水流、波浪作用下复杂桥墩动力响应

为了明确水流和波浪作用下复杂桥墩动力响应特点,以某4柱桩柱式框架墩连续梁为依托,运用ANSYS建立桥梁(墩)-水耦合数值分析模型,分析桥墩在水流作用下绕流,对单墩和桥跨结构中该墩在不同流速、不同波高以及波、流联合作用动力响应进行研究。研究表明:绕流分析显示各墩柱速度场和压力场不对称;水流单独作用时,动力响应均随着流速和水深的增加而增大;与单墩相比,由水流产生的桥梁结构中桥墩动力响应小,且动力响应随流速和水深增加而逐渐增大;波浪单独作用时,单墩和桥梁结构中桥墩的动力响应均在波峰作用时产生最大值,在波谷作用时产生最小值;随着波高增加,桥墩和桥梁动力响应在波峰和波谷处动力响应最值随之增大;随着入水深不断增加,波浪对单墩和桥梁结构中桥墩的动力作用越显著;波、流联合作用时,桥梁结构中桥墩动力响应均随着波高和水深增加而增加,波峰时动力响应最值随着流速增加而增大,波谷时动力响应最值随着流速增加而逐渐减小,水流影响系数最大12.96%,表明波浪在动力响应中起主导作用;波浪波向和水流流向相同时,波、流联合作用动力响应并非两者单独作用叠加。

基于动力荷载试验的多跨连续T梁桥的受力性能研究

汽车动力荷载作用下多跨连续T梁的受力性能反映着桥梁结构的使用性能和损害情况。为研究汽车动力荷载作用下多跨连续T梁的受力情况,文章首先结合环境状况和结构特点,从动力荷载的关键试验断面、汽车荷载值以及汽车荷载具体试验方法等对动力荷载试验进行方案设计;其次基于动力荷载试验数据分析结果,从结构的自振频率、阻尼比、脉动时程曲线等对结构的动力特性进行了对比分析;最后利用脉动实测法,研究了汽车动力荷载作用下的试验效率、实测冲击系数和行车振动频谱变化规律。研究表明:大桥实测左右幅基频均为4.75Hz,均大于理论计算基频,左右幅实测阻尼比分别为2.06%和3.47%;左右幅实测冲击系数分别在0.02~0.13和0.09~0.32之间,均小于理论计算冲击系数;大桥左右幅跑车的各项动力系数均在正常范围内。

风荷载作用下的大跨度斜拉桥振动分析

风荷载是引起桥梁随机振动的主要原因之一,因此风致振动的分析研究对于实际桥梁的设计及振动控制具有重要意义。风通常用随机过程描述,并且在空间位置上具有相关性,相应的振动分析可基于随机振动理论进行研究。基于此,本文以白居寺长江大桥为研究对象,开展对于大跨度斜拉桥的风致振动响应研究,算例分析表明,通过样本模拟得到的响应均值和标准差足以描述其概率特性。本文研究成果对于桥梁的振动控制及设计具有工程指导意义。

基于逆高斯随机过程的混凝土梁桥抗力退化模型

为准确体现混凝土梁桥抗力退化的时变性与随机性,运用逆高斯(IG)随机过程建立了结构抗力退化模型.基于现场检测数据,采用贝叶斯更新理论对IG随机过程进行实时更新.针对IG随机过程中的参数因先验分布与后验分布非共轭而难以采样估计的问题,提出了混合Gibbs采样法.结合数值案例论证了该方法的可行性,并将其应用于某一混凝土梁桥的抗力预测分析.研究结果表明:IG随机过程可利用现场检测信息对桥梁抗力退化过程实时更新;混合Gibbs采样法可解决IG随机过程的高维参数估计问题,克服了形函数中指数q值的经验性给定缺陷;随着服役年限的增大,桥梁结构的累积退化量逐步增大,当桥梁服役年限为60 a时,其累积退化量为服役年限为30 a时的3.48倍.与Gamma随机过程相比,IG随机过程避免了部分初始参数的假定,可得到更为精确的桥梁抗力退化模型.

隐变量模型及其在贝叶斯运营模态分析的应用

贝叶斯FFT算法是运营模态分析的最新一代算法,以其准确性高、计算速度快、可有效进行不确定性度量等优点受到广泛关注。然而,现有贝叶斯FFT算法针对不同情况(稀疏模态、密集模态、多步测试等)需采用不同优化算法,且编程实现极为复杂。为此,本文旨在提出针对不同情况的贝叶斯FFT算法的统一框架,并实现模态参数的高效求解;视结构模态响应为隐变量,建立贝叶斯模态识别单步测试和多步测试的隐变量模型框架;针对提出的隐变量模型运用期望最大化算法实现各种情况下模态参数的统一贝叶斯推断,利用隐变量解耦模态参数优化过程,采用Louis等式间接求取似然函数的Hessian矩阵。通过两个实际工程测试案例,并与现有方法对比,验证所提方法的准确性和高效性。分析结果表明,本文所提算法与现有方法结果相同,但其推导简单、易编程,尤其对于密集模态识别问题具有明显的计算优势。本文为贝叶斯模态识别建立起统一的隐变量模型框架,在很大程度上简化原本繁琐且冗长的推导过程,提高计算效率,同时也为应用变分贝叶斯、吉布斯采样等算法求解贝叶斯模态识别问题提供了可能。

考虑系梁作用高墩刚构桥整体稳定的实用算法

研究目的:高墩刚构桥柱式高墩间常常设置系梁,目前计算高墩刚构桥整体稳定主要有计算长度系数法和有限元法,计算长度系数法须逐根桥墩计算且无法考虑不同系梁间桥墩段的影响,有限元法由于计算理论和方法都隐含在软件中,如何对计算结果的准确性和可靠性进行验证又是必须解决的难题。为此,本文基于摇摆柱受力特点通过结构转换的概念将确定柱式高墩刚构桥整体稳定的二阶计算转化为确定其整体抗侧刚度的一阶问题。研究结论:(1)本文提供了一种通过结构抗侧刚度求解高墩刚构桥整体稳定临界力的计算方法;(2)本文给出了柱式高墩刚构桥整体稳定临界力的计算公式,该式能考虑柱墩之间系梁的影响,弥补了规范计算长度系数法的不足,具有很好的精度及准确性,可为校核有限元整体稳定计算结果的可靠性提供一种解析验证手段;(3)本文研究成果可供桥梁工程设计和理论计算使用。

施工期跨海桥梁矩形设置基础波流力研究

为给跨海桥梁矩形设置基础施工提供参考,研究跨海桥梁矩形设置基础定位下沉过程中墩位水深及结构吃水深度对其波流力的影响。基于垂向多层σ坐标变换模型和大涡模拟LES方法建立三维波浪-流与结构物相互作用的数值仿真模型,分析不同水深及结构吃水深度时,单独波浪作用和波流共同作用下矩形设置基础的波流力及其统计值和流场分布特征,并提出施工期矩形设置基础下沉过程波流力简化算法。结果表明:矩形设置基础在定位下沉过程中,垂直来流传播方向的结构阻水面积随之增大,流场的复杂绕射作用使得波流力峰值呈非线性增大趋势;由于浅水波在整个水深范围影响都比较大,矩形设置基础波流力对结构吃水深度的变化相对深水条件更为敏感;结构波流力峰值不对称系数随吃水深度增加逐渐减小,且波流力表现为正向峰值大于负向峰值的强烈不对称性特点;随着结构吃水深度增加,单独波浪作用、波流共同作用时,在流场复杂绕射作用下,矩形设置基础迎浪侧的波面爬高增大,涡脱现象愈加明显;提出的跨海桥梁矩形设置基础下沉着床过程波流力简化算法可用于估算设置基础施工期波流力。

对数律和指数律风剖面的差异分析及其对桥梁抗风性能评价的影响

现有的公路桥梁抗风设计采用指数律风速剖面来计算各个基准高度的平均风速,然而气象学实践和一些国家规范中早已采用对数律风速剖面,两种风速剖面在不同高度处的平均风速差异及其对桥梁抗风的影响应当值得关注。对比了不同地表粗糙类型下对数律模型和指数律模型在不同高度处的风速差异,并采用ANSYS有限元软件计算了实桥在风荷载下的位移和桥塔弯矩差异。结果表明,在地表粗糙度较大和离地高度较大时,对数律和指数律模型的风速差异较为明显,风荷载的差异对桥梁内力和位移造成的影响不可忽略。有必要进一步研究这两种风速剖面模型在高空处的准确性,以更好地指导桥梁的抗风设计。

桥梁风工程研究中的雷诺数效应研究进展

桥梁风工程研究中的雷诺数效应问题是伴随着风洞试验方法产生的一个基础性问题,随着桥梁尺寸的增大其雷诺数也逐渐增大,风洞试验雷诺数和实桥梁雷诺数的差别对试验结果的影响越来越受重视。该研究阐述了雷诺数效应问题的由来,回顾了雷诺数效应研究的发展历程,总结了针对圆形断面、矩形断面、主梁断面等不同桥梁结构断面雷诺数效应问题的研究进展,包括结构周围流场、气动力、风致振动随雷诺数的变化,指出了桥梁风工程雷诺数效应研究中尚待解决的问题,为今后该领域的研究提供参考和建议。

基于可变元胞与跟驰理论的元胞自动机模型

为准确模拟桥址随机车流荷载,提出基于可变元胞与跟驰理论的元胞自动机(cellular automata,CA)模型。首先,重新定义元胞构成,提出以车辆为核心的动态可变元胞,并将精确的轴间距和轴重信息融入车辆元胞,实现车辆荷载的精确模拟;然后,引入跟驰理论,提出基于跟驰理论的状态演化规则,推导每辆车的专有加速度,实现车辆微观交互的模拟;最后,提出基于实测动态称重系统(weigh in motion,WIM)数据的发车规则,依据WIM数据,重构任意时段的实际车队,并建立基于车头时距的发车规则,重现车辆通过WIM时的运动状态。基于所提出的发车规则和动态演化规则,实现车辆从进入道路到驶离道路全过程时空位置的准确模拟,结合融入精确轴载的车辆元胞,实现随机车流荷载的模拟。基于实测WIM数据验证所提模型的可行性和先进性。结果表明:可变元胞可以精确模拟车辆荷载;提出的状态演化规则可以根据不同车辆的运动状态计算得到每辆车的专属加速度,准确模拟每辆车在自由行驶和跟驰行驶时的不同运动状态;新发车规则可以重构任意时段的实测车队,结合新状态演化规则,可以实现桥址任意时段随机车流的模拟。结合精细化车辆荷载模拟和合理的车流模拟,可实现桥址随机车流荷载模拟。

通车条件下抗扰动混凝土拼接养护期微观损伤研究

扩建桥梁的拼宽连接需要在通车条件下进行,对于仍在养护期内的抗扰砼拼接带性能可能会产生一定影响。通过现场检测仅能发现拼接带的宏观损伤,行车振动引起的拼接带内部微观损伤难以观测。基于有限元仿真分析、CT扫描技术,对拼宽桥梁拼接带的受力分布情况及实际损伤状况进行了研究。首先,利用ANSYS有限元软件建立拼宽桥梁实桥仿真分析模型,明确不同工况下拼宽桥梁拼接带的受力特点。其次,基于仿真模拟结果选取拼接带关键位置,获取拼接带跨中、四分点截面的接缝中心线及交界面关键位置处的抗扰砼芯样,进行抗扰砼芯样的外观观测。最后,利用CT扫描技术获取芯样断层扫描观察图像,并基于获取的扫描数据对芯样内部结构进行了三维重构,分析拼接带抗扰砼在受扰振动后的集料分布情况、裂缝扩展情况。结果表明:各工况下拼接带抗扰砼横向受力主要以顶部受压、底部受拉为主,仅支点位置附近存在偏压趋势,且均能满足抗扰砼材料强度要求;对于拼接带中心线位置处的芯样,芯样内部无明显裂纹损伤,芯样内部骨料、纤维分布均匀,拼接带顶部钢纤维多水平分布、底部纤维多斜向分布;对于交界面位置处的芯样,在芯样顶部交界面存在一定的微裂隙,裂隙深度小于1 cm,该微裂隙对拼接带界面性能影响较小,近交界面位置处,钢纤维存在一定下沉趋势且纤维多呈斜向分布;在通车条件下拼接桥梁,车桥耦合振动将造成拼接带内钢纤维发生取向、甚至下沉的影响,减小拼接带抗扰砼抗拉性能。

胶州湾跨海大桥箱梁氯离子侵蚀状态及细观结构特征分析

为明确胶州湾跨海大桥箱梁现阶段的氯离子侵蚀状态及箱梁混凝土当前的细观结构特征,依托胶州湾跨海大桥暴露试验站进行了取样测试,测试了总氯离子浓度、自由氯离子浓度,并开展了工业CT扫描。通过暴露试件氯离子浓度曲线拟合,分析了现阶段箱梁的氯离子侵蚀状态;根据历史测试数据,分析了北方高纬度海域自然暴露条件下的表面氯离子浓度以及龄期衰减系数;通过对工业CT扫描数据进行分析,研究了箱梁混凝土当前阶段的细观孔结构特征,包括孔隙分布、孔隙率、孔隙尺寸等。研究结果发现:在当前阶段,胶州湾跨海大桥箱梁的氯离子侵蚀最大深度为14~28 mm,表观氯离子扩散系数与有效氯离子扩散系数的比值为1.24~2.77;大气区与浪溅区氯离子结合性能差异较大,大气区氯离子结合系数随深度的变大而逐渐变大,并趋于稳定;在北方高纬度海洋环境下,大气区与浪溅区表面氯离子浓度演变均可采用对数增长规律描述,胶州湾跨海大桥箱梁氯离子传输的龄期衰减系数为0.6129;当服役13.7 a时,胶州湾跨海大桥箱梁混凝土孔隙率为1.05%,等效孔隙直径服从对数正态分布,孔隙表面积与孔隙体积服从指数分布。

顺向正弦来流条件下圆柱气动力和绕流流场数值模拟研究

为深入了解顺向阵风来流对圆柱气动力和流场特性的影响,开展了雷诺数(Re)为1000的圆柱绕流三维大涡模拟,研究了不同频率顺向正弦来流对圆柱气动力和流场结构的影响规律,详细分析了升阻力系数、斯特劳哈尔数(St)、回流长度、分离角和尾流结构等参数的变化规律。顺向正弦来流速度为U=U_(0)+Asin(2πft),其中来流频率f的变化范围为0~0.3 Hz,U_(0)为平均速度,A为竖向正弦来流的振幅,设为0.15U_(0)。研究结果表明:圆柱阻力系数卓越频率(即主导频率)与正弦来流频率基本一致,升力系数存在3个明显的频率峰值,分别对应涡脱频率与来流频率之差、涡脱频率、涡脱频率与来流频率之和。随着正弦来流频率f增大,St先减小后增大,在f=0.25 Hz时达到最小值,而回流长度先增大后减小,且在f=0.15 Hz时达到最大值。当f≤St时,分离角不变,而顺流向最小速度逐渐增大;当f>St时,分离角逐渐增大.

铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算方法及应用

在发生极端洪水时,铁路桥梁上部结构可能会被淹没,在洪水荷载作用下出现滑移、倾覆等。针对常见铁路简支梁桥上部结构形式,采用计算水动力学方法对上部结构洪水荷载的影响因素及计算方法开展研究,并应用于桥梁上部结构抗洪能力分析。结果表明:洪水作用在桥梁上部结构的水平推力、竖向升力和倾覆力矩主要受淹没度、接近比、弗劳德数、截面形式、宽高比等因素影响;淹没度的影响最显著,各分力系数在上部结构从部分淹没变为完全淹没的过程中变化较大,但淹没度大于3之后保持不变;接近比在小于4时有增大洪水荷载的作用;弗劳德数越大,洪水荷载系数越小;在完全淹没条件下,宽高比越小的结构所受洪水荷载越大;相同条件下箱梁比T梁所受推力和升力更小,但力矩更大。位于水流湍急河段的桥梁一般在部分淹没状态下以滑移失稳形式水毁,其中铁路箱梁的抗洪性能最优,单线T梁的抗洪性能最差。

钢混结合梁斜拉桥索梁锚固区的受力性能分析

以某钢混结合梁斜拉桥为工程背景,利用ANSYS软件建立索梁锚固区的空间有限元分析模型,在最不利荷载作用下,对索梁锚固区的受力性能进行线弹性分析;在考虑材料非线性和几何非线性的基础上,进行了极限承载能力分析;锚拉板分别采用Q370qE和Q500qE结构钢时,对其受力性能进行对比研究。研究结果表明:在最不利荷载作用下,锚拉板与锚拉管焊缝连接的圆弧过渡区出现应力集中,达到材料的屈服强度,但其他区域VonMises应力水平在170MPa以内;索梁锚固区的极限承载力约为设计荷载的3.17倍,结构具有较高的安全储备;锚拉板材料采用Q500qE结构钢时,可确保索梁锚固区结构安全、可靠。

双幅连续刚构桥施工阶段风荷载研究

为了研究双幅高墩连续刚构桥的风荷载特性,以陕西洛河大桥为工程背景,通过风洞测压试验,探讨了该连续刚构桥桥墩风压系数随施工阶段结构形式的变化规律,并基于计算流体动力学(CFD)数值模拟,研究了最大双悬臂状态上、下行双幅桥风致干扰效应随其间距的变化规律。结果表明:桥墩最大负压发生在最大悬臂施工阶段,对压力系数的影响明显;双幅桥之间的风致干扰效应随着间距的增大越来越弱。

独柱墩连续梁桥横向倾覆稳定性研究

目前,关于独柱墩桥梁倾覆倒塌事故的报道屡见不鲜,论文以某独柱墩连续梁桥为工程背景,依据相关文件,采用有限元软件MIDAS CIVIL建立了独柱墩连续梁数值模型,分析了该桥最不利工况下的横向倾覆特性。

大跨度矮塔斜拉桥关键节点受力性能的仿真分析

宁波中兴大桥跨越甬江,其主桥由于机场航空限高的要求,采用主跨为400 m的大跨度矮塔斜拉桥设计方案。主桥采用V形钢主塔,塔梁固结并通过大型球钢支座支承在主墩上。经分析,索塔锚固区与塔梁固结处是主桥设计的2个关键节点。节点构造设计复杂,需借助3D空间有限元方法对其受力性能进行仿真分析。利用ANSYS软件建立关键节点的3D有限元仿真模型,并与MIDAS整体模型结果进行比较,验证仿真模型的有效性。通过仿真模型,得到不利荷载工况下关键节点空间应力分布的计算结果,为关键节点构造设计提供可靠依据。

不同风偏角对跨海大桥塔区风环境及风障屏蔽作用的影响研究

基于舟岱通道跨海长桥,通过1∶30刚性模型风洞试验得到0°、10°与20°风偏角下施工态、成桥态塔区桥面行车区间的风速分布,并在成桥态基础上设置风屏障,研究了栏杆与风屏障对塔区来流的屏蔽作用。试验结果表明栏杆并不能有效降低桥面来流风速,而风屏障在不同风偏角下均能有效提高对桥面来流的屏蔽效果,且对于背风侧车道的屏蔽效果较迎风侧车道更好。

基于荷载试验的桁架拱人行天桥承载能力分析

本文以某钢桁架拱式人行天桥为工程背景,通过对桥梁进行荷载试验,利用挠度、应力/应变等静力和动力参数的对比分析,对桥梁的承载能力进行了评定,并结合桥梁外观检测结果,为桥梁维修养护提供基础数据和针对性的建议,从而为桥梁的管理养护提供依据。