超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型的水泥基复合材料,因具有优异的力学性能和耐久性能而受到了广泛关注,并开始应用于桥梁工程领域。着重介绍了UHPC在国内外桥梁工程中的应用进展,并分析了其在国内桥梁工程中的应用前景。据不完全统计,截至2016年底,国内外已有超过400座桥梁采用UHPC作为主要或部分建筑材料。国内学者针对UHPC的优异性能,开展了一系列的UHPC桥梁结构研发工作,结果表明UHPC结构可有效减轻结构自重,提高结构的跨越能力,适合装配化施工,有望解决现有常规桥梁结构存在的诸多技术难题,具有广阔的应用前景。目前,UHPC在国内桥梁工程中已逐渐开始获得应用,今后应进一步结合实际工程需要开展应用技术研究,形成应用指南或技术标准。

大跨度桥梁脉动风场模拟的插值算法

为减少谐波合成法中功率谱矩阵分解的计算量,基于双索引频率和谱矩阵特点,提出了谱解矩阵双轴插值算法和递归插值算法。两种方法均使风场模拟计算效率大幅度提高,且得到的模拟风场均与传统谐波合成法在统计意义上相符;研究了插值节点数量及分布形式对风场模拟的影响,认为在谱解矩阵的频率轴向采取前密后疏分段插值,双索引频率轴向采用均匀分布插值节点的形式,更适合于风场模拟。通过对一实际大跨度桥梁风场的模拟,验证了方法的有效性。

附属设施对桥梁颤振临界风速的影响

该文旨在研究桥梁栏杆和行人观光通道两类附属设施对颤振临界风速的影响。首先介绍了颤振分析的方法;然后基于强迫振动法识别的颤振导数,分析了两类附属设施对颤振导数的影响作用;最后通过二维颤振分析研究了两类附属设施对典型桥梁颤振临界风速和颤振能量分配比例的影响。结果表明:钝体边主梁断面斜拉桥增加桥面不透风混凝土防撞护栏后颤振临界风速可降低约22%,而桁梁悬索桥下底面增设透风率为68%的行人观光通道后,颤振临界风速反而提高了约75%,不同附属设施对桥梁颤振特性的影响需要专门研究。

翼板角部处理方柱全风向角风致振动性能风洞试验研究

方形结构和构件在工程结构中应用广泛,其风致振动问题随着高度和跨度的增加而更加突出,角部处理是方形截面结构工程中常用的一种气动措施。为了研究翼板角部处理对方柱全风向角风致振动性能的影响,开展了标准方柱和翼板角部处理方柱的全风向角节段模型风洞试验,分析了标准方柱和带翼方柱全风向角涡激振动和驰振性能。结果表明:(1)翼板角部处理减小了方柱发生涡激振动的风向角范围,但是,最大涡激振动振幅和风速锁定区间明显大于标准方柱,翼板并未改善方柱的涡激振动性能,反而不利于方柱的涡激振动;(2)翼板角部处理没有提高方柱的驰振临界风速,但减小了发生驰振的风向角工况,整体而言,翼板角部处理并没有改善方柱的驰振性能;(3)在全风向角范围内,带翼方柱观测到涡激振动、驰振耦合状态振动和非耦合状态振动,表明风向角是改变柱体驰振类型的一个重要因素。

大跨长挑臂钢箱组合梁桥抗风性能试验研究

为了解大跨长挑臂钢箱组合梁桥抗风性能及选取合适的声屏障形式,以挑臂长7.5 m的钢箱组合梁桥——临猗黄河大桥为背景,基于有限元计算的施工及成桥阶段桥梁动力特性指标,制作1个缩尺比1∶50的最大悬臂施工状态钢箱梁、2个缩尺比1∶60的成桥状态不同声屏障设置形式(直线形、折线形,高度均为2.5 m)钢箱组合梁节段模型进行风洞试验,分析施工和成桥状态主梁断面的涡振、颤振和驰振性能。结果表明:施工状态的钢箱梁抗风稳定性良好,涡振、颤振和驰振性能均满足设计要求;常遇风攻角为0°、±3°时,成桥状态下,设置2.5 m高折线形声屏障可有效抑制主梁涡振响应,且颤振与驰振稳定性均满足规范要求;设置2.5 m高直线形声屏障的主梁发生明显的竖向涡振现象。该桥主梁最终采用2.5 m高折线形声屏障。

基于同频弯扭耦合强迫振动的桥梁断面颤振导数识别方法改进

为拓展强迫振动法在桥梁断面颤振导数识别领域中的应用能力,采取让断面做2次同频异相的弯扭耦合简谐运动模式,理论推导出任意非零相位差条件下的桥梁断面颤振导数识别公式。以理想平板的Theodorsen解为气动力数据源,对该方法的识别能力进行数值验证,并在此基础上研究弯扭耦合运动相位差、高斯白噪声、整数倍频有色噪声对平板颤振导数识别结果的影响规律。基于Fluent软件,将该方法与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术结合,识别得到丹麦大带东桥主梁断面的颤振导数。研究结果表明:当平板气动力不包含噪声时,在任意非零相位差取值条件下,按照该方法识别所得颤振导数结果与理论值完全吻合;当平板气动力含有高斯白噪声时,在考察的3个低水平噪声条件下(5%、10%、15%),颤振导数识别误差与高斯白噪声比例水平、折算风速均成正相关,但不同颤振导数对高斯白噪声敏感程度各异;当平板气动力包含整数倍频有色噪声时,3倍频、4倍频噪声对颤振导数的识别精度影响显著,其他低倍频噪声和超高倍频噪声的影响较小,在8个颤振导数的识别结果中,H_(2)^(*)、H_(4)^(*)、A_(2)^(*)、A_(4)^(*)对倍频有色噪声更敏感。应用该方法结合CFD数值模拟识别得到的大带东桥主梁颤振导数与既有文献结果吻合良好,经计算得到的颤振临界风速也较为接近。研究结果可满足同类桥梁颤振设计的工程计算需求。

单/双承力索桥梁接触网设计风荷载研究

为解决桥梁接触网设计风荷载取值问题,提出桥梁接触网设计风速及风荷载的修正方法。通过桥梁节段及风屏障缩尺模型风洞试验,确定某桁架桥梁接触网的桥梁断面及风屏障的风速修正系数;通过刚性节段模型测力风洞试验,确定了单承力索、双承力索、接触线、单线单导和双线单导等不同布置形式接触网的体型系数;根据试验测试的修正系数,计算按本文修正方法计算的设计风荷载取值与规范值对比。研究结果表明:考虑桁架梁断面及桥上风屏障后,桥面接触线位置处风速修正系数取1.13,承力索位置处风速修正系数取1.14,可知桥梁断面及风屏障会提高接触网设计风速;不同布置形式接触网体型系数按不同风速工况的包络值,接触线取1.4,单承力索取1.5,双承力索取1.75,明显大于现行规范的取值1.2。根据试验测试的修正系数计算的接触线、单承力索和双承力索设计风荷载结果是现行规范的1.46倍、1.6倍和1.86倍,表明桥梁接触网设计风荷载取值会比普通接触网显著增加。研究成果可为桥梁接触网设计阶段风荷载取值提供参考,为我国电气化铁路接触网设计规范的条文修订提供支撑。

大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性风洞试验研究

为研究大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性,利用水平和竖向两套三分力测试装置,对一座大跨度钢箱梁铁路悬索桥进行节段模型测力风洞试验。研究不同风攻角下桥面无车、不同位置有单列车、双车共存时车辆和桥梁的气动特性及其相互影响,得到不同车桥组合下车辆与桥梁的气动力。试验结果表明,车桥间的气动干扰较为明显,列车会增大主梁的阻力系数,改变桥梁升力系数的变化趋势,且单列列车位于背风侧时主梁的气动性能最差,最大阻力系数增加了191%。同时,两辆列车之间存在一定的气流干扰,背风侧列车受迎风侧列车影响较大,其横向力系数显著下降,但竖向力系数和扭矩系数所受影响不大。

基于虚拟简支梁法的桥梁动态称重研究

Moses算法是桥梁动态称重(BWIM)技术中最可靠的算法之一,是目前各商业BWIM系统的基础。然而,受影响线标定的约束,当前的商用BWIM系统仅适用于短跨径桥梁。针对这一情况,提出了虚拟简支梁法。该方法利用桥梁上的某一区段的隔离应变计算车辆的轴重和总重,不受桥梁跨径的限制。建立了跨径为20 m和40 m的简支T梁桥有限元模型,基于车桥耦合振动理论模拟获得桥梁响应,并利用提出的新方法识别了车辆的轴重和总重。分析了路面平整度、车辆行驶速度等因素对识别精度的影响。结果表明:对于较短跨径的20 m T梁桥,常见三轴车的总重识别误差平均值在2%左右,五轴车的总重识别误差平均值低于1%,精度都稍优于传统Moses算法;而对于传统Moses算法不适用的40 m T梁桥,该方法识别车辆总重的误差平均值仍可控制在3%以内,表明该方法不受桥梁跨径的限制,具有更广的应用前景。

山区大跨斜拉桥悬臂施工期风振响应实测

针对湖南郴州赤石大桥施工期桥位风特性及风致振动响应进行了现场实测与分析.对观测期大风天气桥面高度及桥塔塔顶处平均风速、风向、风攻角及紊流度等风特性参数进行了分析,并对桥梁结构风致振动响应进行了分析.结果表明:当风从北侧吹时风攻角变化范围较大,而当风从南侧吹时风攻角变化范围较小;桥梁结构主梁双悬臂施工期在大风作用下风振响应主要表现为"整体侧弯"以及"整体竖摆"振动;桥梁悬臂施工期结构自振频率实测值与有限元分析结果吻合较好.

基于连续跳车激振的大跨度桥梁阻尼识别研究

提出一种基于连续跳车激振的大跨度桥梁阻尼识别的强迫振动法。该方法利用"共振"原理,让车辆以合适速度连续驶越障碍物使主梁经受与桥梁某阶频率相同的周期性脉冲荷载,使桥梁产生较大振幅的振动,从而增强测试信号的信噪比。给出基于连续跳车激振的结构阻尼比识别的基本理论,并以一大跨度悬索桥为例进行动力学仿真。复模态分析表明,当车辆固有频率是桥梁某阶受测模态频率的5倍以上时,车辆振动对受测模态阻尼比影响很小。采用连续跳车激励,当相邻障碍物的间隔△x与行车速度V和受测模态的固有周期T之间满足△x=VT,可以激振起桥梁大幅振动。当噪信比较小时,可以较准确地识别1阶反对称模态阻尼比;随着信噪比的降低,阻尼比识别结果精度有所降低。

面向未来的高性能桥梁结构研发与应用

为从根本上解决混凝土桥、钢桥及钢-混凝土组合桥中的共性技术难题,并提升桥梁结构的性能与品质,笔者团队以超高性能混凝土(UHPC)为基础,研发了面向未来的高性能桥梁结构体系。介绍了笔者团队研发的4类高性能桥梁结构:(1)钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面结构,其中的STC是钢桥面专用的UHPC;(2)钢-UHPC华夫板轻型组合桥梁结构;(3)单向预应力UHPC薄壁连续箱梁结构;(4)全预制快速架设UHPC城市桥梁结构。通过大量静力和疲劳试验,掌握了各类UHPC桥梁结构的基本受力性能,并建立了计算理论和设计方法。列举了钢-STC轻型组合桥面结构已推广应用于中国的17座钢桥,涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类基本桥型,典型应用包括湖南岳阳洞庭湖二桥等重大工程。到目前为止,各实桥运营状态良好,钢-STC未出现任何病害问题。综合而言,高性能桥梁结构有望突破现有桥梁中的技术瓶颈,具有广阔的应用前景。

悬索桥并列双吊索整体风振特性与气动阻尼研究

通过并列耦合双吊索节段模型的整体测振与测力风洞试验,研究不同间距下双吊索的整体振动行为与气动阻尼特性。引入驰振气动阻尼非线性项的动力方程模型,得到非线性振动的近似解析方法。基于弹性悬挂节段模型动力响应识别出驰振非线性气动参数,并与经典单自由度驰振理论结果进行对比分析。研究结果表明:并列耦合双吊索在一定工况下会发生剧烈的整体尾流致振现象,结构阻尼比对其起振风速影响明显;经典驰振理论求得的气动负阻尼绝对值要小于识别得到的气动负阻尼绝对值,横、顺风向两自由度耦合失稳较单自由度驰振更易发生。

脉动风激励下格构式输电塔动力特征识别

准确获得模态特征是输电塔抗风抗震等动力响应分析的关键,其中阻尼参数识别尤为重要。以一基85.5 m高的输电塔为背景,对输电塔的动力特性参数识别进行了研究。根据脉动风作用下实测加速度响应特征,假设信号分段平稳,采用随机子空间法识别了该塔的频率和阻尼比特征。研究结果表明:该输电塔一阶横线向和顺线向模态阻尼比大于2%,而一阶扭转模态阻尼比仅为1%;在加速度不高于0.1 m/s^2的小振幅振动范围内,阻尼比基本上与振幅无关,识别结果为小振幅下的结构固有阻尼。

基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.

基于人工蜂群算法的桥梁有限元模型局部刚度修正

在保持梁单元模型计算效率优势的前提下,为尽可能提高桥梁结构有限元模型的精度,提出一种基于人工蜂群算法的桥梁结构有限元模型局部刚度修正方法。以某刚构体系斜拉桥塔梁连接处的有限元模拟为例,对塔梁结合局部区域分别建立精细的实体元模型和宏观的梁单元模型。基于实体元模型的自振模态频率和静载响应转角构造目标函数,采用人工蜂群算法对宏观梁单元模型局部刚度参数进行优化和修正。研究结果表明:使用人工蜂群算法修正桥梁有限元模型局部刚度是可靠的,修正后桥梁宏观梁单元模型的静动力学性能更逼近实体元模型;算例中修正后的塔梁结合区域内梁单元刚度增强至修正前的1.09~2.93倍,且塔、梁单元刚度增幅不一。

基于均匀设计响应面法的桥梁地震易损性分析

针对桥梁地震易损性分析中计算量偏大的研究现状,首先,以一座多跨连续梁桥为研究对象,综合考虑材料、结构和地震动的不确定性,提出了一种基于均匀设计和响应面法的地震易损性分析方法。基于Open Sees建立了算例桥梁非线性有限元模型。然后,考虑桥墩和支座等桥梁构件的损伤,定义桥墩和支座在不同损伤状态下的损伤指标,建立了桥梁构件和桥梁系统地震易损性曲线。最后,为验证本研究方法在桥梁地震易损性分析中的适用性和有效性,分别通过本研究方法、蒙特卡罗、正交设计和中心复合设计的响应面法对算例桥梁进行地震易损性分析,分别从抽样次数、计算耗时、响应面模型精度和易损性曲线等方面,对4种方法进行了比较。研究结果表明:在易损性曲线方面,本研究方法与基于蒙特卡罗的响应面法的偏差约为3%;在抽样次数、有限元计算耗时方面,本研究方法分别比基于蒙特卡罗、中心复合设计和正交设计的响应面法减少了99.70%,58.49%,8.70%;本研究方法建立的结构响应面模型与基于中心复合设计和正交设计的响应面法相比,其精度分别提高了12%和5%。

单面碰撞TMD及其桥梁涡激振动控制研究

单面碰撞调谐质量阻尼器(SS-PTMD)是一种新型减振装置,通过惯性力和黏弹性碰撞进行结构减振,针对SS-PTMD动力性能、碰撞力模型与验证、SS-PTMD桥梁节段模型涡振控制等开展了理论与试验研究。根据质量块单边运动受限和碰撞的特点,获得了SS-PTMD的动力特性;开展了钢-黏弹性材料碰撞试验,提出了碰撞力模型,根据试验数据识别了碰撞力模型参数,并验证了碰撞力模型;通过1∶40桥梁节段模型涡激振动风洞试验,发现+7°风攻角下出现了明显的涡激振动,根据简谐力涡激力模型识别了模型气动参数;采用仿真分析评估了SS-PTMD控制桥梁涡激振动的效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到87%;通过风洞试验研究了SS-PTMD涡激振动控制效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到92%;理论分析和试验结果表明,SS-PTMD对桥梁涡激振动具有很好的减振效果。

车辆激励下中央扣对悬索桥梁端位移的影响

为研究中央扣对悬索桥梁端位移的影响,以洞庭湖二桥为工程背景,考虑结构几何非线性效应,建立相应的全桥空间有限元动力模型.基于有限元模型,考虑多种行车工况,研究了中央扣对该桥动力特性及在车辆激励下对梁端位移的影响.结果表明:中央扣能显著提高悬索桥的整体纵向刚度,改变悬索桥的纵飘模态特性.在车辆激励下,设置中央扣明显减小了加劲梁的纵向振幅,提高了加劲梁的振动频率,导致梁端累加位移值增大.双向行驶的车辆越多,增设中央扣后梁端位移峰值减小得越明显.不同类型的中央扣造成悬索桥对应的共振车速和主梁的动力响应各不相同.行车工况下,不同类型中央扣对梁端位移的控制效果各有差别.

屋盖开孔建筑的内压风洞试验研究

对不同开孔位置、开孔率和内部容积的17个屋盖开孔建筑进行了缩尺刚性模型测压试验,分析内外风压的空间分布规律和相关性,采用稳态方法和单开孔内压传递方程分别对平均和脉动内压进行理论估计,拟合了峰值内外压系数比的无量纲设计公式。结果表明:屋盖开孔建筑的内部风压系数相关性和相干性较好,可采用统一的值来描述内压;内外风压系数以正相关为主,相关性大于立墙开孔工况;平均内压设计值可取为0.8倍开孔处外部平均风压,可采用单开孔内压传递方程估计垂直风向的脉动内压,误差小于15%。拟合的脉动内外压系数比和峰值内外压系数比设计公式,可应用于屋盖中心开孔建筑,改进了GINGER方法的精度。