基于Python语言的桥梁结构人工地震波模拟

针对桥梁减隔震设计中地震波需求较多的问题,采用Python语言开发了与公路桥梁抗震规范匹配的人工地震波模拟程序,从计算原理、参数取值、计算流程、程序实现方面进行介绍,并进行验证。地震波产生的原理为三角级数迭加法,按实现过程分类,可分为两步法和一步法。两步法指先合成平稳地震波,然后乘以强度包络函数得到非平稳地震波;一步法指利用相位差谱形状与地震波包络线形状相似的性质直接生成非平稳地震波。两种方法都利用了强度包络函数,差异在于相位角的取值不同,两种方法对反应谱的拟合精度均可达到90%以上。两座实际桥梁的计算结果表明：合成的人工地震波用于时程分析所得到的墩底内力和墩顶位移与反应谱法分析得到的结果偏差较小,符合规范要求,人工地震波程序可用于实际工程中。     

高烈度地区连续刚构桥地震响应分析

为探究高烈度地区连续刚构桥地震响应规律,首先以贵州某高烈度地区大跨度连续刚构桥为研究背景,基于Midas Civil 2019建立三维空间有限元模型,并探究了该桥的结构自振特性;其次基于该桥场地条件,结合相关规范给出了目标反应谱和人工合成地震波;最后给出了反应谱和时程分析计算结果,并做了详细对比分析。研究表明:在保障强度和稳定性前提下,位于高烈度地区的大跨度连续刚构桥在纵向和横向上要有一定的约束释放,有助于结构变形吸收地震能量,进而减小地震破坏;反应谱计算工况下纵向位移和横向位移最大值分别为0.304 m和0.381 m,且与地震激励方向有关,竖向位移约为0.05 m,与地震激励方向关系不大;对比分析反应谱和时程分析计算结果可知,时程分析计算结果整体上要大于反应谱计算结果,符合相关规范要求。     

大跨度连续刚构桥抗震响应特性评估研究

为判断已建桥梁结构的抗震特性,迭代拟合了规范反应谱对应的人工加速度时程。分别采用反应谱法及时程分析方法对运营期大跨度连续刚构桥进行了E1级及E2级抗震特性研究,研究结果表明：本桥地震响应低阶参与振型与地震动峰值对应卓越频率值并不吻合,本桥在E1及E2地震作用下,墩身及主梁结构响应值较小,地震动作用下不会发生桥梁碰撞特征。     

高墩大跨连续刚构桥长周期地震响应对比研究

为研究长周期地震波对高墩大跨连续刚构桥地震响应的影响,基于OpenSEES平台建立了考虑材料和几何双重非线性的全桥动力分析模型,针对远场谐和型、近断层脉冲型和近断层滑冲型3类长周期地震波,与现行规范协调的普通地震波和人工波等5类共20条波进行非线性时程对比研究。结果表明:长周期地震动对高墩关键截面内力响应的放大作用非常明显,低频成分最丰富的远场谐和型地震波的内力计算值为普通波和人工波的2~4倍;而对高墩位移响应的放大作用比内力更显著,远场谐和型地震波的墩顶位移值超过普通波和人工波的20倍,导致支座剪断破坏;以现行规范反应谱为基准进行抗震设计,会大大低估高墩桥梁的地震内力和位移响应需求,引发灾难性的后果。     

爆破震动反应谱分析及其应用研究

本文在总结爆破震动反应谱特点的基础上,讨论爆破震动反应谱曲线和爆破地震波信号强度(质点峰值振速)和频率的关系,反应谱曲线反映了爆破地震波振幅和频率等信号参数在结构体震动响应中的作用,同时体现了一系列不同动力特性的结构在爆破地震波作用下的最大反应与结构体自振周期T的关系,在一定程度上体现了震动信号的时频特性对在结构体震动响应中的作用。在此基础上,本文还提出了描述反应谱曲线变化特征的谱面积概念,并利用实验数据的统计计算,对谱面积与爆破地震波强度、频率、爆破参数以及结构震动响应的关系进行了讨论。谱面积和爆破地震波的强度指标、爆破参数以及结构的震动响应之间都存在着必然的联系。通过数据分析,依托比尺距r建立了谱面积的预测模型:SR=K(R/(Q~(1/3)))-α。最后本文在对实验数据反应谱计算分析的基础上,利用实验数据对谱面积SR与爆破地震波强度、频率、振动持时、爆破参数以及结构振动响应的关系进行了讨论与分析,并初步建立了以SR作为考核指标的爆破振动安全统一判据。     

地震荷载作用下黄土区地铁隧道动力特性研究

采用数值分析方法模拟典型的地震波作用下,黄土地区地铁隧道的动力反应,分析其加速度、动应力及动应变等随时间的变化特征。所得结论显示在典型的EL Centro地震波及不同超越概率的西安人工波的作用下,地铁隧道的加速度时程曲线与其激发的地震波加速度时程曲线线形一致且在反应期初的加速度较大;在大震作用下地下结构周围土体的变形会对结构的变形产生一定的影响;应力分析的结果表示剪切应力对结构的设计起到了一定的控制作用。     

东平大桥地震时程反应分析

结合广东佛山东平大桥,采用有限元分析程序ANSYS建立动力计算模型,编制人工地震波生成程序,采用大质量法考虑行波效应进行结构地震动态时程反应分析,得出了关键截面的内力、位移及时程响应,进而研究竖向地震输入和行波效应对大跨度多重组合体系拱桥的影响。     

高填土路堤边坡地震稳定性静动力法比较分析

研究用不同的计算方法，输入不同的地震波和地震烈度，同时结合路堤有关参数的变化，找出高填土路堤边坡稳定系数的变化规律。计算分析时采用静力法、拟静力法、静力有限元法和动力有限元法；动力反应分析时分别输入美国EL Centro地震波和按规范反应谱拟合的人工合成地震波。结果表明：路堤有关填土参数的变化对稳定系数的影响程度各不相同。     

以位移为基础的钢筋混凝土桥梁墩柱抗震设计方法研究

对钢筋混凝土桥梁墩柱基于位移抗震设计方法进行了系统的研究,应用UC-Fyber截面分析软件对大量方形和圆形截面进行弯矩一曲率分析,给出了墩柱目标位移的实用计算方法.根据我国2008年版抗震新规范的加速度反应谱得到不同阻尼比时的弹性位移反应谱、不同延性系数时的非弹性位移反应谱及非弹性需求谱,给出了结合我国规范的位移需求3种简化计算方法.进行了3种位移需求简化方法的实例计算,对设计算例用非线性时程分析验证了设计结果.结果表明,桥梁墩柱的目标位移与混凝土强度等级、纵筋配筋率、墩高及截面形式等因素都是有关的;基于等效线性化方法和基于非弹性位移反应谱方法以设计反应谱为基础进行计算,既保证了目标位移的实现,也考虑了结构的安全需求;基于能力谱方法以图形显示设计具有简单直观的特征,但是pushover分析得到的结构能力谱曲线与实际情况仍然存在一定的差别.     

基于修正反应谱高墩连续刚构桥地震响应研究

在长周期地震动低频成分的作用下,桥梁会产生剧烈的地震反应。结构在进行反应谱分析时,相关规范中反应谱并未特别考虑长周期地震动这一重要因素。通过比较发现,按规范计算的相对位移反应谱在长周期段位移随自振周期线性增加,与实际地震动记录的变化趋势和统计特征差异明显,说明按规范计算的反应谱出现严重失真现象。该文选取考虑长周期地震动因素共612条各类场地的地震记录进行统计分析,提出衰减指数线性变化的修正方法,对规范设计反应谱进行合理修正,并确定了修正反应谱公式的相关参数。通过建立某高墩连续刚构桥CSiBridge动力有限元模型对修正反应谱进行验证,在E2地震作用和考虑三向地震作用下,该文分别对桥梁进行规范反应谱、修正反应谱分析和普通地震动、长周期地震动时程分析,比较结构的位移和内力响应结果,验证考虑长周期地震动因素的修正反应谱比规范反应谱更加合理安全,可为实际桥梁的抗震设计提供参考依据。     

斜风作用下风-车-桥非线性分析系统建立

为了从风作用方向的三维模拟和系统非线性2个角度实现风-车-桥系统的全三维高真实度模拟,首先建立斜风荷载处理方法,采用平均风分解理论对桥梁斜风进行分解,形成桥梁斜风荷载,把桥梁风作用方向模拟域由垂直于桥梁纵轴线的二维平面扩展到三维空间;采用矢量合成法则和线性插值方法,依据车辆位置函数确定桥上车辆任意位置和时刻的合成风速,并基于风洞试验获取车辆气动力系数,形成车辆斜风荷载。然后基于已建立的非线性分析系统,融合斜风荷载处理方法,构建斜风作用下的风-车-桥全三维非线性分析系统,并实现动态可视化。最后采用建立的分析系统,对系列风偏角工况下的桥梁空间动力响应和车辆安全进行分析和评价。结果表明：斜风作用下,桥上车辆事故指标值及桥梁位移响应随着风偏角增大总体上均呈现先减小后增大趋势,且极值均出现在非90°的锐角区;基于风向垂直于桥跨方向的假定所进行的桥梁设计和车辆安全性评价结果偏于不安全。     

桥梁气弹响应分析的时域气动模型

为了解决传统桥梁气弹响应分析方法因非定常不可压流CFD计算量巨大而导致的效率低下问题,提出一种桥梁气弹响应分析的新方法。该方法采用频域特性可调的广谱指数脉冲时间序列强迫桥梁断面运动,并通过CFD计算得到作用在桥梁断面上的气动力,然后由桥梁断面的运动位移和气动力时程,通过系统识别建立起桥梁绕流系统的时域离散时间气动模型。最后以具有扭转自由度的薄平板在初始位移激励下的运动为例,进行了振动响应计算和气弹全过程分析。研究结果表明:该方法能显著提高桥梁气弹响应分析的计算效率。     

桁梁桥气动导纳函数的试验研究

在介绍识别气动导纳函数的试验原理和试验方法的基础上,以坝陵河大桥和果子沟大桥为例进行了桁梁桥气动导纳函数的试验研究.对不同攻角、不同风速下的升力导纳、阻力导纳和升力矩导纳进行对比分析,概括了桁梁桥气动导纳函数的特点,并利用数值拟合技术,得到桁架结构断面气动导纳函数的经验拟合公式.基于该公式,对坝陵河大桥和果子沟大桥进行了抖振频域分析,并与风洞试验抖振响应测量结果做对比,表明计算值与试验值具有良好的一致性,证明了桁梁气动导纳识别方法的正确性和拟合公式的有效性.     

钢桁架梁悬索桥抖振响应影响因素分析

用等效的单主梁模型分析钢桁架悬索桥的抖振,分析各种因素对钢桁架悬索桥抖振响应的影响。由于桁架桥构件之间气动干扰的复杂性,在风洞试验时得到的气动力系数表征的是断面的气动特征,而非杆件的气动特征。因此,风振的分析需要建立静力刚度和动力特性与桁架梁等效的单梁有限元模型。通过调整等代梁的刚度和集中质量可以实现等效。分析结果表明:在设计基准风速下,大变形和自激力对抖振起抑制作用,有效风攻角使得抖振响应变大,且静风对风攻角的改变起主要作用。自激力影响程度最大,静风和有效风攻角的影响程度其次,大变形的影响最小。     

大跨度三主桁连续钢桁梁桥受力特性研究

为研究横向构件布置与截面设计对3主桁受力均衡性的影响,以宁波市三官堂大桥主桥160m+465m+160 m=785 m的大跨径钢桁架连续梁桥为例,采用Midas/Civil软件建立钢桁架梁模型,分析比较对称荷载与偏载作用下主桁结构支反力、轴力和位移等静力效应,得出了3主桁连续钢桁梁桥的内力分布特性.     

复杂格构式梁体三分力系数精细化计算分析

考虑索承桥梁中格构式梁体具有多种截面形式复合的特点，其抗风性能难以通过常用的二维数值仿真来分析，以东部沿海一座格构式拱桥为研究背景，考虑格构式系梁的结构特点和栏杆等附属设施的影响，建立三维数值仿真模型，对格构式系梁的静力三分力系数进行精细化分析。基于不同计算区域的模拟精度需求，采用不同方法进行混合网格划分；针对复杂格构式系梁的流场特征，优化选取流场尺度规模、边界条件和湍流模型等计算参数分析获得大范围风攻角下的三分力系数；将所得结果与风洞试验结果进行对比分析，并探讨栏杆等附属设施对三分力系数的影响以及数值模拟误差与风涡特性的相关性。结果表明：在小风攻角范围（±4°）内，有栏杆的三维数值模拟具有较高的精度；栏杆等附属设施对格构式梁体的抗风性能有一定影响，考虑栏杆等附属设施的精细化数值模拟比不考虑栏杆的计算误差平均降低20%，且增加了梁体所受的静风荷载，在实际工程中应当对栏杆等附属设施予以重视；不同风攻角下的风涡特性与数值仿真的误差存在相关性，随着风攻角的增大梁侧的风涡效应明显，这使得三维数值仿真的误差开始增大，尤其是在正大风攻角的情况下模拟精度下降严重。     

大跨度钢桁拱桥设计关键技术

柳州市白露大桥为主跨288 m 的连续钢桁拱桥,采用两片主桁,主桁中心距为37 m.针对边跨桁梁桁高矮、横向宽度大的特点,将腹杆设计为变截面,通过减小其线刚度并增大截面面积的方法以消除横向框架效应产生的不利影响.平联采用较为简洁的菱形桁式,兼顾结构的受力合理性和美观性.桥面采用密横梁体系的正交异性整体桥面板,使桥面板参与主桁共同作用的同时避免了横梁面外弯曲.为改善结构气动性能,降低风致振动的影响,采用柔性吊杆.边跨平弦钢桁梁采用支架法半悬臂施工,中跨拱圈采用以临时墩辅助拱上吊机悬臂架设的施工方案,桥面系随主桁同步架设.     

排气系统的数值模拟及优化设计

建立了汽车排气系统的三维计算流体力学模型,并采用并行计算方法对某排气系统的5款设计方案进行了模拟计算。以排气背压为评判准则,方案3背压最大,方案2背压最小,方案1、4和5的背压基本接近。通过对5种设计方案的催化转化器、消声器等部件进行详细的流场分析,找到了各款排气系统背压产生的主要原因,并提出了进一步的改进措施,确定了排气系统的最佳方案。     

基于Volterra理论的扁平箱梁气动力非线性特性研究

为了研究扁平箱梁断面气动力系统的非线性特性,采用Volterra理论和CFD方法,对丹麦大带东桥主桥加劲梁断面的气动力特性进行研究。利用脉冲激励模型分别作竖弯和扭转运动,并基于CFD一次数值模拟,对大带东桥扁平箱梁断面气动力系统的Volterra级数核进行识别,建立扁平箱梁断面气动力系统的非线性离散时间Volterra级数模型,该模型可以快速给出任意简谐激励下的气动力响应,无需耗时很久的CFD模拟。分别基于竖弯和扭转向的强迫简谐位移激励,使用Volterra级数气动力模型对大带东桥扁平箱梁断面的气动力系统进行仿真,将得到的仿真时程与CFD模拟结果进行对比,分析振动频率和幅值对扁平箱梁断面气动力系统非线性特性的影响。结果表明：忽略二阶及以上非线性高阶项得到的Volterra级数模型给出的气动力估计与CFD模拟差别很小;扁平箱梁断面气动力的高阶非线性效应较小,其为弱气动力非线性系统;在研究的强迫运动位移幅值和频率范围内,扁平箱梁断面的气动力模型响应没有表现出对振动幅值和频率的显著相关性,且仿真值与CFD模拟值的最大相对精度误差不超过10%。     

变高度连续钢桁架桥力学性能分析

以空间曲面桁架桥为例,采用桥梁专业计算软件建立三维模型,分析空间异形桁架各杆件的力学性能和特点,并拟定杆件尺寸,验算桁架各构件强度、刚度;通过屈曲分析,验算全桥整体稳定性及构件稳定性,根据曲面桁架受力特点优化构件尺寸.对空间曲面桁架桥结构动力特性的分析表明,其振型表现为横向振动,可通过增加两榀曲面桁架间的横向联系来抵消由构件本身引起的弯矩.