桥梁风工程研究生创新能力培养的探索与实践路径

桥梁风工程是一门实践性与专业性很强的学科。在“双一流”“新工科”建设背景下,国家和社会对该学科研究生的实践能力、创新能力以及国际竞争力提出了更高要求。为培养服务国家创新发展、高质量发展的高水平人才,湖南大学桥梁风工程团队经过长期探索与实践,形成了严格考核、教学改革、科研创新的研究生培养模式,并取得了良好的效果。

车辆匀速过桥时桥梁动态响应特征及其模态参数识别研究

为揭示车辆荷载作用下桥梁动态响应规律及其动力特性,通过数值模拟方法对移动车辆作用下的桥梁振动响应及其模态参数识别进行研究。基于车辆与桥梁耦合系统的运动方程通过ANSYS建立简支梁及四自由度车辆的有限元模型,完成模态分析后计算不同参数条件(车速、粗糙度、车重)下的桥梁振动响应,分析表明:车辆匀速过桥时,在车速为10~30 km/h区间内桥梁位移响应存在最大值,加速度响应随车速增加而增大;位移和加速度响应均随着路面粗糙度增加而增大;相比动态成分,位移响应拟静态成分受车重影响较大。对全程振动响应和自由振动响应数据,分别采用解析模式分解(Analytical Mode Decomposition,AMD)结合随机子空间识别(Stochastic Subspace Identification,SSI)和基于特征值分解的算法识别桥梁的模态参数。结果表明:车速为10~30 km/h时识别的频率、阻尼比更加准确。因此采用移动车辆对桥梁进行动力激振试验时,应根据识别的模态特征选择合适的车速。研究成果可为实际工程移动车辆激振动力试验的实施提供理论参考。

桥梁断面气动导纳风场依赖特性的数值研究

基于二维不可压非定常RANS模型,分别计算了平板断面、箱梁断面、双边肋断面在简谐脉动来流和宽频湍流中的非定常气动力,并识别出各自的气动导纳函数。在此基础上,通过考察断面在三种不同脉动幅值来流作用下的气动导纳,研究了不同脉动幅值对各类断面气动导纳的影响。结果表明,在竖向简谐脉动来流下,平板断面的气动导纳与Sears函数吻合良好,证明数值识别气动导纳的可行性;湍流作用下,平板断面识别的导纳函数有着实质性的不同,表现出很强的随机跳跃性。与平板断面类似,箱梁断面的气动导纳接近Sears函数。在不同幅值的简谐脉动来流下,平板断面和流线型箱梁断面识别的气动导纳基本一致,表现出了流线型断面对来流特性的不敏感性。计算结果表明,具有显著分离流的双边肋断面,其气动导纳具有明显的来流风场依赖性,表明钝体断面的气动导纳并不能定性为断面的函数,而是由断面与来流风场特性共同确定。

超长并列斜拉索尾流驰振及其控制风洞试验研究

通过气动弹性模型风洞试验,测试了不同风攻角及索间距下,并列超长拉索间的风致振动特性,研究了拉索尾流驰振的运动轨迹及其控制措施.研究表明,拉索发生尾流驰振时,其运动轨迹通常为椭圆轨道,振动主轴与来流方向成一定倾角;运动方向为靠近尾流外侧时,向下游运动,靠近尾流中心时,向上游运动;尾流驰振发生时,拉索从来流中吸收能量,振幅缓慢增大;随着风速增加,振幅增加较快直至出现明显的、振动主轴近似沿来流方向的极限环为止;采用分隔架可以有效抑制尾流驰振的发生,研究结果对并列拉索的抗风设计与振动控制具有指导意义.

双索系泊系统漂浮式风力机动力响应研究

提出一种用于漂浮式风力机的新型双索系泊系统,研究其对减少漂浮式风力机平台动态响应的有效性及系泊系统本身的力学性能。算例所采用的漂浮式风力机为OC4-DeepCwind三浮筒半潜式风力机,通过OrcaFlex软件建立相应风力机模型和两种系泊系统(原始单索系泊系统和新型双索系泊系统)。在一定海况条件下对比研究双索系泊系统相比于原始单索系泊系统对减少漂浮式风力机平台动态响应的优势。结果表明:相比于原单索系泊系统,双索系泊系统漂浮式风力机的振动响应有明显降低,但改变缆索预张力和副索导缆孔位置对漂浮式风力机振动响应影响不明显。

异形人行景观斜拉桥全桥气弹模型风洞试验研究

异形独塔曲线斜拉桥是一种新颖而美观的桥梁结构,特别适合于人行景观桥。以一座主跨152 m的异形人行景观斜拉桥为研究对象,探究该桥的抗风性能。通过有限元建模和结构动力特性分析,设计制作了该桥的全桥气弹模型,并开展了风洞试验,获得了该桥在不同风速、风偏角和风攻角下的响应规律。试验结果表明,通过附加阻尼装置等机械措施,增加了桥梁结构阻尼,能够使桥梁的涡振性能和颤振稳定性满足规范要求。该研究结果对于进一步优化异形独塔曲线斜拉桥的设计和加强其抗风性能具有指导意义,为类似结构的桥梁提供了有益的经验和参考,有助于提高桥梁的安全性和可靠性。

基于小波变换的桥梁动态称重系统车轴高精度识别研究

首先利用小波变换对一不能明显识别车轴信息的数值仿真信号进行处理,证明小波变换能够高效放大车轴经过传感器时产生的不连续变化斜率,从而识别出车轴信息.然后基于实桥测试,对那些不能直接识别出车辆信息的FAD信号,通过联合控制最小Shannon熵值和最大相关系数选取最适变换尺度和最适变换小波函数进行小波变换.分析结果表明:对于不能直接识别出车辆信息的FAD信号,小波变换也能准确地识别车辆行驶速度、车轴数目以及车轴间距.小波变换可提高桥梁动态称重(BWIM)系统车轴识别的效率及精度,为将BWIM系统发展为超载车辆控制的有效工具提供技术支撑.

基于RBFNN-ISSA的特大跨径悬索桥有限元模型修正

针对大跨径悬索桥一类复杂结构的有限元模型修正问题,提出了一种基于径向基神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)子结构代理模型与改进麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm,ISSA)的有限元模型修正方法。首先,基于桥梁图纸数据采用通用有限元软件建立一座大跨悬索桥的初始有限元模型,并根据拉丁超立方抽样原则生成子结构材料参数-结构响应的训练样本,通过RBF神经网络和子结构模拟方法对初始有限元模型进行解构重组和样本学习,拟合关于材料参数-结构响应的代理模型。其次,建立考虑主梁挠度和模态频率误差最小的有限元模型参数修正数学优化模型,采用Tent混沌映射及黄金正弦策略改进标准麻雀搜索算法,引入柯西分布函数和贪心保留策略对每一代麻雀种群进行扰动,以用于求解联合静、动力特征的有限元模型修正数学优化问题。最后,以杭瑞高速洞庭湖大桥为工程背景,进行了悬索桥荷载试验,利用实测桥梁响应数据验证了该方法的可行性。研究结果表明:基于RBF神经网络与子结构法的模型修正方法,可以建立拟合精度较高的悬索桥结构代理模型;基于子结构RBF神经网络与改进麻雀搜索算法修正后的有限元模型相较于整体RBF神经网络、支持向量机和Kriging模型,大幅提升了对于实际结构的模拟精度,与实测数据相比,修正前后有限元模型在两级静力加载工况下13个有效测点挠度的平均相对误差降低了25%以上,前8阶模态频率的平均相对误差由-6.83%降至-2.38%,MAC值结果表明修正后模型能够准确地反映出大桥的实际振动状态,有效改善了初始有限元模型计算失真的情况;此外,基于混合策略改进后的麻雀搜索算法对于有限元模型修正参数的寻优具有更佳的收敛效率和稳定性。

预制拼装钢-UHPC组合桥面板湿接缝抗弯性能研究

纵肋上置并形成PBL剪力连接件的钢-UHPC组合桥面板是一种新型桥面结构。该结构采用预制拼装施工,工厂预制钢-UHPC组合梁段,现场进行施工组装,相邻钢梁通过焊接形成一体,而相邻UHPC桥面板则通过现浇UHPC湿接缝连成一体,湿接缝是其薄弱部位。针对该新型结构其湿接缝相关研究较少的问题,该文以某实际工程为背景,完成钢-UHPC组合桥面板湿接缝足尺模型抗弯性能试验。建立Abaqus有限元模型,并采用试验结果校核有限元模型。在此基础上,进行了湿接缝截面模拟方式、钢面板厚度、UHPC层厚度和燕尾榫角度的有限元模型参数分析。对比美国土木工程师协会(ASCE)、《美国房屋建筑规范》(ACI)以及中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)关于构件的刚度计算公式,发现中国规范计算值更接近试验值。基于普通钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算公式,结合试验数据进行了参数修正,并用有限元模型结果进行了校核。结果表明:钢-UHPC组合桥面板湿接缝有着优异的延性和刚度;采用摩擦行为模拟湿接缝界面计算成本小且计算效果良好;增加钢板厚度或UHPC层厚度均能有效提高构件刚度和承载力;燕尾榫角度对构件的刚度和承载能力影响很小;参数修正后的抗弯刚度计算公式能较好地计算钢-UHPC组合桥面板构件跨中位移。

基于非接触测试技术的UHPC早期收缩性能研究

本研究旨在通过基于电涡流传感器的非接触式测试技术,系统研究超高性能混凝土(UHPC)的早期收缩性能。实验中采用不同POM纤维掺量的UHPC配比,利用电涡流传感器定期测量UHPC样品的收缩量,并分析其收缩量曲线。研究发现,随着POM纤维掺量的增加,UHPC的早期收缩量逐渐降低,且在POM纤维掺量达到24 kg/m^(3)时,UHPC的3天收缩量为0.29 mm,预计每10 m的收缩量为5.89 mm,达到最优状态。此外,UHPC的收缩行为呈现出明显的规律性,其中在浇筑后的前18小时内收缩变化率最大。与此同时,本研究还对比分析了UHPC与普通混凝土的收缩性能,发现在一定POM纤维掺量下,两者的收缩量趋于一致。这一研究为UHPC材料设计与工程应用提供了重要参考依据。

装配式混凝土结构建造全过程质量通病及应对方案

本研究旨在深入研究装配式混凝土结构建造中的质量问题,并提出解决方案,促进建筑工业化的可持续发展。通过文献调研和实地项目统计,全面介绍装配式混凝土结构生产过程,包括模板设计、钢筋加工、预制构件浇筑、脱模养护、运输、吊装、连接和节点质量控制,定量描述了结构质量、尺寸偏差、外观质量、施工过程和节点质量等方面的问题。具体而言,本文发现超28%的构件存在缺陷,尺寸偏差平均达到3.2mm,21%的构件有表面缺陷,12%在吊装和安装过程中出现问题,节点的平均尺寸偏差为6.2mm。基于这些结果,本文提出了切实可行的解决方案,包括研发成套预制构件浇筑养护质量控制技术、研发成套预制构件高精度制作工艺及装备、研发预制构件全环节数字信息化追踪技术、开发装配式预制管桩拼接新工艺和预制构件轻量化新工艺、利用连接节点质量控制技术控制节点质量等。通过采用先进工艺和技术手段,预期可以有效降低质量问题的发生率,为装配式混凝土结构建造提供科学依据,推动建筑工业化的可持续发展。

旋转惯质双调谐质量阻尼器的优化与风振控制研究

惯质是一种新型两节点单元,可产生远大于其物理质量的表观质量。将惯质单元与调谐质量阻尼器(TMD)相组合,系统研究了旋转惯质双调谐质量阻尼器(RIDTMD)的减振性能。首先,采用单自由度结构体系,对RIDTMD进行全参数H∞与H2优化,得到RIDTMD各结构参数最优值;然后,以某光热电站吸热塔为研究对象,采用最优的RIDTMD结构参数,研究了RIDTMD对该塔横风向与顺风向风致振动的控制效果,并与传统的TMD减振效果进行比较。研究结果表明:调谐质量相同的情况下,RIDTMD系统的减振效果比TMD更好;减振效果相同的情况下,RIDTMD的调谐质量比TMD的调谐质量最大可减小40%。

桥梁动态称重系统在板桥中的应用研究

桥梁动态称重(Bridge Weigh-in-motion:BWIM)系统是以桥梁为载体来识别过桥车辆的轴重及总重量。目前商用BWIM系统均利用桥梁跨中弯矩影响线作为参考来识别过桥车辆轴重。因此,获得更为符合桥梁实际边界条件的影响线对于提高车辆轴重识别精度具有重要意义。基于一跨径13 m的简支板桥的现场试验,利用最小二乘原理,通过标定车作用下桥梁跨中截面的动态响应信号来标定实际桥梁结构影响线。然后采用Moses算法,依据标定的影响线,对过桥车辆进行了轴重识别。计算结果表明:对于多车道板桥,每个车道的实际影响线有一定差别,而影响线的选取直接影响轴重识别的精度,所以需对每个车道进行影响线标定,然后基于车辆经过该车道所得到的影响线来反算过桥车辆轴重。

桥梁动态称重系统在连续小箱梁桥中的试验研究

基于广东省清远市伦洲大桥引桥(三跨连续小箱梁桥)的现场实验,通过优化的Moses算法,对各车道影响线进行独立标定,并利用现场试验标定的各车道影响线计算过桥车辆轴重,将BWIM系统的应用范围拓展到连续小箱梁桥。试验结果表明:连续小箱梁桥具有一定的横向分布效应,应利用各车道独立标定的影响线识别对应车道的过桥车辆轴重从而达到更高的车重识别精度。

桥梁动态称重系统在刚构-连续箱梁桥中的试验研究

基于最小二乘法原理,利用桥梁动态响应信号标定桥梁结构实际弯矩影响线,然后根据桥梁不同车道实际标定影响线计算过桥车辆轴重和总重。基于某刚构-连续箱梁桥的实桥试验,提出了适用于大跨箱梁桥的简化影响线标定方法。实桥试验及研究结果表明:基于快速傅里叶变换的BWIM系统可以有效地提高车轴信息的识别精度,可有效解决基于大跨径混凝土桥梁结构进行轴重识别时桥面板在车载情况下局部效应不明显,车轴信号不易识别的问题,从而将BWIM系统应用到大跨连续箱梁桥结构。基于快速傅里叶变换的新型BWIM系统可以有效识别过桥车辆车速、轴重等信息,可为桥梁结构超载风险评估和健康监测提供有效依据,为现代公路交通运输系统的管理和决策提供数据支持。

桥梁颤振导数与气动导纳关系的试验验证

桥梁断面的气动导纳,除了利用风洞试验直接识别外,Scanlan通过假定Wagner函数和Kussner函数等效提出了利用颤振导数表示的气动导纳关系式,Hatanaka等提出利用"等效"的Theodorsen函数表示的气动导纳。这两种方法虽然简化了气动导纳的识别,但是在逻辑上都存在问题。本文利用风洞试验,识别了平板断面和长宽比为4的矩形断面的颤振导数和气动导纳函数。通过比较识别的气动导纳与利用上述两种方法计算的气动导纳,验证了这两种方法的不合理性。研究结果表明:通过等效的阶跃函数推导的气动导纳函数,因为忽略了高阶运动模式,所以导致识别的气动导纳随着折算频率的增加,与试验直接识别的气动导纳的差距逐渐增大,并最终趋向于一个极限值;这种方法仅在脉动风波长远大于断面特征长度时是适用的;根据等效的Theodorsen函数表示的气动导纳函数,在低频范围内也与直接试验结果较为接近,但是在高频范围内却表现出周期性的波动,而且对于钝体的矩形断面这种波动性更大。这种波动是由于采用了某种等效的Theodorsen函数来描述物体的气动性能,在Theodorsen函数变化后,却保持Theodorsen函数的组成函数维持不变这种逻辑上的错误造成的。

基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明:悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。

新型无格室钢-UHPC结合段受力性能及参数分析

为研究新型无格室钢-UHPC结合段的受力性能和传力机理,以主跨240 m的沅水特大桥主桥为研究背景,采用有限元分析方法建立了钢-UHPC结合段局部模型,分析了结构受力以及影响结构传力的构造参数。结果表明:在最不利正弯矩工况下,结构传力平顺,各部分应力基本满足要求;栓钉连接件剪力大小基本呈马鞍状分布,综合剪力最大达29.7 kN,具有一定的安全储备;承压板承担轴向荷载比例为82.34%,承担比例随着承压板厚度的增大有所提高;混凝土强度增大和UHPC顶/底板厚度增大均可减小栓钉连接件剪力;UHPC结合段能有效减小栓钉连接件滑移;结合段长度增大的同时不能有效发挥中间栓钉连接件抗剪作用。

汽车制动作用下预应力混凝土简支梁桥的动力响应及冲击系数研究

基于三维车桥振动模型研究了汽车制动对桥梁的冲击作用.选用一辆典型三轴重车模型,获得了汽车制动时预应力混凝土简支梁桥的跨中动力响应及冲击系数.研究了刹车位置、减速度、初速度、路面平整度、桥跨长度等因素对动力冲击系数的影响,并将计算得到的动力冲击系数与中国规范进行了对比.结果表明,汽车刹车对桥梁的冲击效应随着制动力的增大而增大,并且在桥梁前半跨内刹车产生的动力冲击效应要大于在后半跨内刹车.同时,汽车制动时桥梁的动力响应及冲击系数均明显大于车辆匀速行驶的情况,且冲击系数可能超出规范值.

考虑车桥耦合振动的钢梁桥腹板间隙的疲劳分析

分析钢梁桥腹板间隙的疲劳问题时,其应力通常是基于疲劳荷载作用下的静应力叠加一个动力冲击系数来确定。已有研究表明:规范中的疲劳冲击系数低估了实际路面状况下的车辆动力冲击效应,往往导致腹板间隙的实际疲劳寿命低于设计寿命。基于此现状,研究了在假定的车辆和环境条件下路面的退化规律。建立了几座不同跨径的简支Ⅰ型钢梁桥和疲劳车的三维模型,通过车桥耦合振动分析,研究了实际桥面状况下车辆荷载动力效应对腹板间隙产生的应力幅冲击系数,并评估了腹板间隙的疲劳寿命。结果表明:基于腹板间隙应力幅计算的冲击系数大于传统基于应力的冲击系数;美国AASHTO桥梁规范中采用的疲劳冲击系数在路面条件较差时低估了车辆荷载动力效应。最后提出了腹板间隙疲劳评估应力幅冲击系数建议取值。