近断层地震动引起的公路桥梁车桥分离现象的统计分析

近年来,随着我国人均汽车保有量的增加,国内交通密度增大,交通拥堵加剧,再加上重卡超载现象越来越严重,机动车辆荷载对中小跨径桥梁的影响显著增大,也提高了地震发生时桥上有车的概率;另一方面,近断层地震动具有显著的竖向效应,已有震害表明车辆与桥梁在较强的竖向地震动作用下容易产生车桥分离或碰撞的现象。因此,考虑近断层地震动作用下车辆对桥梁动力响应的影响将有助于准确评估桥梁的抗震性能。文章以一座典型的3跨连续梁桥为工程背景,采用考虑车辆与桥面动态接触或分离的模型对实际近断层地震动作用下的车桥耦合系统的动力响应进行统计分析,研究车辆对桥梁的动力放大作用、车桥分离现象及其影响规律。结果表明,在车桥不分离的情况下,考虑车辆影响在80%的工况下会减小桥梁的竖向位移响应,但随着竖向PGA的增大,车辆对桥梁的动力作用逐渐趋于不利;其次,车桥之间的动力相互作用可能导致不止一次的车桥分离,最大接触力在大多数情况下发生在首次分离与二次分离之间,最大可能达到车辆重量的7.9倍,会对桥面局部受力产生极其不利的影响,且车桥分离的时间随着车辆竖向频率的增大而增加,但这种现象与地震动的竖向PGA没有直接关系,对桥梁的竖向位移响应影响也不大。

基于虚拟激励法的磁浮车桥耦合系统随机振动分析

为探讨随机轨道不平顺作用下中低速磁浮列车和桥梁的动力响应,将虚拟激励法引入磁浮车桥振动分析中,提出中低速磁浮车辆-悬浮控制系统-桥梁耦合系统随机振动分析方法.将中低速磁浮列车简化为弹簧阻尼器连接的多刚体,悬浮系统中电流使用比例-微分(PD)控制方法进行主动控制,采用有限元方法对桥梁进行建模,将随机轨道不平顺转换为一系列简谐波构成的虚拟激励;编制中低速磁浮车桥动力系统随机振动分析程序,自动生成系统随机振动方程,利用分离迭代方法对磁浮车辆控制方程和桥梁动力方程进行求解计算.研究结果表明:虚拟激励法能够高效计算中低速磁浮车桥系统随机动力响应,其计算效率约为蒙特卡洛方法的1/11,基于虚拟激励法能够获得中低速磁浮车桥动力系统均值、标准差和时变功率谱密度等统计结果.

参数冻结精细指数积分法在非线性车桥耦合振动分析中的应用

描述车桥耦合作用的基本问题是一个时变系统问题,且很多工况下需考虑非线性特性,使得该问题难以得到解析解,甚至数值解也可能很复杂.针对该问题的求解,提出了一种参数冻结精细指数积分法,将其应用于车桥耦合动力学模型的数值分析中.该方法结合了精细积分和指数积分特点,并将时变系数矩阵在每一积分步参数冻结,用于获得系统振动响应的数值解.考虑汽车轮胎与桥面的力和位移耦合关系、桥面沥青铺装层、桥梁材料黏弹性和几何非线性特性,建立了车桥耦合动力学模型,并应用参数冻结精细指数积分法对该模型进行了求解.通过与近似解析解、辛Runge-Kutta算法以及经典的Newmark-β数值积分法计算结果进行对比,验证了所提出方法计算结果的有效性和准确性.在此基础上,制作了缩尺车桥耦合系统模型,测试了跨中挠度响应,进一步验证了理论建模和所提算法的有效性和实用性.通过数值计算分析了所提算法的数值特性,结果表明:提出的参数冻结精细指数积分法不仅可以处理时变、非线性问题,且具有良好的数值计算精度和长时间数值稳定性;由于精细积分的特点,参数冻结精细指数积分法的计算时间步长可以取的较大,可有效提高计算效率.因此,所提出的参数冻结精细指数积分法预期可成为求解车桥耦合动力学问题的一种新的高效算法.

风屏障透风率对强风作用下重载铁路刚构-连续梁车桥耦合振动响应的影响

为探究风屏障透风率对强风作用下重载铁路刚构-连续梁车桥耦合振动的影响,先通过节段模型风洞试验获取桥上设置0%,20%,40%,60%和无风屏障5种不同透风率风屏障时车桥系统的三分力系数,再根据弹性系统动力学总势能不变原理建立风-车-桥耦合振动仿真计算分析模型,对不同车速下重载货运列车通过设置不同透风率风屏障刚构-连续梁桥开展风-车-桥系统动力学仿真计算与分析研究。结果表明:在列车上桥初期,桥梁横向位移峰值随透风率的增大而明显减小,而当列车运行趋于满布桥梁时,桥梁的横向位移峰值随透风率的增大变化不明显;列车的动力响应峰值随风屏障透风率的增大而增大,相比于满载编组列车,空载和轻重混编编组列车的动力响应对风屏障透风率的变化更加敏感。综合桥梁动力响应和列车走行安全性评价指标(脱轨系数和轮重减载率),该桥梁应设置40%透风率的风屏障。

车桥耦合连续梁-拱组合桥冲击系数研究

为了得到连续梁-拱组合桥真实的冲击系数,以某三跨连续梁-钢管混凝土拱组合桥为依托,考虑车桥耦合振动效应,利用ANSYS建立大桥空间梁单元模型和车辆的三轴半车模型,分析桥面不平度、车速、车辆数对主梁不同部位及不同响应冲击系数的影响,并以车速和桥面不平度为自变量得到冲击系数二元回归公式,最后利用2座基频相近桥梁冲击系数的实测数据验证该公式。结果表明:桥面不平度对冲击系数影响最大,当桥面不平度达到B级以上,冲击系数超过规范值,最大可达规范值5.42倍;对于主梁,不同外部激励、不同响应和不同部位的冲击系数存在差异,部分冲击系数超出规范值;该文给出的冲击系数回归公式可用于类似结构主梁冲击系数估算。

基于车桥耦合振动和深度学习的悬索桥损伤识别分析

针对现有通过车辆响应识别桥梁损伤方法的不足,提出结合车桥耦合振动和深度学习理论的桥梁结构损伤识别方法。以郑州桃花峪自锚式悬索桥为例,建立桥梁和车辆的有限元分析模型,开展大跨度自锚式悬索桥的车桥耦合振动分析,获取车辆的加速度响应。以车辆加速度响应作为网络输入参数,分别构建一维卷积神经网络(one dimensional convolutional neural network,1D-CNN)和二维卷积神经网络(two dimensional convolutional neural network,2D-CNN)两种深度学习模型,对二者的识别效果进行对比分析。探讨信号噪音、低损工况等因素对桥梁结构损伤识别效果的影响规律。结果表明,2DCNN对桥梁结构的损伤识别准确率和训练效率要优于1D-CNN;1D-CNN实现了端对端智能损伤识别,2D-CNN在识别准确率和对外界干扰因素的鲁棒性上表现更好。研究结果为进一步优化桥梁结构损伤识别方法提供参考。

基于车桥耦合的钢-混凝土组合连续梁桥局部疲劳分析

钢-混凝土组合梁桥在满足使用性能的同时也会发生疲劳损伤,在桥梁设计和使用阶段应保证桥梁不发生疲劳破坏。为研究不同因素对桥梁疲劳损伤的影响,选取一座双工字钢-混凝土组合连续梁桥,采用车桥耦合分析程序对不同的车速、车重、桥面不平整度、桥面板厚度和主梁腹板高度下主梁的疲劳损伤进行分析。首先计算不同影响因素下桥梁的动应力,分析应力幅和等效应力幅个数的变化规律;然后分析应力幅冲击系数随各影响因素的变化规律;最后分析不同影响因素下主梁疲劳细节位置的疲劳损伤。研究结果表明:车重、桥面不平整度和主梁腹板高度对应力幅的影响较大,桥面不平整度对等效应力幅个数和应力幅冲击系数的影响较大;桥面不平整度通过改变应力幅冲击系数以影响应力幅,当桥面不平整度为C级及以下时,应力幅冲击系数偏离规范值;车重、桥面不平整度、主梁腹板高度对主梁疲劳损伤的影响较大,在超载和刚度储备不足的情况下主梁会发生疲劳破坏,应通过限载、及时维修桥面和提高主梁刚度的方法减小主梁的疲劳损伤。

模块化独立悬架车桥研究进展

为更好地促进先进车桥技术发展,文章阐述了模块化独立悬架车桥的国外发展现状和国内产品研发与技术探索情况;归纳了模块化独立悬架车桥所呈现出的军用背景浓厚、产品系列化、导向机构统一、弹簧非线性等产品特点;指出了可驱动控制化、轮跳大行程化、适配电驱动化的主要技术动向;提出了技术路线的思考,对国内进一步发展模块化独立悬架车桥技术有一定积极意义。

基于超声波相控阵技术的车桥焊缝质量评价

本论文针对车桥服役过程中由于焊接质量不良引起的交通事故,引入超声波相控阵检测技术来完成对车桥焊缝质量的增强,并对在役和生产过程中的车桥焊缝进行超声波无损检测,达到安全监控和提高品质的目的。通过大量的数据分析和验证,并与金相检验进行比对,建立一套超声波相控阵的车桥焊缝质量评价方法。该方法可以通过监控焊接工艺过程,对焊接工艺的改进和生产过程的质量控制起到积极作用。此外,对在役的桥壳进行在役检测,可对桥壳的剩余寿命评价指导指导意义。相较于金相检验,该无损检测方法还具有成本优势。

基于单辆通行车激励的车桥耦合理论梁式桥阻尼比识别研究

提出一种在单辆通行车激励的情况下,基于车桥耦合理论识别桥梁阻尼比的方法.首先,将集成化检测车设计为单自由度体系,利用集成在检测车上的传感器采集信号并滤波获取桥梁一阶响应信号,通过相邻峰值点做比值并取平均得到桥梁一阶阻尼比,理论推导出检测车停靠在桥面任一位置均可识别出桥梁一阶阻尼比.其次,考虑通行车车速、检测车停靠位置、环境噪音、桥梁阻尼比和通行车阻尼对识别结果的影响,通过数值模拟验证该方法的有效性,并与工程上经典的随机子空间法和文献方法进行对比.最后,在梁式桥实桥试验进行初步验证,说明本文方法的工程适用性.研究结果表明:所提方法对检测车在桥面上的停靠位置没有具体要求,避免了路面粗糙度对阻尼比识别结果的影响,通行车的阻尼和车速在一定范围内对阻尼比识别无明显影响,并且在信噪比30 dB以上可识别出桥梁一阶阻尼比,具有较好的鲁棒性,操作简单且不需要封桥,可有效促推在实际工程中进行桥梁一阶阻尼比识别.

连续梁桥跳车冲击下车桥耦合振动响应分析

为研究车辆在不同工况下发生跳车对变截面连续梁桥动力响应的影响,文章选用1/4车辆模型,采用D’Alembert原理建立车辆振动平衡方程;基于Euler-Bernoulli梁理论将变截面连续梁划分成多个微段并进行受力分析,建立桥梁振动平衡方程,采用模态坐标法考虑振型的正交性对方程进行简化,与车辆振动方程联立得到车桥耦合振动方程,最终理论推导出跳车冲击过程中的车桥耦合振动平衡方程;利用MATLAB自编程序求解车桥耦合振动方程,得出车桥耦合动力响应。研究表明:当跳车高度不断增加时,桥梁动力响应持续加重,位移最大值逐渐增加;当不同桥跨跨中发生跳车时,跳车跨位移响应最大,距离跳车跨越远,位移响应越小。

基于车桥耦合振动的连续梁桥动力特性研究

为获取连续梁桥在行车荷载作用下的动力特性规律,基于虚功原理,建立了24自由度典型四轴拖挂车动力学模型。采用模态叠加法建立三跨连续梁桥动力特性模型,通过模态综合法建立了车轮-桥面间的力学和位移耦合关系。组建了四轴拖挂车和连续梁桥动力耦合分析模型,通过逐步迭代法建立了车桥耦合时变矩阵方程。以某三跨连续梁桥为工程示例,进行车桥耦合动力特性的敏感性分析,重点分析了车辆行车速度、桥面不平度和车辆载重变化对桥梁关键位置处的动力响应影响。结果表明:随着行车速度的增大,桥梁竖向位移时程响应曲线整体呈增大趋势,其中边跨跨中竖向位移幅值增幅相对较小,为3.40%,中跨跨中竖向位移幅值呈先减小后增大的变化趋势,最大增幅为7.10%;随着桥面状况的恶化,桥梁边跨跨中和中跨跨中截面的竖向位移响应增幅相对较大,分别为38.60%和54.95%,为桥梁动力响应的主要敏感参数;当车辆载重相对较小时(从空载至40%满载),桥梁位移动力响应变化较为敏感,但随着车辆载重增长率的逐步增大,桥梁动力响应结果对车辆载重的敏感性逐步降低。

基于特性的商用车整体式车桥及耦合悬架动力学模型研究

车桥及悬架是汽车的重要部件,为了实时模拟商用车的整体式车桥及多种结构类型的悬架,本文采用基于总成特性的建模技术路线,将车桥的运动解耦为Motion运动学和Ride动力学,将悬架特性划分为耦合承载特性、RC/PC导向特性和耦合K&C运动学特性,创新性地考虑了车桥的俯仰动态效应、桥间承载非线性动态耦合关系、桥间K&C运动学耦合关系,建立了能够激发出商用车制动抖振负面现象的动力学模型,并提出了针对耦合悬架的K&C试验方案和模型参数辨识方法。最后,通过对比K&C试验数据,并与TruckSim模型作对比,系统层级上验证了本模型的精准性;通过将车辆参数填入UniTruck软件,对某款商用车进行了仿真,并与TruckSim仿真结果作对比,整车层级上验证了本模型的有效性。

大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性风洞试验研究

为研究大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性,利用水平和竖向两套三分力测试装置,对一座大跨度钢箱梁铁路悬索桥进行节段模型测力风洞试验。研究不同风攻角下桥面无车、不同位置有单列车、双车共存时车辆和桥梁的气动特性及其相互影响,得到不同车桥组合下车辆与桥梁的气动力。试验结果表明,车桥间的气动干扰较为明显,列车会增大主梁的阻力系数,改变桥梁升力系数的变化趋势,且单列列车位于背风侧时主梁的气动性能最差,最大阻力系数增加了191%。同时,两辆列车之间存在一定的气流干扰,背风侧列车受迎风侧列车影响较大,其横向力系数显著下降,但竖向力系数和扭矩系数所受影响不大。

多源传感器的车桥联动实时监测与响应特征分析

随着我国基础建设尤其是交通行业的高速发展,桥梁健康监测技术不断取得突破性的进展,使得在运营中的桥梁安全性及人民群众的生命财产安全得到了有效的保障。然而,桥梁健康监测系统只是对桥梁结构本身的特性及响应信息进行监测,没有兼顾即将上桥的车辆情况,缺乏对事故风险的直观评估。因此,本文以二干河桥为例,基于多源传感器,提出了车桥联动监测的方法,对桥梁响应信息及行驶车辆的信息进行实时监测,利用传感器的监测数据进行桥梁响应特征研究;并在二干河桥建立了基于车桥联动的桥梁健康监测管理平台,为桥梁的安全运营提供示范应用。

基于车桥耦合理论的斜拉桥拉索动力冲击系数及影响因素分析

为了分析车辆荷载对斜拉桥拉索产生的冲击效应,以国内某在役斜拉桥和某型五轴重车作为研究对象,通过有限元方法分析不同工况下的拉索动力响应和冲击系数,将计算结果与国家现行规范进行比较,提出了拉索动力冲击系数的建议值。仿真案例考虑了车速(50~120 km/h)、路面等级(光滑、A级、B级、C级)以及车辆横向位置对结果的影响。研究结果表明:经有限元分析出的拉索动力冲击系数大于现行规范中的取值;随着路面等级的增加,冲击系数越大;边缘车道上车辆产生的冲击效应大于中间车道的冲击效应;车速变化对不同位置处的拉索动力冲击系数影响并不相同;在相同工况下,短拉索的动力冲击系数较大。研究发现路面等级是影响拉索动力冲击系数的主要因素,因此建议根据路面等级对冲击系数进行取值,具体建议值为:光滑路面取0.08,A级路面取0.15,B级路面取0.25,C级路面取0.40。

车轮多边形磨耗对车桥耦合振动响应的影响

为探究车轮多边形磨耗对车桥耦合系统振动响应的影响规律,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真方法,以国内某高速列车和铁路简支梁桥为原型,建立车桥耦合振动分析模型,把轨道不平顺和车轮多边形磨耗作为系统的输入激励,对车桥耦合系统的振动特性展开研究。结果表明:车轮多边形磨耗对车桥耦合系统的振动响应影响显著;3阶车轮多边形磨耗使轮重减载率增大67.7%,严重降低了列车行驶的安全性,也使桥梁跨中横、竖向加速度分别增大2.74倍和2.27倍;车桥耦合振动响应随着车轮多边形磨耗幅值、阶数的增大而增大,当车轮多边形磨耗幅值由0.02 mm增大至0.08 mm时,列车轮重减载率、桥梁跨中横向和竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加76.5%、174%和127%、47.3%和83.1%;当车轮多边形磨耗阶数由1阶增大至4阶时,列车轮重减载率、桥梁跨中竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加116%、389%、82.0%和170%。特别地,列车以200 km/h速度运行时,3阶车轮多边形磨耗引发桥梁横向共振使得桥梁跨中横向加速度显著增大,是4阶车轮多边形磨耗作用时的2.74倍。

考虑车桥耦合及环境腐蚀的铁路钢桥疲劳分析

耐候钢通过改变合金元素以在其表面形成致密保护性防锈层因而具备良好的耐大气腐蚀性能,因此其在免涂装使用中为带锈工作,应用于公路和铁路桥梁中时可能存在腐蚀和疲劳耦合损伤问题。基于潍莱铁路线一座全焊接免涂装耐候钢桥开展列车动力作用下的关键构件和焊接节点疲劳损伤分析,并进行考虑腐蚀劣化影响下的疲劳寿命评估。基于列车-轨道-桥梁耦合系统模型研究在高速列车动力荷载下桥梁主桁关键构件动力响应并得到结构中最不利构件位置,分析关键构件在列车通行振动效应下的疲劳损伤度;结合考虑局部节点板精细化的多尺度耦合有限元模型,考虑轨道不平顺和列车运行速度的影响,得到桥梁节点板在不同速度下的疲劳损伤度;考虑环境腐蚀对桥梁疲劳寿命的影响,结合桥梁列车年运营量进行腐蚀环境下桥梁关键杆件和节点的疲劳使用寿命评估。研究结果表明:铁路钢桁梁桥在列车动力作用下不同构件的疲劳损伤不同,刚度较小以及应力响应影响线较短的构件疲劳损伤度更大,其中疲劳损伤度由大到小依次为节点横梁、腹杆、下弦杆、上弦杆。轨道不平顺和列车运行速度对桥梁节点板应力响应最大值影响并不显著,列车运行速度为120 km/h时与所分析桥梁共振更明显。环境腐蚀会降低铁路桥梁疲劳寿命,且对桥梁不同构件寿命影响程度不同。研究成果可为同类型铁路钢桁梁桥在腐蚀环境下的疲劳寿命评估和设计提供参考。

曲线钢-混组合箱梁桥车桥耦合振动及支座受力研究

曲线钢-混组合箱梁桥已经建设较多,在设计中因对其车桥耦合振动认识有限,相关支座反力因弯扭耦合效应引起的变化情况等尚未很好解决。基于ABAQUS有限元软件,利用傅里叶级数描述车辆平、竖曲线运动,实现了曲线梁桥车桥耦合振动的数值分析,并基于既有试验和理论成果验证了方法的准确性。以某4跨曲线钢-混组合箱梁桥为例,分析了车辆在内、外侧车道以不同速度行驶及超高条件下对桥梁支座反力的影响。结果表明:当车辆沿着曲线梁桥内侧或外侧车道行驶时,另一侧箱梁的外支座会出现脱空的现象。车速对支座峰值反力的影响较小,但可以通过较低的车速减轻支座脱空。超高对支座反力的影响较小,车辆沿着内侧车道行驶时,缓解了外侧箱梁部分支座脱空;沿着外侧车道行驶时,加重了内侧箱梁支座脱空。

六轴重载车辆激励下车桥耦合振动研究

随着我国公路车辆呈重载化、高速化发展,尤其在重型车辆作用下,由于车桥耦合振动引起的桥梁安全问题不可忽视。以六轴拖挂车为例,通过车轮与桥梁间力学和位移耦合关系,重点研究在不同桥面不平度、车重参数作用下桥梁振动响应变化规律。结果表明:随着桥面状况恶化和车重因素的增加,桥梁关键截面处动力响应幅值呈增大趋势,最大增幅分别为58.2%~64.6%和33.3%~80.6%,但桥面不平度恶化会加剧车桥间的振动关系,而车重变化时,桥梁的冲击效应并非与车重呈某种线性关系,而是采用合理的车重可减低桥梁的冲击效应。