载及风荷载作用下悬索桥吊索索力和主缆拉力的概率模型,按照等超越概率原则确定了列车荷载与汽车荷载和风荷载的组合值系数。研究表明:列车荷载与汽车荷载组合、列车荷载与风荷载组合及列车荷载与汽车荷载组合和风荷载组合时,列车为主导荷载;3种情况下,汽车荷载组合值系数、风荷载的组合值系数均可取0.8。     

基于铁路车桥耦合的桥梁动力特性研究

针对高速列车行经的桥梁结构,基于列车-轨道-桥梁耦合振动分析理论,通过仿真模拟分析列车时速、阻尼比和桥梁跨径对桥梁动力性能的影响。研究结果表明,桥梁跨中位置的位移和加速度与列车时速呈正相关;随着结构阻尼比的增大,跨中的位移和加速度均显著降低;随着桥梁跨径的增大,跨中位置的位移和加速度显著增大,其中跨中的竖向和横向位移增长幅度最大。