列车荷载作用下的磁浮轨道梁响应极值条件

为研究磁浮轨道梁动力响应的变化规律,将磁浮列车简化为移动的均布荷载,采用解析法得到简支轨道梁动力响应的解析解,并讨论轨道梁最大值随车速、跨度等参数的变化规律,推导磁浮轨道梁动力响应的极值条件,利用有限元方法和车-桥耦合振动方法进行验证.结果表明:列车与轨道梁跨度比值较大时,随列车速度的增加轨道梁跨中最大响应以波动形式增加,最大响应存在极值,轨道梁响应随轨道梁跨度、质量等参数也有类似规律;当车速和跨度的乘积为特定常数,或轨道梁一阶竖弯频率与跨度的乘积为车速特定倍数时,轨道梁产生消振现象.

考虑风-温耦合的钢箱梁外形对温度效应影响研究

为了准确分析钢箱梁外形对截面温度特性的影响规律,提出了一种考虑钢箱梁周围局部风场与温度场相互作用的有限元分析方法,采用折减系数k来建立钢箱梁周围热边界层高度处风速U_(a)与远处气象站实测风速U的对应关系,对比分析了是否考虑风-温耦合对钢箱梁截面温度分布的影响,探讨了不同风嘴形式、截面宽高比、不同栏杆形式以及铺装厚度对钢箱梁截面温度分布的影响规律。研究表明:钢箱梁周围热边界层厚度处的风速U_(a)呈不均匀分布,且与远处风速U呈线性正相关;不考虑风-温耦合会明显低估钢箱梁顶板表面温度;钢箱梁截面的风嘴、截面宽高比、栏杆参数以及铺装厚度均会影响钢箱梁横截面的温度分布,改变截面的温差,因此,在桥梁的设计中,钢箱梁外形对截面温度分布的影响不可忽视。

考虑气动力跨向振幅依存性和相关性的桥梁涡振响应分析

为研究非线性气动力跨向振幅依存性和跨向相关性对桥梁涡振响应的影响,首先,引入由振幅多项式表达的桥梁非线性气动力模型;其次,在二维涡振分析方法的基础上,通过理论分析提出同时考虑气动力的跨向振幅依存性和跨向相关性的三维涡振振幅响应分析方法;最后,以主跨1700m的大跨度悬索桥为例,通过风洞实验识别其主梁在不同风攻角下的竖向涡振非线性气动力参数,进而分析不同风攻角下一阶正对称竖弯模态下的涡振振幅响应.研究结果表明:当气动力沿跨向完全相关时,在气动力跨向振幅依存性的影响下,三维分析方法得到的各风速涡振响应明显大于二维分析,约大19%;当气动力沿跨向不完全相关时,三维分析的涡振振幅响应比不考虑相关性时降低明显,其中大部分风速下的降低范围为16%~30%,个别风速下约降低70%;证明了考虑气动力跨向不完全相关性和跨向振幅依存性对准确预测大跨度桥梁涡振响应的重要性;本文提出的分析方法对于扭转涡振及高阶模态下涡振分析同样适用.

大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系研究

为保证已建桥梁发生涡激振动后桥梁结构的安全以及桥上行车和行人安全,提出综合考虑人员舒适性、结构受力和停车线形三方面的大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系。该体系包含9项指标,分别为驾乘人员舒适度、驾乘人员晕动症、行人舒适度(狄克曼指标)、加劲梁强度、加劲梁应力、加劲梁挠度、桥面纵坡、竖曲线半径和停车视距。以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景,分别计算了“限速”和“封桥”2个交通管制措施下9项指标对应的涡激振动振幅限值。在此基础上,将9项指标对应的涡激振动振幅限值的最小值作为涡激振动限值建议取值。结果表明:当该桥发生低阶竖弯涡激振动(VS1、VAS1)时,涡激振动的控制因素为加劲梁挠度指标;当大桥发生VAS2模态的竖弯涡激振动时,涡激振动由驾乘人员晕动症指标和行人舒适度指标共同控制;当大桥发生高阶竖弯涡激振动(VAS3、VAS4)时,涡激振动由行人舒适度指标控制。涡激振动控制指标体系及限值标准的计算框架可适用于不同桥型涡激振动限值的计算。

复杂山区桥址区地形模型的边界过渡段线型

复杂山区桥址区地形模型过渡段曲线直接影响到风洞试验或数值模拟结果的精确性,为探究桥址区地形模型边界过渡段所采用线型的合理形式,基于设置过渡段的2种思路,提出构造过渡段线型的基本原则;采用数值模拟方式对比研究3类典型过渡段线型在均匀来流流经时沿程气流分离特性、平均风速剖面、风攻角剖面及湍流动能沿程分布;分析过渡段斜率变化对流场的影响规律.研究结果表明:平方正弦曲线在气流分离特性终同位置最大剪应力差为3.77×10^(−3) Pa,风特性过渡性能上同高度最大风速差0.09 m/s,最大湍流动能差1.46×10^(−3) J,均优于其他线型,为桥址区地形模型过渡段线型选取提供了重要参考.

复合空间索对大跨度铁路悬索桥横向刚度影响的研究

为提升大跨度铁路悬索桥的横向刚度,提出一种由主、副斜拉索组成的复合空间索结构。然后,基于材料有效利用率和静力分析,对复合空间索的直径、主斜拉索在加劲梁和地表的锚点位置、副斜拉索的数量等参数进行了优化。最后,采用风-车-桥耦合振动分析法,基于行车性能得到了桥梁横向挠跨比限值,分析了主、副斜拉索对横向挠跨比限值提升率的影响。结果表明:基于材料有效利用率,主斜拉索与加劲梁的锚点位置宜设在1/4主跨附近,且主斜拉索的地表锚点、加劲梁锚点与桥塔的垂直距离相等时最优,每组复合空间索中副斜拉索设置1根即可;在复合空间索的最优布置形式下,桥梁横向挠跨比可降低14.18%,横向挠跨比限值可提升16.79%。

桥梁工程本科教育中思政教育的探索

近年来,随着社会经济的不断发展,我国已建和在建的超大跨度桥梁越来越多,对桥梁工程专业人才的需求也越来越大,特别是具备良好思想素养的人才更加紧缺。因此,提高专业技术的同时,促进思想政治教育与专业知识相结合,育成新一代“又红又专”的桥梁工程师刻不容缓。该文以桥梁工程本科教育为例,在当前桥梁工程本科教育现状的基础上,结合正反实例进行多维分析,以“立德树人”为根本目的,分析与厘清桥梁工程与思政教育的关系,着重以“学生维度”“教师维度”“社会维度”三个方面对思政教育在桥梁工程中的教育模式与理念进行探讨。最后,提炼总结出行之有效的新型思政教学方案,确保在实施桥梁思政教育过程中能够做到有的放矢,提高课程的质量及课程的内涵,给知识和能力赋予正确的价值观取向,为培养新时代高素质高技术人才奠定理论基础。

考虑冲刷效应的大跨桥梁地震-风-车-桥耦合振动分析

为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响,在已建立的地震-风-车-桥耦合振动分析模型基础上,利用p-y曲线(p为土阻力,y为变形)折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系,根据桩土荷载-位移关系和冲刷深度更新桩基的侧向支撑刚度和长度,从而考虑了冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响,并将模型应用到江顺大桥冲刷效应的分析研究中.研究结果表明:基础冲刷减弱了地基土对结构的侧向约束,从而降低结构的自振频率,侧向振型的自振频率最大降低6.01%;在运营车辆和风荷载作用下,基础冲刷对结构的振动响应影响很小;在地震发生后,基础冲刷会增大结构的横向振动,结构的横向位移响应极值最大增大9.1%,横向位移响应谱也相应增大,而对结构的竖向振动影响很小;基础冲刷可能减小车辆横向加速度的响应,车辆的横向加速度响应极值最大降低7.7%,对车辆的竖向振动影响很小.

大跨度双幅非对称平行主梁涡激振动干扰效应研究

在双幅式桥梁的建设中,公路与铁路同层并排布置的大跨双幅非对称主梁属于较特殊的设计。由于公路桥与铁路桥的动力特性不一致、主梁尾流特性差异较大以及非对称双梁间存在特殊且显著的气动干扰,使得非对称双幅主梁的涡激振动特性更为复杂。为系统探究干扰效应对主梁涡振性能的影响,以一座大跨度公铁两用双幅桥为研究背景,开展了双幅主梁涡激振动风洞试验与流固耦合数值模拟,其中公路梁为Π型叠合梁,铁路梁为流线型箱梁。研究结果表明:公路梁位于迎风侧时出现了较大幅值的竖弯和扭转振动,且风速区间与结构振动频率具有典型涡振“锁定”特征,而位于背风侧时,振动现象基本消失;铁路梁位于迎风侧时未见明显振动现象,而位于背风侧时,试验观察到了大幅振动,且振幅具有迅速上升又迅速下落的特点,无明显“锁定”区间。数值流场表明,公路位于不同位置处(迎、背风侧)时,主梁附近涡结构的尺度与分布均有明显不同。当位于迎风侧时,下桥面腔内大尺度漩涡的存在以及涡结构的周期性变化是位于迎风侧时产生涡振的主要原因;当位于背风侧时,受干扰效应影响,下桥面腔内漩涡尺度减小,升力振荡频率改变,涡振锁定现象消失。铁路附近流场及压力分布表明:当位于迎风侧时,主梁附近流场稳定,自激升力近似为直流力;当位于背风侧时,受公路尾流的干扰,铁路表面存在较大面积的负压区,公路尾流的脉动导致了铁路气动升力的振荡,因而产生了大幅振动。研究了双幅非对称平行主梁间气动干扰效应对涡振性能的影响,揭示了涡振及气动干扰机理,为类似桥梁的工程设计提供了参考依据。

双层桥面钢桁梁吊装阶段的涡振性能研究

为了确定具有双层桥面钢桁梁的双主跨悬索桥在加劲梁吊装阶段的涡振性能,通过有限元软件ANSYS对不同吊装阶段的结构进行了模态分析,讨论了竖弯和扭转模态特性随吊装率的变化,分析了吊装梁段间约束、边跨端部约束对桥梁动力特性的影响。在此基础上,制作了几何缩尺比为1/48.1的刚性节段模型,通过风洞试验测试了不同风攻角下双层桥面钢桁梁的涡振性能,换算了桥梁不同吊装阶段的涡振锁定风速和最大振幅,并由加速度允许值1 m/s2进一步换算得到涡振振幅参考限值。研究结果表明:桥梁各跨之间的振动关联性较强,梁段间临时连接的刚度对单主跨反对称模态有明显影响。在单主跨正对称模态中,边跨振动的参与度较高,故可以采取对边跨端部进行约束的方式限制其线位移,从而有效地抑制边跨的振动,提高其竖弯和扭转模态的频率,但会加剧另一侧主跨的振动。在吊装阶段,该加劲梁存在发生扭转涡振的可能性,但在竖直方向的涡振响应不明显。来流风攻角对桥梁的扭转涡振振幅有显著影响,但涡振锁定风速受风攻角的影响较小。吊装中、后期桥梁的涡振锁定风速及其振幅增大,而扭转频率的增大使得振幅参考限值减小。对于有利于桥梁颤振稳定性的吊装方案而言,扭转频率的提升增加了涡振响应的不利影响。

拱桥拱肋段缆索吊装状态时的风致响应研究

山区地形地貌复杂,受施工场地的限制,大跨桥梁施工多采取跨越能力强的缆索吊装法,但缆索系统轻柔的力学特性使其抗风问题突出。为掌握拱肋段缆索吊装过程中的风致响应特性,该文以某山区钢管混凝土拱桥为对象,首先通过有限元分析研究了缆索吊装体系在空载和吊重状态下的模态特性,讨论了拱肋段的动力学行为及影响因素;然后通过计算流体力学仿真模拟识别了不同拱肋段的气动力系数;最后通过瞬态分析计算了拱肋段缆索吊装状态时的风致响应。研究结果表明:当缆索吊装系统为吊重状态时,起吊索和吊重物在横桥向和绕竖轴扭转的风致振动现象明显;当吊装段由边跨向跨中行进时,其振动大小呈先增大后减小趋势;当吊装段下降时,除横桥向振动增大外,其余方向的振动均有所减小。

三塔四跨悬索桥施工阶段颤振性能研究

为了解双主跨悬索桥加劲梁吊装期间颤振稳定性,以跨度为(230+800+800+348)m三塔四跨悬索桥为背景,分析该桥加劲梁吊装期间的颤振性能。建立该桥不同吊装阶段三维有限元模型,分析竖弯、扭转模态特性,采用理想平板颤振临界风速理论公式计算桥梁不同吊装阶段及各模态组合下的颤振临界风速,以确定最不利吊装阶段及模态组合;基于此,设计节段模型风洞试验测试原断面及上桥面中央增设竖向稳定板断面桥梁颤振临界风速。结果表明:三塔四跨悬索桥施工阶段的模态特性复杂,颤振分析时模态组合需考虑两主跨间的振动关系;该桥吊装率为8.5%和19.8%时,颤振临界状态由以北侧主跨振动为主的扭弯模态组合确定,吊装率≥29.3%时,颤振临界状态由以南侧主跨振动为主的扭弯模态组合确定,最不利吊装率为40.8%;该桥加劲梁原断面的颤振性能较差,在上桥面中央增设竖向稳定板可以有效提升桥梁的颤振临界风速。

侧风下磁浮列车-箱梁组合系统气动特性

与轮轨列车-桥梁组合系统不同,常导磁浮列车-桥梁系统采用“车抱轨”的结构形式,且列车底部与桥梁之间的空气通道极其狭窄,使得侧风下磁浮列车-桥梁组合系统的空气流动、气动力出现新的特征。本文以常导抱轨式高速磁浮列车和简支箱梁桥为研究对象,建立侧风数值分析模型,探讨组合系统的雷诺数效应,确定合适的模拟风速。在此基础上,对侧风下磁浮列车-箱梁组合系统的侧风气动特性进行分析,为磁浮交通的抗风运营安全提供参考。结果表明:磁浮列车-箱梁组合系统的气动特性与雷诺数密切相关,列车、箱梁气动性能受组合影响变化较大,线间距对系统气动性能的影响不明显,增大梁高会使系统气动力略有增加。

黄河大堤非饱和土土-水特性试验研究

模拟工程中非饱和土体的实际受力状态,利用改进的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土在不同围压条件下的土-水特性进行了试验研究。根据试验结果,分析了黄河大堤非饱和土体在外荷作用下土-水特征曲线及其变化规律。并对相应的土-水特征曲线模型进行了拟合,得出其拟合函数。根据土-水特征曲线可知,非饱和土的基质吸力随着土体所受周围压力的增大而减小,随着含水量的增大而减小;对于某一类土而言,在高含水量(含水量>20 %) 时,土的基质吸力随含水量的变化较小,而在低含水量 (含水量≤20 %)时,土的基质吸力随含水量的变化较大。随着含水量的增加,非饱和土的工程性质向弱性变化。

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明:非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。

大跨协作体系桥梁吊跨比对主梁涡振性能的影响

为研究斜拉-悬索协作体系中不同吊跨比对主梁涡振性能的影响,以某斜拉-悬索协作体系桥梁为工程背景,首先,开展了节段模型风洞试验,采用增长共振法获取桥梁断面涡激振动过程中的发展时程与稳态振幅;其次,基于考虑跨向振幅依存性的非线性涡激力模型,对节段模型振动位移时程进行希尔伯特变换识别得到主梁截面的气动阻尼随无量纲振幅变化的关系曲线;最后,计算了8种不同吊跨比备选方案的主梁涡振振幅,明确了大桥从斜拉体系逐渐过渡到悬索体系时主梁涡振的变化规律,提出了一种综合考虑涡振幅值和跨向影响范围的辅助性指标对结果进行评价和对比。结果表明:随着吊跨比增加,基频降低,对应的1阶竖弯模态振型不断变宽;随着吊跨比的增加,跨中涡振幅值不断减小,不同吊跨比下跨中涡振幅值差异约11.1%,同时主梁起振风速有所下降;结合主梁涡振幅值指标η^(*)和主梁加速度指标a^(*)对不同吊跨比下大桥的涡振程度进行综合比较,发现随着吊跨比的增加,虽然跨中涡振幅值不断减小,但主梁的涡振影响范围不断加宽,主梁整体涡振程度显著增加,不同吊跨比下η^(*)差异约59.5%。吊跨比对主梁平均加速度a^(*)影响有限。

Π型叠合梁斜拉桥涡激振动性能及气动措施研究

型叠合梁为气动钝体结构,容易发生气动失稳。本文以一座Π型截面叠合梁斜拉桥作为工程背景,采用风洞节段模型试验与计算流体动力学(CFD)方法,对主梁的涡激振动性能及相应的气动抑振措施展开了研究。在风洞节段模型试验中获得涡激振动风速区间,讨论了不同气动措施的抑振效果,运用计算流体动力学(CFD)方法对主梁涡振发生机理及气动措施抑振机理进行了初步研究。结果表明:在原始断面下,由于尾迹区旋涡的周期性脱落以及主梁上、下表面旋涡演变的相互作用,导致了涡激振动发生。在采取三种不同抑振措施后,除采用上L型导流板断面在+3°风攻角下发生扭转涡振外,其余优化断面均能使得来流平稳地通过,从而抑制涡振发生。本研究可对Π型叠合梁断面的斜拉桥抗风设计提供一定参考。

深切峡谷桥址区风场空间分布特性的数值模拟研究

以大跨度山区悬索桥为工程背景,针对深切峡谷桥址区复杂的地形地貌,应用CFD商业软件FLUENT进行区域地形风场数值模拟分析,通过多工况的计算分析,揭示了复杂地形地貌桥址区空间风场的分布特征,对比分析桥址区风速沿竖向和沿主梁方向的变化特点,确定不同攻角情况下桥面风速及其与梯度风速的比值关系,并根据风洞试验及风致响应分析的需要,提出以包络线表示的风速-风攻角对应关系。研究表明,深切峡谷桥址区风场特性复杂,具有明显的三维特征,与跨海及跨江大桥桥址区的风场特性存在明显差异。研究结论为桥梁设计风速确定及进一步的抗风设计提供依据。

非饱和土的渗透特性试验研究

由于非饱和土的复杂性和多变性,其渗透特性明显不同于饱和土,并且试验难度较大。利用特制的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土的渗透特性进行了试验研究,为非饱和土渗透系数的直接测定奠定了基础。根据试验结果,得出了黄河大堤非饱和土土体在不同含水量下的围压-渗透系数关系及其变化规律,以及不同围压条件下质量含水量-渗透系数关系及其变化规律,同时,对其关系曲线模型进行了拟合,得出了相应的拟合函数。

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。