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。     

地震动脉冲参数对近断层区深水桥墩动力响应的影响分析

本文采用基于流固耦合理论的势流体计算方法,以某典型铁路深水桥梁为研究对象建立墩-水作用模型,引入人工合成近断层等效速度脉冲方法,量化分析并提炼脉冲参数对深水桥墩动水压力及结构地震响应的影响规律。研究表明:脉冲效应有可能使结构动力响应成倍增大,脉冲峰值Vp、脉冲周期Tp和脉冲类型等3类脉冲参数对深水桥墩动力响应均存在明显影响。随着脉冲峰值Vp的增大,不同水深下桥墩结构的动力响应均增大;当脉冲周期Tp接近桥墩结构自振周期时,其动力响应被明显放大;对于本文算例,C类脉冲的影响最明显,B类次之,A类最小。结合反应谱分析可知,不同脉冲参数的影响方式和幅度有所差别,一定程度上可以根据脉冲波反应谱的频谱强度及周期分布特征解释。进行近断层区深水桥梁抗震设计时,应对比检验不同类型脉冲参数的潜在影响,确保桥梁地震安全。     

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。     

桥梁抗震分析中动水压力的计算

用势流体单元模拟水体,采用数值分析方法计算分析地震动水压力。采用Morison方程法,以附加质量的形式考虑动水压力。运用两频段选波方法,选取美国Spitak(1988)和Imperial Valley(1979)2条地震波,进行深水桥墩地震响应分析,研究动水压力对深水桥墩地震响应的影响。结果表明:在地震作用下,动水压力显著增大桥墩的墩顶位移和墩底内力响应,且使地震响应峰值出现的时刻有所改变。在进行抗震设计时考虑动水压力的作用是非常必要的。通过对实际桥墩的分析,验证Morison方程法在深水桥墩地震响应分析中的有效性,说明按照我国现行铁路工程抗震设计规范中的计算方法得出的深水桥墩地震响应结果偏低。     

碰撞参数对隔震桥梁地震响应的影响

以四川省汶川县境内的一座隔震桥梁为例,采用ANSYS建立全桥有限元模型,研究地震作用下梁体碰撞参数对隔震桥梁地震响应的影响。选取5条代表性地震波,利用接触单元Combin40模拟梁体间的碰撞。地震动分析方法采用非线性动力时程法,主要碰撞参数包括碰撞刚度、伸缩缝间隙和恢复系数。结果表明:碰撞刚度、伸缩缝间隙和恢复系数均会对隔震桥梁地震响应产生较大影响;碰撞刚度越大,墩顶位移、碰撞力和隔震支座水平剪力越大;随着伸缩缝间隙的增加,墩顶位移和隔震支座水平剪力、碰撞力的变化规律相反,采用合理的伸缩缝间隙有利于减小墩顶位移和隔震支座水平剪力;墩顶位移和隔震支座水平剪力随恢复系数的增大而增大,碰撞力随恢复系数的增大而减小。     

基于地震引起动水作用的深海斜拉桥抗震性能研究

目前,深海大跨斜拉桥正在不断建设,其跨度的变化以及所处的深水环境使得在地震作用下桥梁受力更加复杂,地震作用下不但要考虑桩-土的相互作用,还要考虑地震引起的动水压力对结构的影响。为了分析地震引起的动水作用对斜拉桥动力特性和地震响应的影响程度,以及不同水深下动水力对深海斜拉桥地震响应的变化规律,基于一座现代大跨深水斜拉桥为工程背景,利用有限元软件建立三维模型,采用"m"法来考虑桩-土相互作用,用基于Morison方程的附加质量法来考虑地震引起的动水压力,结果表明动水对结构地震特性有较大影响,因此在斜拉桥抗震设计时动水作用不可忽略。     

地震作用下简支梁桥纵向碰撞模拟

为研究地震作用下简支梁桥纵向碰撞响应以及间隙宽度、碰撞刚度等因素对碰撞的影响,通过有限元软件SAP2000进行建模分析,首先通过接触单元法进行碰撞模拟,并对比各设计参数取值对碰撞的影响;其次基于大质量法,实现多点激励的输入模式,探究行波效应作用下桥梁响应的变化。研究表明:不同的结构设计参数对桥梁结构动力特性影响差异不尽相同,碰撞间隙对碰撞力的大小起控制作用;桥墩高度决定了桥墩是受弯矩还是剪力控制设计,墩高比为1.00和1.16时的墩底弯矩分别比墩高比为0.84时增加71.7%,73.5%,墩底剪力为墩高比取0.84时的53.9%,39.5%;刚度在不大于主梁刚度时对结构影响较小;行波效应中视波速越小,简支梁桥碰撞越严重。     

泥石流作用下桥墩的动力响应分析

由于部分山区桥梁跨越发育冲沟,会受到泥石流的冲击作用,基于桥梁构件能力保护原则,对泥石流作用下桥梁动力响应分析的研究就显得尤为重要。应用有限元动态接触方法对碰撞过程进行数值模拟,选取某高速公路30 m实心T墩建立三维实体有限元模型,分析其在泥石流作用下的动力响应情况。研究表明,在泥石流冲击作用下,块石与桥墩接触区及下部构件连接处应力较大,墩顶位移随上部荷载压力增大而不断减小,即设计应考虑分别提高桥墩的承载能力及其构件连接处的变形能力。     

基于高速列车振动荷载的桩-土-结构相互作用分析

通过总结高速列车振动荷载相关研究,给出高速列车振动荷载简化表达式。将端承桩看作连续分布水平弹簧-阻尼单元的动力Winkler地基梁模型,建立不考虑轴向力影响的动力平衡微分方程,利用Laplace变换求得动力荷载作用下的水平动力阻抗,通过群桩模型计算结果验证其频率相关性,随着荷载频率变化,水平动力阻抗出现大幅度振荡。建立86 m×142m×86 m 3跨高速铁路刚构桥有限元模型,分析高速列车通过时考虑与不考虑桩土相互作用的桥梁动力响应。对比计算结果,考虑桩-土相互作用的影响,结构将产生更大的位移响应,而上部结构节点力却相应减小;随着列车运行速度变化,桩土相互作用强度也同时发生改变;土层材料参数的变化也将影响桩-土相互作用强度,而且浅层土的影响大于深层土。     

基于风险评估的桥梁船撞角度分析

近年来世界范围内发生了多宗船撞事故,合理地对桥梁进行船撞风险评估是非常重要的。AASHTO船撞设计指南中模型是最常用的计算桥梁年倒塌频率的模型。然而,与桥梁倒塌频率有关的船撞力计算公式中只考虑了船舶的速度,并未考虑船舶撞击桥梁的方向。以椒江二桥为工程背景,采用美国AASHTO船撞设计指南中计算桥梁年倒塌频率的模型对桥梁船撞角度进行分析。在未考虑防撞系统和考虑防撞系统情况下,分析船舶撞击桥梁时的角度对椒江二桥的年倒塌频率的影响。结果表明,在未考虑防撞系统情况下船舶撞击椒江二桥的角度不能超过31°,在考虑防撞系统情况下船舶撞击椒江二桥的角度不能超过37°,否则会超过椒江二桥可接受的年倒塌频率。建议对超过该角度的船舶进行警示,以保证桥梁和船舶的安全。     

渝遂铁路草街嘉陵江大桥船撞风险分析

研究目的:随着我国近来几起严重的船舶撞塌桥梁事故的发生,桥梁的船撞问题也越来越受到政府部门、桥梁业主、设计部门的关注.目前,美国和欧洲规范都将船撞事件处理为风险事件,根据可接受风险的水平来指导桥梁的船撞设计;我国规范则是将船撞事件处理为偶然作用,根据航道和通航船舶情况给定设防船撞力;比较而言,我国桥梁船撞设计还没有形成一个系统的设计思想.为此,进行船撞风险分析,为安全评估提供依据.研究结论:采用AASHTO方法,对渝遂铁路草街嘉陵江大桥在近期和中远期通航密度下进行了船撞风险的研究与分析,得出了大桥在近期和中远期预测通航密度下桥梁的年碰撞频率、年倒塌频率,并提出了有关建议,为进一步深入研究奠定了基础,为船撞安全评估提供了依据.     

地震作用下梁式桥碰撞反应分析

在考虑梁间碰撞反应和桥梁结构非线性特性的基础上,建立全桥模型,通过不同桥墩高度和截面刚度简支梁桥在不同地震激励下的时程响应分析,对橡胶支座隔震的简支梁桥体系在地震作用下梁间碰撞响应规律和特点进行研究。结果表明,碰撞在一定程度上显著改变结构的响应状态,增大墩底弯矩和剪力;桥墩的高度、截面刚度以及地震激励的变化会对梁间碰撞产生影响。     

基于环境振动的既有预应力连续刚构桥地震响应分析

建立了基于环境振动的既有预应力混凝土连续刚构桥的地震响应分析方法。该方法主要包括现场环境振动实验与系统参数识别、桥梁有限元建模、基于动力的有限元模型参数修正、桥梁地震波选择以及桥梁动力时程反应分析等步骤。利用该方法进行了泉州后渚大桥———五跨预应力混凝土连续刚构桥的动力时程反应分析,结果表明:必须考虑竖向地震动和行波效应的影响,最不利截面位于墩梁结合面和墩底。此类分析对于桥梁养护与维修、长期健康监测具有重要的意义。     

基于车桥耦合动力分析的桥梁动应力计算方法

为充分反映列车与桥梁的动力相互作用,建立三维车辆模型及桥梁有限元模型,依据轮轨接触关系形成车桥耦合动力系统模型;考虑轨道不平顺的随机激励作用,求解车桥系统动力方程,得到桥梁节点的振动响应。在此基础上,计算桥梁构件单元的动应力响应时程。以CRH2型动车组通过某跨度为80m的下承式钢桁梁桥为例,计算分析各局部杆件的动应力时程及不同杆件的应力动力放大系数。结果表明:所给出的计算方法考虑了桥梁横向振动的影响以及轨道不平顺激励,能够真实反映列车荷载作用下桥梁局部构件的动应力响应;在列车荷载作用下下承式简支钢桁梁桥各类杆件中的危险杆件并不一定出现在桥梁跨中,动应力响应沿桥跨方向呈现出与位移响应幅值不同的空间分布趋势;不同类型杆件的应力动力系数不相同;现行规范中关于运营动力系数的计算不能真实反映不同车速下桥梁杆件应力的动力放大效应。     

邻梁碰撞对系杆拱桥地震响应的影响分析

为研究邻梁碰撞对系杆拱桥地震响应的影响,以一座跨度64 m钢管混凝土简支系杆拱桥为研究对象,采用MIDAS/Civil建立全桥及邻跨简支梁桥的空间有限元模型,输入50年超过概率为0. 2%的罕遇地震波进行非线性时程反应分析。结果表明:邻梁碰撞对系杆拱桥拱肋、横撑及K撑的影响较大,对下部结构的影响较小;考虑竖向地震动后,结构各部件的内力整体增加,碰撞对拱肋及K撑的影响显著,横撑基本不受影响;竖向地震动可使得碰撞力及碰撞次数增加。建议在系杆拱桥的设计中考虑邻梁碰撞效应。     

桥梁地震碰撞机理和抗震设计建议

地震时梁部碰撞直接导致梁体或桥台破损,严重时会出现落梁、支座破坏。利用Midas/civil软件,通过建立有限元模型,对简支梁、连续梁和连续刚构桥梁地震碰撞模拟分析,揭示了桥梁地震碰撞的机理以及简支梁、连续梁和连续刚构桥梁地震碰撞的特点:制约桥梁地震碰撞的最重要因素是墩身高度、墩底的基础刚度,其他因素则包括诸如梁体重量、梁体与桥墩之间的结合方式、以及制动墩的位置等。碰撞事件的发生主要取决于结构自身的振动特性,结构的振动特性总体控制了碰撞次数和碰撞强度。提出了碰撞缓冲液压装置等防止桥梁地震碰撞破坏的有关设计建议和方案。     

近场地震作用下铁路减震桥梁地震响应研究

为分析近场地震作用下的铁路减震桥梁顺桥向地震响应特性,用远场地震叠加三角函数型速度脉冲的方法模拟近场地震波,根据结构的弹塑性地震响应计算结果研究速度脉冲的波形、出现位置、脉冲时间对结构地震破坏的影响。结果表明:近场地震作用下铁路减震桥梁的减震效果降低,且支座的地震位移显著增大;速度脉冲波形、脉冲波发生时刻以及脉冲持续时间对桥梁地震响应有较大的影响;结构地震响应的最大值与地震波的SI值有较强的相关性,但与PGV/PGA值的相关性不明显;考虑限位装置地震碰撞效应以后,虽然支座地震位移得到了控制,但带来墩底剪力显著增大的问题;缓冲措施可以减小因碰撞引起的墩底剪力。     

超大船舶吨级航道桥梁防船撞设计研究

针对目前对桥墩受船舶撞击的影响参数尚不明确的情况,以一座千米级公铁两用斜拉桥为工程背景,基于船舶自动识别系统数据统计分析结果,得到船舶船型、吨位、航速等参数并开展了船桥碰撞分析,提出了桥梁防船撞设施设计方法,通过有限元仿真分析对提出的防撞设施性能进行了不同工况下的计算分析.研究结果表明:未安装防撞设施时,船舶与桥梁碰撞...     

深水库区铁路斜拉桥地震反应分析

以某深水库区铁路大跨度斜拉桥为研究对象,建立考虑动水压力效应的全桥空间动力计算模型,分析动水压力对桥梁动力特性及弹性地震反应的影响程度。结果表明:桥塔附加水体质量对斜拉桥的体系纵漂及体系对称竖弯振型影响较明显;考虑塔身的水体附加质量时,塔身控制截面的地震反应增加较大,且顺桥向地震反应增加明显大于横桥向的地震反应。因此对处在深水库区的铁路大跨桥梁,应考虑水体附加质量对桥梁地震响应的增大效应,否则设计将偏于不安全。     

梁端碰撞效应对大跨高墩连续刚构桥易损性影响

西部山区连续刚构桥的主桥常常是高墩大跨,主桥与桥台或引桥的纵向刚度差异较大,导致在地震作用下,主桥与其两端的引桥(台)的动力响应不同步,从而发生梁端碰撞。以某大跨高墩连续刚构桥梁为背景,基于OpenSees平台建立其非线性有限元模型,选取100条实测随机地震动,引入拉丁超立方抽样、云图法以及概率地震需求模型基本理论,考虑梁端可能的碰撞作用,计算桥梁主要构件的地震易损性曲线,选用串联模型进行桥梁系统易损性分析,研究桥梁梁端碰撞效应对桥梁易损性的影响。研究结果表明:梁端碰撞作用对桥梁结构不同构件有不同的影响,考虑碰撞效应可以降低桥梁系统的损伤概率。