结构变形测量的数字散斑相关方法研究

研究数字散斑相关方法的亚像素位移测量技术,将梯度法和曲面拟合法混合提出一种亚像素位移测量的改进算法,先采用梯度法计算出结构的亚像素位移,再对计算子区进行亚像素插值,然后进行亚像素曲面拟合;提供了计算机模拟散斑图的验证算例及工程结构荷载试验变形测量实例。     

基于数字散斑相关方法的中小跨径桥梁挠度测量系统研究

针对中小跨径桥梁的挠度测量,研究一套基于数字散斑相关方法的测量系统,并通过实桥试验,比较该系统与全站仪的测量结果,验证数字散斑相关方法在中小桥梁挠度测量中的可行性。     

欧拉运动放大算法在桥梁振动分析中的试验研究

为发展新的桥梁动态位移识别和分析方法,解决桥梁非接触式动态位移测量中的振动显微问题,将欧拉运动放大算法应用于桥梁振动分析。首先利用普通摄像机连续采集一系列桥梁数字影像。而后通过欧拉运动放大算法,对桥梁的连续图像序列进行空域分解,使用对微弱运动敏感的时域带通滤波器进行滤波,得到连续图像序列中的微小振动,再对低频的振动信号采用信号放大处理。随后,通过对振动放大后的数字影像进行帧数分解,获得常规视频采样频率下的桥梁试件振动时间历程序列,最后通过对图像序列中标记点的边缘特征分析,得到了试验桥梁标记点的动态位移测量结果。通过与位移传感器测量结果和百分表的比较,证明所采用和提出的分析方法是可行的,能够满足桥梁动态位移测量的应用需求,也能够针对桥梁的某些振动特性开展初步的定量分析,做到对桥梁结构的微小振动位移进行识别。     

液位连通管竖管横桥向振动的管底动压力特性研究

为减小主梁横向振动对液位连通管测量结构竖向位移精度的不利影响,采用试验和理论分析相结合的方法,开展液位连通管竖管在横桥向激励下的管底动压力特性研究。通过人工干预的频率扫描法分析不同液深、激励振幅和管径对竖管内液体一阶固有频率的影响,修正浅水重力波液面一阶共振频率计算公式,提出降低横向振动对结构竖向位移测量影响的连通管竖管几何尺寸设计方法。结果表明:在外激励下,液位连通管竖管管底中心位置压力差变化频率以激励频率的2倍频成分为主;在浅液深、低振幅的一定频段范围内,连通管竖管管底压力差时程曲线出现压力双(波)谷现象;横桥向振动导致的连通管竖管内液面晃动在管壁的上升高度稳态值约为液深的30~35%;液位连通管竖管尺寸的优化设计频率值宜控制在主梁横向振动频率值±0.65Hz以上。     

基于SIMP理论的电动汽车车身多目标拓扑优化

为在电动汽车车身概念设计阶段得到合理的承载结构,综合考虑静动态特性,进行了多目标拓扑优化.基于带惩罚的实体各向同性材料(SIMP)理论,采用折衷规划法定义静态多工况目标函数,用平均频率法定义动态振动频率目标函数,并通过对各目标函数归一化消除其数量级差异;利用优化准则法更新设计变量进行优化迭代,得到同时满足静态刚度和动态振动频率要求的电动汽车车身拓扑结构.     

基于声固耦合特性的消声器结构改进

为了研究排气消声器内部声场对消声器结构的影响,掌握消声器系统耦合特性,建立了消声器的声振耦合模型,对耦合系统中消声器壁板在声场影响下的振动位移进行分析。发现高频时,声场作用对结构振动位移的影响较大,特别是90Hz频率附近消声器壁的位移响应明显,影响消声器系统性能。为了保证消声单元性能的稳定性,以减小振动位移响应量为目标,对消声器结构进行改进,使得消声器壁板的振动位移减小,并使最大位移振动频段避开了激励频段。     

朔黄铁路南排河特大桥健康状态评估研究

为研究桥梁结构在水流冲刷作用下的健康状态,对朔黄铁路南排河大桥进行了动力测试。测试内容包括粱体横竖向振幅、自振频率、梁底应变、梁跨中挠度、支座横向位移以及桥墩自振频率和墩顶横向振幅。测试结果中除了墩顶横向振幅和桥墩自振频率外均能满足《铁路桥梁检定规范》规定的限值。这说明桥墩的横向刚度偏小,需采取一定的措施进行加固。试验中还比较了脉动法、余振法和冲击振动法等测量自振频率的方法之间的差异,推荐采用冲击振动法测试桥梁自振频率。     

基于自动化监测系统的某大跨度悬索桥维修加固分析评价研究

在对某大跨度悬索桥进行维修加固期间,采用自动化监测系统对大桥钢箱梁加固前、中、后等全过程环境荷载和结构响应情况进行持续伴随监测,掌握桥梁加固全过程监测数据变化情况,并对加固前后的梁端纵向位移、主梁挠度、塔顶偏位和桥梁动力特性等特征参数进行对比分析,从桥梁整体刚度、振动特性等方面评价大跨度悬索桥加固后的结构状态。结果表明,钢箱梁维修加固对大桥梁端位移和主梁挠度位移幅度和振动频率无影响,加固后索塔偏斜符合索塔变位规律,各阶频率未发生较大变化,本次钢箱梁维修加固未影响大桥整体结构特性。     

基于快速DIC与正则化平滑技术的结构形变测试

传统的有接触结构形变测试存在现场操作困难、多点测试不便、测试成本高等问题,难以应对工程结构形变测试中较为复杂的应用场景。为实现无需人造靶标、可远距离测试且具有较高测试精度的非接触无靶标形变测试,针对采集的结构形变视频图像,引入数字图像相关（Digital Image Correlation,DIC）技术,采用基于Fourier变换的互相关整像素匹配算法与反向组合高斯-牛顿迭代亚像素匹配算法,利用英伟达公司的CUDA并行计算平台,实现结构多点动位移时程的快速测试;基于有限元应变计算与正则化平滑理论,采用位移场后处理方式实现结构连续与非连续应变场的计算。对DIC匹配算法的精度及运算速度、应变算法处理连续与非连续位移场的性能进行对比分析;对超高性能混凝土墩柱抗冲击试验及拱桥吊杆振动试验视频数据进行处理,得到多点位移（频率）测试结果,并与传统测试方法进行对比分析;对砂体抗拔试验及混凝土梁抗弯试验视频进行处理,以云图方式展现位移场与应变场的分布,并与基于逐点最小二乘法的应变测试结果进行对比。研究结果表明：基于快速DIC与正则化平滑技术的非接触结构形变测试方法在结构多点变形、位移频谱及应变场,特别是非连续应变场的测试中得到了较理想结果,具有一定的工程应用价值。     

环境激励下桥梁结构模态识别与损伤检测的新方法

已有的环境激励下模态参数识别的方法对模态频率的识别精度相对较高,而对位移模态的识别则误差较大。本文提出一种利用移动质量块在不同位置时对桥梁的模态频率进行多次测量,用各次测得的频率值确定位移模态的新方法,使得位移模态识别的精度接近频率识别的精度,推导了频率与位移模态关系的理论公式,并给出利用以曲率形式表示的单元模态应变能对结构进行损伤标定的基本方法。最后,通过数值模拟对该方法的有效性进行说明。     

水中悬浮隧道交通荷载模拟方法研究

为研究水中悬浮隧道交通荷载的合理模拟方法以及交通荷载对隧道结构的影响,借鉴铁路、公路交通荷载的模拟方法,综合考虑车辆轮载、路面不平度、行车速度以及外部激励荷载等影响因素的共同作用,提出水中悬浮隧道交通荷载的模拟表达式。通过数值模拟计算,分析悬浮隧道交通荷载的变化特征,并研究不同交通荷载模拟方法对悬浮隧道结构振动位移响应的影响。结果表明:文章提出的交通荷载模拟方法计算结果符合移动振动荷载的波动性和周期性特征。在对结构振动位移响应影响方面,固定均布荷载相当于静载,移动集中荷载和移动振动荷载时的位移变化幅值相对固定均布荷载时的大且影响相似,但移动振动荷载时的振幅稍大,体现了交通荷载中动荷载部分对结构振动位移响应的影响,更适合用来模拟悬浮隧道中的交通荷载。     

基于计算机视觉的结构位移监测综述

梳理基于计算机视觉的结构位移监测方法的研究和应用进展,从系统组成、计算方法、影响因素和实际应用4个方面进行综述,探讨计算机视觉结构位移监测目前存在的研究不足并给出合理建议。在系统组成方面,介绍各种相机、镜头和标志物选择的标准及优缺点,给出相机和镜头的选择建议以及是否需要人工标志物的应用场合。在计算方法方面,介绍相机标定、特征提取、目标追踪和位移计算4个方面的实现方法,分析镜头畸变带来的测量误差和相机标定的必要性,介绍2种实用相机标定的简化方法。在影响因素方面,从硬件因素、图像处理算法和环境影响3个方面分析引起系统测量误差的来源,阐述减小系统误差的解决方案。在实际应用方面,介绍计算机视觉结构位移监测在结构状态评估中的应用,包括结构受力行为分析、承载力评估、模态参数识别、模型更新、损伤识别和索力估计。     

桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

现场实测表明,大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振.为研究该振动机理,同时为工程设计和应用实践提供理论指导,以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象,首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验.通过试验,再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象,研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征.在此基础上,考虑尾流刚度...     

基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

大位移桥梁伸缩缝耦合动力学研究

运用有限元分析软件对大位移桥梁伸缩缝进行耦合（竖向和水平）动力学研究。研究结果表明：中梁竖向振动位移与水平向振动位移之间的相互影响很小,故可对伸缩缝竖向或水平向振动响应单独进行研究;双车辆同时同向或反向通过伸缩缝时,中梁最大竖向振动位移与单车辆通过伸缩缝时相差不大,并且中梁出现最大竖向振动位移的位置相同;当车速为120 km/h时,双车辆同时同向或反向通过伸缩缝时的水平振动位移比单车辆通过伸缩缝时大44．4％或小42．0％。     

Modelling,simulation and evaluation of ground vibration caused by rail vehicles*

ABSTRACT

There is a great need to develop rail networks over long distances and within cities as more sustainable transport options. However, noise and vibration are seen as a negative environmental consequence. Compared with airborne noise, the related problem of ground vibration is much more complex. The properties of the ground vary significantly from one location to another. There is no common assessment criterion or measurement quantity and no equivalent to the noise maps. Ground-borne vibration is transmitted into buildings and perceived either as feelable whole-body vibration or as low frequency noise; it can also affect sensitive equipment but it is generally at a level that is too low to cause structural or cosmetic damage to buildings. A review is given of evaluation criteria for both feelable vibration and ground-borne noise, empirical and numerical prediction methods, the main vehicle and track parameters that can affect the vibration levels and a range of possible mitigation methods.     

基于振动分析的混凝土刚架拱桥典型病害研究

针对刚架拱桥出现的病害,建立典型混凝土刚架拱桥空间结构有限元模型,分析其动力特性和结构损伤之间的关系,重点研究横向联系体系对动力特性的影响。进行基于环境激励的刚架拱桥模态试验和振动响应测试,并与有限元分析结果进行了比较。分析结果表明,刚架拱桥桥面1阶扭转振型的自振频率对横向联系体系的约束作用非常敏感,可作为反映刚架拱桥结构损伤的特征参数。     

斜拉索风雨振响应特性

为了研究斜拉桥拉索风雨振的机理及响应特征,在岳阳洞庭湖大桥建立了由风速仪、雨量计、加速度传感器组成的风雨振现场观测系统,观测到了多次拉索风雨振现象;得到了发生拉索风雨振时风速、风向及雨量的基本条件,分析了风雨振时拉索振动的幅值、主振频率、模态参与特性及空气动力负阻尼比等响应特征。结果显示拉索风雨振很少为单模态振动,大多表现为主振模态和多阶模态参与的振动。     

Measurements of car-body lateral vibration induced by high-speed trains negotiating complex terrain sections under strong wind conditions

Assessment of the vibration of high-speed trains negotiating complex sections of terrain under strong wind conditions is very important for research into the operation safety and comfort of passengers on high-speed trains. To assess the vibration of high-speed trains negotiating complex sections of terrain under strong wind conditions, we performed a field measurement when the train passes through typical sections of complex terrain along the Lanzhou–Xinjiang high-speed railway in China. We selected the lateral vibration conditions, including the roll angle and lateral displacement of car-body gravity centre through two typical representative sections (embankment–tunnel–embankment and embankment–rectangular transition–cutting) for analysis. The results show that the severe car-swaying phenomenon occurs when the high-speed train moves through the test section, and the car-body lateral vibration characteristic is related significantly to the state of the terrain and topography along the railway. The main causes for this car-swaying phenomenon may be the transitions between different windproof structures, and the greater the scale of the transition region between different windproof structures or landform changes, the more obvious the car-swaying phenomenon becomes. The lateral vibration of the car-body is relatively steady when the train is running through terrain with minor changes in topography, such as the windbreak installed on the bridge and embankment, but the tail car sways more violently than the head car. When the vehicle runs from the windbreak installed on the embankment into the tunnel (or in the opposite direction), the tail car sways more intensely than the head car, and the head car runs relatively stable in the tunnel.