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。

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。

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。

移动荷载作用下机场复合道面力学响应分析

为了研究复合道面的力学特性,以中原地区某机场加铺改造项目为研究对象,建立了复合道面有限元模型。通过建立的复合道面监测系统,提取出了道面在目标机型作用下的力学响应,并与模拟数据进行对比,验证了模型的合理性。在移动荷载作用下,分析了道面在考虑不同机型、不同层间结合状态及不同水平力等因素下的力学响应。研究发现,道面在B737-800、B767-300ER和B777-300ER这3种机型作用下,沥青加铺层的剪应力最大值出现在上面层,并且随着轮数的增加,道面力学指标逐渐增加,其中沥青层底横向拉应变与水泥混凝土板底拉应力的变化比较明显;随着层间结合系数的增加,道面力学指标呈减小趋势,沿着道面深度方向,其影响程度逐渐减小;在有紧急水平制动力时,沥青层间最大剪应力增加了11.84%,沥青层底横向最大拉应变增加了6.05%,纵向拉应变增加了9.68%。

基于三角形移动荷载的上承式拱桥换梁前后动力响应研究

某空腹式变截面悬链线上承式石砌拱桥桥面系纵梁病害严重,拟将空心板梁更换为钢箱梁。为研究换梁方案的合理性,采用MIDAS软件建立换梁前、后拱桥有限元模型,采用三角形移动荷载简化车辆模型,计算桥梁模态和临界速度,研究车速60、80、100 km/h时主梁关键截面的动力响应。结果表明:桥梁前4阶模态速度参数均小于1,不易发生共振;换梁前、后主梁材料和跨中位置支承形式不同,但跨中动力响应差异较小;换梁前跨中响应频率集中在桥梁第2阶固有频率,频率对应的竖向加速度频谱峰值较大,而换梁后跨中动力响应频率分布较分散,分别对应桥梁第2、5、8阶固有频率,频率对应的竖向加速度频谱峰值较小,换梁后桥梁振动形态更为多样化,有利于降低共振风险、分散能量分布、提高结构稳定性。换梁后桥梁动力响应极值均满足规范要求,且振动形态多样,空心板梁更换为钢箱梁方案合理、可行。

悬浮隧道基于弹性边界的力学模型与移动荷载响应分析

悬浮隧道是一种创新型的水中交通结构,这种悬浮于水中的结构在考虑复杂边界条件下的力学建模及交通荷载引起的结构响应值得深入研究.本文将跨度范围内由多段锚索支撑的悬浮隧道视为弹性支撑梁,同时将两端的复杂边界条件考虑为具有不同约束刚度的竖向和转动弹性支撑,流体荷载由Morison方程考虑,建立了悬浮隧道在任意荷载作用下的动力学模型及考虑自振特性的特征方程.研究了跨内支撑刚度与边界约束参数多种组合条件下的频率、模态分布特征,得到了相应的敏感区间.同时,以某型号高铁列车为背景并将其考虑为一列移动集中力,研究了悬浮隧道结构关键位置的荷载响应与弹性支撑刚度之间的关系,结果表明跨内支撑刚度、边界约束刚度均对竖向位移存在显著影响,整体上约束刚度越大,相应的位移越小.

弹性支承曲线梁在移动荷载作用下动力响应研究

为探究弹性类支座对桥梁结构振动机理的影响及进一步发展曲线梁的车致振动理论,提出一种将弹性支承曲线梁振动形式考虑为弯曲变形和刚体位移组合的方法,建立简化计算模型,利用Garlekin法和积分变换法推导移动荷载作用下弹性支承曲线梁的动力响应解析解,并验证本文方法的正确性。通过数值算例分析弹性支承曲线梁在移动荷载作用下的振动机理,以及支座刚度、曲率半径等相关参数对弹性支承曲线梁动力响应的影响规律。研究表明:曲线梁的支座约束情况发生变化会对桥梁结构的动力特性和动力响应造成差异明显的非线性影响,其支座竖向刚度越小,桥梁动力响应越大,不可直接将其简化为刚性支承梁;小半径弹性支承曲线梁与直线梁相比,其曲率半径对桥梁动力响应的放大效应十分显著,同样不可忽略。

移动荷载下各向异性层状地基-柔性路面结构动力响应的半解析解

提出了移动荷载作用下各向异性层状地基上柔性路面结构动力响应分析的半解析解法。基于土-结构相互作用理论,建立了柔性路面-层状地基的动力耦合模型。对近场道路结构建立波数域有限元模型,基于精细积分及谱元法原理建立远场地基的谱元模型,利用子结构法来确定近-远场耦合界面处的边界条件,进而实现近场和远场结构的耦合,利用快速Fourier变换获得柔性路面在时空域的动力响应解答。该文方法既可以考虑道路结构的几何特性,也可以计入地基层状分布及各向异性特性的影响。近场有限域模型尺寸不会受到地基层数及层厚的影响,数值求解稳定。通过与解析解的对比,验证了提出方法的有效性与合理性。数值算例对比分析了道路-地基耦合模型与以往整体层状道路模型所得动力响应的差异,并讨论了道路结构层弹性模量的影响规律。

温度-移动荷载耦合作用下沥青路面结构力学响应研究

建立沥青路面结构有限元模型,计算沥青路面结构在一天内温度连续变化条件下温度场分布,在此基础上进行温度与移动荷载耦合,分析沥青路面结构在温度-移动荷载耦合作用下的力学响应。结果表明,沥青面层温度场在一天内的变化呈现先减小、后迅速增大、再减小并趋于缓和的趋势,基层以下路面结构层温度几乎不发生变化;在温度-移动荷载耦合作用下,路表最大竖向位移比不考虑温度作用时最大竖向位移增大8.60%,沥青层层底拉应变比不考虑温度作用时层底拉应变增大176.26%;车辆速度和轴重影响沥青路面的力学响应,随着荷载移动速度的增大,路表竖向位移减小、竖向压应力增大,随着轮胎接地压强的增加,路表横向压应力、竖向压应力和纵向压应力都增大。

移动荷载作用下既有高速铁路路基拓宽计算分析

通过有限元软件PLAXIS对土工合成材料加筋既有高速铁路路基的加筋效果和动态响应特性进行分析,以具体拓宽道路为例,对比有限元仿真模型计算结果与典型试验结果,验证了有限元模型的准确性,并对比了三维与二维模型的差异,研究了既有高速铁路加宽路基在移动荷载作用下的动态响应特性。结果表明:在列车动荷载作用下,变形不仅发生于荷载正下方路基,路基两侧的坡面上也伴随变形发生,且靠近加宽路基一侧的坡面变形更明显,相对整体而言,加宽路基处更容易发生过大的变形而导致失稳破坏。路基表面应力变化有一定滞后性,动应力衰减系数与列车速度呈正相关。相较于列车静载,列车动荷载产生的路基表面峰值应力更大。路基沉降与路基高度总体上呈现出正相关趋势,随着高度的降低,沉降减少。路基坡面横向变形随列车的运动响应较快,最大横向变形发生在路基上部。利用土工格栅对既有高速铁路加宽路基加筋,可显著改善路基变形特性,结合经济效益分析,在中上部进行加筋效果较优。

列车移动荷载作用下大跨度悬索桥纵向位移控制研究

为有效控制列车移动荷载作用下大跨度悬索桥梁端产生的纵向位移,以某大跨度铁路悬索桥为背景,采用非线性动力时程分析法,考虑几何非线性和边界非线性,研究在货运列车移动荷载作用下,改变结构体系和约束体系对悬索桥纵向位移的控制效果。结果表明:结构体系方面,设置中央扣和水平拉索均可增大悬索桥结构纵向刚度,显著减小梁端纵向位移;设置中央扣还可减小缆、梁端纵向位移差,对纵向位移控制效果更优。约束体系方面,随着粘滞阻尼器速度指数减小,梁端纵向位移峰值逐渐减小;磁流变阻尼器对梁端纵向位移控制效果有限。采用2种阻尼器组合约束可控制列车过桥纵向位移同时不显著增加缆、梁端纵向位移差。

水位变化对于移动荷载作用下土体动力响应的影响研究

采用上覆弹性层饱和地基土模型描述水位于地表以下的地基动力响应问题,利用改变弹性层厚度模拟土体中水位的变化。基于Biot饱和多孔介质动力方程和层间连续性条件,求解出上覆弹性层饱和半空间频域波数内位移场表达式,通过Fourier逆变换得到3维空间域的结果,研究了水位变化对于土体动力响应的影响。数值计算结果表明,水位的变化会对地基中波的传播产生一定影响。当水位离地面较深时,地面竖向位移值与弹性半空间情况类似;随着水位上升,弹性层和饱和半空间界面上的反射波会对地面竖向位移产生影响,导致地表位移值较弹性半空间下的结果有所增大,当水位接近地表时,位移值变化类似于饱和地基土。

移动荷载作用下Gibson地基中Duxseal主动隔振研究

随着中国高速铁路建设的快速发展,移动荷载下路基振动所带来的环境污染日益严重,轨道交通诱发的环境振动隔振已成为土动力学研究的热点之一。为缓解轨道交通诱发的振动污染问题,考虑车-轨道-土体动力相互作用,建立列车-轨道简化分析模型,采用三维半解析半理论边界元法,探究移动荷载下均质和Gibson地基中埋置Duxseal时的隔振效果进行分析并探讨不同Duxseal宽度、厚度及埋深对隔振效果的影响。研究结果表明:在一定范围内增加Duxseal宽度和厚度有助于提高隔振效果,较小的埋深对振动控制有利。Duxseal参数的设计要充分考虑成本和地基参数,地基类型对水平方向的隔振效果影响较小,竖向受土质参数的影响较大。

基于结构随机场的桥梁移动荷载统计矩识别

由于结构、材料不确定等因素,桥梁结构往往具有随机性,因此,基于桥梁结构的响应识别得到的桥梁所受移动荷载也是不确定的,但相关研究还较少。为此,本文研究桥梁结构为空间随机场的情况下,有效识别移动荷载的统计矩。提出的识别方法基于桥梁结构随机场的Karhunen⁃Loeve(KL)展开、未知输入的卡尔曼滤波与改进的两点估计法的结合。桥梁结构参数为空间相关的随机场,通过KL展开将随机场转化为多随机变量的组合。在多随机变量下的不确定传播中,利用改进的两点估计法,将识别移动荷载统计矩问题转化为若干个确定性识别移动荷载识别的逆问题。采用未知输入的卡尔曼滤波进行确定性识别移动荷载,可有效估计识别移动荷载的统计矩。通过数值模拟算例验证了提出的估计方法的有效性。

移动荷载下有限深度Winkler地基上梁的动力响应研究

基于考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁理论,建立移动荷载作用下弹性地基上有限长梁的横向运动方程。利用模态叠加法求得移动荷载作用下有限长梁动力响应的解析解,进而以移动荷载离开时梁的响应为初值,采用分离变量法求得有限长梁自由振动的一阶近似解;通过数值计算和参数分析,揭示了移动荷载作用下有限深度Winkler地基上简支边界梁的动力学特性,分析地基深度、地基黏滞阻尼系数和荷载移动速度等对有限长梁受迫振动阶段和自由振动阶段动力响应的影响,全面揭示有限深度土体运动对临界速度的作用效应。结果表明:地基深度显著降低了临界速度,且弹性地基黏滞阻尼明显延长了自由振动衰减时间;荷载移动速度加剧了有限深度弹性地基与其支承梁的相互作用效应,系统振动的幅值和响应周期均发生显著变化。