不等支承刚度条件下桥梁—车辆动力耦合解析理论及应用

由于支座、桥墩地基等的作用，桥梁端部实际受弹性支承约束，且因施工误差、材料老化等影响，两端支承刚度常常不等。为揭示支承、梁体、车辆之间的耦合关系及不等支承条件的影响，建立了不等支承刚度条件下桥梁-车辆动力耦合解析理论。首先，基于振型叠加法推导了考虑不等支承刚度约束的桥梁、车辆动力响应闭合解，解析了弹性支承条件对车-桥系统响应的时频影响关系；其次，建立了弹性支承条件下车-桥耦合有限元模型，验证了解析理论的准确性；然后，研究了弹性支承刚度及左、右不等程度对车-桥系统响应的放大效应；最后，探索了基于车辆响应的桥梁频率及支承刚度状态的间接测量方法。研究结果表明：(1)支承刚度衰减使桥梁频率降低，响应幅值增大，且频率阶次越高影响越显著；(2)车-桥系统响应幅值与车辆起始运行位置的桥端支承刚度成反比，从刚度弱侧支承端出发的车辆响应被显著放大，即“弱侧放大”现象；(3)车体响应中包含桥梁频率，且呈现左右对称分叉特征，证实了利用车体加速度响应识别弹性支承梁频率的可行性；(4)利用车辆正反双向行驶加速度响应的“弱侧放大”现象，可判别桥梁支承的弱刚度端，同时增强桥梁频率的辨识，且对路面平整度、结构阻尼、噪...     

虎门二桥坭洲水道桥纵向约束体系研究

虎门二桥坭洲水道桥为主跨1 688m的双塔双跨悬索桥。为减小该桥在汽车活载、温度作用及风荷载下的梁端位移,提出一种在塔梁连接处设置静力限位-动力阻尼装置的纵向约束体系。采用有限元软件SAP2000Nonlinear建立全桥有限元模型,分析该静力限位-动力阻尼装置的限位间隙、限位刚度对梁端位移、塔梁相对位移、限位力的影响规律,确定限位装置的合理参数取值,分析设置静力限位-动力阻尼装置前、后加劲梁应力、桥塔纵向弯矩和梁端位移。结果表明:该桥静力限位-动力阻尼装置的限位刚度取200MN/m,广东侧和东莞侧限位间隙分别取0.82m和1.05m;采用静力限位-动力阻尼体系后,静力作用和地震作用下的梁端位移大幅降低,伸缩缝规模从2 758mm降到2 106mm,减小23.6%。     

全飘浮体系斜拉桥斜置阻尼约束体系研究

芜湖长江公路二桥主桥为主跨806m双塔四索面全飘浮体系斜拉桥。为了改善其纵、横向抗震性能,提出斜置阻尼约束体系,并给出斜置阻尼约束体系的参数设计流程。采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型,采用非线性时程分析方法计算斜置阻尼器的参数,并分析该桥在塔梁横桥向自由、铰接及设置斜置阻尼约束体系3种不同约束体系下的地震响应。结果表明:采用斜置阻尼约束体系后,该桥的塔梁相对位移、塔底剪力和塔底弯矩均大幅降低,斜置粘滞阻尼约束体系对桥梁纵、横向地震响应均有很好的控制效果。     

大跨度三塔斜拉桥纵向约束体系设计研究

针对三塔斜拉桥温度效应显著、整体刚度不足的特点,以黄茅海大桥[主桥为(100+280+720+720+280+100) m独柱塔双索面三塔斜拉桥,采用分体钢箱梁]为背景,采用非线性时程分析方法,对比分析不同纵向约束体系下斜拉桥的静、动力响应。结果表明:中塔通过设置弹性索实现弹性约束,单侧弹性约束刚度6.5×10~5 kN/m,可起到塔梁固结的效果;在中塔采用弹性约束基础上,边塔采用纵向放松体系,每个边塔设置4个粘滞阻尼器[阻尼系数C为2 500 kN/(m/s)~α,速度指数α为0.3],明显改善了斜拉桥的静、动力响应;采用的中塔设置弹性约束-边塔设置阻尼器的组合结构体系,与全飘浮体系相比,梁端最大位移减小69%,边、中塔塔底弯矩分别减小40%、15%,与中塔固结体系相比,地震作用下组合结构体系梁端位移减小44%,中塔塔底弯矩减小51%,边塔塔底弯矩变化幅度较小,该组合结构体系合理。     

客运专线弹性支承块式无砟轨道动力分析

为研究弹性支承块式无砟轨道的动力特性,运用动力学基本原理,分析了扣件刚度、块下胶垫刚度与阻尼不同匹配以及轨枕块质量对基础受力的影响。结果表明:在满足轨道整体刚度时,扣件和枕下胶垫应尽量采用较小刚度值;对于不同激振频率段,应分别对待扣件和枕下胶垫阻尼取值;弹性支承块质量也如此。     

非线性弹性约束车—梁系统动力学分析

将基础模拟为具有多个非线性、不对称弹性支承和阻尼器约束的Euler梁,利用分段线性化方法描述弹性支承的非线性刚度和阻尼特性,根据达朗泊原理和拉氏方程建立系统的运动方程,基于Newmark直接积分方法编制MATLAB二次开发函数.以数值求解系统动力学响应分析了支承约束非线性对系统动力学特性的影响.     

双层连续梁桥等效线性化方法隔震分析

为了在现行桥梁设计软件上进行连续梁桥的隔震分析,模拟铅芯橡胶隔震支座在地震、温度荷载作用下的非线性,研究了采用等效线性化方法进行桥梁隔震分析的步骤与精度。假设支座初始刚度,加载计算支座的相对位移,并得到支座水平刚度,经过反复迭代得到铅芯橡胶隔震支座的等效刚度。在此基础上将体系简化成线性系统按弹性方法进行计算,以安装了铅芯橡胶隔震支座的双层连续梁桥为例,分别计算等效模型和非线性模型在水平地震、均匀升温、横向风荷载和制动力作用下的响应,并讨论了等效线性化方法计算时的相关问题。与非线性分析结果比较,等效线性化法可以模拟水平地震和温度荷载作用下支座的非线性,结果满足桥梁工程的精度要求。隔震支座在横向风荷载和制动力荷载作用下一般不会屈服,使用第一刚度计算即可。     

高墩大跨桥梁多自由度拟动力试验设计分析及试验验证

为改善高墩等质量连续分布体系单自由度拟动力试验的精度,以牛栏江大桥为例对该类结构的多自由度拟动力试验进行研究,并对加载模型进行合理减化。通过多自由度结构动力反应分析理论、高柔结构地震反应数值计算及桥梁简化模型的振动台试验,分析高阶振型对高墩大跨桥梁地震反应的影响。结果表明:对于高柔结构,采用等效单自由度体系的拟动力试验的位移结果是准确的;高阶振型对高墩大跨桥梁等高柔结构地震反应的基底剪力和基底弯矩影响较大,影响程度与地震波的频谱特性有关;在特定地震动作用下,2阶振型会对高柔结构的基底弯矩和基底剪力起主要贡献,故百米级高墩的拟动力试验等效为2自由度体系进行加载是合适的,若采用等效单自由度体系进行试验,应变及试验现象可能与实际不符。     

强震作用下LRB规则连续梁桥简化设计方法研究

基于等效线性方法及等效塑性铰理论,根据铅芯橡胶支座(LRB)规则连续梁桥的动力特性以及强震作用下隔震支座和桥墩非线性特征将规则连续梁桥结构简化为单自由度体系,并对于体系的等效刚度及等效阻尼比进行了估计.选取主梁位移及桥墩墩顶位移作为目标位移,利用修正的长周期高阻尼位移反应谱进行了基于位移的桥梁抗震设计.最后给出了设计实例,设计结果与采用SAP2000计算的弹塑性时程分析结果比较满足工程精度要求.适用于具有不同性能水平下的规则型LRB隔震桥梁的初步分析和设计,可以为强震作用下LRB隔震桥梁地震反应分析提供参考.     

基于机敏约束阻尼技术的结构动态性能主动控制

重点研究了局部采用压电机敏约束层阻尼技术的悬臂梁的动态响应控制问题.采用滞弹性位移场(ADF)模型表征结构阻尼材料随频率变化的力学特性,结合有限元分析法(FEA)推导出压电机敏约束阻尼梁的动力学分析模型.求解了机敏结构动力学参数,并与模态实验结果比较验证了模型的正确性.针对结构动力模型自由度庞大问题,提出了基于状态空间...     

隧道开挖支撑收敛约束法之外显分析

收敛约束法理论为隧道支撑设计之简化分析方法。使用隧道收敛计测资料,借以建立隧道掘进效应函数,并依据地盘与支撑系统之组成律模式,推导在静水应力状态下圆形隧道开挖支撑互制行为之解析解。采用约束损失之递增方法,利用简易试算表工具,提出模拟隧道开挖支撑非线性行为之外显分析。经由外显分析与有限元素分析之比较结果显示,相关收敛约束曲线均呈现一致的趋势。外显分析法提供了模拟隧道开挖支撑互制行为之简易且直接的计算分析方法,收敛约束法理论为隧道支撑设计之简化分析方法。使用隧道收敛计测资料,借以建立隧道掘进效应函数,并依据地盘与支撑系统之组成律模式,推导在静水应力状态下圆形隧道开挖支撑互制行为之解析解。采用约束损失之递增方法,利用简易试算表工具,提出模拟隧道开挖支撑非线性行为之外显分析。经由外显分析与有限元素分析之比较结果显示,相关收敛约束曲线均呈现一致的趋势。外显分析法提供了模拟隧道开挖支撑互制行为之简易且直接的计算分析方法。     

建筑物下地铁车站穿越施工数值模拟方法分析

随着城市地下空间的开发利用,浅埋隧道穿越地面建筑物施工问题引起了越来越多的关注。以北京某地铁车站为例,采用3类数值模拟方法对建筑物下地铁车站动态施工全过程进行了模拟计算,对比分析了不同模拟方法对地表、围岩及支护结构受力变形的影响。结果表明:在不考虑建筑物及其荷载情况下地表、围岩及支护结构的应力、变形最小;在考虑建筑物存在情况下地表沉降量、基础沉降差及地表水平位移量较小,但沉降槽宽度较大;将建筑物上部结构简化成均布荷载时,基础存在与否对地表沉降曲线影响不大,但基础的存在可以减小地表水平位移、车站拱顶下沉、支护结构变形及立柱轴力。文章最后将计算沉降值与实测值进行了对比,考虑建筑物存在情况下的计算沉降值与实测值最为接近。     

地铁车站结构施工对上部密贴公路隧道结构变形影响的数值分析

北京地铁15号线奥林匹克公园站线路走向与既有大屯路隧道走向基本相同,车站主体结构位于大屯路隧道正下方,顶板与大屯路隧道底板密贴。为了解地铁车站结构施工对大屯路隧道的影响,采用数值方法,计算分析了地铁车站结构与大屯路隧道横向相对位置和车站结构施工期间土体注浆范围对大屯路隧道附加变形(沉降)的控制作用,结果表明横向相对位置不同与注浆区域不同对大屯路隧道变形均有明显影响。     

锚杆支护原理的另类解释

锚杆支护的一般作用原理是提高围岩各向力的平衡程度。锚杆支护在特殊条件下的作用原理是对围岩吊挂固定。对比使用锚杆前后围岩基本力学参数变化,可以看到锚杆调整围岩应力平衡的作用,远大于吊挂固定围岩的作用,围岩应力分布状况是锚杆设计安装的依据。