移动荷载下道路病害的弯沉盆特性

移动荷载作用下道路弯沉盆蕴含路基、路面的病害信息,充分利用移动弯沉盆信息开展道路病害快速无损检测受到行业重要关注。该文通过分析道路病害的弯沉盆特性,为移动弯沉车开发道路病害检测方法提供技术参考。首先建立半刚性基层沥青路面有限元模型,通过设置不同类型和程度的病害有限元模型,分析在移动荷载作用下路表弯沉盆的连续变化情况。结果表明:荷载移动到病害区域时,各病害模型中路表弯沉盆的中心弯沉值均会变大;路面结构层出现横向裂缝时,弯沉盆的形状会发生明显变化,贯通性横向裂缝对弯沉盆形状的影响最明显;基层与底基层局部松散对弯沉盆形状的影响比面层松散对弯沉盆的影响更明显;土基顶部出现空洞时,弯沉盆形状变化不明显;路基唧泥病害会严重影响路表弯沉盆形状与大小。

移动荷载作用下沥青路面的力学响应数值模拟

掌握沥青路面在移动荷载作用下的力学响应,是更为合理地进行路面结构设计的重要基础。该文基于有限元建立了移动荷载作用下沥青路面力学响应的数值模拟方法,讨论了移动荷载作用下沥青路面结构不同层位的竖向位移、应力与应变等力学响应特征,系统研究了轴载、车速及温度对沥青路面力学响应的影响,为优化路面结构设计提供参考。结果表明:移动荷载作用下,沥青路面各层的竖向位移随路面深度增加逐渐增大,且随轴载与温度增加而增大,而受车速影响较小;沥青路面各层所受应力包括竖向压应力与剪切应力,其压应力与剪切应力均随着轴载增加而显著增加,而受温度与车速的影响较小;相应的各层竖向压应变与剪切应力均随轴载与温度增加而增加,受车速影响较小。路面结构内部的应力与应变情况复杂,在设计中,应控制各结构层最不利应力及应变,满足设计要求。

基于移动荷载谱的高速铁路简支梁桥基频限值分析

控制桥梁振动响应是保证高速列车安全稳定运行的关键,遵循梁体不发生共振或较大位移响应的原则,提出了简支梁桥基频限值频域分析法。首先基于移动荷载列模型,通过傅里叶变换得到了桥梁振动响应谱和移动荷载谱,并从时域角度验证了谱的正确性;然后通过引入间跨比γ和无量纲速度κ,探究了在不同移动荷载列作用下桥梁自由振动发生最大位移响应时,无量纲速度κ和间跨比γ之间的关系;其次根据γ-κ关系曲线分析了24 m、32 m、40 m简支梁桥最大位移响应下的无量纲速度κ;最后为了避免列车激励下桥梁发生共振或较大位移响应,参考国际铁路联盟基频限值规范,基于移动荷载谱给出了移动荷载列在不同设计时速下24 m、32 m、40 m简支梁桥基频限值建议值。研究表明:移动荷载幅值谱与时域计算的桥梁自由振动位移幅值响应规律一致;单节车长25 m左右的移动荷载列以共振速度激励桥梁时,24 m、32 m简支梁桥自由振动都能达到最大位移响应,而40 m简支梁桥仅产生较大位移响应,且在列车运营速度范围内达不到产生最大位移的条件;桥梁基频限值随着列车时速的增加而增大,当最大设计时速400 km/h时24 m、32 m、40 m简支梁桥基频建议下限值分别为6.00 Hz、4.94 Hz、5.66 Hz。

移动荷载作用下正交各向异性地基—黏弹性路面结构动力响应的数值模拟

【目的】沥青路面结构在重载车辆的作用下易产生路面典型损害,通过ABAQUS软件进行数值模拟,研究常温状态下半刚性基层沥青路面结构在实际车辆荷载作用下的动力响应。【方法】将半刚性基层沥青路面道路结构简化为面层-基层-路基3层结构,沥青面层黏弹性采用Burgers模型描述,路基土体通过正交各向异性弹性介质模拟,路面车辆荷载采用移动简谐荷载进行模拟。【结果】路基土体正交各向异性,荷载移动速度、振动频率对道路表面竖向位移及竖向正应力有不同程度的影响。【结论】考虑土体正交各向异性能更准确地描述路基路面的动力响应特性,荷载振动频率、荷载移动速度会对路面竖向位移和竖向正应力产生较为明显的影响。

移动荷载作用下基于主成分分析的斜拉桥拉索损伤识别分析

提出了一种基于主成分分析的斜拉桥拉索损伤识别方法来实现斜拉索损伤识别。该方法首先采集移动荷载激励桥面时拉索结构的加速度响应,然后采用主成分分析法对时域信号进行降维处理,提取降维后信号的统计学数据,结合D-S证据理论构造多阶统计矩融合指标进行识别。以天津永和桥为例,利用有限元进行数值模拟,分别针对斜拉索损伤程度、荷载质量、荷载移动速度对损伤识别精度的影响进行了探究。分析结果表明,所提方法具有良好的识别效果,有较好的噪声鲁棒性。

移动荷载下考虑钢筋作用的混凝土裂缝梁动力响应分析

由于钢筋的约束作用,混凝土梁裂缝截面的局部柔度与无筋时不同。建立了移动荷载作用下考虑钢筋影响的混凝土裂缝梁动力方程,基于力平衡和钢筋与混凝土变形协调对裂缝截面的局部柔度进行修正,采用无质量弹簧模拟裂缝,得到计入钢筋作用的裂缝梁自振特性,通过Newmark方法求解控制方程获取钢筋混凝土梁的动力响应。以受移动车辆荷载的简支梁为例,分析不同荷载速度、裂缝深度、裂缝位置、配筋率等条件下的钢筋混凝土裂缝梁响应。研究结果表明,裂缝处钢筋的约束作用可以显著地影响梁的动力响应,计入钢筋提供的刚度后裂缝梁的位移响应总体减小,且随着开裂损伤程度的增加钢筋的影响呈现变大的趋势。移动荷载下裂缝梁的共振现象较无损梁更为不利,考虑钢筋作用后裂缝梁的共振速度有所提高,共振响应则有一定程度的降低。由于钢筋混凝土裂缝梁和无损梁的共振速度存在差异,在某些荷载速度下无损梁的位移响应大于裂缝梁。

基于切比雪夫拟谱法的移动荷载作用下简支梁动力响应计算

采用切比雪夫拟谱法求解移动荷载作用下简支梁的动力响应问题,该方法通过重新选取插值点的方式并借助转换矩阵对边界条件进行施加,对集中荷载采用高斯函数法进行正则化处理。将本文方法计算结果与解析解和有限元解进行比较,结果表明,在划分较少单元数量时,采用本文方法计算结果与解析解吻合良好,求解效率高于有限元方法。采用本文方法对Dirac函数的正则化参数σ_(n)进行敏感性分析,结果表明,当在±3σ_(n)范围内布置配点数6~10个时,计算结果能取得较好的精度。

移动荷载下无砟轨道路基动应力和动位移研究

无砟轨道路基是承受上部轨道结构自重和列车动荷载的基础,移动荷载作用下路基内部应力应变状态的求解是路基动力学研究的关键。为准确计算移动列车荷载作用下路基的竖向动应力和动位移,建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基-地基数值模型,改进轮轨激振力表达式,基于有限元软件荷载子程序二次开发实现了列车动荷载的模拟,并开展一系列的动力显式数值计算。研究结果表明:路基表面产生与轮轨力数量相对应的动力响应峰值,且最大值出现在第3个转向架荷载通过时刻;路基与混凝土底座板边缘接触位置产生应力集中,竖向动位移在轨道结构下方区域均匀分布;列车荷载引起的路基振动沿深度方向衰减并向轨道中心线位置叠加,在路基底面竖向动应力和动位移分别为8 kPa、0.89 mm;随着车速增加,路基动应力和动位移显著增大;增加路基高度能有效提升路基的荷载缓冲能力,但动位移和动应力的衰减趋势逐渐放缓。综合分析表明,底座板边缘位置和路堤中心区域的土体强度需要受到重视。

埋置移动荷载作用下三维黏弹性半空间的动力响应

采用积分变换方法对埋置移动荷载作用下三维黏弹性半空间地基振动的衰减规律进行了理论研究。首先,基于理想弹性介质的动力Navier方程,利用Helmholtz分解定理及傅里叶变换方法,在直角坐标系中求得了变换域内弹性介质动力响应分量的表达式。结合相应的边界条件及连续条件,得到了埋置移动荷载作用下黏弹性半空间地基动力响应的积分形式解。当荷载埋深为零时,埋置移动荷载退化为地表移动荷载,对比发现退化解结果与已有结果吻合较好。最后,采用IFFT法对地基土体动力响应进行数值求解,分析了移动荷载埋深、速度等因素对地基振动的分布衰减规律以及频谱分布的影响。

移动荷载作用下层状横观各向同性饱和土中排桩的隔振效应

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并以层状饱和地基的解析层元基本解作为核函数,利用边界积分法得到桩-土界面处地基的柔度矩阵;基于两阶段理论,将侧摩阻力响应与移动荷载直接引起的振动进行耦合,结合边界元法得到饱和地基的边界元方程;考虑Bernoulli-Euler梁和土体之间不发生相对滑移和脱开的位移协调条件,耦合有限元和边界元方程,得到排桩的动力响应方程;计算有无排桩隔振下某一观测点的位移,即可结合隔振理论分析排桩的隔振效率。在验证所提方法准确性的基础上,分析了桩长、桩身刚度、移动荷载速度以及横观各向同性参数对排桩隔振效应的影响。结果表明:最优桩长约等于2倍瑞利波长,超过该值隔振效果提高不大;桩与地基的刚度差越大,隔振效果越好;荷载速度超过剪切波速,桩基隔振表现反而更好。

移动荷载下设GFRP传力杆水泥混凝土路面接缝力学性能研究

基于昭阳西环高速公路水泥混凝土路面,利用ABAQUS建立路面三维有限元模型。分析传力杆直径、面板厚度和模量对设GFRP传力杆路面接缝力学性能的影响,对不同轴重与车速下接缝的力学性能指标进行评价。结果表明30 cm厚C35水泥混凝土面板+φ50 mm GFRP传力杆路面结构形式力学性能最佳,荷载工况为车速80 km/h+轴重250 kN时杆周混凝土拉应力值最大为1.421 MPa,满足规范要求。并根据有限元分析结果对不同直径GFRP传力杆子模型进行路用性能试验,验证了数值模拟的准确性。为设GFRP传力杆水泥混凝土路面的设计参数和路面运营期间车辆轴载与车速限值提供参考。

融合响应先验信息和加权字典的移动荷载识别

稀疏正则化方法已被证明能够有效解决移动荷载识别(MFI)中的不适定性问题。然而,现有研究往往忽略了移动荷载中静态与动态分量之间的差异,导致识别精度受限。为此,提出了一种融合响应先验信息和加权字典的移动荷载识别方法。建立了车桥系统中车致桥梁响应与移动车载之间的线性关系。分别对弯矩和加速度响应开展频域分析,将获得的频率先验信息分别用于构建与静态和动态荷载分量相匹配的加权字典。利用该加权字典,采用ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)分别求解移动荷载中的静态和动态分量。通过实桥数值案例证明了所提方法的有效性,并在实验室开展了一系列MFI实验验证。结果表明,融合响应先验信息和加权字典能够有效提升荷载识别精度,并增强其对噪声的鲁棒性。

基于非局部Biot理论的矩形移动荷载下饱和土动力响应

为进一步研究矩形移动荷载下饱和土路基中动力响应问题,首先,基于非局部Biot理论,以饱和土地基为研究对象,建立了考虑孔隙尺寸效应和矩形荷载作用下的非局部孔隙弹性计算模型;然后,考虑路基表面的透水边界条件,采用二次傅里叶逆变换得到饱和土体在矩形移动荷载下的时域内动力响应解析解;最后,分析了在不同模态和不同非局部参数的取值下,矩形荷载移动速度和荷载自振频率的变化对饱和土竖向和水平位移响应的影响。结果表明:在低模态时,非局部参数对饱和土位移响应影响不大,而在高模态时,其影响较大,并且位移响应主要取决于低模态。非局部参数与竖向位移成正比,而与水平位移成负相关关系。当荷载自振频率增大时,位移受到非局部参数的影响,随着非局部参数增大,位移响应峰值会在更低的荷载自振频率处出现,位移响应峰值向左移动。当荷载自振频率增大时,位移受到荷载移动速度的影响,在较低荷载移动速度下会出现位移响应峰值。当荷载移动速度增大时,位移受到荷载自振频率的影响,位移响应峰值出现对应的荷载自振频率减小。

列车移动荷载与非一致地震动作用下轨道-路基系统动力响应

为研究列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统动力响应规律,以京沪高铁和CRH3型列车为研究对象,建立了三维精细化有限元模型,进行了耦合荷载作用下轨道-路基系统动力响应分析。通过平稳地震动时程乘以包络函数合成了非一致地震动,参数化分析了列车运营时速、轴质量及非一致地震动震级对轨道-路基系统动力响应影响规律。结果表明:轨道-路基系统响应幅值并非随列车运行速度提升而增大,存在一个包括临界速度的范围,在此范围内列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统将会出现强烈振动;随着列车轴质量或地震动PGA(peak ground acceleration)增大,轨道-路基系统出现更显著的震动响应。与一致激励相比,非一致激励下轨道板竖向位移峰值和竖向加速度峰值的出现时间更早。

移动荷载作用下悬浮隧道管体TMD减振分析及优化布置

为减小悬浮隧道管体在移动荷载作用下的动力响应,采用TMD作为振动控制措施并对减振效果进行了分析。将悬浮隧道管体简化为弹性地基梁,采用移动简谐力模拟汽车荷载,通过Morison方程计算管体振动过程中的流体附加惯性效应和阻尼效应,推导建立了移动荷载作用下管体-TMD系统振动控制方程组。采用Newmark-β法进行数值求解,分析了TMD对悬浮隧道管体的减振效果。针对悬浮隧道管体振动特征,提出采用分布式TMD的布置形式,并对移动速度、TMD阻尼比的影响进行了讨论。结论表明:TMD对移动简谐荷载作用下的悬浮隧道管体具有显著减振效果,最大位移减振率在50%以上。由于多阶模态参与振动,单一TMD的有效减振范围有限。在保持总质量不变的情况下,采用分布式TMD可以获得较好的整体减振效果。提高TMD质量比和降低移动荷载速度有助于提高TMD的减振效果。增大阻尼比会减弱TMD的效果,应综合考虑减振效果和工作空间的要求确定。

移动荷载作用下正交异性桥面板应力响应分析

研究目的:正交异性桥面板在钢结构桥梁中的应用愈发普遍,但在往复车辆荷载作用下容易引发疲劳开裂。准确评估桥面板在移动荷载下的应力响应是后续开展疲劳分析的基础,因此显得尤为必要。鉴于此,本文建立连续三跨正交异性桥面板实体-板壳多尺度有限元模型,采用Fortran语言编制Dload子程序实现移动荷载施加,全面分析桥面板在不同加载工况下的应力动态响应过程,以便明确典型构造细节的受力状况,为正交异性桥面板的疲劳性能评估与改善提供科学依据。研究结论:(1)加载中心线接近盖板-U肋连接焊缝或U肋开口正上方时是钢桥面板的最不利加载位置;(2)对于盖板-U肋节点,单轮加载分析即可较好地反映其应力响应状态,而对于U肋-横隔板连接处以及横隔板弧形切口区,双轮加载导致的应力影响不可忽略;(3)不同加载工况下,横隔板弧形开口区总是处于高应力态,属于钢桥面板的最不利受力部位,容易引发疲劳破坏;(4)本研究成果可用于钢桥面板结构在车辆移动荷载作用下的应力状态评估。

移动荷载作用下底部局部脱空地基梁力学响应研究

目的针对地基由于塑性变形、雨水冲蚀等引起混凝土路面底部产生的脱空效应,方法 将底部局部脱空混凝土路面简化为跨越空洞的弹性地基梁,采用Kelvin地基模型模拟路基对路面的作用,建立移动荷载作用下局部脱空地基梁动力响应控制方程,运用振型叠加法推导地基梁动力响应解析解。通过与既有理论方法计算结果对比,验证本文方法的正确性。然后采用推导出的理论解析解探讨荷载移动速度、地基弹性系数、地基梁抗弯刚度和脱空区宽度对地基梁动力响应的影响。结果 分析表明:忽略地基梁底部局部脱空的影响,将导致地基梁动力响应理论计算值偏小。地基梁底部局部脱空对脱空区正上方梁的振动位移影响较大,而对脱空区外侧地基梁的振动位移影响较小。地基梁抗弯刚度越小,脱空区宽度对地基梁中点振动位移最大值的影响越显著。当地基梁底部脱空区宽度与梁计算长度的比值为2/9时,地基梁中点振动位移最大值约为不考虑地基梁底部脱空影响时的5倍。增大地基梁抗弯刚度和地基弹性系数可以减小跨越空洞区地基梁中点振动位移,但当地基梁底部脱空区宽度大于1/3梁的计算长度时,提高既有地基弹性系数的控制效果反而较差。结论 混凝土路面底部脱空会加剧车辆荷载下的动力响应。

移动荷载下曲线型连续箱梁结构设计与受力特征分析

曲线型连续箱梁结构具有受力变形特性复杂、设计难度大的特点。为保证该类型桥梁结构能够达到合理受力状态,使混凝土结构满足设计要求,文章依托于某公路工程曲线型连续箱梁结构,分别设计了单箱双室结构中垂直腹板及倾斜腹板两种截面形式,对比了这两种截面形式在双车道汽车荷载作用下的受力变形变化特征,比选了受力性能较好的截面进行二次截面优化分析。结果表明:在汽车荷载作用下,倾斜腹板截面的变形有所改善,外侧车道对边跨跨中均具有较大的变形影响;相比于垂直腹板截面梁,倾斜腹板截面梁在荷载作用下的竖向轴力值更小,支座处竖直方向的剪切破坏程度得到较大的改善;适当降低截面高度、增大箱梁上部结构翼缘厚度后,结构的变形值提高幅度不大,且能够有效降低结构应力,保证结构安全。

基于移动荷载的双层SMA钢桥面铺装结构研究

为揭示罗埠大桥双层SMA铺装层早期病害原因,利用ABAQUS有限元分析软件对钢桥面建立了三维有限元模型,并施加了移动荷载,首先研究了沿行车纵向各典型位置处双层SMA铺装层力学响应,对比分析找出了力学指标的最不利断面;然后研究了3种具有代表性的荷载移动带下双层SMA铺装层力学指标沿横向和竖向的分布规律,揭示了力学指标的最不利位置;最后,基于双层SMA铺装层早期病害原因,对其进行了有针对性的结构优化,进一步对比研究了设置缓冲层的双层SMA铺装层力学响应,并验证了优化后的双层SMA铺装层具有较好的力学结构性能。研究表明:双层SMA铺装层层间滑移病害主要是层间剪应力的“揉搓”作用导致。该“揉搓”作用具有方向相反且峰值间隔时间极短的特点;双层SMA铺装层与钢桥面层间接触条件的恶化,会加速双层SMA铺装层的疲劳开裂,摩擦系数每降低0.2,沥青层拉应变平均增加3.26%;设置缓冲层的双层SMA铺装层层间和自身受剪情况较优化前,有着较为明显的改善;在同等工况下,优化后的双层SMA铺装层层间剪应力和沥青层最大剪应力分别较优化前减少了25%~30%和12%~16%。

移动荷载作用下地铁轨道梁振动影响因素分析

城市轨道交通产生的振动问题随着城市化的快速发展已越来越不可忽略。为了更好地分析解决振动带来的影响,本文建立了连续弹性支承无限长轨道梁的模型,研究了它在变速移动荷载下的振动现象。首先建立了连续弹性支承Euler-Bernoulli梁的运动控制方程,然后通过Laplace变换结合Fourier变换把四阶非线性微分方程解的问题转化为常数解的问题,再通过Laplace和Fourier的反变换得到了关于时间和空间上梁振动的解析解,最后利用Mathematica、Matlab软件编程计算其变化规律。计算结果表明,在恒定速度、系统无阻尼下,无限长Euler梁不同位置处的动力响应相同;荷载移动的加速度会对梁的挠度产生影响;增大系统的支承刚度和支承阻尼可以有效减小梁的最大挠度。