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。     

基于计重收费数据的大跨径桥梁荷载效应评估

为提高大跨径桥梁车辆荷载效应的评估精度,建立融合计重收费数据和微观交通模拟技术的桥梁荷载效应评估方法。该方法根据计重收费数据建立车型、车重、轴重和轴距的数学模型,模拟产生静态随机车队;将多轴单元胞自动机模型作用于静态车队,形成动态荷载流,加载于桥梁影响线,获得荷载效应时程;采用极值外推法估计长回归周期下的荷载效应特征值,以此评估桥梁的荷载效应水平。采用该方法对润扬长江大桥开展自由和拥堵交通下的荷载效应分析,结果表明:该桥在自由交通下主梁的竖向位移预测极值与规范计算值的比值最大为0.58,行车平稳性好;拥堵交通下主梁弯矩、桥塔弯矩和主缆缆力的预测极值均低于规范值,但吊杆轴力预测极值与规范计算值的比值达1.07,增加了失效风险,运营中需控制该状况的上桥车辆数并及时疏散交通拥堵,以提高桥梁安全性。     

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WIM数据的斜拉桥评估汽车荷载模型研究及应用

为了对大跨径斜拉桥在运营期内的使用性能做出准确评估,研究了考虑实际运营交通状况的评估汽车荷载模型建立方法。借助动态称重(WIM)数据形成连续自然车队,通过结构关键效应影响线进行加载计算,对效应进行统计分析,运用极值理论得到评估基准期内的汽车荷载效应最大值概率分布并进行极值外推。以某斜拉桥为例,阐述建立评估汽车荷载模型和预测效应极值的方法,并采用两种评估方法对结构进行承载能力和使用性能的评估。     

随机车流作用下拱桥荷载效应极值外推与校验

为了研究实际车流作用下既有桥梁的安全水平,提出基于随机车流模型的桥梁车载效应极值外推方法,并采用长期模拟数据校验外推极值的精度。以典型数值算例为例验证了所提方法的有效性,并由拱桥的算例分析验证了该方法的适用性。研究结果表明:随机车流荷载模型融入了实际车流的概率特征,可用于生成桥梁车载效应极值概率模型所需的大量样本数据;基于广义极值分布函数的外推结果精度与拟合样本点时长有关,在样本点时长大于外推时长时方可保证外推结果误差为1%;交通量增长对桥梁车载效应极值外推有较大的影响,某拱桥的日交通量年增长系数为6%,导致最大值增长幅度为9.5%。     

桥梁车辆荷载效应极值计算方法综述

车辆荷载作为影响桥梁正常运营的重要因素越来越受到关注。确定设计基准期内的车辆荷载效应极值可以对桥梁评估和可靠度分析提供依据。简要介绍桥梁车辆荷载效应极值计算理论的发展概况,并对国内外各种确定车辆荷载效应极值的方法进行了系统分析,同时对各种方法的特点和局限性进行了阐述。     

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。     

旧石拱桥通过超重车可能性的评估实例

中国县乡公路有很多在役旧石拱桥,由于建设年代久远,很多桥梁没有资料留存,给桥梁的养护管理造成很大问题.另一方面由于地方经济发展常需要在县乡公路运输大型设备,这些桥梁可能临时要求通过超重超限车辆,需对这些桥梁进行快速承载能力评估.该文介绍了根据既有交通荷载资料进行旧桥通过超重车辆可能性评估的实例,通过将超重车辆荷载效应与既有交通荷载效应的相互对比,得到桥梁能够通过超重车辆的结论.     

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。     

杭州湾跨海大桥车辆荷载研究

为确定杭州湾跨海大桥车辆荷载分布特性,使用动态称重系统采集了为期一年的监测数据。依据车轴数对所有车辆进行了分类,研究了杭州湾跨海大桥交通流分布特性、车重极值以及车辆疲劳荷载谱,以期为大桥交通运营、养护与加固设计以及疲劳车辆荷载模型研究提供参考。研究表明,杭州湾跨海大桥整体交通运营状况良好,外推车重极值远高于D60规范中的车辆荷载取值。     

非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统

自锚式悬索桥独特的锚固形式使其主梁承受主缆传递的巨大轴向压力,为了研究主梁刚度在初内力及活载作用下的弱化问题对自锚式悬索桥结构静动力响应的影响,首先,结合自锚式悬索桥的非线性特点引入初应力刚度矩阵,考虑随机车流过桥时几何非线性的时变性,采用分离迭代法建立非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统,并编制相应的非线性分析模块。其次,以某三跨混凝土自锚式悬索桥为例,选取集中力匀速过桥工况,利用ANSYS软件对非线性分析模块的可靠性进行验证。最后,分别设置2种极端工况：第1种是单车工况,近似认为只有恒载作用下产生的几何非线性;第2种是密集交通流工况,认为是恒载和最不利活载共同作用产生的几何非线性,并采用元胞自动机模型对密集车流进行模拟,研究自锚式悬索桥恒载和活载初内力引起的几何非线性对桥梁响应的影响程度。研究结果表明：单车工况下,梁塔恒载初内力对自锚式悬索桥的车辆过桥结构响应影响显著,主梁和主塔初内力贡献程度明显不同,主梁初内力对结构刚度矩阵变化的影响贡献较大而主塔贡献微小;相对于恒载,密集车流作用下初内力效应引起的几何非线性对自锚式悬索桥结构刚度影响微小,对结构响应的非线性影响也不明显。     

随机风、车流联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性研究

为了研究随机风、车流荷载联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性,基于元胞自动机原理建立了随机交通流模型,采用平稳高斯过程模拟风荷载,同时考虑随机风、车流与桥梁的相互作用,利用ANSYS和MATLAB混合编程技术建立了风-车-桥空间耦合振动分析平台,并基于该平台对随机风、车流荷载单独作用以及联合作用下某大跨公路悬索桥加劲梁的纵向位移时程、纵向位移极值和纵向累积位移等特性进行了深入的研究。研究结果表明：低风速下（5 m·s^-1）由单风引起的加劲梁纵向位移极值要远小于由单车（流）引起的加劲梁纵向位移极值（不足5.0%）。当风速增加至20 m·s^-1时,风致加劲梁纵向位移极值分别为稀疏交通流和轻微拥堵交通流引起加劲梁纵向位移极值的57.7%和24.2%。此外,还发现风-车-桥耦合效应显著,若不考虑风-车-桥耦合效应的影响而采取单个荷载效应线性叠加的方法,将明显低估加劲梁纵向位移的极值响应。风荷载单独作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从对数正态分布;车流荷载单独作用以及风、车流荷载联合作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从广义极值分布。虽然风荷载对加劲梁纵向位移极值的贡献与车流荷载相比要小很多,但由于风致加劲梁纵向振动的频率较高,风荷载对加劲梁纵向累积位移的贡献要比对纵向位移极值的贡献显著。     

公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头的疲劳荷载

为评定公轨两用钢桁桥下层轨道横梁与焊接整体节点连接头在交通荷载作用下的疲劳损伤累积，对该细节在桥梁设计寿命内车辆荷载所产生的疲劳荷栽谱的计算方法进行了研究。在对桥梁的车辆荷载进行分析的基础上，参照各国相关规范，建立了代表桥梁设计寿命内真实运营状况的疲劳荷载模型，并通过全桥三雏有限元分析模拟计算该连接细节所承受的荷载历程。依据疲劳损伤累积理论，确定了公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头验证性疲劳试验的试验荷栽。结果表明：该连接细节的疲劳损伤荷载基本不受上层汽车的影响，主要取决于轻轨，可以通过直接将轻轨计算结果乘以一定的提高系数得出。     

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。     

基于动载试验的变截面桥梁静载试验结果预测方法研究

为了解决既有桥梁荷载试验成本高、对交通影响大以及容易对桥梁结构造成损伤等诸多问题,提出基于廉价安全的动载试验数据,利用响应面方法对既有桥梁的实际刚度进行智能分析预测,从而达到高精度预测既有桥梁静载试验结果的目的。为实现上述目标,选取典型连续变截面刚构桥作为研究对象,尝试将桥梁主梁变截面参数化,对桥梁关键设计参数进行敏感性分析,并且建立Kriging响应面模型,实现对有限元模型的高精度修正。研究结果表明:基于Kriging模型的有限元模型修正方法能够利用桥梁动载测试结果对初始设计参数进行修正,并进一步预测静载试验结果;该方法成本低廉,对交通影响小且安全性高,这将节省大量的桥梁静载试验费用,同时能够对桥梁的静力行为进行全方面有效的分析和预测。研究结果可为既有桥梁工程的管养维护决策提供新的思路。     

超大跨径斜拉桥纵向极限风荷载作用下约束体系研究

为研究超大跨径斜拉桥在纵向极限风荷载作用下的合理约束体系,以某主跨1176 m斜拉桥为背景,采用BNLAS非线性有限元软件建立该桥整体结构模型,分析半飘浮体系、单侧纵向约束体系、两侧纵向约束体系及弹性索体系在纵向极限风荷载作用下的纵向位移和内力效应.结果表明:主梁上没有纵向约束的半飘浮体系结构,作用于梁上的纵向极限风荷...     

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。     

钢-混凝土组合梁桥温度场与温度效应研究综述

组合结构桥梁由热工性能差异显著的钢材和混凝土构成,温度效应往往成为控制其设计和应用的关键因素,因此,对其温度场和温度效应进行准确地计算与评估具有重要的科研价值与工程意义。对组合结构桥梁温度场与温度效应开展了综述研究。首先,对各国桥梁规范温度荷载的规定进行归纳对比,讨论不同规范中温度荷载计算方法的特点,总结中国现有规范对全国气候划分的分辨率不足、对日照辐射的考虑不够完善等有待提升之处;其次,对国内外桥梁温度场与温度效应研究的发展与现状进行调研,重点分析中国钢-混凝土组合结构桥梁温度场与温度效应的研究进展,对现有研究的不足进行讨论;再次,提出基于可靠度理论的组合结构桥梁设计温度荷载模型,可使用气象部门统计的温度统计资料,通过MATLAB高效数值模型计算形成组合结构桥梁温度场时程数据,进一步利用极值模型获得桥梁设计的温度荷载代表值,快速、高效地实现对桥梁地理信息、结构参数等因素的考虑;最后,以北京地区典型3跨连续直线组合梁桥为算例,对连续钢-混凝土组合桥梁的温度效应展开研究。提出的基于可靠度理论与MATLAB的钢-混凝土组合结构桥梁设计温度荷载模型,可实现任意地区组合结构桥梁温度场的精确计算并显著提升计算效率。     

精细微观车流-桥梁耦合系统构建及伸缩缝纵向变形分析

大跨桥梁上的车流重力动态分布和作用在变形主梁上的时变纵向力,决定梁端伸缩缝纵向变形,实现伸缩缝纵向变形分析,车-桥耦合系统是核心,实现车流重力分布和纵向力计算加载的车流微观行驶行为仿真及力学化的理论方法是关键。首先,从元胞尺寸和行驶规则2个角度对仿真方法进行精细：把实测车型典型轴距对标当前市场车型,确定各车型车辆前、后悬长并纳入车长考虑,基于多车型的车长公约数综合确定元胞尺寸,使得各车型的车长在仿真交通流中得到差异且全面的元胞表达,奠定精细仿真元胞基础;在车间距基础上,把车速差纳入考虑,丰富车辆微观行驶决策因素,并设定多级变速和变道优先权,从宏观规则和处置细节上对车流行驶微观行为进行精细化。其次考虑到车速是车辆行驶行为的直观表现,采用动量定理实现车辆变速行为到纵向力（力矩）的转换;把纵向力（力矩）均分加载在车辆占据的各元胞中心,实现车辆出、入桥力学过程的适度精细模拟;匹配车辆行驶行为,调整车流判断流程和加载识别部分,完善微观车流-桥梁分析系统。最后,以一座斜拉桥为工程背景,对不同密度组成的车流作用下伸缩缝的纵向变形进行分析。结果表明：①与单向车流相比,计算密度下双向车流的总体纵向力在均值和极值上的加强度的极值分别为1.6和1.5,即双向车流有相互作用,总体表现为抵消;②车流重力因素产生的主梁纵向变形较为稳定,伸缩缝纵向响应时程曲线围绕重力产生的伸缩缝纵向变形均值上下波动,波动幅度总体趋势受密度控制,在正、负（方向）上的极值和均值随车流密度增大大体均呈增大趋势,波动局部受上下行密度差控制,当双向车流密度之和一定时,双向车流的密度差越大,极值和均值就越大;③伸缩缝纵向位移服从正态分布,伸缩缝累积行程随车流总密度、上下行密度差增大呈增大趋势,车流密度、密度差越大,伸缩缝磨损范围越大,磨损程度越严重。     

地震与风联合作用下大跨桥梁车-桥耦合振动分析

为了研究大跨桥梁在风、车及地震联合作用下的动力响应,在已有风-车-桥耦合振动分析程序的基础上,利用大质量法模拟桥梁受到的地震作用,建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,通过质量-弹簧-阻尼系统模拟车辆模型,利用有限元方法建立桥梁模型,采用谱表示法模拟路面粗糙度、风场和地震动,通过分离迭代方法求解地震-风-车-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。