Vibration suppression for high-speed railway bridges using tuned mass dampers

This paper deals with the applicability of passive tuned mass dampers (PTMDs) to suppress train-induced vibration on bridges. A railway bridge is modeled as an Euler–Bernouli beam and a train is simulated as series of moving forces, moving masses or moving suspension masses to investigate the influence of various vehicle models on the bridge features with or without PTMD. According to the train load frequency analysis, the resonant effects will occur as the modal frequencies of the bridges are close to the multiple of the impact frequency of the train load to the bridge. A single PTMD system is then designed to alter the bridge dynamic characteristics to avoid excessive vibrations. Numerical results from simply supported bridges of Taiwan High-Speed Railway (THSR) under German I.C.E., Japanese S.K.S. and French T.G.V. trains show that the proposed PTMD is a useful vibration control device in reducing bridge vertical displacements, absolute accelerations, end rotations and train accelerations during resonant speeds, as the train axle arrangement is regular. It is also found that the inner space of bridge box girder of THSR is wide and deep enough for the installation and movement of PTMD.     

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。     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

大气环境下的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析

为了探究钢筋混凝土桥梁抗力退化对桥梁可靠性能的影响,综合考虑一般大气环境下混凝土强度、钢筋强度、混凝土与钢筋黏结性能的降低,建立普通钢筋混凝土桥梁的抗力退化时变模型,分析规范车辆荷载作用的桥梁时变可靠度。研究结果表明,(1)一般大气环境下,桥梁抗力随着服役时间的增加而减小,其中钢筋强度退化对桥梁抗力的影响最大,其次是钢筋与混凝土黏结性能降低,而混凝土强度退化对桥梁抗力的影响相对较小; (2)桥梁可靠指标随着服役时间的增加而减小,密集行车占比越大,桥梁承载能力失效的概率就越大;非平稳车载作用下的桥梁可靠指标小于平稳车载,桥梁需要维修补强的时间比平稳车载提前; (3)多梁式简支梁桥在建造时应该提高边梁的安全储备,在管养时可以采取限载措施进行干预。     

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.     

车-桥-线竖平面振动及其能量转化机制精细建模

建立了考虑车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制的竖平面内精细耦合运动方程.将车-桥(线)视为一个整体系统,车辆各剐体的纵向运动均作为独立的自由度,考虑到车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制,车辆驱动或制动作用采用轮轨间的纵向相互作用力和轮对作用力矩模拟,桥梁、线路结构采用梁单元离散,线路与桥梁之间的钢轨基础采用竖向和纵向的均布弹簧阻尼连接,建立了竖平面内精细耦合运动方程,它可合理模拟车桥(线)间能量相互转化的过程.简支梁桥算例表明:车辆在桥上无驱动或制动运行过程中,不考虑轨道结构时车速先增加后减小,而考虑轨道结构时车速只有减小的趋势,轮对还发生了高频的纵向振动,且车体和轮对的纵向振动对轨道竖向不平顺较为敏感;此外,考虑轮轨滚动碾压作用和能量转化机制时,钢轨加速度响应略偏大.本文研究可为实际车辆动态变速运行的模拟和更精细空间耦合模型的建立提供研究基础.     

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。     

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.      

基于车桥耦合理论的梁式桥阻尼比识别研究

提出一种基于车桥耦合动力学理论的梁式桥阻尼比识别方法. 首先按照动力学理论将测试车设计为单自由度体系, 然后利用安装在测试车上的传感器采集信号, 从测试车与桥梁接触点响应信号中得到梁式桥响应的信号, 基于车桥耦合动力学原理滤波处理得到包含梁式桥第一阶频率的信号, 最后假定梁式桥阻尼比值, 通过假定的梁式桥阻尼比值获取假定的梁式桥第一阶振型, 不断循环直至假定的阻尼比值下计算的第一阶振型最大值点居中, 即为识别的梁式桥真实阻尼比. 本文首先从车桥耦合动力学理论推导上说明了该方法的可行性, 然后考虑在不同车速与非恒定车速、路面粗糙度、环境噪音等影响因素下进行车桥耦合动力学模型分析, 最后通过实桥试验进行了初步验证. 研究结果表明: 该方法能一定程度上克服外界不利因素的影响, 达到识别梁式桥阻尼比的目的, 为识别梁式桥阻尼比提供一种更优方法, 其具有参数设置较少、操作简单方便以及更高测试精度等优点, 同时有助于推动基于车桥耦合的车桥耦合动力学理论技术在梁式桥模态参数识别工作中的实际工程应用.      

桥梁结构静动力性能分析及其CAD微机系统

本文介绍了桥梁结构的力学计算方法，对桥梁结构ＣＡＤ系统的研制和设计方法进行了初步探讨，并列举应用实例说明了平面连续梁模型和空间有限元模型计算结果的区别，表明对桥梁结构进行全面的力学性能计算分析是十分必要的．     

大跨度斜拉桥动力特性分析

本文提出一种计算大距度钢桁梁斜拉桥动力特性的方法。文中分别采用桁段有限单元、空间梁元、空间杆元计算斜拉桥中桁架，桥塔、拉索的刚度矩阵与质量矩阵，采用子空间迭代法求解特征方程，所得结果可供设计参考。     

温度-随机载荷下CFL加固RC梁疲劳性能的实验研究

考虑亚热带地区公路桥梁的服役环境温度与车辆载荷的作用效应,本文以碳纤维薄板(CFL)加固钢筋混凝土(RC)桥梁结构为研究对象,利用本课题组构建的实验平台,提出了温度与车辆随机载荷耦合作用下CFL加固RC梁的疲劳实验方法。在3个温度和3个载荷水平下实施了温度-随机载荷耦合作用下的三点弯曲疲劳实验,初步探讨了温度-随机载荷作用下加固梁的疲劳破坏机理,并提出了温度-随机载荷耦合下加固梁疲劳寿命的半经验公式。     

A numerical model for static and free vibration analysis of elastic composite beams with end shear restraint

The end shear restraint, which is an un-classical type of end support, has a significant effect on the behavior of elastic composite beams. The principal aim of this paper is to present a numerical model for studying the effect of end shear restraint on static and free vibration behavior of elastic composite beams with various end conditions. The elastic composite beam, considered in this study, is composed of an upper concrete slab and a lower steel beam, connected at the interface by shear transmitting studs. This type of beam is widely used in constructions especially for highway bridges. The three types of end conditions considered in this study are simple, fixed and free supports. The numerical model is based on the combination of transfer matrix and analog beam methods. The field transfer matrices for the element of the elastic composite beam are derived. The present model is applied to the beam systems with and without end shear restraint and the static response and natural frequencies are calculated. the effect of shear stiffness between the upper slab and lower beam is also demonstrated.     

铜陵长江大桥主跨的环境随机激励模态测试

随机激励法是桥梁检测研究的主要方法,检测获得的模态参数是判断判断桥梁运行状况的重要标志。本文采用自行开发的一套基于PC机的测试系统,对铜陵长江大桥主跨部分进行环境随机激励模态测试,记录了大桥主跨部分的动态过程。通过分析测试结果给出了铜陵长江大桥主跨部分垂直方向上的前五阶对称振型和第三阶反对称振动的振型以及相应的固有频率.为了验证测试结果,文中对大桥用二维有限元模型建模,用有限元软件ANSYS建立了该桥的二维有限元模型,并计算得到了桥的模态参数。结果表明,计算和测试结果吻合较好,从而验证了本文测试方法的可靠性。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,（1）合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

不确定性移动载荷激励下弹性简支梁的动态响应边界分析及应用

不确定性移动载荷激励下的弹性梁振动是土木、机械和航空航天等工程领域普遍存在的一类重要问题。在许多实际工程中,不确定移动载荷的样本测试数据有限或测试成本较高,本文引入区间过程模型对此类动态不确定性参数进行描述,提出了一种求解不确定移动载荷激励下弹性梁振动响应边界的非随机振动分析方法。首先,介绍了确定性移动载荷激励下弹性梁的振动微分方程及其解析求解方法;其次,引入区间过程模型,以上下边界函数的形式对不确定性移动载荷进行度量,进而基于模态叠加法发展出弹性梁振动响应边界求解的非随机振动分析方法;最后,将上述非随机振动分析方法应用于车桥耦合振动问题。     

跳车冲击力作用下车桥耦合动力学数值分析

考虑到传统的Hertz弹簧模型进行车桥耦合动力学分析存在诸多问题,本文基于简单的车桥耦合模型,导出了车桥耦合与非耦合动力学方程。考虑轨道周期和随机不平顺情况,车辆在不平顺轨道曲线上运行时,当离心力大于车辆自重时,自动确定车辆的起跳时间和起跳高度。起跳后的车辆在重力作用下,将重新回到梁上,同时对梁有一冲击作用力。文章假设了此冲击力的作用规律,并由有限元模拟确定冲击力系数。通过自编程序,对单轴行车简支梁进行了数值计算。数值分析结果表明,考虑跳车冲击力的动力模型能够更加精准地反应车桥耦合振动特征,且本模型首次给出了跳车高度。考虑轨道具有相同幅值的周期不平顺和随机不平顺时,轨道随机不平顺将导致桥梁,尤其是车辆的响应更大,舒适性更差或结构更危险,在车桥耦合动力学分析中应重点关注。     

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.     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。