铜陵公铁两用长江大桥船撞引起列车脱轨分析

研究目的:准确测算船撞作用下桥梁的结构动力响应,对评估因船—桥碰撞后桥梁响应而引起的列车脱轨分析具有重要意义。本文围绕铜陵公铁两用长江大桥论述船撞桥墩引起列车脱轨分析的一般流程,首先通过ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件模拟10 000 t级与5 000 t级船舶在最高、常规以及最低通航水位下满载正撞和侧桥向20°撞击桥梁的主塔和辅助墩,得出在各船撞工况下碰撞力-时程曲线。然后将船舶撞击时程曲线作为动力荷载输入至整桥有限元模型中,计算桥梁结构关键部位尤其是主梁的横向位移和加速度响应。研究结论:(1)在最高通航水位下,船舶满载正撞桥墩产生的撞击力最大;在该最不利工况下,撞击作用对桥梁结构动力响应以及列车的脱轨风险具有较大影响;(2)当3#主塔受到10 000 t级船舶撞击时,导致2#桥墩墩顶主梁的横向加速度达到0.922 m/s2,未超过列车脱轨加速度临界限制1 m/s2,列车脱轨概率极小;(3)通过简化的风险标准导出脱轨概率公式计算表明,该桥遭受到船舶撞击时,其列车的脱轨概率为9×10-5~1.5×10-4;(4)本文的研究结果可供航道上铁路桥梁因船舶撞击导致列车通行安全性研究参考。     

地震作用下结构动力可靠度时域显式子集模拟方法

时域显式表达式将随机样本变量成功分离出来,使结构动力响应的求解变得更为简洁,从而有效提高了用蒙特卡罗法计算结构动力可靠度的效率。而传统子集模拟法求解可靠度所需的样本数比传统蒙特卡罗法少,因此本文在时域显式表达式基础上引入子集抽样方法,基于Metropolis-Hastings法则可以获得所需条件样本,利用概率论乘法原理可以获得最终失效概率,从而减少了可靠度计算所需的样本总数,进一步提高了计算效率。计算结果表明改进的方法在保证较高计算精度的基础上,计算时间成量级减小,在小失效概率情况和大型复杂结构情况下,改进方法的优势更加明显。     

基于迭代序列响应面的桥梁体系承载力可靠度评估

运用迭代序列响应面法和非线件有限元法,对桥梁结构承载能力体系进行可靠度评估.对大桥结构进行概率灵敏度分析,获得影响桥梁结构极限承载力的主要结构参数.应用实验设计方法得到输入参数值(桥梁荷载和体系状态),将桥梁极限承载力作为响应面的输出参数,按照迭代序列响应而法得到桥梁体系极限承载力的回归方程,再与荷载共同组成桥梁体系承载力的极限状态方程;使用该极限状态方程和改进的一次二阶矩法,计算桥梁体系的失效概率与验箅点,利用验算点求得新的展开点进行迭代计算,最终得到桥梁体系承载力的可靠度.应用该方法对九江长江大桥进行体系承载力可靠度评估的结果表明:经2次响应面迭代计算得到的响应面拟合精度达0.61%;九江长江大桥3大拱在中跨满载和边跨满载时的体系承载能力可靠度分别为5.75与5.90,均在正常范围内.     

区间干涉下衬砌结构系统非概率可靠度研究

研究目的:衬砌结构进行非概率可靠性分析时,非概率可靠度指标0η1,结构发生应力-强度区间干涉。同时衬砌结构系统可靠度分析时,系统各单元失效概率多采用基于概率理论和模糊理论的传统方法。基于此,本文提出应力-强度非概率区间干涉模型,以失效域面积与不确定变量构成的总面积之比表征衬砌结构非概率失效度,并结合"概率网络估算法"将其运用在隧道结构系统非概率可靠度分析中。研究结论:(1)成功解决了区间干涉情况下衬砌结构非概率失效度的求解问题,并且证明了非概率失效度与概率理论所得失效度具有相容性;(2)可以运用衬砌结构区间干涉模型对隧道结构系统中各衬砌单元进行非概率可靠度计算分析;(3)该研究成果为隧道结构系统可靠度分析提供了一种新的可行方法,同时使实际工程中非概率可靠度分析中的区间干涉问题得到解决。     

刚构-连续梁桥船撞桥墩最不利位置及安全性评价

以湘府路湘江大桥(65+5×120+65)m刚构-连续梁桥为工程背景,采用2种方法研究了桥墩在纵横向船舶撞击力作用下的墩身弯矩随船舶撞击高度的变化规律,以确定船撞桥墩的最不利位置。方法一采用简化计算模型进行桥墩弯矩公式推导,方法二采用Midas Civil建立空间有限元仿真全桥模型进行墩身弯矩计算。计算结果表明:有限元仿真全桥模型计算得出的墩身弯矩与简化计算模型推导出的结论是一致的,在船撞力作用下整个桥墩中墩底弯矩最大,且墩底弯矩随着船撞力作用点的升高而增大;简化计算模型中采用了若干简化处理,在进行桥梁船撞安全性评价时宜采用有限元仿真全桥模型计算。本文结果对桥墩设计与船撞安全评价具有一定的指导意义,并在此基础上对此刚构—连续梁桥船撞桥墩安全性进行了评价。     

铁道车辆承载吸能结构优化研究

为得到具有理想耐撞性能的铁道车辆承载吸能结构,分别基于多项式响应面法的二次响应面模型、四次响应面模型和Kriging法的响应面模型等3种代理模型,构造承载吸能结构的比吸能SEA及比吸能与撞击力峰值之比REAF关于设计参数的二次、四次和Kriging法响应曲面,结合遗传算法整体寻优分别得到这3种代理模型的SEA和REAF的最优值.对比分析结果表明:Kriging法响应面模型的拟合精度高于多项式的二次和四次响应面模型,四次响应面模型的拟合精度次之;但是Kriging法响应面模型拟合曲面没有多项式响应面模型的光滑,其原因是Kriging模型采用的局部插值方法虽能提高模型拟合精度、却不利于降低模型拟合过程中的数字噪声;整车车体碰撞仿真表明,承载吸能结构优化后的整车车体具有更好的耐撞性能.     

基于随机响应面法和Sarma法的边坡可靠度分析

研究目的:提出基于线性无关原则概率配点法的随机响应面法,并采用于C#语言的计算程序WHUSRSM.将随机响应面法和边坡稳定分析的Sarma法相结合,能够有效地分析极限状态方程为隐式的边坡稳定可靠度问题.研究结论:本文采用公路边坡工程算例证明了随机响应面法的有效性,并与传统响应面法及蒙特卡罗模拟方法的计算结果进行了比较.结果表明,随机响应面法的计算精度和计算效率均优于传统响应面法,且计算效率远远高于蒙特卡罗模拟方法.基于线性无关原则的概率配点法求解Hermite多项式展开的待定系数时,不仅可以消除系数矩阵的奇异性问题,而且大大地提高了计算效率;潜在滑体的可靠指标随着黏聚力和内摩擦角间负相关性增加而增大,不考虑这种负相关性得出的结果偏于保守.     

基于MEP法的在役桥梁时变可靠度研究

基于最大熵原理和概率理论,提出用于分析在役桥梁结构时变可靠度的最大熵概率密度迁移法(MEP法)。采用有限元法求出较为精确的响应量,用数理统计法求得响应量的各阶矩;以4阶原点矩为最大熵约束条件,结合最小二乘法推导结构响应的概率密度函数解析式;基于时变可靠度原理,得出1组迁移的概率密度曲线族;根据"安全—损伤—失效"三级工作模式确定积分限值,计算结构的时变损伤概率与失效概率,进而得到相应的可靠度。运用MEP法和Monte Carlo法对在役桥梁算例可靠度的比较计算结果表明:2种算法结果较为吻合,且符合在役桥梁现状;MEP法可避免Monte Carlo法的大规模取样,并解决数值积分法所面临的复杂结构功能函数难以获得的问题。     

西堠门特大桥船撞桥概率分析与风险评估

桥梁运营期的船撞风险已逐渐成为桥梁工程面临的尖锐问题之一,因此对桥梁运营期的船撞桥进行概率分析并进行风险评估具有重要意义。结合舟山连岛工程,运用AASHTO指南方法对西堠门大桥运营期3号桥墩年船撞概率进行计算,对西堠门大桥运营期的船撞桥风险进行了评估。西堠门大桥运营期总体船撞风险评估等级为二级,属于低风险水平。     

高墩大跨连续刚构铁路桥抗震可靠度分析

考虑结构参数随机性的动力可靠度是桥梁抗震研究中的重要问题.本文基于随机分析的响应面理论和规范反应谱方法,提出一种分析具有随机结构参数桥梁抗震可靠度的方法.通过拟合的多项式函数来近似替代表示结构随机输入与输出变量之间作用关系的功能函数,按照结构的破坏准则及其极限状态方程,进行可靠度分析.运用该方法研究高墩大跨连续刚构桥在地震激励下设计基准期内的动力可靠度,分析时考虑结构参数和场地土的随机性,分别计算连续刚构在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的失效概率,得到结构在设计基准期内,"三水准设防标准"条件下的地震可靠度.结果表明,该桥设计满足抗震规范要求.     

无砟轨道板精调车结构可靠性分析及优化

为提高无砟轨道板精调车结构的设计水平,考虑精调车荷载、几何尺寸和材料弹性模量等设计变量的随机性,对精调车结构进行可靠性分析、可靠性灵敏度分析和可靠性优化。首先,分析并得到精调车结构在串联失效模式下的结构功能函数;然后,运用响应面法和重要抽样方法,分析得到基于确定性优化的精调车结构的失效概率和可靠性灵敏度结果。最后,根据可靠性灵敏度分析结果,对该结构进行可靠性优化。分析精调车结构在可靠性优化前后的差异,结果表明,与确定性优化结果相比,可靠性优化使精调车结构自重增加了3.55%,但可靠度提高为0.999 999 987 7,说明设计变量的随机性对结构性能的干扰大幅减小。     

基于响应面法的挡土墙多失效模式可靠度分析

为预防土体发生主动坍塌破坏和被动挤出破坏,研究挡土墙需提供的合理支护力范围,基于极限分析上限法构建挡土墙的主动坍塌和被动挤出2种失效模式,根据虚功率方程求解主动土压力和被动土压力,得到支护力范围。在此基础上,考虑土体参数以及支护力的随机性,建立挡土墙的多失效模式可靠度模型,采用响应面法求解了可靠度,并且引入目标可靠指标获取支护力范围。研究结果表明:与单一失效模式下的结果相比较,基于多失效模式所得到的结果更优。建议采用多失效模式可靠度模型分析挡土墙的稳定性,所得到的支护力范围更合理。     

基于动态故障树的计算机联锁系统安全性及性能分析研究

针对2种常用冗余结构计算机联锁系统中的联锁机子系统,在考虑单元模块、比较模块和系统间切换模块全故障模式的情况下,建立双机热备和2×2取2计算机联锁系统的危险失效概率PFD和安全失效概率PFS的动态故障树模型。由于故障树概率近似法和Markov方法计算结果非常近似且概率近似法的求解过程简单和存储要求低等特点,采用概率近似法求解对应的PFD和PFS,实例对比分析2种冗余结构计算机联锁系统的安全性。研究结果表明:在全故障模式下,2×2取2计算机联锁系统的安全性高于双机热备。     

有防撞装置时计算船撞桥的力——铁路桥梁规范中船撞力公式的延伸修订

《铁路桥涵设计基本规范》(TB10 0 0 2 199)中有船撞桥墩的力的计算公式 ,该公式用“撞后镶住不动 ,动能全部耗尽”的状态 ,计算出最大正撞力 ;并考虑了船的质量、速度、相撞时的角度、能量耗散以及船和桥墩两者的刚性。若相撞时两者之间有防撞装置时 ,可将防撞装置与前两者同样对待 ,以防撞装置弹塑性曲线的割线斜率作为平均弹塑性系数C3 ,推导出有防撞装置时的船撞力公式 ;并反对对本公式作过分的简化     

在役钢筋混凝土拱桥时变可靠度分析

结合现行桥涵设计规范及钢筋混凝土拱桥的受力特点,给出钢筋混凝土拱桥"安全-中介-失效"三级工作模式的相应概率.基于时变可靠度理论,将随机有限元、神经网络和蒙特卡罗法结合,提出评估在役桥梁结构可靠度的FNM法,即,用随机有限无法计算训练样本,再用神经网络扩展训练样本,然后通过蒙特卡罗法计算失效概率和损伤概率,得到结构的时变可靠度,以判断结构的工作状态.对1座建成8年、主跨为80m的钢筋混凝土拱桥进行时变可靠度分析.结果表明:该桥主拱在第8年时,已进入虽有损伤但仍能工作的中介状态,需要维修加固.这一结论与实际情况相符.     

在役隧道结构多失效模式时变可靠性研究

隧道衬砌结构服役寿命期内的可靠性研究对隧道安全管理具有重要意义。对于混凝土衬砌而言,在服役过程中受到多种时变因素的共同作用,结构存在多种失效模式。为此,提出基于抗力衰减控制、最大裂缝宽度控制和混凝土碳化深度控制的多失效模式的服役隧道衬砌结构时变可靠度分析方法,采用概率故障树模型构建衬砌多失效模式系统可靠度分析模型,利用JC法计算结构的可靠度指标和失效概率,分析衬砌结构可靠度服役期内的变化规律和不同失效模式对可靠性的影响。将该方法进一步应用于某一病害隧道的可靠度分析中,结果表明:随着服役时间的不断增长,结构的可靠度指标不断降低,且多失效模式下的结构失效概率高于单一失效模式。拱顶处相比于其他位置失效概率较高,抗力衰减失效模式对结构可靠性影响最大。模型可以较为合理地反映结构的可靠度水平及变化规律,为衬砌结构可靠性评价提供一种科学合理的参考方法。     

墩水相互作用对深水桥墩与船舶撞击的影响研究

为研究船撞桥过程中深水桥梁的碰撞力及响应,在对比等效密度系数法和流体有限元方法的基础上,提出了更为实用的考虑墩水相互作用的桥墩与船舶撞击的分析方法。采用单塔模型和全桥模型研究了墩水相互作用对深水桥梁船撞力及响应的影响。研究结果表明:等效密度系数法可以代替流体有限元方法;墩水相互作用对碰撞力最大值影响不大;考虑墩水相互作用可使体系振动频率减小,振动固有周期增大。     

基于响应面法的三轴转向架构架抗疲劳可靠性优化

以三轴转向架构架为研究对象,对其进行了结构强度与关键焊缝疲劳寿命可靠性分析,在此基础上以主要壁板厚度为变量,考虑强度和疲劳寿命可靠度约束建立转向架构架抗疲劳轻量化模型,并采用缩小空间响应面近似优化法进行求解.优化后构架减重约4.3％,将不确定性因素考虑进结构优化过程中,优化结果更加合理.     

变量相在下的可靠度指标β的计算

岩土工程中基本变量大多数都为互相关，因此在计算其可靠度指标时要考虑其相关性，本文在Ｔｈｏｆｔ－Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ，Ｍａｓａｎｏｂｕ Ｓｈｉｎｏｚｕｋａ等人的基础上推导出在原空间中进行迭代计算的“ＪＣ”格式。Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ法是求解可靠度指标β较为精确的方法，但要求在独立空间抽样。本文提出了重要抽样法，直接抽样法求解相关空间中可靠度指标β的计算机模拟方法，并编制了相应程度。通过实例计算对比     

雉山拱桥的系统可靠度分析

应用结构可靠度理论和层次分析法，建立拱桥系统可靠度层次分析模型，分析构件失效与结构系统失效之间的关系，引入构件的概率重要性系数，导出拱桥系统可靠度指标的实用计算方法。