大跨径悬索桥空气静力和动力分析的影响因素研究

随着悬索桥跨径的增大,缆索直径以及作用在其上的风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间分布的非均匀性都将显著增强。以润扬长江大桥为背景,进行了缆索风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间非均匀分布等因素对大跨径悬索桥空气静力和动力特性影响的数值分析。分析结果表明:这些因素对大跨径悬索桥空气静力特性的影响比较大;但是对于空气动力稳定性而言,风与结构相互作用的非线性效应的影响比较显著,而其它两个因素则基本没有影响。     

基于MTMD的大跨度人行悬索桥人致振动控制

大跨度人行悬索桥柔度大且阻尼小,易在人群荷载激励下产生过大振动,导致舒适度不满足规范要求.对于此类结构,需要采取有效减振措施控制其动力响应.本文介绍了多重调谐质量阻尼器(MTMD)对主跨600 m人行悬索桥的人致振动控制性能.利用有限元软件建立了某大跨度人行悬索桥模型,以德国EN03规范为计算依据,计算了悬索桥的人致振...     

大跨度悬索桥颤振控制的研究状况与进展

当悬索桥主跨跨径超过2 000 m后, 气动稳定性已经成为悬索桥面临的最重要的安全问题,选择合适的装置避免桥梁在施工及运营阶段发生颤振势在必行.综述了国内外大跨度悬索桥颤振控制方法、措施及发展现状,系统介绍了大跨度悬索桥颤振控制的结构措施、耗能措施及气动措施的装置与应用,并讨论了各种措施的优缺点及其适用性.      

侧风对大跨度城轨斜拉桥车-桥耦合振动的影响及其对策研究

对于城轨斜拉桥的车-桥系统,城轨车辆的气动特性和动力特性不同于普通铁路车辆,而其主梁尺寸和刚度也不同于普通铁路桥梁。考虑到不同类型桥梁和车辆的组合,抗风行车准则也不同,本文针对大跨度城轨斜拉桥,采用风洞试验获取列车与桥梁主梁气动力系数并建立风-车-桥系统耦合振动方程,研究了强侧风对城轨专用斜拉桥车-桥耦合振动的影响并提出了相应的防风对策。结果表明:在强侧风环境下城轨车辆所受侧向风荷载通过轮轨接触间接作用在桥梁上,会对桥梁动力响应产生较大影响;当桥面平均风速低于30m/s时,可以通过降低车速来保证城轨车辆过桥时的行车安全;但当桥面平均风速高于30m/s时,需要在桥面设置风屏障来保证行车安全。     

主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移机理研究

在悬索桥的服役过程中，由于桥梁恒载、风载以及车流量变化导致的动态载荷，使得鞍座两侧的主缆受到的力不平衡，从而引起主缆与鞍座间的动态接触和微滑移.当不平衡力超过主缆与鞍座间的静摩擦力，主缆与鞍座间将发生滑动，将导致悬索桥结构失稳，甚至可能造成桥梁坍塌.因此，揭示主缆和鞍座之间的动态接触和微滑移特性对增强主缆的抗滑性和确保大跨度悬索桥的稳定性至关重要.本文作者运用自制试验平台,模拟悬索桥实际服役环境中动载工况下的主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为，通过开展接触摩擦试验并对接触界面进行实时监测来研究接触摩擦机理揭示了典型工况下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移机理(接触状态、微滑移幅值、摩擦系数以及接触压力等).结果表明：主缆索股承受动态载荷时各个索股个体与鞍座间的接触状态存在差异，外层索股与鞍座间的接触面均为完全滑动状态，内层索股与鞍座间的接触状态为接近完全滑动状态的部分滑动状态，主缆索股整体承受较大动载时外层索股与鞍座间更容易发生完全滑动，索股间产生分层滑移现象，不同索股的微滑移幅值由内层到外层依次增大；随着加载力的增大，从内层索股至外层索股，滑移距离增长速率依次增大，从固定端到加载端...     

架设阶段悬索桥静力问题的随机有限元分析

架设阶段的悬索桥不仅具有显著的几何非线性行为，而且存在材料特性的变异。本文建立了以增量形式表达的非线性摄动法随机有限元列式，并编制了悬索桥静力分析程序ＳＮＡＰ。针对一座国内在建的悬索桥，计算了该桥在某一施工阶段考虑缆索弹性模量随机性时主梁跨中点位移的变化。结果表明，材料随机性的影响十分明显。     

紊流对悬索桥动力特性的影响

文章研究了在风激励下,风中紊流对悬索桥动力特性的影响.悬索桥被处理为一个同时存在有两个相互耦合的振动模态的线性结构.当风高速吹桥时,风中的紊流可认为是一个宽带噪声,因此系统的响应是一个近似的马尔柯夫过程.运用随机平均法,可解出一组伊藤统计微分方程——从而确定系统运动稳定性条件.与只考虑一个振动模态的数学模型相比,本文结论更接近于实验结果.     

双缆悬索桥空缆状态主缆抗滑安全性研究

为指导双缆悬索桥上下缆垂跨比的取值，明确双缆悬索桥施工阶段主缆抗滑稳定性，提出一种主缆在施工阶段空缆状态下的抗滑安全系数计算方法。基于上缆变下缆的主缆布置方式，通过双缆悬索桥成桥状态反推空缆状态主缆垂度，根据空缆状态下主缆线形为悬链线计算中塔塔顶鞍座处缆力及包角，并据此计算空缆状态抗滑安全系数。建立多塔悬索桥有限元模型对提出的公式进行验证，分析成桥状态上下缆垂跨比和桥梁跨度的取值对空缆到成桥状态主缆垂度变化以及抗滑安全系数的影响。结果表明，采用本文公式计算的双缆悬索桥空缆状态下抗滑安全系数精度较高；上下缆垂跨比对空缆状态主缆抗滑安全性影响较大，抗滑安全系数随着上下缆垂跨比差值的增大迅速减小；空缆状态主缆抗滑安全系数受跨度影响不大，其随跨度增大略有提高。在实际的双缆悬索桥初步设计过程中应考虑施工阶段主缆抗滑稳定性，选择适宜的上下缆垂跨比，采取措施提高施工阶段主缆抗滑安全性。     

确定大跨径悬索桥主缆成桥线形的虚拟梁法

精确计算悬索桥主缆索形是悬索桥设计和实现施工开环控制的关键。本文通过柔计算的虚拟梁法,导出了确定大跨径悬索桥主缆成桥线形的非线性方程组,建立了索型迭代的计算流程。     

桥面槽缝对桥梁断面静态压力分布影响的实验研究

大跨度斜拉桥或悬索桥的桥梁主梁断面的气动外形是桥梁设计者们很关心的问题之一。对主梁节段模型气动力的风洞实验研究一般都只考虑了来流攻角以及模型本身结构外形的影响，而现今不少大桥在双向来回车道的中间开有槽缝，工程上可以用来改善桥面的空气动力特性以及桥梁本身的稳定性，对于这方面的实验研究进行得不多。本文拟通过风洞实验对某大桥桥梁主梁断面在各种开槽情况下的静态压力分布进行研究，进而对断面各测点的压力分布进行矢量求和获得升力系数、阻力系数和升力矩系数，由此来研究开槽与否以及开槽大小对该桥梁主梁断面的气动力的影响，同时也研究了槽中央隔板的存在对气动力系数的影响。研究表明，隔板的有无对气动力并无明显的影响，而开槽与否以及槽宽的大小对压力分布、升阻力系数以及升力矩系数有明显的影响。     

Nonlinear parametric modeling of suspension bridges under aeroelastic forces: torsional divergence and flutter

A fully nonlinear model of suspension bridges parameterized by one single space coordinate is proposed to describe overall three-dimensional motions. The nonlinear equations of motion are obtained via a direct total Lagrangian formulation and the kinematics, for the deck-girder and the suspension cables, feature the finite displacements of the associated base lines and the flexural and torsional rotations of the deck cross-sections assumed rigid in their own planes. The strain-displacement relationships for the generalized strain parameters, the elongations in the cables, the deck elongation, and the three curvatures, retain the full geometric nonlinearities. The proposed nonlinear model with its full extensional-flexural-torsional coupling is employed to study the torsional divergence caused by the static part of the wind-induced forces. Two suspension bridges are considered as case studies: the Runyang bridge (main span 1,490?m) and the Hu Men bridge (main span 888?m) in China. The evaluation of the onset of the static instability and the post-critical behavior takes into account the prestressed condition of the bridge subject to dead loads. The dynamic bifurcation that occurs at the onset of flutter is also studied accounting for the prestressed equilibrium state about which the equations of motion are obtained via an updated Lagrangian formulation. Such a bifurcation is investigated in the context of the parametric nonlinear model considering the model parameters of the Runyang Suspension Bridge together with its aeroelastic derivatives. The calculated critical wind speeds for the onset of the static and dynamic bifurcations are compared with the results obtained via linear analysis and the main differences are highlighted. Parametric sensitivity studies are carried out to assess the influence of the design parameters on the instabilities associated with the bridge aeroelastic response.     

车载作用下大跨度悬索桥钢箱梁受力状态的实验研究

钢箱梁结构在现代大跨度悬索桥体系中较多采用.作为最主要的组成部分之一,其在车辆荷载作用下的受力状态倍受关注.然而目前通过有限元计算还难以获得钢箱梁各细部构造的精确应力值.本文以润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,介绍了该桥静动载试验中的车辆加载工况和钢箱梁测试截面应力测点的布置等.利用该桥钢箱梁实测应力结果,分析了多种车辆荷载工况下大跨度悬索桥钢箱梁的应力水平及其分布,同时进行了钢箱梁各测试截面受力状态的对比研究,在此基础上总结了大跨度悬索桥钢箱梁结构在车载作用下的受力特点.研究结论为同类钢箱梁的受力状态分析提供了参考依据.     

基于静载试验钢桁梁悬索桥承载能力评估分析

早期修建的小跨径钢桁梁悬索桥大部分已接近设计年限,正确评估其承载能力是桥梁维修、加固和技术改造的基本依据.本文首先简单介绍了桥梁承载能力评估的静载试验方法.同时结合城南大桥的实例,分析了现有桥梁结构存在的主要病害及产生的原因.在充分考虑分析现场检测资料和原有设计荷载等级的基础上,建立了考虑结构损伤的有限元模型,制定了静载试验的加载方案.通过试验结果与修正后有限元模型结果的比较,评估了桥梁结构现有承载能力状况,并针对该桥提出了恢复承载能力的加固措施和建议.     

考虑几何与材料及静风荷载的非线性因素的大跨径桥梁静风稳定分析法

针对现有的桥梁静风稳定分析方法中存在的问题，提出了增量与内外两重迭代相结合的新方法，并且考虑了结构几何、材料和静风荷载非线性。在上述方法的基础上，编制了桥梁非线性空气静力稳定分析程序BNAP，并进行了相应的算例分析，所得结果表明该方法具有计算稳定和速度快的优点。最后，以一座主跨1000米的斜拉桥为例，分析了结构几何非线性、材料非线性和静风荷载非线性对大跨径桥梁空气静力稳定性的影响。     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响,为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元,推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵,其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序,采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态,并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形,结果表明,主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大,且矢跨比越大,主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题,尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥,需要在设计和施工中引起足够的重视。     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.      

Analysis for the optimal location of cable damping systems on stayed bridges

Computational models are increasingly being used for the dynamic analysis of structures with nonlinear or uncertain behavior, such as cables in stayed bridges, which nowadays are progressively more used as an alternative for long span and slim structures. In this work, a 3D nonlinear model is described to evaluate the wind dynamic effects on cables for this type of bridges under different scenarios, but also for health monitoring and structural simulation to guarantee performance, evaluate load capacity and estimate life prediction. Fatigue is one of the most relevant and complex failure causes in highway bridges, particularly on the anchorage elements of the cables in stayed bridges; where dampers may be used to minimize the dynamic behavior of the structure and reduce fatigue damage. With this nonlinear simulation model, different damper locations and configurations are evaluated to find the optimal position. A feasibility function is used as a weighting function to take into account the damper’s size and design. Analysis is particularly focused for a real cable stayed bridge in the state of Veracruz in México. Although the geometry, the forces and the stresses on cable structures are a challenge, even for structural specialists, the results from this work using the proposed 3D nonlinear model showed to be accurate for the simulation of many different wind scenarios, and damper’s location and orientations. Finally, the feasibility weighting function enabled the geometrical limitations to estimate the best location of a damper system to minimize the risk for fatigue failure.     

某跨海大桥主塔位工程边坡稳定性研究

某跨海大桥为一悬索桥 ,其主塔位于海中的岛礁上。因岛礁山体略显单薄 ,受数条断层及其他构造裂隙的影响 ,整体完整性较差。本文在大量现场地质资料调查基础上 ,系统结合上部结构荷载、风荷载 ,对工程边坡稳定性进行了分析研究 ,结果表明工程边坡整体稳定 ,但浅表部存在不稳定块体 ,并提出浅表部边坡相应的加固建议措施