1999年集集地震跨断层地震动及其对桥梁的影响
一 研究意义 1999年台湾集集地震中出现了许多桥梁结构跨越地震断裂带而倒塌的案例,原因一方面在于早期的桥梁结构抗震设计较为薄弱,而另一方面在于断层错动产生的地面永久位移对桥梁结构具有很大的威胁。受制于实测跨断层地震动数据的匮乏,目前人们对于跨断层桥梁结构的地震响应特点及倒塌破坏机制还缺乏深入的认识。特别是对于跨越倾滑断层的情况,断层几何效应对地震动的影响显著,常用的高频地震动叠加永久位移的跨断层地震动合成方法并不适用,而相关研究较少。因此,准确模拟跨断层地震动,并研究跨断层地震动作用下桥梁结构的倒塌破坏模式,对于活动断层附近的桥梁结构抗震设计具有重要的指导意义。鉴于此,本文首先采用基于断层物理模型的地震动混合模拟方法模拟了1999年台湾集集地震的跨断层地震动,并与地震动预测方程进行了对比验证;进一步地,基于LS-DYNA模拟了一座典型的三跨简支梁桥在跨断层地震动作用下的倒塌破坏过程,分析讨论了集集地震中跨断层桥梁倒塌的主要原因。
时间序列预测技术在跨海桥梁工程中的应用
一 研究意义 自20世纪末以来,我国在深水大跨度桥梁建设领域有了长足的发展,桥梁形式逐渐多样化,跨度不断增加,功能也由单一的公路运输向公铁两用运输转变。随着桥梁建设的发展,桥址区域的海洋环境也将变得越来越复杂。在使用过程当中,桥梁可能会受到台风、波浪、洋流、地震、潮汐等各种外部荷载的影响,导致结构损坏,因此对桥上荷载或位移等参数进行预测,并在超出限值前预先发出警告对跨海桥梁的防护具有重要意义。时间序列预测是一种回归预测方法,通过利用已有的数据进行统计分析和数据处理,从而预测目标未来的变化。近年来,很多学者在桥梁沉降,极限应力,养护成本等领域应用了时间序列预测技术,并获得了较为准确的预测结果。本文采用ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average Model),XGBoost(Extreme Gradient Boosting)及LSTM(Long Short-Term Memory Networks)三种具有代表性的时间序列预测模型分别对规则波浪作用下的桥面波浪荷载、风浪耦合作用下的结构位移、台风/飓风逼近时的波高变化这三个典型状况进行了预测,对比展示了三种模型的预测性能,研究结果可以为解决有时间序列预测需求的工程问题提供指导。
基于整体-局部数值模型的焊接钢梁三维疲劳裂纹扩展分析
一 研究意义 焊接钢梁的疲劳强度是钢桥的重要设计指标。然而在处理既有钢桥的疲劳问题时,会面临两个难题:一是在荷载历史不清楚的情况下,既有桥梁的剩余疲劳寿命难以估计,这也是基于S-N曲线疲劳评估方法应用时主要的技术障碍之一;二是由于目前的研究几乎都只集中在边界条件不变的构件层面,不能考虑局部构件损伤与结构整体响应的相互作用。既有研究证明,结合恰当的现场检测数据,采用断裂力学方法,可以对在役结构进行疲劳评估,而且不需要获取结构的受载历史。因此,本文将沿用断裂力学手段,提出和验证基于整体-局部数值模型的三维疲劳裂纹扩展分析方法,并将此方法应用于实际铁路钢桁梁桥焊接钢梁的剩余疲劳寿命估算,探讨局部损伤和整体结构响应的相互作用对于疲劳评估结果的影响。
基于竞争机器学习的桥梁火灾风险分类
一 研究意义 本研究提出了一种机器学习(ML)方法来辨识桥梁在火灾中的易损性。为研发此机器学习方法,首先收集了一系列桥梁火灾的数据,然后通过随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和广义加性模型(GAM)三种算法进行分析对比,以获得最高精度。作为分析的一部分,对80座钢桥和38座混凝土桥进行了评估。分析结果表明,基于ML的方法可以有效地应用于从火灾危险的角度对桥梁进行风险分类。此外,研发的ML算法还能识别出控制桥梁火灾易损性的最关键特征。同时,本研究展示了将ML整合到结构工程应用中作为分析支持工具的潜力(即代替实验测试、高级模拟和分析方法)。此工作强调需要将来自世界各地的桥梁火灾数据汇编成一个集中的、开源的数据库,以加速将ML 集成到火灾危险评估中。
桥板波浪荷载的实验和数值研究综述
一 研究意义 在过去十多年中,由飓风(台风)或海啸引起的极端波浪对近海桥梁造成了巨大破坏,同时也给当地生命财产造成了巨大损失。例如2004年的Ivan和2005年的Katrina飓风使得美国东南部区域的近海桥梁造成约25亿美元损失,超过500个桥梁上部桥板结构发生移动损坏;2004年的印度洋海啸和2011年的日本大海啸同样也造成上百座桥梁上部结构受损。近年来,我国近海大桥建设经历了跨越式发展,而这些大桥很多又处于易受风暴和海啸影响的开放性海域,一旦遭受极端波浪荷载袭击,将对我国经济和人员造成重大损失。基于此,本文针对近年来桥板波浪荷载的实验和数值研究进展进行了归纳和总结,并对未来的研究做了一定的展望。
跨海桥梁高桩承台基础水动力作用研究综述
一 研究意义 随着桥梁建设逐步由陆地向海洋和深水环境推进,水动力作用越来越成为制约跨海桥梁设计的关键难题之一。由群桩和承台组成的高桩承台基础,因具备地质适应性好、造价低、施工便捷、风险小等特点,广泛应用于跨海及深水桥梁工程。因此,对桥梁高桩承台基础的水动力研究开展综述、并梳理和总结其中的难点问题对于设计理论发展具有重要的现实意义和实用价值。基于前人的研究成果,对过去20年有关桥梁高桩承台水动力作用的研究论文进行了系统分析。首先,通过时序分析和关键词共现性分析,探索了高桩承台水动力作用研究的发展历程;重点综述了以下四个桥梁高桩承台的水动力研究热点:①波、流及其相互作用、②水动力荷载计算方法、③流固耦合振动和④深水高桩承台基础桥梁结构响应;最后根据主要难点和技术挑战,提出桥梁高桩承台基础水动力作用的未来研究发展趋势。
人行天桥设计指南:一种用于准确评估正常使用状态下结构响应的简化分析新方法
一 研究意义 近几十年来,人行桥设计和使用发展迅速。设计师使用新的、更轻的材料和结构布置形式,从而实现较小的横截面和较长的跨径。当前欧洲规范和美国规范中的条款却并未指出应如何评估正常使用极限状态下的此类结构性能,尤其是结构的横向响应。有些规范给出了相关条款但采用的方法并非基于该领域的最新研究成果,与实际情况不符,且非常依赖于结构动力特性计算软件的使用。由于分析时间和软件的限制,最新文献中采用的复杂非线性荷载模型,对于大多数设计部门并不方便实用。而在早期设计阶段准确地评估结构响应是否满足正常使用的要求(比如预计的最大振动加速度是否在行人可接受范围内)十分重要。鉴于此,本文基于新的、经过实验对比的随机行人荷载模型,结合多学科的最新研究成果和大量精细的有限元计算结果,提出了一种简化手算新方法,用于快速、准确地确定人行桥的关键频率范围。由于在构造方程的时候采用的物理量是结构几何形状和材料特性等基本参数,该方法在不同结构形式中具有较好的适用性。
中国桥梁结构健康监测标准化研究进展
一 研究意义 结构健康监测技术是确保桥梁运营安全的重要手段。经过多年的发展和完善,桥梁结构健康监测技术已经从理论研究走向工程实践,并被桥梁领域的工程师广泛认可。得益于中国桥梁工程的大规模建设以及桥梁结构全寿命运营安全的强烈需求,桥梁结构健康监测已成为中国土木工程领域中的一个非常有潜力的新兴行业。由于行业行为缺乏统一的准则和纲领,导致桥梁结构健康监测系统的实施效果参差不齐。因此,亟待制定完善的桥梁结构健康监测标准,来规范桥梁结构健康监测行业的行为和推动桥梁结构健康监测技术的发展。本文对中国桥梁结构健康监测标准化的研究进展进行了梳理和总结。首先,阐述了中国桥梁建设的成就、特点以及面临的挑战;其次,介绍了桥梁结构健康监测的行业发展现状;进而,详细总结了现有的桥梁结构健康监测行业标准、规范和规程,包括系统的设计、实施、管理和维护,传感器的选型、布设和安装,以及数据的采集、存储、处理和预警等。旨在为桥梁结构健康监测标准的推广和完善提供帮助。
大跨度三塔自锚式结合梁悬索桥动力特性参数分析研究
一 研究意义 自锚式悬索桥具有独特的结构形式和较好的地形适应性,在越来越多的工程实践中被采用。自锚式悬索桥在结构体系、施工过程和力学特性等诸多方面,与一般地锚式悬索桥有较大差异。当前,多数自锚式悬索桥为独塔或双塔体系,三塔体系自锚式悬索桥较少见。由于中塔缺乏有效的纵向约束,三塔体系在结构性能上与传统双塔体系有显著差异。已建的三塔自锚式悬索桥数量较少,且主跨较短(168~218米),对于400米级大跨三塔自锚式悬索桥鲜有报道。结构设计关键参数如加劲梁刚度、桥塔刚度、主缆与吊杆刚度、中央扣与纵向约束系统对大跨度三塔自锚式悬索桥动力特性的影响需进一步明确。本文以在建的济南凤凰黄河大桥主桥为例,利用有限元软件