大跨度桥梁非线性颤振理论与试验研究

目前,在线性颤振设防标准下,大跨桥梁的设计与建设成本巨幅增加,严重阻碍了大跨度桥梁的进一步发展,亟需研究大跨度桥梁的非线性颤振特性并构建相关非线性颤振分析理论,为后颤振设防标准的构建提供理论依据。该研究发展了基于自由振动风洞试验识别幅变颤振导数的方法,建立了多/全模态耦合三维非线性颤振频域快速分析方法和能够考虑气动与结构双重非线性效应的三维时域分析方法,拓展了桥梁断面节段模型大振幅非线性颤振研究的风洞试验技术。基于发展的非线性颤振分析方法,以国内某四主缆双层桁架主梁断面悬索桥为背景,研究了该桥主梁断面的非线性颤振特性,量化了竖向自由度对该断面非线性颤振的影响,探究了多模态耦合效应对该桥非线性颤振的影响规律,发现了几何非线性效应诱发的超谐共振行为,并据此揭示了几何非线性效应对该桥非线性颤振的影响机制。该文方便读者对非线性颤振理论与分析方法有比较全面的了解,研究可为今后建立大跨桥梁的韧性抗风设计标准提供理论支撑和技术保障。

城市水灾下交通路网基础设施(群)韧性研究综述

从韧性研究角度出发,结合水动力模型与交通流理论,对城市水灾下交通路网基础设施(群)分析理论、运行机制、模型构建、安全管控、恢复提升等进行分析与阐述.首先,运用文献计量法,分析水灾下路网韧性研究概况与发展历程,明晰城市水灾下路网分析方向热点与演进历程;其次,从城市水淹计算与水灾交通路网2个角度,系统梳理城市雨洪场景与设施交互的计算理论;进而,分别从交通路网基础设施与城市水灾之间的相互影响、地上立交枢纽与地下交通设施水灾分析以及水灾下城市交通路网韧性分析与度量出发,阐述城市水灾与交通路网基础设施交互机制;然后,从灾前预防、灾中调度以及灾后恢复3个阶段,说明城市路网水灾处置与性能恢复策略.最后,归纳既有研究面临的主要问题与挑战,并从基于信息物理融合的智能调度、计入垂向尺度的交通设施抗水分析、面向实际场景的高精度恢复模型等方面,对极端气候下城市交通路网基础设施(群)韧性研究未来方向进行研判.

挑臂长度对钢桁梁颤振稳定性的影响

基于数值模拟方法研究挑臂长度对钢桁梁悬索桥的颤振稳定性影响.通过风洞试验测试不同攻角下某悬索桥钢桁梁原设计断面(挑臂长度L为0.947 m)的颤振稳定性,并与CFD结果对比,验证了数值方法的可靠性.然后对同一折减风速下单个周期气动力输入的能量值大小以及流场的演变规律进行研究,得到不同的挑臂长度(0.0L,0.5L,1.0L,1.5L)对钢桁梁颤振稳定性的影响.结果表明:正攻角下,挑臂长度对钢桁梁的颤振稳定性影响不明显,而0°攻角及负攻角下,挑臂长度为1.5L的钢桁梁断面颤振稳定性显著优于其他工况.0°攻角钢桁梁上表面旋涡的运动导致的压强变化以及下表面迎风侧压力值的变化成为气动力的主导因素,气动力方向与钢桁梁运动方向相同,促进扭转振动发散,而增大挑臂的长度削弱了上表面旋涡的尺度,并在挑臂处形成了强度大小相对稳定的压强区.负攻角钢桁梁上表面无明显旋涡,下表面旋涡的演变及压力变化成为颤振发散的主导因素,增加挑臂能削弱下表面旋涡的尺度和强度,并在迎风侧挑臂的下表面处持续形成稳定的负压区,气动力输入的能量值为负.

基于高斯过程的桥梁代表性监测数据选取策略

高斯过程作为一种机器学习方法,能够有效拟合外部环境对结构状态的影响。不同于传统的机器学习方法,高斯过程模型允许通过自适应的方式获得合理的超参数,这使得该类方法更易于实现。此外,得益于贝叶斯模型方法的特性,高斯过程能有效考虑数据不确定性的影响并具备更好的泛化性能和可解释性,已被广泛应用于结构状态评估中。但随着训练数据的增大,高斯过程的运算时间会显著增加。为解决这个问题,本文提出了一种基于稀疏高斯过程框架的代表性监测数据选取策略,用数据尺寸更小的代表性监测数据集代替全体监测数据集以降低运算时间,实现在线结构状态预测。本文提出了新颖度和冗余度2种基于统计学特性的评价指标,以保证代表性数据集的有效性。本方法被应用于一座大跨径悬索桥的结构健康监测数据,结果表明所提出方法可以在保证精度的情况下,显著提高运算速率,且能较好的拟合环境因素影响,表明该策略在实际工程中具有较高的可靠性与适用性。

山区峡谷桥址处风场实测与数值模拟研究

为准确模拟山区峡谷桥址处的三维紊流风场,以澧水大桥所在峡谷为工程背景,将现场实测风场用谐波合成法进行等效处理生成了满足峡谷风场特性的随机来流,然后基于对Fluent的二次开发,将生成的随机来流赋予大涡模拟的入口边界.通过对比本文方法和无脉动入口计算结果发现,本文方法更能体现山区峡谷风场的真实流态,最后在本文方法基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟,得到了峡谷桥址处风场的详细分布特性,可为山区峡谷地形紊流场精细化数值模拟提供参考.

偏高岭土基地质聚合物的配合比及养护条件对其力学性能及凝结时间的影响研究

本文以煅烧得到的偏高岭土为原料,以氢氧化钠与水玻璃作为复合碱性激发剂制备地质聚合物,系统考察了氢氧化钠、硅酸钠和水等组分含量的变化,对地质聚合物力学性能及凝结时间的影响;以及在最优激发剂配合比的选择下,不同的养护条件对于地聚物力学性能的影响。研究结果表明:地聚物力学性能及凝结时间随氢氧化钠用量增加先提高后降低;且影响作用趋于一致。水的用量对地聚物的强度基本无影响,但对凝结时间影响较大。适当提高养护温度可以提高地质聚合物的强度,适当延长养护时间可以提高地质聚合物的早期强度。

横风下车桥系统气动特性的风洞试验研究

为考虑车辆和桥梁的相互气动影响,利用研制的测试装置,测试了不同工况下车辆和桥梁的气动力系数,讨论了风场的紊流特性、风速、前后车辆干扰、车辆横向距离对车辆气动力系数的影响以及车辆对桥梁静三分力系数的影响;通过分析研究车辆和桥梁表面压力测试结果,探究了车辆和桥梁气动特性发生变化的原因,验证了测试数据的准确可靠性。研究结果表明:风场的紊流特性、前后车辆干扰以及车辆横向距离对车辆气动力系数有较大的影响,而风速对其基本没有影响;另外,桥梁静三分力系数受车辆的影响也比较大。

偏高岭土活性的煅烧温度影响及测定方法研究

偏高岭土基地质聚合物在土木工程领域具有广泛的应用前景,其中偏高岭土的活性对生成的地质聚合物性能具有重要影响。评定偏高岭土活性的最直接方法是比较生成的偏高岭土基地质聚合物的抗压强度,但该方法周期较长,不利于实用。本文通过对高温煅烧后偏高岭土的DSC-TG分析、XRD分析和NMR分析,讨论了偏高岭土活性与其中活性氧化铝含量的相关性,探索了偏高岭土的高温活化机理和活性测定原理,提出了改进的滴定络合法和紫外分光光度计法并应用于偏高岭土活性测定,进而通过偏高岭土地聚物的力学性能试验予以验证。试验结果表明,煅烧温度对偏高岭土的活性有显著影响,随煅烧温度升高呈现先提高后降低的规律;滴定络合法和紫外分光光度计法可以测定铝的溶出率并且用于偏高岭土活性的快速测定。

桥梁抖振力空间相关性对风-车-桥耦合动力响应的影响

基于提出的抖振力模型和建立的风-车-桥耦合振动模型,发展了一种可以考虑抖振力空间相关性的风-车-桥耦合振动分析方法,并编制了相应的计算程序.以江顺长江大桥为工程背景,测试了桥梁抖振力的空间相关性和考虑车桥耦合作用的车桥气动参数,分析研究了桥梁抖振力空间相关性对侧风作用下桥梁和车辆耦合动力响应的影响.研究结果表明:桥梁抖振力空间相关性对桥梁动力响应有显著影响,对车辆的动力响应也有一定的影响.

胶层厚度对CFRP板材与混凝土界面黏结性能影响

根据8个单剪试件的试验研究结果,采用有限元通用软件ABAQUS进行了数值模拟,通过分析试件的破坏模式、FRP板应变分布规律和极限承载力的变化情况,考察了胶层厚度对CFRP-混凝土界面黏结强度的影响。研究结果表明:胶层厚度对CFRP-混凝土界面的黏结性能有显著影响,黏结强度随胶层厚度增加而提高,增加到3 mm时达到最大;超过3 mm时,强度等级低的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而减小,而强度等级高的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而继续增大,但增加幅度减小。

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.

运行状态下超大型冷却塔内表面风荷载的数值模拟研究

对运行状态下的某超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟.在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,采用DPM模型结合UDF函数方法加入源项来研究某超大型冷却塔内表面平均风压分布;塔中水相采用了拉格朗日方法模拟,而空气相采用欧拉方法模拟,较好地实现了冷却塔运行状态下的内外流场计算及其与传热传质的耦合计算,分析了运行状态下冷却塔横风向来流时的内压分布规律.无侧风工况下计算结果显示,塔运行过程中的内表面压力对称性良好,出水温度与实测结果相符,验证了本文提出的塔运行过程中的传热传质计算方法的正确性.侧风工况下得到塔内压力系数沿高度方向相应变大,而沿纬向变化不明显.同时讨论了中国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,给出了建议取值,为超大型冷却塔设计过程中的内压计算提供方法和依据.

侧风对超大型冷却塔内空气动力场的影响研究

对常见的七种导流叶片的侧风预防措施效果进行了CFD数值模拟,为导流片的选取提供依据。在计算流体动力学方法的基础上,忽略塔内的传热传质过程,引入风扇边界条件来模拟由于热蒸汽而引起的塔内抽力,采用多孔介质边界条件来模拟全塔的阻力及填料区通风率,并且在雨区和填料区使用UDF编写阻力源项程序来模拟空气流经塔内的阻力,研究了不同型号导流片及不同侧风对塔内的空气动力场分布特性的影响。系统地得到了各种型号导流片在不同侧风下的整流效果,定量的分析了侧风对塔内流场的影响,给出了侧风防御措施的选取原则,为冷却塔导流片的选取提供理论依据。

界面优化下的GFRP-混凝土组合桥面板静力性能试验研究

为推广GFRP-混凝土组合桥面板的工程应用,在GFRP-混凝土组合板界面抗剪试验研究的基础上,选取黏砂连接和环氧树脂湿黏结2种连接界面,将前期研究的GFRP-混凝土组合桥面板的连接界面进行重新优化设计,制作10块试件进行静力试验,并将试验结果与前期研究结果进行对比分析.研究结果表明:界面重新优化设计的组合板试件,在试验加载过程中能够满足平截面假定,具有良好的整体工作性能,具有较高的承载力和良好的变形恢复能力;试件的破坏虽然为脆性破坏,但是在破坏前构件的变形较大,有一定预兆,具有较高的强度安全储备.

不同车流对桥梁静三分力及局部风压影响的风洞试验研究

在风-车-桥耦合系统中,不同交通状态车辆将引起桥梁气动力和局部风压的变化。采用测压法测试了不同车流下桥梁断面三分力系数随攻角的变化情况,研究了不同车流下车辆对三分力系数以及局部风压的影响。研究结果表明:在堵车情况下车辆对桥梁断面三分力影响最大,车辆引起桥梁阻力系数和升力矩系数显著减小,使升力系数增大。在车桥耦合风场作用下,桥梁顶面迎风侧压力值产生由正到负的剧烈幅值变化。

考虑车-桥耦合振动及桥面平整度退化影响的拱桥吊杆疲劳分析

现有拱桥吊杆疲劳分析中,较少考虑车-桥耦合振动及考虑桥面平整度退化的影响,致使分析成果具有一定的局限性.根据在役桥面平整度等级国际通用评价体系,模拟了运营阶段桥面平整度退化历程.结合已编制随机车流-桥梁耦合振动分析程序,建立了可考虑车-桥耦合振动及考虑桥面退化等因素的拱桥吊杆疲劳分析模型.以某拱桥为工程背景,对比研究了不同因素作用下拱桥典型吊杆的疲劳损伤及疲劳寿命.结果表明,车-桥耦合振动及桥面平整度退化因素对拱桥吊杆疲劳影响较大,在考虑车-桥耦合及桥面平整度退化共同影响下,计算得到的吊杆疲劳寿命值比不考虑两者影响所得值少15~30年.研究成果对桥梁结构正常使用状态评估有一定的工程应用价值.

基于面接触的车桥耦合振动研究

现有分析车-桥耦合振动的研究中都假设移动车辆与路面的接触关系为点接触。事实上,轮胎与路面是通过面接触的。通过建立新的三维车轮模型,分析了面接触对车-桥耦合振动的影响,将车轮与路面的接触面模拟为长方形,通过接触面间的位移协调条件和力相互作用建立车-桥耦合振动方程。对车速、车轮刚度与阻尼、接触面尺寸大小、车辆数目等进行参数分析,研究了接触面对车-桥耦合振动的影响。数值计算与试验结果验证表明:所提出的模型能更准确合理的研究车桥耦合振动。

大跨径悬索桥施工阶段颤振稳定性影响因素研究

基于全物理坐标法的ANSYS有限元模型,对中渡桥施工阶段颤振稳定性进行分析,分别研究对称与不对称施工、不同初始风攻角、结构阻尼等因素对施工阶段颤振稳定性的影响。研究结果表明:不对称施工顺序更有利于施工阶段的颤振稳定性;初始风攻角为-3°时有利于颤振稳定性,而+3°时最为不利;结构阻尼对颤振稳定性影响较大,特别是早期施工阶段尤为显著,可明显改善大跨度悬索桥施工阶段颤振稳定性。分析方法可为桥梁设计和研究人员提供参考。

偏高岭土基地聚物合成的固化温度影响机理

考察了不同固化温度下9种偏高岭土基地聚物的力学性能,并通过微量热、红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)等测试技术分析了固化温度影响偏高岭土基地聚物性能的作用机理.结果表明:升高固化温度可以促进硅铝酸盐的溶解和缩聚,从而提高偏高岭土基地聚物的力学性能;但过高的固化温度会使缩聚反应速度过快,从而使硅铝酸盐溶解所产生的缩聚反应前驱物被生成的胶凝体所包裹,无法接触碱激发剂发生缩聚反应,造成地质聚合反应不充分和地聚物力学性能降低.

江顺大桥风致抖振响应及斜拉索疲劳损伤分析

大跨度斜拉桥在脉动风荷载作用下拉索的疲劳损伤问题不容忽视。以江顺大桥为研究对象,进行了考虑静风平衡的抖振响应及拉索疲劳损伤分析。首先通过谐波合成法合成了桥址处的脉动风速,在综合考虑桥梁的几何非线性与风荷载非线性的基础上,运用ANSYS软件进行了桥梁结构的风致抖振响应分析;然后利用MATLAB软件编制的雨流计数法程序对拉索单元的应力时程进行数据统计,得到拉索单元的应力幅值及对应的循环次数;最后基于Miner线性累计损伤原理对关键位置拉索进行疲劳损伤研究,分析了风参数对拉索疲劳损伤的影响。研究结果表明,疲劳损伤最大的拉索为背风侧的跨中长拉索;风速与风攻角越大,拉索疲劳损伤也越大。