大跨度斜拉桥多维多点随机地震激励响应分析

为研究大跨度斜拉桥地震激励下的平稳随机响应规律,以某大跨度斜拉桥为例,用ANSYS软件建立了三维有限元分析模型.考虑地震动的多维性、行波效应、部分相干效应及局部场地效应对主梁及主塔位移和内力随机响应的影响,用该模型分析了大跨度斜拉桥在多维多点地震激励下的响应.研究结果表明:相对于一致激励,大跨度斜拉桥在多维多点激励下的结构响应显著增大,主梁的纵向位移增大了约2.3倍,①号塔顶的纵向位移和塔底横向弯矩分别增大了约2.2和2.3倍;仅考虑一致地震激励不能保证大跨度斜拉桥的结构安全;考虑行波效应时斜拉桥的地震响应减小,相干效应较小可忽略,软场地条件下结构的地震响应更大.      

动水压力影响下考虑SSI效应的桥墩结构地震响应分析

基于Morison方程法,采用附加质量考虑动水压力的影响,利用ABAQUS软件计算平台建立了动水压力作用下刚性地基桥墩和考虑SSI效应的桥墩结构,对动水压力作用下考虑和不考虑SSI效应时桥墩的地震响应进行了比较,分析了考虑SSI效应的桥墩的地震响应随水深的变化规律。结果表明:动水压力作用会增大桥墩的地震响应,其受桥墩入水深度的影响;当考虑SSI效应后,动水压力作用对桥墩自振频率折减和地震响应增大作用有所降低,但仍不能忽视动水压力作用。     

大跨自锚式斜拉-悬索协作体系桥地震响应及减震控制分析研究

基于结构非一致激励地震动方程,建立空间非线性有限元模型,探讨一致输入、行波输入下结构的地震响应.分别以主梁纵向位移、塔底内力为控制目标,研究粘滞阻尼器参数变化对结构减震效果的影响.计算结果表明:地震作用下塔底顺桥向弯矩达365.12MN.m,对自锚式斜拉-悬索协作体系桥的设计起控制作用;行波效应使得主梁跨中横向位移增大42%,横向弯矩减小14%;结构纵向位移及塔底内力在考虑行波效应后减小9%左右,安装参数合理的阻尼器使主梁纵向位移减小44%,主梁跨中弯矩和剪力减小41%,塔底纵向弯矩减小37%,达到减震效果.     

地震作用下高桩码头不同横排间距的三维动力响应分析

考虑了实际地层、桩-土动力相互作用的影响,采用瞬态动力时程分析法对不同横排间距直桩码头的水平地震荷载响应进行了分析;研究了码头结构在真实地震记录加速度作用下的位移、加速度、最大等效应力、剪应力以及桩的等效应力、弯矩变化规律.计算表明,横排间距平均每增大2 m:码头上部结构最大等效应力增大约9%~12%,码头上部结构最大剪应力增大约12%~15%,码头桩基的最大等效应力增大约8%~9%,码头桩内的弯矩增大约10%.随着桩间距的增加码头抗扭性能增加了,因此上部结构内力增量大于桩内内力的增量,而且整体码头结构跨间距增加到11 m时桩内等效应力接近屈服强度,但未出现应力集中屈服区,桩顶铰接后大大减小了地震的动力危害,可以把横间距增加到11 m.横排间距增大会使面板上产生较大剪应力,最大剪应力发生在面板与纵横梁形成的交角处,应对其采用局部加固的优化设计.研究成果可为深海码头结构的设计提供参考.     

人-结构竖向相互作用两类简化模型分析

基于质量-刚度-阻尼（mass-spring-damper,MSD）和质量-刚度-阻尼-附加质量（mass-spring-damper-rigid mass,MMSD）两类简化分析模型,采用正则化结构振型函数建立简化的人-结构竖向相互作用动力方程. 针对具有非比例阻尼特性的动力方程,采用状态空间法求解耦合系统瞬时频率和阻尼比,讨论两种耦合动力方程的区别以及结构在人行荷载作用下频率和阻尼比的变化规律,分析人-结构耦合状态下结构加速度响应的差异. 结果表明:考虑人-结构竖向相互作用时,两类动力方程的结构阻尼比显著增大,结构瞬时频率略有减小,瞬时阻尼比峰值平均提高31.67%,瞬时频率峰值平均仅减小0.29%; 结构人致振动分析时应考虑人-结构竖向相互作用;MSD和MMSD两种模型分析情况下,结构动力响应差异很小,均方根加速度值的差异仅为0.34%.      

地铁及国铁荷载共同作用下地基土动力响应分析

结合南京地铁二号线东延线盾构隧道下穿宁芜铁路工程,研究地铁及铁路荷载共同作用下地基土动力响应．利用车辆-轨道耦合模型,计算轮轨垂向力．利用有限单元法分析地铁线路中心线下地基土和国铁路基面弹性变形、加速度随时间的变化规律,以及地基土中动应力分布规律．分析结果表明,在同样的加载条件下,地铁左线和右线地基土弹性变形及加速度随时间变化规律相似,动应力响应较大的区域主要分布在铁路基床表层、拱腰附近和轨枕下方土层．     

类梯形山体的地震动力响应分析

为探讨地震作用对山体动力响应的影响,建立了双坡面为曲面的类梯形山体的剪切梁模型,给出了响应的理论解和梯形山体第1阶固有频率的简化表达式;计算获得了不同形状山体的最大相对位移、最大相对速度和最大绝对加速度,并将计算结果与有限元分析结果进行了比较.结果表明:梯形山体模型求解山体动力响应简单,而类梯形山体模型则能获得更精确的结果;山体动力响应在水平地震作用产生弯矩较小的情况下,理论解与有限元解接近;随泊松比增大,山体的第1阶固有频率略有增大;梯形和类梯形山体的最大相对位移、最大相对速度从底部到顶部逐渐增大,而最大绝对加速度则在山体约2/5高度处出现极小值.      

考虑SSI效应的地铁车站结构动力学响应分析

以北京地铁28号线京广桥站地下结构为工程背景,介绍了车站换乘厅结构所处的水文地质情况及结构设计方案,采用数值模拟的手段对结构施加地震荷载,分析考虑了土与结构相互作用SSI(Soil-Structure Interaction)效应下的车站换乘厅主体框架结构、地连墙以及桩基础的结构动力学响应。结果表明：(1)在车站换乘厅的框架结构中,底板所受内力大于顶板内力结果;车站换乘厅的下部地连墙所受到的内力均大于上部地连墙的内力结果;桩体承担的剪力均大于上部结构的剪力值。(2)三条地震波作用下的层间位移角结果均小于1/550,符合规范要求;在两条自然地震波作用下的顶点位移均呈现出“平稳-振荡-收敛”的变化趋势,而人工波作用下的顶点位移呈现出了一定的“振荡-收敛”趋势。虽然与自然波相比无平稳阶段,但是人工波作用下的顶点位移时程整体波形较为均匀。(3)三条地震波作用下的结构基底剪力与地震波的加速度浮动有关。考虑SSI效应后地铁车站换乘厅结构的地震响应更加真实,可以帮助工程中采取更有针对性的措施。     

采用加速度输入等效风力发电机组塔筒实测响应方法研究

通过对单自由体系的分析,得到风荷载激励和从基底输入的加速度之间的关系。通过对风力发电塔的模态分析,得到简化为广义单自由体系的广义质量和广义刚度,求得风力发电塔塔顶位移的时程曲线,采用Savitzky-Golay平滑算法和差分法求得顶点的加速度和速度时程,以此求得合成后的等效加速度。对直接合成后的等效加速度进行傅里叶变换,采用低通滤波器剔除高频分量,进行傅里叶逆变化后得到最终等效加速度。有限元分析结果表明,在此等效加速度下的结构响应和已知响应吻合一致,从而为风力发电塔的减振试验在振动台上完成成为可能。     

深埋式桩板结构桥-隧过渡段动力响应特征分析

为了解深埋式桩板结构桥-隧过渡段的动力特性及过渡性能,在沪昆高铁某工点过渡区（含隧道口、过渡段及桥台）开展现场动力响应测试,分析不同车型、车速及行车方向等工况下过渡区的动力响应分布规律;并建立考虑车辆-轨道-路基耦合振动数值模型,研究过渡区的线路平顺性及桩板结构过渡段的动应力分布. 研究结果表明:不同车型列车激励下,过渡区振动加速度及动位移有效值的最大值分别为0.85 m/s2、0.034 mm,过渡段的振动水平要比隧道及桥台的更低;过渡段动力响应有效值随车速增大而增大,其增幅比隧道与桥台的更小;行车方向对过渡段与桥台连接区域的动力响应影响较大,对其他断面影响微弱;列车以300 km/h车速经过该过渡区时,过渡区钢轨挠度最大变化率约为0.149 mm/m,车体竖向加速度最大值为0.74 m/s2;桩板结构的存在能够将列车荷载传递至深部地基,使浅层地基土体承受的动力作用降低.      

Application of Lead Viscoelastic Dampers to Wind Vibration Control on Big-Span Power Transmission Tower

To study the wind vibration response of power transmission tower, the lead viscoelastic dampers (LVDs) were applied to a cup tower. With time history analysis method, the displacement, velocity, acceleration and force response of the tower was calculated and analyzed. The results show that the control effect of lead viscoelastic dampers is very good, and the damping ratio can reach 20% or more when they are applied to the tower head.     

考虑行人同步率的随机行走人群模型

为了研究行走人群协同性对结构人致振动的影响,基于考虑行人同步率的随机行走人群模型,对人群行走下人行天桥的竖向振动问题就行了分析. 首先通过行走人群随机性分析,提出了考虑行人同步率的随机行走人群集中模型和离散模型;其次在两类模型下考虑人-结构竖向耦合作用,建立了随机行走人群作用下结构竖向振动响应分析方法;最后对比分析了人行天桥在不同随机行走人群模型下的竖向加速度响应和动力特性参数的变化规律. 研究结果表明:两类模型行人行走下,人行天桥的1 s均方根加速度响应随人群密度的提高先增大后减小;人群密度超过0.2人/m2后,随机行走人群离散模型下的人行天桥1 s均方根加速度大于集中模型,且增大集中模型同步区行人间距有利于减小结构振动响应;随着人群密度的增大,人行天桥瞬时频率不断减小,瞬时阻尼比则先增大后减小,集中模型和离散模型下人行天桥瞬时阻尼比分别最大提高到6倍和7倍;考虑行人同步率的随机行走人群模型能准确反映人行天桥实际所受到的人群行走荷载作用,可为人行天桥人致振动响应分析与评估提供参考.      

侧向风荷载对人-车-路系统耦合振动的影响分析

采用谱解法模拟脉动风荷载场,根据风洞试验测得的车辆的空气动力参数,计算出作用在车辆侧面的风荷载;将风荷载加到人-车-路耦合振动系统方程中,建立起考虑其影响的系统耦合振动方程;采用人体加权竖向振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对模拟风速场及侧向风速大小对车辆乘坐舒适度的影响进行讨论.分析表明：静态风减小了人体、车辆振动加速度的最大值,但对其加速度均方根值没有影响;脉动风作用下人体振动加速度最大值略有变化,但均方根值却增大较多;侧向风荷载场对路面结构的振动几乎没有影响;平整路面下乘坐者出现不舒适感的临界风速为55m/s,A级不平整路面出现不舒适感的临界值为15m/s.     

Dynamic Responses of Long-Span Transmission Tower-Line System Subjected to Broken Wires

A macroscopic finite element modeling approach was proposed to calculate the vibration of a tower-line system subjected to broken wires with software ANSYS/LS-DYNA. In the finite element model, not only the nonlinearity of wires and suspension insulators are considered, but also the support towers are included. The incremental and iterative approaches are combined by applying the unbalanced loads incrementally during each iteration cycle. The approach was illustrated with an example of a Hanjiang-River long-span transmission line system subjected to a shield wire and a conductor failure, respectively. The analysis results showed that the proposed dynamic simulation approach can demonstrate the kinetic process of the tower-line system subjected to wire ruptures: The frequencies of line components were lower and densely distributed, but the frequencies of tower components were higher and sparsely distributed. Anyhow, the dynamic effects of wire ruptures on tower-line system could not be ignored in analysis of tower-line system subjected wire failures.     

斜风作用下桥塔施工阶段抖振性能

为了研究不同风速、风偏角在施工阶段对桥塔抖振性能的影响,进行了考虑塔吊共同作用的桥塔联合气弹模型风洞试验。试验结果显示:桥塔的抖振位移响应可近似地表示为风速的二次函数,桥塔抖振响应随着风偏角的增加呈非单调变化,施工状态中桥塔顺桥向和横桥向抖振位移响应最大值会出现在非正交风作用下;在施工阶段设计风速下抖振位移响应最大值为0.2746m,在工程可接受范围内,试验得出的抖振位移响应均方根值显著大于抖振时域分析计算值,说明桥塔风洞试验应考虑施工状态和施工机械对其抖振性能的影响。     

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化,借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型;基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论,建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型;考虑轨道随机不平顺的影响,研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明:相对于传统的悬挂装置,天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度,并使其变化趋势更加平缓,对车辆的低频振动有明显的抑制作用;采用本文的研究参数,天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%,使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%,而在曲线段,天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%,使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%,车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升;考虑结构柔性时,车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%,横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见,车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响,在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。      

梁—墩—桩基的动力特性研究

对大跨度桥的连续刚构部分,应用有限元法建立了三维梁-墩-桩的力学模型,采用大型工程软件对其进行动力特性分析。首先对桩基模型进行合理简化,建立了桩基空间计算模型并计算其动力特性。其次建立刚构桥的动力分析模型,并对无桩、有桩基不考虑土对桩振动的影响和考虑桩土相互作用的计算模型的计算结果加以分析比较。结果表明,桥梁体系的第三阶频率主要受高墩的影响,桥梁桩基对该体系振动特性的影响不明显。     

地震作用下特大型桥梁嵌岩桩基础动力响应

依托铺前大桥实体工程, 基于人工质量模型和桩-土惯性相互作用机理, 通过振动台模型试验, 选用叠层剪切式模型箱, 模拟了自由场在地震作用下的振动反应, 分析了0.15g ~0.60g (g为重力加速度) 地震动强度下大直径桥梁嵌岩桩基础加速度、相对位移、弯矩等响应特性和损伤情况等。研究结果表明: 桩基础加速度峰值从桩底至桩顶呈增大趋势, 加速度放大系数随地震动强度的增大逐渐减小, 输入地震波为0.55g 时, 桩顶加速度放大系数趋于稳定值1.34;桩顶加速度时程响应频率低于桩底加速度时程响应频率, 上部覆盖层对地震波的放大作用和滤波效应明显; 随着地震动强度的增大, 桩顶相对位移峰值近似呈线性增大, 在0.15g ~0.60g 地震动强度下, 桩顶相对位移峰值变化范围为1.97~6.73mm; 桩基础弯矩沿桩长呈“3”字形变化, 上部软硬土层分界处和基岩面附近弯矩达到峰值, 并随地震动强度的增大而增大, 地震动强度为0.50g 时达190.9kN·m, 超过桩身抗弯承载力; 桩基础基频随地震动强度的增大呈整体降低趋势, 在0.50g 地震动强度下, 其基频较0.35g 地震动强度下低50.1%, 桩基础产生损伤; 桩顶与承台连接处、上部覆盖软硬土层界面和基岩面附近桩身在地震作用下易产生裂缝, 桥梁桩基础抗震设计时应着重考虑。      

高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量,用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴,建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型,分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现:轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz,车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%,轮轨动作用力增加6.23%,车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明:轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加,因此,提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。