高阶模态对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

研究目的:针对减隔震桥梁的抗震分析,各国规范都提出了单模态的反应谱分析方法,然而在一些条件下高阶模态的参与程度增加将导致单模态的分析方法产生严重的偏差。为分析高阶模态对减隔震桥梁地震响应及简化抗震分析方法的影响,本文以高速铁路典型简支梁桥为例,采用模态时程分析方法探讨基阶模态对减隔震桥梁墩顶位移、墩底剪力等各项不同地震响应参数的贡献程度,并采用直接积分的非线性时程分析方法研究罕遇地震作用下墩顶位移峰值时刻、墩底剪力峰值时刻等多个关键时刻桥墩-减隔震装置-主梁体系的变形特点,最后采用一种单模态反应谱分析方法说明高阶模态对该类方法计算精度的影响。研究结论:(1)在墩高较高或减隔震装置设计位移较大的情况下,高阶模态将极大影响减隔震桥梁的地震响应;(2)基阶模态对于减震榫变形和主梁位移的贡献较大,而对墩顶位移和墩底弯矩的贡献较小,对墩底剪力的贡献程度最低;(3)高阶模态的影响会降低单模态反应谱分析方法的计算精度,尤其是墩底剪力;(4)本研究成果可应用于高铁桥梁的减隔震设计。     

基于模态应力的转向架关键悬挂件振动疲劳研究

通过建立构架关键悬挂件振动疲劳分析模型,采用模态叠加法,获得基于模态应力的构架关键悬挂件应力功率谱,并推导出结构应力的概率分布函数,并以IEC 61373标准谱和实测加速度谱为激励,利用线性疲劳损伤准则获得结构振动疲劳寿命。研究结果表明:关键悬挂件结构在IEC 61373三向加速度各激励5 h后,疲劳累积损伤值最大为1.58;在实测武广线加速度激励下,疲劳寿命为297万km;基于模态应力的分析方法能够有效地考虑激励频率与结构自身频率的振动关系,进而获得更准确的疲劳寿命。     

基于Opensees的铁路空心高墩地震反应研究

研究高墩在强震作用下的地震反应。以铁路连续梁桥为例,基于抗震模拟软件Opensees,建立一个90 m的空心高墩,考虑高阶振型,进行非线性动力时程分析,求出加速度从0.1g至0.6g时墩顶位移、墩底弯矩的变化规律及塑性铰的形成和扩展情况。结果表明,加速度从0.1g调整为0.2g,0.4g,0.6g时,墩顶位移分别增加1.35,2.79,4.6倍,墩底弯矩分别增加1.49,2.54,3.38倍。墩底首先进入塑性区,墩中部后进入塑性区,塑性区的长度分别向墩底和墩顶扩展,向墩底比向墩顶扩展的更快更广泛。因此,高墩设计中不仅在墩底部位,也要在墩身中部布置足够的箍筋。     

大跨度斜拉桥超长拉索多模态振动阻尼协同控制技术研究

沪苏通长江大桥是目前世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥,其超长超重斜拉索振动模态复杂,振动控制难度大。通过理论分析结合现场实测,得出了适用于大跨度斜拉桥超长斜拉索多模态振动控制方法及技术。研究表明：实测分析超长斜拉索施工期的振动具有多模态特征,既有中低阶振动(5～15阶),也有高阶振动(46～50阶);提出的外置式杠杆质量阻尼器ELMD和摆锤式MTMD阻尼器协同控制分析方法,理论分析结果满足斜拉索多模态控制要求,有效振动控制范围提升至60阶;研发的新型ELMD阻尼器通过杠杆放大和齿轮放大作用,为斜拉索提供附加阻尼和附加惯质作用,中低阶实测阻尼对数衰减率δ≥3%;研发的摆锤式MTMD阻尼器,采用摆锤式结构,利用质量调谐作用实现斜拉索高阶减振,现场无肉眼可见振动;通过长期健康监测系统显示,台风“烟花”过境期间监测到的最大振动加速度为0.012g,大桥正常运营期间,斜拉索的振动加速度基本被控制在0.01g以下。     

桥梁抗震分析中的激励输入模式研究

本文研究桥梁抗震分析中激励的输入模式。针对加速度、位移两种输入模式的特点、实现方法以及适用性进行对比分析。分析结果表明,若积分方法和步长相同,在有限元分析模型中加速度输入模式较位移输入模式容易获得更好的精度;而在模态分析模型中则得到相反的结论。为减小误差,模态模型中位移输入模式的模态力宜由等效分布荷载形式计算。实测地震加速度时程需要修正才能得到一致化的位移时程,在总结各类时域修正方法的基础上,本文提出一种频率内校正方法。     

梁拱组合体系桥整体节点有限元分析方法对比研究

采用基于力边界条件的节段模型分析方法、基于位移边界条件的节段模型分析方法以及多尺度模型分析方法,对大跨度梁拱组合体系桥梁中的某个整体节点进行有限元仿真分析,并结合现场试验,分析该整体节点的力学性能,对比研究梁拱组合体系桥梁复杂整体节点结构有限元分析方法。研究结果表明:各测点的理论值与实测值差异大多在20%以内,较为吻合;由于整体节点的处理方式不同,导致整体节点的节段模型计算结果与多尺度模型计算结果有所差异;对于复杂梁拱组合体系桥梁局部结构分析,多尺度模型分析方法能够较准确的描述其实际状态和刚度,具有较高的分析精度。     

局部场地效应下超千米跨度公铁两用斜拉桥时频域地震响应研究

为在时、频域范围内量化场地效应对超千米跨度公铁两用斜拉桥地震响应的影响，基于加速度功率谱模型并结合不同的场地条件细化模型参数，采用虚拟激励和多点时程分析法，分别在时、频域范围内开展超千米跨度公铁两用斜拉桥地震响应分析，并将结构地震响应进行对比，结果表明：对于主梁主跨，柔软场地工况下的主梁位移、内力响应最大，坚硬场地工况下的响应最小，其他工况均介于两者之间且呈规律性变化，柔软场地工况下的主梁内力响应较坚硬场地下的响应最大相差407%;考虑各局部场地效应工况对主梁左边跨地震响应影响，区别于主梁主跨，主梁左边跨位移、内力响应除在柔软场地工况下出现最大值外，其他场地工况下的地震响应值交替变化，变化规律并不完全明确。综合考虑各局部场地工况，采用时程分析法斜拉桥地震响应计算结果总体大于频域虚拟激励法计算结果，各关键地震响应增大率介于9%～182%。因此，对于超千米跨度公铁两用斜拉桥抗震分析，频域方法可能会低估其地震响应，为准确评估斜拉桥动力响应，时程分析法依然是首选的抗震分析方法。     

列车荷载作用下轨道箱梁结构TMD减振效果研究

为了解决高架轨道桥梁结构引起的振动及二次结构噪声问题,研究多模态TMD对轨道箱梁结构的减振效果。首先,利用有限元法建立轨道箱梁结构动力分析模型,通过约束模态分析确定其受控模态;然后,基于TMD定点理论及多自由度等价质量识别法,计算箱梁附加TMD的最优设计参数,并利用列车荷载-轨道箱梁-TMD耦合分析模型,研究多模态TMD对轨道箱梁结构低频振动的控制效果。研究结果表明：(1)轨道箱梁结构第2阶模态振动贡献最大,振型贡献率为0.784,其次是第10阶和12阶,可同时作为受控模态进行附加TMD设计;(2)在附加了多模态TMD减振系统后,轨道箱梁结构低频共振能量显著降低,且振动控制效果和质量比大小成正比关系;(3)列车荷载作用下,轨道箱梁结构附加一定质量比组合的多模态TMD后,固有频率附近频段5～10 Hz、20～31.5 Hz的加速度响应幅值显著降低,Z振级最大可减振3.91 dB。     

基于联动迭代及Heaviside函数的铁路桥墩刚度和位移计算方法

为提高铁路简支梁桥墩刚度及墩顶位移计算的准确度及通用性，克服桥墩及桩基设计中无法实时考虑桩-土耦合作用对刚度的影响，提出一种基于联动迭代及利用Heaviside函数的铁路桥墩刚度及位移计算的广义柔度矩阵法。该算法通过将桩基计算“m”法相关参数代入广义柔度矩阵，实现瞬态反馈桩长及地质变化对桥墩刚度的影响；基于力学等效原则推导集中荷载与分布荷载的等效节点力表达式，并通过将各荷载工况边界条件与Heaviside函数等效置换，得到桥墩单元作用任意形式集中荷载或分布荷载的等效节点力通用完备解；将该算法编入设计程序，实现铁路桥梁桩长、刚度、墩顶位移等参数的精准耦合计算。以变截面圆端形空心桥墩共同作用制动力、纵向风力及土压力为算例，计算结果表明，该算法与3种有限元软件计算的墩顶位移最大误差均在0.600%以内，计算精度高。     

不同设计参数下刚构-连续组合曲线梁桥地震响应敏感性分析

结合大跨、高墩、长联曲线铁路梁桥的工程实例,利用大型通用有限元软件ANSYS,采用反应谱的分析方法,给出了该桥在不同的曲线半径、桥墩墩高、墩梁约束方式下的自振频率和振型,分别按纵桥向和横桥向的激励方式,分析了中跨跨中位移,墩顶位移及墩底弯矩随设计参数变化的规律。结果表明:自振频率受桥墩墩高和墩梁连接方式的影响较大,受曲线半径的影响较小;曲线半径在一定范围内变化时,地震响应变化较小;在纵向反应谱的作用下,桥墩墩高的改变对地震响应的变化规律比较复杂,在横向反应谱的作用下,地震响应有一定的变化规律;墩梁约束方式为约束7的地震响应最小,但综合考虑温度、制动力学因素,应该是原设计约束5最优。     

基于高精度模态应变能法检测结构损伤的研究

在模态应变能、完备模态应变能及高精度模态应变能法的基础上,提出了一种新的结构损伤诊断方法--高精度完备模态应变能法.本方法考虑了结构参数修改量高阶项的影响,同时将高阶模态对单元模态应变能变化的影响做近似处理,且用低阶模态表示.这样仅用低阶模态就可以准确进行结构的损伤定位和损伤程度评估,克服了现有方法精度不足且需要完备模态的缺点.数值仿真结果表明,在结构多种损伤情况即能够得到较满意的诊断精度,具有实际应用价值.     

一种基于能力谱法的位移抗震设计方法

近几十年里提出的基于位移的抗震设计方法，直接从结构的性能目标出发，以位移为前提，受到了土木工程界的热切关注，然而，目前国内外学者提出的基于位移抗震设计方法，大多使用具有有效刚度和阻尼的等效弹性结构来代替非弹性体系的地震反应，并需要经过反复迭代计算，使得计算步骤档当烦琐，本文在Fajar改进的能力谱法的基础上，利用《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89）中的加速度反应谱获得了地震需求反应谱，并采用具有5％屈服后刚度比的双线性力－位移模型来得到抗震结构的能力谱，使用该方法不同线性置换结构和迭人过程即可完成结构的抗震设计，给出了单自由度桥墩的设计过程说明了本文所提方法的一种简便且有效的方法。     

支座摩阻效应对大跨长联连续梁桥地震反应的影响分析

为了解支座摩阻效应对长联大跨连续梁桥地震反应的影响,并得出可应用于工程的相应简化计算方法,以处于高烈度区的某铁路大跨长联连续梁为工程背景,按照不计与计入活动支座摩阻效应两种工况,利用Midas/Civil软件建立结构的三维空间杆件模型,并选用软件中的两种双线性理想弹塑性单元模拟支座的摩阻,采用非线性时程分析方法,对结构进行多遇地震下的地震反应分析。分析结果表明,对于这种设置1个固定墩的大跨长联连续梁结构,是否计入活动墩的支座摩阻效应对固定墩的设计影响很大,设计中需要考虑活动墩的支座摩阻。对于此类结构采用反应谱法进行多遇地震下的抗震计算时,活动墩顶的水平地震力可以直接用支座承受的竖向力乘以给定的支座摩阻系数,固定墩顶的水平力用反应谱计算值减掉活动墩水平摩擦力之和的0.8倍,可以满足工程设计精度要求。     

脉冲型地震作用下 RC框架结构抗震性能评估

通过选取脉冲型地震记录100条,拟合脉冲型加速度反应谱后与中美规范谱进行比较,利用拟合的反应谱转换成需求谱,对一10层RC框架结构进行基于Pushover分析的抗震性能评估,研究脉冲型地震动对RC框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:通过对比拟合谱与中美规范谱,我国规范谱不考虑脉冲效应,在速度敏感区内取值偏小;UBC97规范谱通过增大加速度敏感区的宽度及增加位移敏感区的平台段来考虑脉冲效应,取值偏保守。8度多遇、罕遇地震时,拟合需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角都远大于规范需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角。8度罕遇地震时,规范需求谱下只有框架梁出现塑性铰,框架柱未出现塑性铰;拟合需求谱下底层框架柱柱脚出现塑性铰,局部框架梁塑性铰变形加大且塑性铰分布范围更广,表明脉冲型地震对结构提出更高的位移和能量耗散需求。     

基于运行模态参数辨识的动车组异常振动在线监测技术

针对动车组抖车、晃车异常振动发生时，振型较单一且模态阻尼比下降的特点，提出一种基于运行模态参数辨识的动车组异常振动监测技术。采用时域模态分析方法，对车体振动加速度进行实时计算，获得模态频率、阻尼比和参与因子，根据模态参与因子确定当前振动的主导振型，由主导振型的模态频率判断是否存在动车组异常振动，并根据模态阻尼比对动车组异常振动的严重程度进行量化分级报警。动车组车体平稳性监测装置现场服役跟踪数据验证表明，该技术具有较高的识别精度。     

简化的能力谱方法在桥梁结构中的应用

为研究简化的能力谱方法的计算精度,通过一座连续桥梁的实际算例,给出简化能力谱方法的具体应用过程。建立简化横向单墩计算模型,用SAP2000有限元程序对模型进行推导分析,得到能力谱曲线;将三条不同地震记录对应的反应谱曲线转化为ADRS格式的需求谱曲线,并与得到的能力谱曲线绘于同一坐标系下,两种曲线的交点即为结构在相应地震动下的弹性响应,继而求得结构相应的非弹性响应。用非线性时程分析方法对同一计算模型及三条地震动加速度纪录进行分析,与采用简化的能力谱方法下得到的计算结果进行比较,从中看出:简化的能力谱方法可以用较少的计算工作量得到比较精确的结构非线性响应;在该方法中采用 μ T关系式,会得到不同精度的计算结果。不同的Rμ     

急流冲击下大跨度连续刚构桥动力响应分析

急流对桥梁冲击作用不可忽视，且现有规范对急流状态下桥墩的冲击作用考虑不足，未考虑急流对墩的侧向作用力，可能严重低估急流作用对桥梁结构的影响。现以某大跨度连续刚构桥为研究对象，建立刚构桥三维有限元模型，系统地考虑急流对桥墩顺流向和横流向(侧向)的冲击作用，研究不同流速和水深对大跨度连续刚构桥动力响应影响，并与港口规范计算结果进行对比。分析结果表明：在急流状态下，单墩两侧的压强呈非对称分布，构成横流向的瞬时压强差，造成显著的瞬时横流向力，在结构设计中不可忽视；水深在H/2及以上时，桥梁受急流冲击效果急剧增长，水流速度对桥墩最大位移和最大应力影响较大，此时应考虑侧向力对桥墩的影响；随着水深和流速增大，港口规范与数值模拟响应差值逐渐增大，墩顶位移最大可达1.6 cm,墩底应力最大可达4.8 MPa,在急流状态下，数值模拟结果更为保守。     

车桥耦合动力分析中地震动输入模式的研究

依据地震作用下车桥动力相互作用的特点,建立地震-车-桥简化耦合模型和多自由度耦合模型,进行理论推导,研究采用地震动位移输入、加速度输入模式进行考虑地震作用的车桥耦合动力分析的特点和适用性.以8辆车编组的高速列车通过3跨钢桁拱桥为研究对象,考虑行波效应,进行地震动位移输入和加速度输入2种模式下的车桥耦合动力响应的数值计算对比分析.研究结果表明:位移输入模式对于所有轮轨关系均能适用;而加速度输入模式仅适用于轮轨关系为线性的情况,并且需要考虑拟静力分量对车桥耦合系统的影响;对轮轨关系为非线性的情况,采用地震动加速度输入模式,在车速超过80 m· s-1时会导致耦合系统动力响应被严重低估.     

铁路连续梁桥下部结构地震力计算

结合两座铁路连续梁桥的工程设计,基于反应谱法对连续梁桥下部结构的地震力计算方法进行了对比分析,旨在得出规范简化算法在连续梁中的适用性。对规范简化算法及有限元全桥模型计算方法的参数取值、影响因素及存在问题进行了探讨,在模型误差很小的前提下对比分析了多桥计算结果,得出以下主要结论：（1）主墩墩高接近的连续梁桥纵向地震力计算可采用规范简化算法,固定墩结果偏保守,活动墩结果略小;横向地震力需采用有限元全桥模型进行计算。（2）主墩墩高差异较大的连续梁桥,规范简化算法误差太大。     

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响。计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20～70 Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2%,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2%;扣件FVMP模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应。