考虑拉索抗力退化的斜拉桥体系可靠度评估

疲劳损伤和大气腐蚀作用致使斜拉索性能退化,影响斜拉桥运营期的安全水平.为了分析拉索抗力退化对斜拉桥体系可靠度的影响,建立了斜拉索抗力退化的串并联概率模型,提出基于机器学习的斜拉桥时变体系可靠度分析方法.以经典斜拉桥和某大跨度双塔混凝土斜拉桥为工程背景,研究了考虑拉索抗力退化的结构时变体系可靠度.研究结果表明:对于稀索体系的小跨度斜拉桥,随着斜拉索抗力的逐步退化,桥梁结构体系的主要的失效路径为由梁和塔的弯曲失效逐渐转变为由拉索腐蚀引起的拉索强度失效;当拉索抗力退化后的可靠度低于主梁关键截面可靠度时,结构体系可靠度将显著降低;对于密索体系的大跨度斜拉桥,在拉索疲劳和腐蚀共同作用下,该斜拉桥体系可靠指标将在29年降低到5.2.     

基于高性能材料的大跨径斜拉桥抗风性能分析

为了研究活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)和碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在大跨径斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 100m的钢斜拉索、钢主梁、普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为基础,构造了一座同等布置形式的CFRP拉索、RPC主梁、RPC索塔斜拉桥方案.采用有限元法对2种方案斜拉桥的动力特性、抗风性能等进行了分析和比较.结果表明:2种方案结构的自振基频相差不大,CFRP索RPC主梁斜拉桥的主梁颤振稳定性有所提高,其抖振响应位移较钢索钢主梁斜拉桥明显降低.CFRP拉索的自振频率达钢斜拉索的2倍;与钢斜拉索相比,CFRP拉索涡振幅值有所增大,但整体而言2种方案斜拉索的涡振幅值均很小,不影响其安全;CFRP拉索的风雨激振振幅不到钢斜拉索的1/2,且前者与风雨激振相关的临界风速较后者有所提高.应用高性能材料RPC与CFRP的大跨径斜拉桥整体抗风性能优于传统的钢斜拉索钢主梁斜拉桥,从抗风性能角度而言,将高性能材料RPC与CFRP应用于大跨径斜拉桥中是可行的.     

多损伤场景下大跨径斜拉桥易损性

为了研究大跨径双索面斜拉桥易损斜拉索部位,进一步优化结构健康监测传感器布置方案,基于大跨径斜拉桥结构特点及受力性能,以斜拉桥主梁屈曲安全系数和应力安全系数为评价指标,以大跨径全漂浮分肢柱式塔四索面分离式钢箱梁斜拉桥为依托,采用有限元分析软件,分别采用Beam4梁单元和Link10桁架单元模拟塔/梁构件和拉索构件,建立该斜拉桥的三维有限元空间模型;计算分析了拉索整体性能退化、单根断索、单对断索3类损伤场景下149个工况的主梁屈曲安全系数和应力安全系数。分别考虑结构损伤比例和所造成损伤程度,采用Pareto多目标评价方法,根据结构最小损伤比例作用所造成结构损伤程度最大的优化原则,分别研究了3类损伤场景下斜拉索的易损性,确定了易损斜拉索的部位。研究结果表明:成桥拉索索力随着索长的增加而逐渐增大,内侧索力基本大于外侧索力;拉索整体性能退化程度从无损伤到损伤增加至30%,主梁屈曲安全系数呈线性增大趋势,应力安全系数呈线性减小趋势,但二者变化幅度均较小;单根断索或者单对断索损伤场景下,易损拉索为中跨10~#、边跨6~#,较易损拉索为1~#～5~#、7~#～9~#等。该结果可为研究双塔双索面钢箱梁斜拉桥斜拉索的易损薄弱部位,布控长期监测传感器和提高结构安全性提供科学依据和参考。     

桥面车辆火灾对斜拉索影响的简化分析方法

桥面车辆火灾的场景多样,对斜拉索造成的影响差别很大.用不同的火灾位置区域代表不同的拉索失效状态和失效根数,可建立桥面车辆火灾对斜拉索影响的简化分析方法.在确定斜拉桥常见火灾类型和拉索失效准则的基础上,分析火灾位置对拉索温度的影响规律,根据有限元计算结果提出通用的拉索失效区域和不同失效根数的区域划分方法,两者结合形成火灾对拉索影响程度的区域,该区域划分结果可以直接指导火灾场景下拉索受影响程度的判断.     

斜拉索在随机风-车-覆冰联合作用下的疲劳可靠度分析

为了分析随机风-车荷载及覆冰联合作用下的斜拉索的疲劳可靠度,以武汉天兴洲长江大桥为工程背景进行研究。首先,根据Monte Carlo法组成随机车队,模拟随机车辆荷载谱,将车辆模型转化为节点动力荷载输入斜拉桥模型中,通过谐波叠加法生成风速时程,将风荷载引起的静风力、抖振力、气动自激力施加到斜拉桥模型中;然后,依据横风向驰振理论,考虑扇形索覆冰引起的自激振动影响,采用Fluent软件模拟拉索在覆冰状态下的升力系数,求出30°风攻角下的升力并施加到拉索上,将拉索计算出的时程力施加到对应的主梁模拟点上;最后,基于累积损伤理论,分别对斜拉桥在单一车荷载、风-车荷载联合作用及风-车-覆冰联合作用下拉索的疲劳可靠度进行分析,得到拉索的疲劳可靠度指标。研究结果表明:风-车荷载联合作用下拉索的疲劳可靠度指标明显低于单一随机车荷载作用下的疲劳可靠度指标,最短索的疲劳可靠度指标降低了约21%;覆冰会降低拉索的疲劳可靠度指标,但其降低幅度不大,考虑到覆冰作用引起的最大索力大于其他2种工况的最大索力,其影响不能忽略;风荷载对拉索的疲劳可靠度影响显著,且随着拉索长度增大,影响也逐渐增大。该方法主要是将荷载以节点动力荷载的形式施加到桥面模拟点上,因此该方法同样适用于其他桥梁的疲劳可靠度分析。     

超大跨径斜拉桥斜拉索局部振动对地震反应的影响

在以往的斜拉桥地震反应分析中,大都采用单桁架(SECS)模型来模拟斜拉索,不能反映斜拉索的局部振动的影响.以世界第一跨度斜拉桥——苏通大桥为背景,采用多桁架(MECS)模型来分析斜拉索局部振动对超大跨度斜拉桥地震反应的影响,并探讨了斜拉索的合理单元划分方式.结果表明,斜拉索划分为10个单元已能够很好地反映斜拉索局部振动的影响.考虑斜拉索局部振动之后,会出现索梁耦合振型,减小一些振型的参与系数,基频与主梁的竖向振动相近的斜拉索在地震作用下大幅振动,而主梁和主塔的内力反应普遍减小,特别是主塔的地震轴力明显减小.     

SMA阻尼器-斜拉索系统减振控制试验

为了抑制斜拉桥拉索在风、雨等外界环境激励下的振动反应,设计了一种形状记忆合金（SMA）阻尼器并安装在斜拉索上。给出了该阻尼器的结构和分析模型,以及SMA阻尼器-斜拉索系统的振动方程。以润扬大桥斜拉桥的1：60缩尺模型为试验平台．进行了SMA阻尼器-斜拉索-桥面系统的减振试验,研究了SMA阻尼器对模型索在自由振动和桥面振动激励下减振效果的影响。试验结果表明：在斜拉索的面内安装SMA阻尼器,使斜拉索面内自由振动的衰减时间减少了50％,降低桥面振动所诱发的斜拉索面内耦合振动的峰值达39％以上,具有明显抑制斜拉索振动反应的作用。     

基于极限状态法的钢桁梁公铁斜拉桥结构分析

 以某钢桁梁公铁斜拉桥为研究对象,采用空间有限元方法,计入几何非线性影响,进行基于极限状态法的斜拉索初应力计算及桥梁 结构特性的数值分析。提出基于极限状态法的计入主梁恒载增大系数的斜拉索初应力计算方法,计算了两组斜拉索初应力：不考虑 恒载增大系数和考虑恒载增大系数。进行该斜拉桥自振特性分析,以及两种极限状态下的静力特性分析：承载能力极限状态和正常 使用极限状态。讨论以极限状态法为基础的分析方法的有效性。研究结果表明：斜拉索初应力大小对钢桁梁斜拉桥主塔和主梁构件 静力响应的影响显著;以极限状态法为基础的考虑提高系数计算出的斜拉索初应力能使斜拉桥在外荷载作用下具有更加良好的结构 性能;按照承载能力极限状态法来进行大跨度钢桁梁公铁斜拉桥的设计和分析更经济合理。     

波浪形斜拉索的气动力及风致振动特性

斜拉索的风荷载和风致振动问题在工程设计和抗风研究领域备受关注，探索具有 较小气动力和良好抑振性能的新型斜拉索十分必要 . 针对某一特定几何尺寸的波浪形斜拉 索，通过风洞试验方法，研究了该波浪形斜拉索的整体气动力、风压分布、局部气动力、涡激振 动和干索驰振特性. 结果表明：在1.00×105~3.86×105 的雷诺数范围内，波浪形斜拉索的平均阻 力系数总体而言小于标准斜拉索，在低雷诺数范围可减阻 18%，最大平均升力系数相比标准 斜拉索可降低 80%；波浪形斜拉索的风压分布、气动力随雷诺数的整体变化规律与标准斜拉 索相似，但展向相关性较弱；波浪形斜拉索的涡激振动性能显著优于标准斜拉索，最大振幅降 低34%，最大振幅对应的风速提高了16%；干索驰振性能与标准斜拉索的结果相当，最大振幅 可减小5%，但发生振动的风速范围更宽.     

斜拉网格结构的风振响应分析

在简要介绍脉动风荷载的生成及拉索的多单元有限元模型的基础上,采用随机振动的动力时程法计算某斜拉网格结构的风振响应,并进行了参数分析。计算结果表明,与无拉索的网格结构相比,斜拉网格结构的脉动响应较小。在斜拉网格中考虑拉索本身风振与不考虑拉索本身风振,结构的风振响应差别较小。拉索的脉动响应主要与其所处的位置有关。     

大跨度斜拉桥施工过程索力和线形双控研究

为了使斜拉桥在成桥后达到合理状态,必须拟定合理的施工状态,即在施工过程中使斜拉索力和结构位形同时达到理想状态.采用一阶最优化计算方法,以成桥后结构的弯曲应变能和主梁的线形为目标函数,以斜拉索的初始张拉力和主梁节段的预抛高值为设计变量,建立了斜拉桥施工控制的空间非线性有限元分析模型,并以某大跨度预应力混凝土斜拉桥为例,模拟了混凝土主梁的悬臂浇筑过程.结果表明,该方法可使成桥后主梁的线形和结构的内力得到合理控制,从而可有效地确定斜拉桥的合理施工状态.     

静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析

由于风荷载对斜拉桥的作用比较敏感,尤其是对于柔性大跨度斜拉桥。文章基于伯努利方程推导整个断面的3方向静风荷载原理,并采用内外增量双重迭代以及发散机理的数学描述给出静风稳定性计算过程;结合斜拉桥本身特性,分析了某跨江大跨度斜拉桥的横桥向风荷载和竖桥向风荷载的影响;使用大型有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁模型,并进行成桥状态静风荷载下的特性分析,据此来评估该桥的静力抗风性能,为相关桥梁的抗风性能分析与设计提供依据。     

主跨1600m自锚式斜拉桥的静力特性分析

以主跨1 600 m的双塔三跨自锚式斜拉桥为基本研究对象,建立有限元分析模型,计算该跨径斜拉桥结构体系在恒载、活载、风荷载以及各种荷载组合下的结构静力响应情况。通过试设计方案的整体结构计算和参数分析,进一步摸清该跨径斜拉桥的静力力学特性,论述该跨径斜拉桥采用常规的双塔三跨自锚式全钢箱梁斜拉桥结构体系的技术可行性。     

加权约束最小二乘法计算等效静力风荷载

基于平均风压与脉动风压根方差相组合的分布模式,利用加权约束最小二乘优化方法计算等效静力风荷载,在计算时通过约束条件来限制等效荷载的大小,并通过引入权值因子确保等效荷载作用下典型响应的正确性.算例分析结果表明,该方法可用于计算大跨结构的多个目标峰值响应,克服了传统方法仅能等效单个响应的缺陷,对绝对值较大的目标响应等效精度较高,并且典型响应的等效精度要大于一般响应;同时可以有效控制等效荷载的大小,计算得到的等效荷载变化比较均匀,没有出现风压大小及方向剧烈变化的情况.     

自锚式斜拉-悬吊协作体系桥静风响应分析

自锚式斜拉-悬吊协作体系是一种新型桥梁结构形式,存在着抗风稳定性等技术难题.采用计算缆索承重桥静风响应的方法,研究了金州海湾大桥方案桥在静风作用下,主梁初始攻角与附加攻角、桩基础刚度、缆索体系风荷载和拉索分段对主梁和桥塔静风位移的影响.研究结果表明:附加攻角对方案桥的静风位移影响不大;如果不考虑桩基础刚度的影响会严重低估结构的侧向位移;在缆索体系风荷载作用下的侧向位移占总体位移的20%左右.     

大跨度中承式拱桥静风稳定性分析

在大跨度中承式拱桥中,主拱为受压构件,静风荷载不仅会引起结构的动力特性改变,还将导致结构强度破坏和失稳。尤其当桥梁跨度较大、横撑又较少时,其静风稳定规律与斜拉桥、悬索桥等桥梁有较大的区别。文中以重庆菜园坝长江大桥为例,通过节段模型试验,获取了静风荷载在重庆菜园坝长江大桥上作用的全过程位移响应,分析了静风作用下结构的屈服失稳机制。分析表明,静风的初始攻角、材料的强度、静力三分力系数等因素对大跨度中承式拱桥的静风稳定性均有较大的影响。     

基于精细有限元法的车致大跨度斜拉桥整体及局部振动研究

为研究列车-大跨度板桁结构斜拉桥耦合振动引起的整体与局部振动响应问题,提出了基于车-桥耦合动力学的数值分析方法.首先建立桥梁结构精细化三维有限元模型,并由直接刚度法建立桥梁子系统动力方程;列车采用31自由度刚体动力学模型,轮轨之间分别采用赫兹非线性接触模型和非线性蠕滑力模型计算法向力和蠕滑力;利用自主开发软件TRBF-DYNA开展车-桥耦合系统加速度、动位移以及动应力分析.以主跨406m的三塔斜拉桥荆岳铁路洞庭湖大桥为研究对象,开展了不同行车线路、不同车速以及不同轨道不平顺条件下的耦合系统动力响应分析,研究了桥梁整体和局部动力响应,以及列车运行安全性指标和乘坐舒适性指标的变化规律.结果表明:正交异性钢桥面板的局部动力响应远大于钢桁架主梁;大跨度斜拉桥的动力系数较小,受车速和轨道不平顺谱的影响较小;钢桁架主梁下弦杆和腹杆处于高周疲劳应力工作状态,在疲劳性能研究中需要特别关注;设计速度条件下,桥梁动力响应指标以及列车运行安全性和舒适性指标均满足规范要求.     

斜拉桥气弹模型拉索振动数字摄影测量技术

利用数字摄影测量的方法,在斜拉桥全桥气弹模型风洞试验中对拉索结构实现振动位移的动态测量.介绍了该方法的基本原理,并通过某斜拉桥进行了实测研究,获得了该桥气动失稳状态时的拉索振动形态,为桥梁颤振发散机理的研究提供了直接依据.讨论了拉索位移测量方法的误差,并提出改进测量精度的对策.     

某矮塔斜拉桥0号梁段空间应力分析

某秋浦河大桥主桥为矮塔斜拉桥.因0号梁段的构造和受力较为复杂,保证它的质量与受力安全非常重要.文章基于静力等效原理提出一种简化建模方法,并采用通用有限元软件建立了0号梁段的局部计算模型,分析该部位的空间应力传递和分布特点.通过计算分析可知,0号梁段除局部外,整体以受压为主,工程中应充分注意塔下梁段、支座处混凝土的竖向承压设计及塔梁交接处、支座处混凝土的局部抗裂设计.