多车道桥梁交通荷载特性及结构响应研究

多车道公路桥梁各行驶车道的车流和荷载特性分布具有显著的差异性,由这些差异性引起的结构响应特性应是桥梁管养关注的重点。根据某单向4车道高速公路实测的WIM数据,分析其运营阶段的交通荷载特性,及在实际车流荷载作用下桥梁结构的真实响应。研究结果表明:不同行驶车道的车型分布具有显著差异性,90%以上的货车偏向于外侧两个车道行驶;车辆总重和轴重水平较规范基础数据有明显的提高;各行驶车道随机车流产生的荷载效应最大值基本大于规范值,外侧车道上荷载效应远大于内侧超车道,说明目前规范基于车道荷载独立同分布的假定与实际情况不相符,车辆荷载模型已无法满足实际的结构设计评估要求,建议修正。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

基于健康监测的大跨径桥梁车辆荷载效应分析

健康监测系统记录了大跨径桥梁在各类荷载作用下的响应特性,可以用于桥梁运营荷载的评定及结构性能评估。本文依托某斜拉桥健康监测位移数据,首先基于动力测试结果对桥梁有限元模型进行了修正,获得了规范车辆荷载作用下的位移响应,这是桥梁性能评估的基础参考;其次分别采用移动平均法和平滑窗口法分析了车辆荷载作用下的位移响应分量;最后,基于车辆荷载效应通过构建极值模型外推了不同评估周期内位移响应极值。研究表明该桥梁在超过10年评估周期就会出现外推位移极值超过规范计算水平,存在一定的风险,届时需要加强过桥车辆管理及桥梁状态监测。     

基于实测车流的中小跨径桥梁车载动力效应极值研究

为评估现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平,提出了车辆荷载冲击作用下桥梁效应极值外推方法。基于高速公路车辆动态称重数据,研究了简支T梁桥的车载动力效应极值,校验并评估了现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平。研究结果表明:基于实测数据的随机车流模型融入了车辆的概率信息,为桥梁车载动力效应极值的概率外推提供了有利条件;欧洲与英国规范的设计车辆荷载效应的重现期远大于美国和中国设计规范;随着桥梁跨度的增加,欧洲与美国荷载模型的重现期随着桥梁跨度的增加而减小,英国荷载模型随桥梁跨度的增加呈先增加后减小的趋势,中国荷载模型的重现期随桥梁跨度增加而增加。     

基于车辆WIM监测数据的大跨桥梁作用效应极值分析

在中国交通荷载急剧增长的现实情况下,重载交通下既有桥梁的结构安全问题日益突出。为了推测实际车流长期作用下的桥梁最大荷载效应,提出了基于随机车流的桥梁作用效应极值概率分析方法。首先,基于某高速公路车辆的动态称重数据建立了随机车流荷载模型,并提取了关键车队加载工况;其次,模拟了某悬索桥的车桥耦合振动效应的位移时程曲线,建立了最优的Rice界限跨阈率模型;最后,分析了交通量线性增长对桥梁极值的影响,校验了设计作用标准值。数值分析结果表明:Rice界限跨阈率模型可捕捉车辆荷载的动力效应,从而实现动力效应极值分析;当交通量的年线性增长率为4%时,桥梁位移极值增加约7.7%,极值增长速率逐步降低;在设计标准值的1950年重现期条件下,某悬索桥的位移极值上限为1.9 m,满足变形上限L/300的要求。     

基于WIM的随机车流建模和简支梁桥荷载效应研究

为研究实际车辆运营状态下的行车参数特征及车辆荷载作用效应,基于宜泸高速南溪长江大桥路段的动态称重系统(WIM)实测数据,建立了符合宜泸高速行车车速、车距和轴重参数的概率模型,依据MATLAB软件编制随机车流模拟程序,对6种跨径(6,8,10,20,30,40m)的简支梁进行随机车流加载,得到随机车流作用下简支梁桥设计基准期内的荷载效应极值概率分布,并与我国公路Ⅰ级、英国BS 5400和美国AASHTO设计荷载规范对比。结果表明:车流量和车速大小随驾驶人员作息时间呈规律性变化;纵向车距服从威布尔分布,各车道车辆分布不均衡;车辆轴重服从高斯混合多峰分布;随机车流作用下简支梁桥的实际荷载效应平均值为设计荷载效应平均值的0.82倍,满足设计要求。     

随机车载下连续刚构桥动力可靠度分析

引入车流-桥梁耦合振动模型至桥梁结构可靠度分析中,提出了随机车流作用下大跨桥梁动力响应的简化分析方法,应用于桥梁动力位移极值外推与首超失效概率评估。基于中国某高速公路的动态称重数据,模拟了稀疏和密集状态的随机车流,建立了主跨为200m连续刚构桥梁的车载效应概率模型。工程实例分析结果表明:随机车流-桥梁耦合振动分析结果为时程曲线,可视为随机过程的一个样本,而Rice公式可捕捉到该曲线的概率特征,可用于研究考虑车流-桥梁耦合振动效应的极值外推;随着输入车流样本的增长,桥梁响应均值与标准差趋于稳定,随机车流作用下大跨桥梁的荷载效应满足平稳随机过程假定;连续刚构桥在密集车流作用下的关键失效点位于中跨跨中,当现有密集车流占有率由1.2%增大到3.6%时,该桥梁的位移首超可靠指标从5.76下降至5.60。     

运营车辆荷载作用下大跨PC梁桥动挠度特性研究

针对运营车辆荷载作用下大跨PC梁桥动挠度特性问题,以琶洲大桥和洛溪大桥为背景工程,采用有限元计算和现场试验获取其车辆荷载动挠度,并分别在时域和频域,重点研究了运营车辆荷载作用下动挠度的统计特征和频谱特性。研究结果表明,模拟车辆荷载作用下的动挠度与实测动挠度吻合较好,两座背景桥的动挠度计算值以及实测值的均值和方差均在3～5mm范围内,均方差在2mm左右,变异系数超过50%,说明在大跨PC梁桥挠度监测时,不能忽略运营车辆荷载作用下桥梁结构挠度的动态效应,应采用动挠度来表征桥梁结构变形。功率谱密度曲线呈多峰分布,幅值谱属双峰分布,幅值谱主要频率集中在结构振动一阶频率及三阶频率附近。研究结果可为桥梁结构动态挠度监测方法研究和挠度成分分离研究,提供科学依据和基础数据。     

鄂东长江公路大桥活载非线性效应与试验分析

为了分析几何非线性对大跨度斜拉桥的活载效应的影响程度,以鄂东长江公路大桥(主跨926m的双塔双索面混合梁斜拉桥)为背景,利用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型,分别计算该桥在活载作用下考虑非线性效应与不考虑非线性效应的结构内力及位移,并与全桥荷载试验实测结果做对比分析。结果表明:对于鄂东长江公路大桥这样超大跨度的斜拉桥,活载的非线性计算结果更加符合大跨度斜拉桥的实际响应,线性计算结果误差较大,且偏于不安全。     

基于蒙特卡罗数值模拟的大跨桥梁状态评估

为了定量地研究大跨桥梁在多种随机因素下的可靠度,采用蒙特卡罗数值模拟方法,对润扬长江公路大桥(中国跨度最大的悬索桥)在温度、风、车辆荷载、车辆冲击等随机变量作用下的结构可靠度进行计算。通过对大桥在正常运营和损伤状态下的可靠度分析,获得了大桥主缆应力、吊索应力、桥塔位移以及钢箱梁线形等重要指标的可靠度和累积分布函数,其分析结果形象直观,提高了评估的效率,使维护决策的制定更加客观准确。     

刹车状况下桥上随机车流动态演化及车-桥耦合振动分析

为实现刹车时桥上多状态车流并行动态演化的高真实度模拟和时变汽车荷载与桥梁运动状态的时时耦合,首先从宏观和微观上丰富随机车流模拟方法,宏观上沿用交通荷载调查数据中的车辆顺序、车辆基本特性等不变量,以车辆间距为服从正态分布的限幅随机变量,形成深度融合交通荷载调查数据和交通流理论的随机车流高真实度仿真方法;微观上对车辆间距随机变量确定的关键状态-阻塞状态,引入加权速度,实现阻塞密度时车流的走走停停动态描述,采用考虑驾驶人状态的概率分布方法确定车辆时距;实现多密度随机车流的高真实度仿真。其次细化刹车过程模拟,建立车流差异化刹车模型：采用顺次对比方法,筛选桥长范围最不利刹车车流;引入停车视距,考虑驾驶人反应,区分头车和跟驰车辆,精细模拟车辆刹车动态过程和刹车车流演化过程,差异化确定各车辆刹车参数;实现桥上多状态车流并行动态演化模拟。第三建立刹车力学模型,并融入至已有正常车流的车-桥耦合系统,构建可考虑刹车状态的分析系统。最后确定桥梁典型响应和分析指标,以一座大跨斜拉桥为例,对多刹车工况下的桥梁响应进行分析。结果表明：桥上刹车状况一般会产生超过正常行驶状况下的桥梁响应,最不利单车道刹车状况下的塔根弯矩甚至达到跑车工况的2.7倍,简单采用规范冲击系数方法很难实现刹车响应的包络;刹车过程中的桥梁响应最值不仅与采取刹车的车辆数目和桥上车辆保有量有关,还受刹车作用与桥梁原响应趋势的顺逆程度控制;桥梁及桥上刹停车辆的总质量和桥上正常行驶的车辆决定桥梁响应时程曲线趋势振幅;典型桥梁响应的总体趋势,与车流密度和刹车车道数相关性较小,不同时段车流会对梁端顺桥向位移和塔根弯矩产生影响。     

基于GPS的润扬大桥悬索桥位移监测与分析

介绍润扬大桥结构健康监测系统中的GPS子系统,对系统采集的大量数据进行了分析,研究了悬索桥在台风、温度、特殊车辆荷载作用下位移变化情况。研究结果表明:台风作用下桥面横向和竖向位移以跨中最大;温度对竖向以及顺桥向的位移有较大影响;正常运营状态下以及重车过桥时,桥面变形远小于设计荷载作用下的变形,结构具有较大的安全储备。     

动态交通荷载监测系统在桥梁工程中的应用

以某斜拉桥健康监测系统为基础,介绍了动态交通荷载监测系统的应用。通过动态交通荷载监测系统,得到特定情况下行驶车辆的出现及车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有关车辆的其他参数。同时通过实际车辆荷载作用下桥梁结构响应与计算值的比对,得出桥梁结构实际承载能力情况,为今后该地区公路桥梁的运营提供真实的荷载依据,同时也为桥梁结构整体性能评价提供参考。     

基于实测车流的悬索桥黏滞阻尼器多目标控制研究

为了研究不同黏滞阻尼器参数对车流荷载作用下大跨径悬索桥响应的影响,建立了一座大跨径钢桁架悬索桥的有限元模型。首先对交通荷载监测系统采集的实际交通流数据进行了分时段分车道筛选,得到小时车重极值时段的车流数据,利用格林希尔兹模型模拟形成了基于实测数据的高真实度车流。接着采用等参元方法将车辆荷载简化为集中力荷载分配加载,分析了车流作用下不同黏滞阻尼器参数对结构关键指标响应的影响,包括主梁梁端纵向最大位移、主梁梁端累计位移、主梁跨中弯矩、主塔塔顶位移、主塔塔顶加速度、主塔塔根弯矩、主缆力以及吊杆力变化趋势。最后采用变异系数法计算了指标权重,利用TOPSIS法确定了指标响应的理想解与负理想解,基于各参数方案结构指标响应的相对接近度对阻尼器参数方案进行了评价。分析结果表明:黏滞阻尼器可以有效降低车流作用下的梁端最大位移、梁端累计位移及塔顶加速度;对塔顶位移、塔根弯矩、主缆力及吊杆力的影响并不明显,不同指标对应速度指数和阻尼系数的变化规律不完全一致;速度指数对车流作用下结构响应的影响更为明显,速度指数越小,阻尼器的控制效果提升越明显,在慢速运动时能发挥更好的控制作用,阻尼系数增大亦可提升控制效果,但阻尼系数较小时对应的最大设计速度更大。     

重载交通下公路桥梁荷载效应

车辆重载作用是影响桥梁安全的最主要因素之一,因超载导致的桥梁垮塌事件屡屡发生。为研究重载交通路段实际通行状态下既有桥梁的荷载效应,利用WIM系统采集了天津海滨高速桥梁的7天车辆数据,建立了车辆荷载模型和车辆荷载效应模型,分析了实际车流下车辆荷载标准值和车辆荷载效应标准值,并与按公路I级荷载的计算结果进行了对比。研究结果表明,该路段的车辆分布总体服从多个正态分布的加权和;基准期最大值分布服从极值I型分布,可选用98吨的五轴车作为标准荷载;车辆荷载效应服从多个正态分布的加权和,荷载效应标准值可取公路I级计算结果的1.8倍。     

基于元胞自动机的随机车流模拟与桥梁疲劳响应分析

为了研究类似云南省这样的高原山区低等级公路桥梁实际运营状态下的交通荷载特性及车辆荷载作用效应,首先,基于动态称重获得了云南某低等级公路桥梁的监测数据,得到了该区段车型、车重、车速、车长、轴距和轴重等数学模型。其次,基于传统的元胞自动机模型,对元胞长度、更新步长、换道、行驶的规则及其边界条件做进一步细化研究,提出了适用于山区低等级公路桥梁交通流模型的具体参数值,建立了精细化的元胞自动机模型。最后,根据影响线加载的方式,对该路段上某简支钢箱梁桥在随机车流模拟作用下的荷载效应进行了分析,并且利用雨流计数法整理得出了符合本地区实际交通状况作用下的应力幅和循环次数。结果表明:该元胞自动机模型可以较好地还原车型比例、车速、车长、车头时距等特征参数,模拟车流与实际交通状况吻合较好,从而验证了模型的准确性,该模拟方法可为同类问题提供参考依据。根据随机车流加载得到的车辆荷载效应,对比了《公路钢结构桥梁设计规范》、英国BS5400规范、美国AASHTO规范中的疲劳荷载计算模型作用下的应力幅值。实际交通模拟得到的应力幅值高于规范计算值,表明山区低等级公路由于交通管控不力,导致超载现象严重,桥梁的疲劳问题更加突出。     

超大跨度混合梁斜拉桥非线性受力分析研究

为研究非线性因素对超大跨度混合梁斜拉桥的影响,结合鄂东长江公路大桥,对该类桥梁在多阶段、多效应耦合影响下的非线性受力特性进行系统、定量的分析。采用RM2006建立鄂东长江公路大桥主桥模型,分析该桥在施工、成桥、运营阶段中不同非线性因素及不同荷载作用下的非线性影响。分析结果表明:超大跨度混合梁斜拉桥在施工和成桥阶段均存在非线性影响;施工阶段结构在风荷载、温度荷载作用下的非线性影响较明显;成桥状态下钢箱梁、桥塔及斜拉索受几何非线性因素影响较明显,边跨混凝土箱梁受非线性效应与温度荷载效应耦合作用的影响较大。     

基于GPS技术的江阴长江公路大桥动力特性分析

依据GPS系统获取江阴长江公路大桥实时动态监测数据,通过频谱分析得到桥梁结构的自振频率,经与有限元数值解和采用传统加速度传感器法得到的实测值进行对比,结果表明GPS传感器法可以监测到江阴大桥的实时动态三维位移,以及部分桥梁振型频率,且与传统方法吻合良好,是一种值得推荐的新型大桥动力特性监测手段。     

登高平台消防车(101 m型)安全通过既有桥梁的研究

特殊车辆通过桥涵前需要进行桥梁安全性评估,依托重庆市采购的101 m型登高平台消防车,该车辆载重63 t,在明确车辆特性的基础上,研究了该消防车作用下主跨5~50 m范围内的简支梁梁桥、两跨连续梁桥和三跨连续梁桥控制断面内力响应,同时分析了该车辆对桥面板局部作用行为。研究表明消防车作用下单车道荷载效应显著大于规范值,最大达1.5倍;而两车道荷载效应约为规范计算值的0.8倍以下。说明该车辆应该严禁在单车道桥梁上运行,可根据桥梁特点选择在两车道或多车道桥梁上行走。     

强风环境下斜拉桥车桥系统动力响应分析研究

基于模态综合分析理论,在推导复杂车辆模型刚度、阻尼矩阵和建立车桥系统风荷载模型的基础上,提出一种全面考虑动力风载效应的车桥系统动力响应分析方法,结合桥例对强风环境下的斜拉桥车桥系统的动力响应进行了分析研究。结果表明:强风下桥梁竖向位移响应受风载影响显著,横向位移响应主要由风荷载控制;低风速下桥梁的振动加速度响应受风荷载影响较大;风荷载引发的桥梁振动对车辆竖向位移和加速度响应影响较大,横向响应由风载和桥梁响应控制,风载对车桥系统动力响应影响明显。所提出的方法具有较高的精度和分析效率,可为其他类型大跨桥梁的相关分析提供参考。