下承式钢管混凝土拱桥吊杆冲击系数研究

以某下承式钢管混凝土拱桥为背景,采用ANSYS建立了车辆和桥梁模型,使用APDL语言编制了车-桥耦合振动分析程序,运用动力学迭代求解。研究了路面不平顺、车速、行车数量与车距4种因素对钢管混凝土拱桥吊杆应力冲击系数的影响。结果表明,路面不平顺、车速、行车数量与车距均会对桥梁吊杆冲击系数产生影响。     

公路车-桥耦合振动的理论和应用研究进展

为了推动公路车-桥耦合振动理论的发展和仿真技术的广泛应用,从公路车-桥耦合振动理论研究和应用研究2个方面系统性梳理了公路车-桥耦合振动相关领域的学术研究现况、既有研究成果、发展前景、存在的问题和对策。理论研究方面,系统总结了车-桥耦合振动研究中车-桥、桥梁、路面不平整度等参数的数学模型和车-桥耦合时变系统动力学方程的数值解法。基于调研和分析发现,经过国内外学者长期的努力,车-桥系统数值模型已经可以越来越真实地模拟实际车辆、桥梁以及路面不平整度等其他条件因素。在未来的研究中应持续改进有限元建模技术和优化数值算法,以进一步提高车-桥耦合振动仿真分析的精度和效率,扩展其应用范围。应用研究方面,以桥梁动力冲击系数、桥梁疲劳分析、桥梁结构损伤识别、桥梁振动控制、桥上行车舒适性以及桥上车辆荷载动态识别等6个问题为例,综述了车-桥耦合振动仿真技术在桥梁安全相关研究领域的应用现状,并对目前研究仍存在的局限和后续的研究方向进行了初步探讨。研究表明,车-桥耦合振动仿真技术已成为众多相关研究领域内的重要研究方法,在部分研究领域已展现了良好的应用前景。后续研究中,一方面应针对具体问题的特点改进车-桥耦合振动模型的适用性和计算精度,另一方面应针对具体研究问题进一步完善相关理论,并从工程实用性角度提出新的或改进的技术和方法。     

随机车流作用下拱桥吊杆疲劳性能研究

为研究吊杆的疲劳性能,以某拱桥为工程背景,在MATLAB中使用蒙特卡洛抽样建立考虑车型、车道、车距、车速、车重5种参数的随机车流模型,使用ANSYS求解吊杆在随机车流荷载作用下的应力时程,评估吊杆的疲劳损伤和寿命。结果表明,跨中长吊杆和拱脚附近的短吊杆疲劳损伤值高于其他吊杆;车流密度越大,吊杆疲劳损伤值越大,个别吊杆的不同车流密度下疲劳损伤值可相差20倍;车流密度对吊杆疲劳寿命影响很大,尽可能使用长时间的实测车流数据才能得到满意的预测结果。     

基于美国规范的桥梁疲劳设计优化及应用

为了更准确地考虑路面不平整度变化引起的车辆荷载动力效应对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,首先研究了钢桥路面不平整度在假定的车辆和环境荷载条件下的劣化过程,得到路面不平整度从一个等级退化到另一个等级过程中通过的车辆数量;然后,分别建立桥梁和车辆的三维模型,根据车辆和桥梁接触点位移和作用力的关系构建车-桥耦合振动方程,并利用模态叠加技术和4阶龙格库塔方法在时域内对其进行求解。通过数值计算研究了根据美国AASHTO桥梁规范设计的5座不同跨径Ⅰ-型简支钢梁桥的主梁在不同路面不平整度下每辆车通过时承受的应力幅冲击系数和等效应力幅度个数。最后,通过考虑路面劣化过程中过往车辆对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,对AASHTO规范中疲劳动力冲击系数和应力幅个数这2个直接影响桥梁疲劳寿命的参数进行了优化设计,并探讨了如何借鉴此优化方法来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。结果表明:美国AASHTO规范里规定的疲劳冲击系数0.15适用于跨径大于23m的桥梁,而对短跨桥梁而言,需要采用更大的疲劳冲击系数;当桥梁跨径大于23m时,每辆车通过桥梁时主梁承受的应力幅个数设计值可取1,小于23m时可根据所提出的应力幅个数设计公式计算确定。该优化方法可用来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。     

桥面平整度对大跨度钢管混凝土拱桥车辆振动的影响

由路面平整度能量谱密度函数得到桥面平整度不规则形状沿纵向分布函数,分析不同等级桥面平整度对大跨度钢管混凝土拱桥的车辆振动的影响。提出一种车—桥振动简化计算方法,该方法在建立桥的有限元模型时,将车辆的动力性能与桥面平整度对桥梁振动的影响加入到外载荷中,简化了振动分析过程,可用于确定不同等级桥面下的汽车荷载冲击系数取值,为大跨度钢管混凝土拱桥的设计和养护提供参考。     

大跨度斜拉桥车——桥耦合振动分析的数值解法

将随机桥面平整度描述为零均值的平稳高斯随机过程,建立了大跨度斜拉桥空间有限元模型,考虑结构的初始应力效应和几何非线性因素,建立车-桥耦合振动方程,利用逐步积分法解车-桥耦合振动方程,进而对斜拉桥动力特性进行分析。     

基于监测数据的拱桥吊杆冲击系数快速估算方法研究

为快速、准确评估拱桥吊杆振动冲击效应,提出一种基于连续动力监测数据的拱桥吊杆冲击系数快速估算方法。该方法以日常交通荷载作用下吊杆连续动力响应数据为基础,对实时冲击系数进行频次统计,得到标准日概率密度谱;采用车-桥耦合振动数值方法计算吊杆冲击系数,确定与之对应的标准日概率密度谱分位点,给出分位点合理取值建议,并以该分位点的实时冲击系数作为快速估算值。将该方法应用于一座刚性吊杆钢拱桥中,基于动应变监测结果,统计7根吊杆实时冲击系数概率分布,结合车-桥耦合振动数值计算结果进行分析,得到:日常交通荷载作用下,吊杆实时冲击系数概率密度曲线具有良好的稳定性,标准日概率密度谱合理;建议取实时冲击系数标准日概率密度谱上85%～90%分位点对应的实时冲击系数作为吊杆冲击系数快速估算值。     

路面平整度及车辆振动模型的研究综述

为了在车-路或车-桥相互作用的耦合体系中更准确地模拟由路面不平整度引起的车辆动荷载,以及分析由动荷载引起的路面动响应,论述了路面平整度的各种定义,回顾了路面平整度的各项评价指标、评价方法及各种评价指标之间的关系。分类阐述了针对各种评价指标的现场检测方法及仪器,分析了路面平整度的各种数值模拟方法,并推荐了更符合实际情况的平整度数值模型,介绍了用于分析路面不平度引起的车辆动荷载的各种车辆振动模型。最后总结了研究路面平整度评价指标、不平度的数值模拟方法及车辆振动模型的发展趋势,提出了用于分析车辆与路面作用的耦合振动体系的各项参数的采用建议,为研究车辆随机动荷载作用下的路面或桥面动响应提供了理论依据。     

拱桥吊杆损伤退化机理及寿命评估研究进展

该文综述了拱桥吊杆损伤退化机理及其剩余寿命评估方法。通过对吊杆病害、荷载行为及损伤演化模型的概括总结得出:护套损伤演化、钢丝锈蚀和开裂是吊杆损伤退化的主要机理,温度和桥面振动是导致吊杆损伤退化的关键因素。吊杆承载力及寿命评估可根据锈蚀检测结果,采用脆性钢丝模型假设,将吊杆视为串并联系统,用极值Ⅲ型分布或蒙特卡罗法模拟。针对实桥检测、监测、诊断和评估等方面碰到的诸多问题,提出了新的研究路线。     

考虑车桥耦合振动的钢梁桥腹板间隙的疲劳分析

分析钢梁桥腹板间隙的疲劳问题时,其应力通常是基于疲劳荷载作用下的静应力叠加一个动力冲击系数来确定。已有研究表明:规范中的疲劳冲击系数低估了实际路面状况下的车辆动力冲击效应,往往导致腹板间隙的实际疲劳寿命低于设计寿命。基于此现状,研究了在假定的车辆和环境条件下路面的退化规律。建立了几座不同跨径的简支Ⅰ型钢梁桥和疲劳车的三维模型,通过车桥耦合振动分析,研究了实际桥面状况下车辆荷载动力效应对腹板间隙产生的应力幅冲击系数,并评估了腹板间隙的疲劳寿命。结果表明:基于腹板间隙应力幅计算的冲击系数大于传统基于应力的冲击系数;美国AASHTO桥梁规范中采用的疲劳冲击系数在路面条件较差时低估了车辆荷载动力效应。最后提出了腹板间隙疲劳评估应力幅冲击系数建议取值。     

中承式拱桥吊杆损伤研究及有限元分析

中承式拱桥中吊杆的受力状况与整个拱桥的安全性能密切相关.文中考虑实际运营中吊杆拉伸刚度的损伤退化,对湖南省衡南县云集湘江公路大桥加固工程更换吊杆进行有限元分析,研究损伤变量变化对吊杆受力性能的影响;同时利用有限元软件分析考察了碳纤维（CFRP）棒材作为吊杆对整体结构性能的影响,结果表明CFRP棒作为吊杆可充分利用其抗拉性能,可运用到实际工程中.     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中车辆位于桥道的气动绕流之中，车辆所受气动力与车辆位置密切相关。首先测试了车辆位置对车辆及桥道气动力的影响，建立了空间耦合的风-车-桥系统分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景，采用自行研发的桥梁结构分析软件BAN-SYS，对比分析了车辆位于桥道迎风侧和背风侧时风-车-桥系统的耦合振动情况。分析结果表明，风-车-桥系统耦合振动分析中考虑车辆位置的影响是必要的。     

桥面平整度对大跨度斜拉桥车桥耦合振动的影响

将随机桥面平整度描述为零均值的平稳高斯随机过程,建立了大跨度斜拉桥空间有限元模型,考虑结构的初始应力效应和几何非线性因素,利用逐步积分法求解车-桥耦合振动方程,进而对斜拉桥动力特性进行分析.     

基于车轮与桥面耦合关系变换的车桥系统振动耦合求解

提出一种新的直接求解车-桥系统振动响应的方法,即把车-桥系统作为一个整体来考虑,通过变换车轮与桥面对应点间的耦合关系来实现车辆移动,从而使车-桥系统振动响应的求解更加简便和实用化;将该程序计算结果与理论分析结果、ADAMS软件计算结果及模型试验结果进行对比;应用该车-桥相互作用分析程序研究了在2种路面粗糙度条件下的车-桥系统竖向响应,并进行了对比分析.结果表明:提出的程序计算结果正确、可靠;车-桥系统的竖向加速度及车轮与桥面之间的相互作用力受路面粗糙度影响较大.     

中承式拱桥吊杆专项检测及疲劳寿命评估

吊杆的运营安全直接影响到拱桥的结构安全,以1990年建成的某中承式拱桥为研究对象,结合该桥吊杆专项检测及理论分析结果,对吊杆的疲劳寿命进行评估。专项检测结果表明,大部分吊杆存在锚头密封不严、锚杯积水及PE护套破损开裂等现象,吊杆外观情况较差,短吊杆钢丝锈蚀状况为标度4,处于较差的状态。吊杆疲劳寿命根据桥梁实际车流量和疲劳应力幅值进行预测,计算得出吊杆在无腐蚀状态下的寿命约为44年,且在吊杆发生腐蚀后,其服役年限也不到无腐蚀吊杆的1/5,即吊杆出现腐蚀后服役年限不足10年。确认吊杆存在较大的安全隐患,建议对大桥的吊杆进行更换。     

考虑路面不平整度因素的车路耦合系统非线性数值模型

利用有限元方法以车路耦合系统作为研究对象,开展路面不平整度影响下的车路耦合非线性数值模拟研究,建立了考虑路面不平整度因素的车路耦合非线性数值模型,包括车辆系统、道路系统、车辆与道路的接触3大部分,并模拟车辆行驶和轮胎的跳起等。在非线性模型计算过程中,设定车辆模型在道路表面以某一设定速度匀速运动,并利用道路不平整度频谱进行Fourier逆变换得到时域模拟的路面不平整度数值,以研究路面不平整度激励下车路耦合振动。研究所得主要结论:(1)在随机性路面不平整度影响下,通过对车路耦合非线性动力模型的计算结果数值以及动力模型所反映振动趋势的验证,得出该模型能较好地反映车路耦合作为一个大系统的振动情况,计算结果可信,具有较高的工程应用价值。(2)路面不平整度越差路面产生的振动位移也越大,算例显示同样条件下C级路面下的最大位移量是A级路面的1.31倍,但路面振动频率受不平整度的影响不明显。     

桥面不平顺状态下含裂纹梁的车桥耦合振动分析

为分析桥面不平顺状态下含表面裂纹时桥-车耦合振动,利用1/4车辆模型,基于桥面不平顺产生的随机激励,运用Hamilton原理建立桥面不平顺状态下含裂纹桥-车耦合系统动力方程,应用Runge-kutta法对方程进行求解,分析不同等级桥面不平整度下,裂纹深度、车速、桥车质量比等参数对桥梁结构位移的影响。结果表明,随着裂纹深度的增加,梁体跨中位移峰值增大,且考虑桥面不平顺状况时梁体跨中位移响应更复杂。     

飞燕式钢箱系杆拱桥吊杆疲劳性能影响因素研究

飞燕式系杆拱桥由于受力合理,造型优美,已成为应用广泛的桥型之一。吊杆作为拱桥桥面与拱肋之间的重要传力构件,极易发生疲劳破坏。以某飞燕式钢箱系杆拱桥为例,探究拱桥吊杆设计参数对吊杆疲劳受力特性的影响,结果表明,吊杆的最大应力和应力幅均会随着吊杆间距减小而降低,边吊杆距拱脚距离的减小和吊杆截面积的增大会明显改善边吊杆的疲劳受力特性,这一结论可供提高飞燕式钢箱系杆拱桥吊杆疲劳性能的设计参考。     

拱桥吊杆涡激风振疲劳寿命评估

为便于桥梁运营管理单位开展桥梁维护与检修,对易于发生涡激风振的圆形截面刚性吊杆的可承受应力循环次数进行估算,以明确吊杆的合理使用年限。借助经典涡振起振临界风速、涡激力计算模型及钢结构疲劳寿命计算理论,对某钢管混凝土拱桥的所有圆形吊杆的动力特性、内力及对应的涡振风速范围进行计算,并结合桥梁所在地风速分布统计数据,对该桥吊杆的涡振疲劳寿命进行评估。研究结果表明,该桥吊杆的疲劳寿命在当地风速条件下满足使用要求,计算过程可为同类桥梁吊杆涡振疲劳寿命评估提供参考。