船舶-桥墩碰撞动力响应分析研究

船舶撞击作为跨航道桥梁服役期间常见的一种偶然荷载形式,为桥梁结构的安全运营带来了严重威胁。本文以某跨江桥梁为例,采用动力时程分析方法,对桥梁主墩进行了船-桥碰撞动力分析,研究不同撞击工况下桥墩的动力响应问题,并将有限元仿真分析的碰撞力与按国内外规范规定算法计算的撞击力进行了对比,提请桥梁设计者注意。     

超高车辆-桥梁上部结构撞击力的工程计算方法

为了弥补中国在超高车辆撞击桥梁上部结构领域研究的不足,完善其工程设计方法,在超高车辆撞击桥梁上部结构的事故案例调查和精细化有限元分析的基础上,提出了超高车辆-桥梁上部结构撞击的简化计算模型,建立了简化模型的微分方程组,利用数值试验的方法确定了简化模型中的部分参数,从而得出简化计算模型的撞击荷载;为了满足工程设计的需要,在简化模型的基础上提出了形式简单的撞击力设计公式,以表格的形式给出了设计公式中基本参数的主要取值,并将简化模型和设计公式的计算结果与有限元结果进行了比较。结果表明:根据简化模型和设计公式计算得到的撞击荷载与精细有限元模型的计算结果吻合较好,且偏于安全,可为工程设计提供参考。     

钢-复合材料组合防撞装置在不同船舶撞击下的性能分析

为了解船-桥碰撞过程中组合防撞装置的防护能力,以东洲湘江大桥为背景,设计一种新型钢-复合材料组合防撞装置(由钢-复合材料迎撞面、复合材料分隔板、内部耗能填充材料和复合材料背撞面组成),采用LS_DYNA软件建立船-防撞装置-桥梁三者有限元模型,分析带球艏船舶、驳船不同水位撞击下有无防撞装置的桥墩结构响应。结果表明:未设防撞装置时,2类船舶撞击下结构响应均较大,相较于带球艏船舶,驳船撞击力峰值较大(10号墩撞击力峰值为17.53 MN);与低水位、平均水位相比,高水位撞击下结构响应较大。设置防撞装置后,带球艏船舶撞击力峰值平均减小30%,驳船撞击力峰值降幅可达54.2%,其他结构响应也明显降低。该防撞装置降低了桥墩结构响应和船舶损伤,具有较好的防撞能力。     

侧向撞击荷载下桥墩动力响应有限元分析

进行了侧向撞击荷载下钢筋混凝土桥墩试件动力性能的试验研究。在试验研究基础上建立了可靠的有限元模型,根据该模型探讨了单次撞击荷载下桥墩的动力响应,对比分析了单次与累次撞击荷载下桥墩的动力响应。研究证明:相同撞击速度下单次与累次撞击相比:平均撞击力较大,撞击作用时间较短;跨中截面峰值应变与平均应变均较小。研究结果为桥墩耐撞性设计提供了依据。     

落石撞击桥墩计算模型研究现状与展望

为了对桥墩进行科学的落石撞击验算及防落石撞击设计,分类整理了国内外相关研究成果,从落石撞击力的静力计算方法、简化动力计算方法、桥墩损伤特征及影响因素等方面进行了分析论述,为桥墩落石撞击验算及防落石撞击设计提供参考.对落石撞击力及结构撞击响应计算提出了建议和展望.     

碰撞荷载下钢筋混凝土动力本构模型研究

为了得到结构在动荷载下的真实响应,需要以合理的动力本构模型为依据,进行非线性有限元分析。首先介绍了用于船舶撞击桥梁的几种使用较多的混凝土动力本构模型:钢筋混凝土损伤模型、弹塑性帽盖模型、TCK模型、RHT模型、HJC模型;然后采用LS-DYNA软件进行了2组仿真分析:刚性小球与混凝土靶墙碰撞试验和重锤与钢筋混凝土梁碰撞试验;针对上述各种混凝土动力本构模型分别进行试验仿真,并将计算得出的动态撞击力-时间曲线和位移-时间曲线与试验数据进行了对比分析,发现钢筋混凝土损伤模型对结构裂缝发展和混凝土损伤变化的仿真更接近试验结果,更准确地考虑了构件配筋率对撞击力的影响。在此基础上,对钢筋混凝土损伤本构关系进行了参数敏感性分析,并提出了考虑多种影响因素的撞击力公式。研究结果表明:最大撞击力随着配筋率和钢筋屈服强度的增加而增大,在船-桥碰撞分析中应考虑其影响。     

考虑水流影响的船桥碰撞效应分析

为研究流体对船桥正面碰撞动力响应的影响,运用ANSYS LS-DYNA软件,分别采用流固耦合法和附加质量法建立考虑流体影响的船桥正面碰撞计算模型,分析不同吃水深度的船体与桥墩碰撞时流场对撞击力和撞击能量的影响,比较在简化的附加质量法中,将水流模拟成不同的附加质量(0.02~0.07倍船体质量)时,撞击力和撞击能量计算的误差。分析结果表明,不同船体吃水深度对船桥碰撞的计算结果有一定的影响,特殊船型和深吃水的情况下需要考虑不同吃水深度所造成的船桥碰撞力的变化。当采用简化的附加质量法考虑水流对船桥碰撞的影响时,0.02~0.07倍船体质量的附加质量参数选取并不能涵盖船舶在不同吃水深度下的流场耦合效应,在船舶深吃水的情况下有接近10%的误差。     

计入动力风荷载的船舶撞击桥梁动力响应研究

针对大风天气条件下船撞力与动力风荷载的耦合作用问题,基于船桥耦合分析算法编制了计算程序,并提出基于接触碰撞分析的船头刚度模型的确定方法,最后对一座连续刚构在船舶撞击力和风荷载的耦合作用下的桥梁响应进行了计算分析.结果表明,该船头刚度模型能较好地模拟船舶撞击力和桥梁结构响应;在不同的风荷载作用下,船撞力并没有显著改变,但桥梁位移和内力响应在不同风荷载作用下有增加的趋势,通过与无风工况的对比,墩顶位移增加最大比例为69.8％,墩顶弯矩增加最大比例为62.1％;而剪力受影响较小,墩底剪力增加最大比例为6.6％.当桥区风荷载作用较大时,有必要计入风荷载作用的影响.     

基于加权Kendall相关系数和序贯代理模型的有限元模型修正

为了提高桥梁结构有限元模型修正的效率和效果，提出基于加权Kendall相关系数和序贯代理模型的有限元模型修正方法。首先，建立基于目标响应误差和待修正设计参数灵敏度的加权Kendall相关系数指标，并采用凝聚层次聚类算法，合理确定待修正设计参数的数量和位置，保证待修正设计参数对目标响应具有合适的解耦能力；其次，为解决传统一次性代理模型法在构造代理模型过程中产生的欠采样或者过采样的问题，采用基于FLOLA-Voronoi通用序贯设计策略的序贯代理模型法，提高构造代理模型过程中试验设计样本的利用率和模型修正效率；最后，根据一座斜拉桥的静动力荷载试验数据进行有限元模型修正。结果表明：基于FLOLA-Voronoi算法的序贯代理模型能够合理地确定构造代理模型所需的样本数量和位置，使得在相同样本数量的情况下，序贯代理模型比一次性代理模型具有稍好的精度指标；采用加权Kendall相关系数指标的聚类方法可以得到具有合适解耦能力的待修正设计参数，使得修正前大误差目标响应的误差显著下降，小误差目标响应的误差基本都处于合理范围内，有效地降低了目标响应的整体误差；同时，有限元理论静动力响应与实测静动力响应的平均误差分别由5.56%、8.43%降低至1.87%、3.41%，并且相较于常规方法，修正精度更好，所提方法可以用于桥梁结构有限元模型修正，可得到准确的桥梁结构数值模型。     

考虑海域水位变化的船撞桥流固耦合分析

为研究水流对船撞桥过程的影响及水位对桥梁动力响应的影响,以金塘大桥非通航孔段连续梁桥为背景,采用ANSYS-LSDYNA软件建立流固耦合和附加质量2类船撞桥模型,分析流体对撞击过程中撞击力和能量转移的影响以及不同水位下桥梁各构件的动力响应,并通过缩尺模型试验验证流固耦合模型的正确性。结果表明:采用流固耦合法计算的撞击力幅值较附加质量法大15%左右;直接受撞区、桩基承台连接处、桥墩承台连接处是桥梁遭受船撞时的高危应力区;水位越高,撞击时桥梁上部构件的位移越大;低水位下,船舶直接与桩基发生碰撞,对桥梁下部结构的潜在破坏较为严重。     

基于虚拟迭代技术的中型货车驾驶室载荷谱的求取

某货车驾驶室疲劳载荷激励输入位置位于驾驶室与悬置连接处,在进行整车强化道路耐久试验时无法安装设备直接采集。为获取较为准确的驾驶室疲劳寿命分析载荷谱,对强化耐久路面下整车加速度响应信号进行虚拟迭代。虚拟迭代时需调用整车多体动力学模型,为提高整车模型精度,基于Craig-Bampton综合模态理论生成柔性体车架,建立刚柔耦合的整车多体动力学模型。将Femfat-lab与ADAMS/Car进行联合仿真计算,以白噪声为初始输入,求解刚柔耦合整车多体动力学模型的非线性传递函数,基于循环迭代原理,进行各种典型强化路况下驾驶室悬置附近加速度响应信号的虚拟迭代。利用时域信号对比法及损伤阈值法作为迭代收敛判据,获得满足精度需求的位移驱动信号。将位移驱动信号导入到ADAMS/Car中,对整车多体动力学模型进行驱动仿真,提取驾驶室疲劳分析所需激励载荷谱,将虚拟迭代求得的载荷谱用于疲劳寿命分析所得结果与驾驶室疲劳强化台架试验结果进行对比。研究结果表明：出现疲劳破坏的部位相同度达75%,疲劳寿命误差在20%左右,表明虚拟迭代过程中基于柔性体车架建立的刚柔耦合多体动力学模型的仿真计算,可获得较高精度的迭代结果;以位移谱驱动整车多体动力学模型进行仿真能够有效避免六分力直接驱动时模型翻转等不稳定现象,并且整车模型仿真加速度响应结果与实测相应位置加速度响应吻合度较高;相比于传统的疲劳分析载荷获取方法,虚拟迭代技术可以在较低试验成本的情况下获取较高精度的载荷谱,并能够提取由于连接位置导致的无法直接进行载荷测量部位的疲劳分析载荷。     

超宽简支钢箱梁动力特性及简化分析方法研究

随着超宽梁桥的逐渐增多,宽幅桥梁与普通的窄桥相比,在荷载横向分布、稳定分析以及横向连接等方面都有明显区别.现以一座单跨单箱多室钢箱简支梁桥为研究对象,分别建立空间梁单元模型、等效板单元模型、梁格体系模型和实体单元模型,并对四种模型进行了动力特性结果比较,探讨了超宽简支钢箱梁桥不同计算模型动力特性的差异.结果 表明,梁格...     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

某重卡动力总成悬置系统隔振分析方法研究

为研究动力总成悬置系统隔振分析方法,论文以某重卡为研究对象,建立整车刚柔耦合多体动力学模型,并分别将柔性车架和刚性车架整车模型仿真结果与试验结果进行对比,最大误差分别为8.9%和25.1%,表明柔性车架整车模型与试验结果更为接近,能够用于动力总成隔振率的计算。为了简化分析过程,论文研究了基于柔性车架整车模型的3种简化方法,结果表明简化模型隔振率与试验结果相差最大为12.3%,与简化前相比隔振率相差最大为5.34%,因此,在车辆设计初期,没有实车及详细整车参数的条件下,利用简化后的模型可用于隔振率的仿真计算。该研究为动力总成隔振率计算提供了一定的理论指导,具有重要的工程应用价值。     

悬浮隧道整体冲击响应模拟方法及试验验证

为研究水下悬浮隧道管体在冲击荷载下的整体动力响应,提出对应的简化模拟方法,在有限元软件ABAQUS中结合自定义幅值（UAMP）子程序进行了冲击荷载作用下考虑流体作用的悬浮隧道整体响应分析。基于Morison方程,将流体作用分为非线性阻力和附加质量力。首先,以分段线荷载的形式表示流体阻力沿管体纵向的不均匀分布。在UAMP子程序中采用FORTRAN语言编写与管体运动速度相关的流体阻力幅值计算程序。通过在ABAQUS与UAMP子程序之间管体运动速度和流体阻力幅值的交互传递,实现了荷载大小同时随时间和空间变化的非线性流体阻力加载。其次,考虑与管体加速度相关的流体附加质量力,其幅值在ABAQUS中通过定义浸没式截面自动计算。最后,进行悬浮隧道整体模型冲击试验,采用提出的模拟方法对试验典型工况进行分析,并将计算结果与试验实测值进行对比。结果表明：提出的建模方法能较好反映悬浮隧道结构动力特性;随着冲击强度的增大,冲击点处管体最大位移和加速度增大,且峰值均出现在第1个运动周期内;采用简化模拟方法分析所得的管体位移和加速度响应与试验结果基本一致;该模拟方法的计算精度与流体阻力分段线荷载的分段长度有关,当分段长度小于管体总长的1/20时,分析结果趋于稳定。因此,基于UAMP子程序的流体作用的简化数值模拟方法能较好地用于悬浮隧道整体冲击响应分析,误差在工程允许范围内。     

柔性基础下刚性桩复合地基沉降计算

针对刚性桩复合地基中桩、土、垫层相互作用特点,通过拟合桩土单元体竖向相对位移分布函数,引入弹塑性荷载传递模型,并考虑桩体的上刺与下刺变形以及中性点和桩土界面变形协调,对桩土相对位移变形形式、桩侧摩阻力变化规律、桩端土反力模型作一定的简化,建立出刚性桩桩复合地基沉降计算的基本微分方程,进而提出了一种新的能考虑桩-土-垫层体系共同作用的柔性基础下刚性桩复合地基沉降计算方法。最后,采用该沉降计算方法对模型试验及工程实例进行分析。结果表明,柔性基础下与刚性基础下刚性桩复合地基变形模式与桩土应力比有很大的差异,沉降计算值及桩土应力比与实测值吻合较好,且该方法计算工作量小,能够对刚性桩复合地基沉降量计算提供参考。     

地铁车站纵梁内力研究

为提高地铁车站结构设计的合理性和精细化,分别采用传统二维简化算法和三维有限元算法对2种典型地铁车站（单柱双跨和双柱三跨）的纵梁进行内力对比分析。2种算法的纵梁内力结果差异存在一定的规律性,建议继续采用传统算法,并对计算结果进行适当的修正,将更符合结构实际受力情况。     

Structural analysis of 3D high-speed train–bridge interactions for simple train load models

Three-dimensional models are developed for analysing the dynamic interaction that occurs between high-speed trains and bridges. The reliability and accuracy of developed models are verified by comparing the results from analysing field tests on high-speed trains. A number of train load models are proposed and their performances are compared in order to identify possible models that would reduce the computational and modelling efforts while maintaining suitable accuracy. The results show that at least 16 cars out of a 20-car train should be modelled to achieve results that are comparable to those obtained using the highly detailed 20-car model. Regarding the simplified train load model, more accurate results are obtained employing the 3D moving vehicle model for power cars, the heaviest cars of a high-speed trainset, and a moving force model for other cars, power passenger cars, and passenger cars, compared with highly detailed 20-car model.     

波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究

为检验某新建波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板组合箱梁桥的施工质量及实际承载能力,分析该桥在等效车辆荷载作用下的静、动力特性,运用结构有限元分析软件MIDAS CIVIL对该桥建立有限元仿真模型。通过现场静载试验及动载试验,实测桥梁结构在等效车辆荷载下的静、动态数据并与理论计算值进行比对分析,以此验证简化模型的合理性和准确性,并对桥梁施工质量和实际承载能力做出评价。     

高墩连续刚构桥双悬臂状态等效风荷载的简化计算

基于高墩连续刚构桥双悬臂状态的特点及横桥向一阶振型,考虑平均风荷载与结构脉动风荷载背景响应及共振响应,给出了方便工程应用的计算墩底横桥向弯矩和剪力等效风荷载及风载内力的简化计算方法。为验证简化计算方法的精度,分别采用抖振频域分析方法及简化计算方法对2个典型算例进行了分析,并与现行规范静阵风系数的结果进行比较。结果表明:简化计算方法具有较好的精度,适于工程应用;若忽略脉动风共振响应的影响,对高墩桥梁其结果将偏小较多;高墩桥梁的桥墩风荷载很大,其对墩底风载内力的影响甚至可能超过主梁,应引起足够重视。