考虑时变特性的车-桥耦合系统非平稳振动频域方法研究

当列车行驶经过桥梁时,由于车辆在桥上的位置随时间不断变化,车-桥耦合系统具有时变特性,即使假设轨道不平顺为平稳激励,车辆和桥梁的振动仍然是一种非平稳的随机过程。本研究旨在提出一种非平稳频域分析方法,以高效分析受轨道不平顺激励的车-桥耦合系统的非平稳随机振动问题。首先推导了单节列车通过单跨简支桥的耦合系统时变频响传递函数(FRF),据此描述线性时变系统的动力特性。该函数满足一组变系数微分方程,可采用摄动法求解该函数,从而提高计算效率。随后,结合PRIESTLEY的演化谱理论,推导非平稳随机响应的演化功率谱密度函数(EPSD)。基于非平稳频域分析方法,计算响应时变均值和方差,结合3σ准则来估计非平稳响应的极值。研究结果表明,由于轨道不平顺的影响,车辆振动表现出平稳随机过程的特性,但其方差较大,表现出更大的离散性;而桥梁的振动则呈现出明显的非平稳特性,但方差较小,响应具有较小的随机性。极值分析表明,轨道不平顺激励对车辆振动具有显著影响,其均方根对极值响应起主导作用。而轨道不平顺激励对桥梁振动的影响较小,桥梁振动则主要受移动质量影响,其响应的极值主要受均值的影响。此外,相较于系统位移响应,车速对加速度响应的影响更为显著,例如车身加速度响应最大值随车速的增加可增大至3倍左右。

苏通大桥桥址区实测强风非平稳风特性分析

以2012年"达维"和"海葵"台风期间苏通大桥SHMS实测风数据为研究对象,采用游程检验法对桥址区实测风速进行了平稳性检验,对比分析了基于平稳和非平稳风速模型计算得到的平均风速风向(时变)、紊流强度、紊流功率谱密度等风特性,并采用基于小波变换(WT)的演变功率谱密度(EPSD)估计方法,进行了实测强风非平稳演变功率谱分析。结果表明,实测风速表现出明显的非平稳特性;由于时变趋势项的引入,非平稳风速模型比传统平稳风速模型能更好地表征实测强风特性;所得演变功率谱密度直观地展示了实测脉动风速能量的时频分布,EPSD均值与傅里叶变换谱吻合良好,验证了EPSD估计的可靠性。研究结果可为今后非平稳风场实测分析及数值模拟提供参考。

非平稳地震动过程模拟的谱表示-随机函数方法

在Priestley演变谱理论的基础上,采用随机函数的思想,建立了一类新的全非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法。在谱表示-随机函数方法中,实现了用2个基本随机变量即可精确表达原随机过程的目的。通过选取基本随机变量的离散代表点集,可以直接由演变功率谱密度函数生成具有给定赋得概率的代表性样本集合。以全非平稳地震动加速度过程的演变功率谱为例,验证了方法的有效性和优越性。最后,结合概率密度演化方法,进行了Duffing振子的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。

基于结构健康监测的苏通大桥实测强风演变功率谱

对基于小波变换的非平稳时间序列演变功率谱密度函数的估计方法进行了总结.以苏通大桥结构健康监测系统实测的台风达维、海葵以及冬季强北风数据为研究对象,基于Morlet小波计算了上述3个实测典型强风的演变功率谱密度函数.实测风演变谱在时域内的均值与傅里叶谱吻合良好,验证了演变谱估计结果的准确性.实测强风的演变功率谱分析结果表明,脉动风的能量主要集中在低频部分,且脉动风速功率谱随时间变化显著,具有较强的非平稳特性.基于平稳随机过程假设的传统风谱计算方法无法准确描述实测强风风谱的非平稳特征.研究结论可为桥址区三维非平稳脉动风场的准确模拟以及强/台风作用下苏通大桥的非平稳抖振分析提供实测参考.

非平稳地震动过程模拟方法(Ⅰ)

直接由Priestley渐进谱理论导出了非平稳地震动过程模拟的一个谱表示方法. 按照该方法, 样本过程可直接由一余弦级数公式计算产生. 可以证明, 当级数项数足够大时, 模拟的样本过程可准确地反映渐进功率谱规定的性质; 当模拟的样本过程足够多时, 其总体均值和总体自相关函数均趋于相应目标函数; 模拟的样本过程随着级数项数趋于无穷而渐近呈正态分布. 最后对模拟公式的几种特例情况进行了讨论, 其中一种情况得到非平稳白噪声过程模拟公式, 另一种情况退化为平稳随机过程模拟公式.

完全非平稳地震动演化功率谱模型及其工程应用

基于平稳地震动过程的过滤白谱功率谱模型,提出一种能够实现时变谱能量描述的完全非平稳时变功率谱参数化模型,并通过参数识别获得具有工程意义的模型参数。采用基岩滤波器对K-T谱进行修正,使得时变谱参数具有明确的物理意义,并更加符合基岩地震动的物理特性;基于广义谐和小波变换得到地震波的时频分布,并通过Spanos-Tratskas方法估计出实际地震动的目标时变功率谱,引入遗传算法及二次优化技术,拟合时变参数的数学表达式,建立完全非平稳的地震动时变功率谱模型,模型参数识别过程采用了日本KIK-net强震数据库,并将其按照我国场地类别重新分类,最后验证该模型的有效性与适用性。该文提出的地震动随机模型为更加准确地描述地震动提供了参考,并为完全非平稳地震波的生成提供了依据。

考虑跨数和墩高随机的目标震致轨道几何不平顺研究

我国高速铁路规划布局逐渐向西部地震地区延伸,列车震后速度阈值计算的关键在于目标震致轨道几何不平顺的确定。基于短时傅里叶变换和零相位分布假定,提出一种目标震致轨道不平顺的计算方法,探讨考虑跨数和墩高随机的目标震致轨道不平顺等效方法。研究结果表明:震致轨向不平顺幅值显著,其余不平顺幅值基本为零;震致轨道几何不平顺的低频成分在演变功率谱密度密度中占据主导地位;震致轨道几何不平顺集的演变功率谱密度具有稳定性,满足对数正态分布假定;计算目标震致轨道几何不平顺时,跨数随机结构可按照9跨进行等效,墩高随机结构可按照与其最高墩高度相同的等墩高结构等效。

场地条件对高速铁路桥梁-轨道系统震后残余变形的影响

以带CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的高速铁路多跨简支梁为研究对象,分析高速铁路桥梁-轨道系统震后残余变形的分布规律,提出一种描述震后残余变形的特征曲线,比较在不同地震强度下场地条件对震后残余变形的影响。研究结果表明:在横向地震作用下,支座发生了严重的横向变形,箱梁发生了明显的横向偏移,其余构件没有发生损伤;在纵向地震作用下,各构件没有发生损伤;多遇地震作用后,高速铁路桥梁-轨道系统无需修复,震后高速列车运行无需减速;在设计地震和罕遇地震作用后,支座需要更换,震后高速列车运行需要减速;随着土体柔软程度的提升,震后残余变形的幅值明显增加;地震作用后当高速列车由坚硬场地行驶至柔软场地时,需要适当减速。

沙尘暴天气下实测强风非平稳特性研究

文章基于小波变换及非平稳风速模型,对北京325 m气象塔实测强风数据进行统计分析,获得湍流度、阵风因子、演变功率谱等非平稳强风的湍流特征参数,并对比研究了平稳风速模型和非平稳风速模型的风特性分析结果。结果表明,沙尘暴天气下实测强风表现出较强的非平稳性,基于非平稳风速模型统计的湍流度和阵风因子与平稳风速模型的分析结果存在明显差异,利用小波变换估计的演变功率谱呈现明显的时域变化特征,传统平稳风速模型难以准确描述实测非平稳强风的风场特性。

基于小波变换的苏通大桥非平稳抖振响应演变谱实测研究

台风风速具有较为明显的非平稳特征,使得非平稳风荷载作用下大跨斜拉桥的动力响应也势必表现出非平稳特性。为考察台风作用下大跨桥梁抖振响应的非平稳性,该文以苏通大桥为研究背景,采用基于小波变换的非平稳时间序列演变功率谱密度估计方法分析了该桥在"海葵"和"达维"台风期间的非平稳抖振响应。研究表明,苏通大桥主梁振动能量主要集中在若干特定频段内;由于台风风速存在非平稳性,主梁抖振响应也表现出一定程度的非平稳特征;基于小波变换的演变谱估计方法适用于开展实测结构响应的演变特性分析,可较好地弥补传统傅里叶方法用于非平稳分析的不足。研究结论可用于验证大跨度斜拉桥非平稳抖振分析理论的可靠性,同时可为大跨度斜拉桥的抗风设计提供参考。

基于谐和小波的空间变化地震动时变延迟相干函数估计

空间变化地震动的非平稳特性会对大跨结构非线性响应产生显著影响。地震动建模多采用时变互谱或时变延迟相干函数描述空间变化地震动的非平稳特性。本研究发展了一种基于广义谐和小波的时变互谱估计方法,并将其应用于实测地震动记录的时变延迟相干函数估计中。首先,基于Spanos和Failla提出的演变功率谱估计方法,采用广义谐和小波推导了非平稳过程时变互谱的估计公式。由于具有频域非重叠特性,非平稳过程的时变互谱可由广义谐和小波系数显式给出。之后,利用广义谐和小波对台湾SMART-1台站组Event45地震实测地震动的时变延迟相干函数进行了估计。估计结果表明,在地震动强度平稳段,延迟相干函数峰值约为0. 8,且具有明显的随频率衰减现象;在地震动强度上升段和衰减段,延迟相干函数峰值约为0. 4,随频率衰减现象不明显。

基于高斯函数的完全非平稳地震动多峰模型及其应用

地震动非平稳特征对非线性结构地震反应的影响不可忽视,并且地震动非平稳特征的准确描述对工程用人工地震波的生成也具有重要意义。在非平稳过程谱表现法的基础上,采用多个高斯函数叠加的包络函数对各频率分量进行调制,建立了一种更加符合地震动非平稳特征的多峰演变功率谱密度模型;基于广义谐和小波,利用Spanos-Tratskas方法计算实际地震动的演变功率谱密度,在预识别峰值相关参数的基础上采用遗传算法进行模型参数识别;选取KiK-net地震波数据库中近2 500条实际地表地震动记录,验证本模型的适用性,通过算例进行了实际应用。结果表明,所提出的多峰演变功率谱密度模型可以实现强度调制在各频率点的自适应性,特别是在中高频段能较好模拟地震动的多峰特征。通过基于高斯函数的多峰演变功率谱密度模型及其参数识别,将地震动的非平稳特征提取到模型参数中,使得地震动非平稳特性的研究可以通过对其参数的分析实现。所提出的模型可以为地震动非平稳特性的研究提供参考。