基于刚度相似原理的斜拉桥模型设计方法

模型试验是测定结构性能进行科学研究的重要手段之一,目前关于斜拉桥模型设计方法的系统研究还很少。本文提出了斜拉桥模型设计的总体思路,对结构静动力模型的相似关系进行了推导,并完全按照相似关系设计了一座三跨PC斜拉桥的理想模型桥,将其与实桥有限元数值模拟及原型成桥现场静动力测试结果进行比较分析。结果表明,对于斜拉桥这种组合体系结构,当存在两种弹性模量相似比时,采用刚度相似法处理相似关系是合理的。最后,阐述了实际中制作斜拉桥模型时应考虑的问题,为斜拉桥模型的设计制作提供指导。     

大跨斜拉桥拉索面内参数振动简化模型及工程应用

斜拉索是斜拉桥的重要受力构件,当索梁耦合振动时,斜拉索易发生大幅的参数振动。本文提出了一个不计拉索垂度并忽略桥梁自重影响的单自由度力学模型,推出了斜拉索参数振动的简化分析方程。为了考察方程的可行性,利用计算机对该方程进行了仿真,并与另一考虑索桥耦合作用运动方程的仿真分析作了对照,得到了非常相近的结果。基于实验室24.2m的模型斜拉索,辨识了该拉索的固有频率和阻尼,通过试验实现了该斜拉索的一阶参数振动,并分析了发生一阶参数振动时激励频率与固有频率比值。另外运用本文提出的简化方程对实验室拉索作了仿真,得到了参数振动现象,与实验结果对比得到:利用简化分析模型对试验拉索的仿真分析与实验室拉索的实验结果比较吻合,表明不考虑桥梁质量的简化模型具有足够的准确性。最后,结合工程实例,对鄂东大桥的某一可能发生参数振动的拉索进行了仿真分析,表明在桥梁自重较重时本文所提出的简化方程具有较好的适用性;并且发现加装阻尼器可以有效抑制拉索的参数振动。     

青洲斜拉桥的基准动力有限元模型

讨论了斜拉桥有限元动力分析模型,给出了基于环境振动试验结果建立大跨度斜拉桥基准有限元模型的步骤;讨论了桥面初始平衡构型、几何非线性、桥面板、混凝土桥面板与钢梁的剪力连接和端部纵向约束对模型的影响。经通车前现场环境振动试验结果验证的青洲闽江斜拉桥三维有限元模型,反映了桥梁在运营前的真实动力行为,可作为该桥各种复杂响应分析和长期健康监测、使用状态评估的基准。     

谐波激励下斜拉桥面内非线性振动试验研究

斜拉桥拉索的振动问题一直是桥梁工程领域的研究热点。为揭示拉索大幅振动的力学机理,课题组建立了斜拉桥的全桥精细化模型,本文测试和研究了单频激励下的斜拉桥可能的非线性振动行为。首先,通过自由振动试验测试了模型的模态参数,并与两类有限元模型（OECS模型和MECS模型）进行对比,结果吻合良好。其次,试验研究了在单个竖向简谐激励下斜拉桥模型的非线性响应。研究发现：当激励频率与斜拉桥某阶全局模态频率接近时,主梁产生主共振,并引起多根长索产生大幅的参强振动;当激励频率与某根斜拉索面内一阶频率之比为1：2或者2：1时,可以观测到索中产生超谐波和亚谐波共振现象。     

考虑地基-结构-散粒体相互作用时贮仓结构的静、动力研究[Ⅱ]--有限元分析

对贮仓结构的静、动力问题进行了系统的分析计算：考虑到地基—结构—散粒体间的相互作用，引入新的计算模式，对不同地基上的贮仓结构模型进行了系统的有限元静、动力分析计算，并与作者所完成的试验结果进行了比较。结果表明，所提出的计算模式及有限元计算模型是正确的。     

CFRP索斜拉桥的索-浅拱模型及面内自由振动分析

本文针对斜拉桥的受力特点,基于索和浅拱的经典动力学运动方程,结合拉索与浅拱之间的耦合边界条件,并且考虑两者的几何非线性,建立了斜拉桥的多索-浅拱面内自由振动模型。将浅拱分段处理,结合索、浅拱连接处的动态平衡条件,应用分离变量法,建立多索-浅拱模型的面内自由振动理论。以双索浅拱模型为例,求解其特征值问题。同时,建立了相应的有限元模型,有限元计算结果与本文理论分析吻合良好。最后针对CFRP索斜拉桥的关键参数,基于本文的索-浅拱理论,对面内自由振动进一步研究。研究表明：浅拱的矢高在一定范围内变化,仅对某一阶频率产生影响,而其他各阶频率几乎没影响;CFRP拉索能显著改善索-浅拱组合结构的基本动力学特性。     

预应力混凝土斜拉桥空间非线性恒载索力优化

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型,其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构应力及索力为约束条件,采用一阶分析法进行求解,用以确定成桥合理状态的索力。在计算中,考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某大跨度预应力混凝土斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明:该方法简单、有效。     

大跨度铁路斜拉桥车桥耦合振动非线性分析

大跨度铁路斜拉桥在车辆通过时,可能发生较大的变形,致使结构几何非线性效应变得显著.针对大跨度斜拉桥的几何非线性特征及铁路桥的特点,建立了结构空间动力分析模型.以广西红水河铁路斜拉桥和主跨300米双线铁路斜拉桥方案为例,模拟机车过桥的全过程,计算了斜拉桥的车桥耦合振动响应,分析了各种因素对桥梁动力响应的影响.结果表明,对于大跨度铁路斜拉桥,非线性分析结果与线性分析结果相比,具有明显差别.在大跨度铁路斜拉桥车桥耦合振动分析中,考虑结构几何非线性效应是必要的.     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法,提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法,序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型,以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构的应力和索力为约束条件,并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,采用强次可行序列二次规划法进行优化求解,确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明该方法简单、有效。     

独塔斜拉桥的环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点.本文以吉林市临江门大桥为工程背景,通过动力试验,研究了该桥在天然脉动荷载作用下的固有特性.采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的固有特性.有限元计算结果与动力试验结果比较吻合.结果表明,环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础.     

Static and dynamic behavior of disk bearings for OSPG railway bridges under railway vehicle loading

The aim of the present study is to investigate the static and dynamic behavior of disk bearings under railway vehicle loadings. A disk bearing is operated as an elastic bearing in the vertical direction and is composed of a Polyether Urethane (Polyurethane) disk for elastic support and Polytetrafluoroethylene (PTFE) to accommodate lateral movements. Static tests are conducted in a laboratory to determine the static behavior of a Polyurethane disk. Finite Element (FE) analysis is also performed to assess the friction and the role of the pin inside a disk bearing. For dynamic behavior, four disk bearings having the identical Polyurethane disk, which are used in the static tests, are installed in a real railway bridge and tested under a running locomotive. From the test results, the static and dynamic stiffness of disk bearings are estimated and compared with each other. The estimated static stiffness of the disk bearing is almost half of that under dynamic loading. In addition, under relatively light loads the dynamic stiffness of a fixed disk bearing is approximately 80% greater than that of an expansion disk bearing since the PTFE deflects and the gap is closed in the expansion bearing. Deformation of the disk bearings in the real bridge is measured with varying locomotive speeds. The deformation of the disk bearings does not vary significantly with changes in the locomotive’s speed.     

Recent progress on finite element model updating: From linearity to nonlinearity

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.     

机床结构结合面静态特性研究与内聚力模拟

针对机床结构中的平面结合面,通过实验分析了结合面在均布面压作用下的结合面法向变形与平均压力的关系;将结合面表面简化为半圆弧和正弦曲线两种微观形貌,利用有限元方法模拟结合面的接触变形力学行为,计算结果显示半圆弧形貌接触分析结果与实验结果较为接近.从结合面作用的物理本质出发,将结合面的相互作用等效为内聚力效应,利用内聚力模型分析了结合面的静态力学行为;内聚力模型计算结果与实验结果吻合较好.     

A Combined Static/Dynamic Technique for Damage Detection of Laminated Composite Plates

There is a growing demand to develop viable techniques for effective damage detection of composite structures, and the dynamics-based approach has been broadly used in structural health monitoring. A new combined static/dynamic technique for improved damage detection of laminated composite plates is presented. The promise of the technique is that under the sustaining static load, the abnormality of dynamic response due to damage may become more pronounced and easy to be detected. The experimental program consists of testing an E-glass/epoxy composite plate with an embedded delamination under a pre-set static compressive force, and the dynamic response of laminated composite plates is measured using two different actuator–sensor systems: (1) PZT (lead–zirconate–titanate) actuators and scanning laser vibrometer (SLV) sensing system (PZT–SLV), and (2) PZT actuators and Polyvinylidenefluoride (PVDF) sensors (PZT–PVDF). The influence of sustaining static forces to dynamic response of delaminated composite plates is evaluated. The numerical finite element (FE) analysis is also conducted to verify the effectiveness of this technique. The experimental and numerical mode shapes are used to detect the presence, location, and size of the delamination and to study the effect of static load on dynamic response. Two relatively new damage detection algorithms (i.e., Simplified Gapped Smoothing Method (GSM) and Generalized Fractal Dimension (GFD)) are employed to analyze the Uniform Load Surface (ULS) calculated from the experimental and numerical data. From the dynamic response and analysis results using the damage detection algorithms, it is observed that as the sustaining static load increases, the delamination is much easier to be identified through the enlarged damage parameters. The present combined static/dynamic technique is capable of magnifying the effect of damage, thus improving the effectiveness of damage detection.     

基于贝叶斯信息融合的岸桥有限元模型修正研究

为建立精确的岸桥有限元模型,研究了基于贝叶斯信息融合的模型修正方法．通过方差分析,确定待修正参数,利用中心复合试验设计获取样本点,根据有限元计算结果与实测的结果残差为目标函数获得响应样本．拟合样本点和响应样本值构建二阶多项式响应面模型,并检验响应面模型的精度．基于贝叶斯理论更新融合系数来优化响应面参数,从而获得修正模型．以宁波大榭3号岸桥为工程背景,对比修正后的模态频率和实测频率,最大频率相对误差不超过5%,进而验证了基于贝叶斯信息融合的动力学有限元模型修正方法的有效性．修正后的有限元模型可进一步应用于岸桥的健康监测和安全评估．     

海上风机动冰力模型试验相似律研究

相似律在模型试验中发挥着非常重要的作用,虽然目前静冰力模型试验的研究比较全面,但还没有一个完整适用的动冰力相似律作为动冰力模型试验基础.本文针对冰激结构振动中动冰力模型试验相似律,基于弹性相似与柯西(Cauchy)相似的联合相似准则,提出了两种动冰力相似律.建立并改进了能够反映冰与结构水平相互作用的相互作用系数.以NR...     

钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型

设计了45片钢筋混凝土(RC)构件,基于RC构件通电加速锈蚀,对该批构件进行腐蚀试验研究,测试了锈胀裂缝宽度及其位置和发生时间。以钢筋锈蚀率、保护层锈胀开裂、锈胀裂缝宽度、相对保护层厚度和混凝土强度为分析参数,结合测试数据,利用加速腐蚀和自然腐蚀的对应关系,通过数理统计回归分析建立了锈胀开裂宽度的预测模型。分析了各参数对锈胀开裂扩展的影响。该模型对RC结构耐久性设计提供一定的参考。使用本文建立的模型以及规范模型对文献试验数据和一座服役近40年的实桥构件的锈蚀率和锈胀裂缝宽度进行了预测,计算结果表明本文模型有较强的适用性,能够用于实桥锈胀损伤分析。     

铁路车辆/轨道耦合系统在竖向冲击载荷作用下动态响应的计算机模拟研究

车辆与轨道的动态相互作用,是铁路轮轨接触式运输系统中最基本的问题之一,它直接制约着铁路运营速度的提高和运载重量的增加,也影响着铁路安全运行。本文采用有限元方法,对我国C61型运煤货车,按照车辆/轨道系统的实际几何形状、材料性质和边界条件建立了包括车辆和轨道系统的有限元模型,应用大型非线性动力分析程序LS-DYNA3D来模拟车辆通过轨道错牙接头时的轮/轨动态响应过程。计算结果表明车轮和轨道之间的竖向动态接触力大约是静轮载的2倍,与已有的现场试验结果基本吻合。因此应用有限元方法研究车辆/轨道耦合系统是可行和可靠的。     

A mathematical model for ATP-mediated calcium dynamics in vascular endothelial cells induced by fluid shear stress

In consideration of the mechanism for shear-stress-induced Ca^2＋ influx via ATP（adenosine triphosphate）-gated ion channel P2X4 in vascular endothelial cells, a modified model is proposed to describe the shear-stress-induced Ca^2＋ influx. It is affected both by the Ca^2＋ gradient across the cell membrane and extracellular ATP concentration on the cell surface. Meanwhile, a new static ATP release model is constructed by using published experimental data. Combining the modified intracellular calcium dynamics model with the new ATP release model, we establish a nonlinear Ca^2＋ dynamic system in vascular endothelial cells. The ATP-mediated calcium response in vascular endothelial cells subjected to shear stresses is analyzed by solving the governing equations of the integrated dynamic system. Numerical results show that the shear-stress-induced calcium response predicted by the proposed model is more consistent with the experimental observations than that predicted by existing models.