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Resonance analysis of a high-speed railway bridge using a stochastic finite element method

Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2023年第4期22卷 1015-1030页

作者： Xiang Ping Yan Weiran Jiang Lizhong Zhou Wangbao Wei Biao Liu Xiang Hunan International Scientific and Technological Innovation Cooperation Base of Advanced Construction and Maintenance Technology of Highway Changsha University of Science and TechnologyChangsha 410114China School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha 410075China School of Civil Engineering Fujian University of TechnologyFuzhou 350118China

There is always some randomness in the material properties of a structure due to several circumstances and ignoring it increases the threat of inadequate structural safety reserves.A numerical approach is used in this study to consider the spatial variability of structural parameters.Statistical moments of the train and bridge responses were computed using the point estimation method(PEM),and the material characteristics of the bridge were set as random fields following Gaussian random distribution,which were discretized using Karhunen-Loève expansion(KLE).The following steps were carried out and the results are discussed herein.First,using the stochastic finite element method(SFEM),the mean value and standard deviation of dynamic responses of the train-bridge system(TBS)were examined.The effectiveness and accuracy of the computation were then confirmed by comparing the results to the Monte-Carlo simulation(MCS).Next,the influence of the train running speed,bridge vibration frequency,and span of the bridge on dynamic coefficient and dynamic response characteristics of resonance were discussed by using the SFEM.Finally,the lowest limit value of the vibration frequency of the simple supported bridges(SSB)with spans of 24 m,32 m,and 40 m are presented.

关键词： train-bridge system material randomness Karhunen-Loève expansion Gauss integral dynamic coefficient natural frequency

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Dynamic response analysis of a multiple-beam structure subjected to a moving load

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Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2022年第3期21卷 769-784页

作者： Zhang Yuntai Jiang Lizhong Zhou Wangbao Liu Shaohui Feng Yulin Liu Xiang Lai Zhipeng School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha 410075China National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Changsha 410075China School of Civil Engineering and Architecture East China Jiaotong UniversityNanchang 330013China

In this study,the dynamic response of an elastically connected multi-beam structure subjected to a moving load with elastic boundary conditions is investigated.The boundary conditions and properties of each beam vary,and the difficulty of solving the motion equation is reduced by using a Fourier series plus three special transformations.By examining a high-speed railway(HSR)with mixed boundary conditions,the rationality for the newly proposed method is verified,the difference in simulated multiple-beam models with different beam numbers is explored,and the influence of material parameters and load speed on the dynamic response of multiple-beam structures is examined.Results suggest that the number of beams in the model should be as close to the actual beam number as possible.Models with an appropriate beam number can be used to describe in detail the dynamic response of the structure.Neglecting the track-structure can overestimate the resonant speed of a high-speed railway,simply-supported beam bridge.The effective interval of foundation stiffness(EIFS)can provide a reference for future engineering designs.

关键词： multiple-beam dynamic analysis moving load mixed boundary conditions

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Dynamic response of a three-beam system with intermediate elastic connections under a moving load/mass-spring

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Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2020年第2期19卷 377-395页

作者： Feng Yulin Jiang Lizhong Zhou Wangbao School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha 410075China National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Central South UniversityChangsha 410075China

The objective of this research is to study the dynamic response characteristics of a three-beam system with intermediate elastic connections under a moving load/mass-spring.In this study,the finite Sine-Fourier transform was performed for the dynamic partial differential equations of a simply supported three-beam system(SSTBS)under a moving load and a moving mass-spring,respectively.The dynamic partial differential equations were transformed into dynamic ordinary differential equations relative to the time coordinates,and the equations were solved and the displacement Fourier amplitude spectral expressions were obtained.Finally,based on finite Sine-Fourier inverse transform,the expressions for dynamic response of SSTBS under the moving load and moving mass-spring were obtained.The proposed method,along with ANSYS,was used to calculate the dynamic response of the SSTBS under a moving load/mass-spring at different speeds.The results obtained herein were consistent with the ANSYS numerical calculation results,verifying the accuracy of the proposed method.The influence of the load/mass-spring’s moving speed on the dynamic deflections of SSTBS were analyzed.SSTBS has several critical speeds under a moving load/mass-spring.The vertical acceleration incurred by a change in the vertical speed of SSTBS due to the movement of mass-spring and the centrifugal acceleration produced by the movement of massspring on the vertical curve generated by SSTBS vibration could not be neglected.

关键词： finite Sine-Fourier transform three-beam system moving load mass-spring critical speeds

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Dynamic Analyses of a Simply Supported Double-Beam System Subject to a Moving Mass with Fourier Transform Technique

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Computer Modeling in Engineering & Sciences 2019年第10期121卷 291-314页

作者： Lizhong Jiang Xilin Chai Zhihua Tan wangbao zhou Yulin Feng Zhipeng Lai Lan Zheng School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha410075China National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction Central South UniversityChangsha410075China

In order to study the dynamic characteristics of a simply supported double-beam system under a moving mass,the system of fourth-order dynamic partial differential equations of a simply supported double-beam system was transformed into a system of second-order dynamic ordinary differential equations relative to time coordinates by performing the finite sin-Fourier Transform relative to space coordinates.And the analytical solution of the dynamic response of the simply supported double-beam system under a moving mass was obtained by solving the system of dynamic ordinary differential equations.The analytical method and ANSYS numerical method were used to calculate the dynamic responses of several simply supported double-beam systems under a moving mass at different speeds.The influences of inertial effect,mass movement speed,and Winkler-layer spring stiffness and damping on the dynamic responses of simply supported double-beam systems were analyzed.According to the study results,the analytical calculation results in this paper fit well with the ANSYS finite element numerical calculation results,demonstrating the rationality of the analytical method.The inertial effect has a significant influence on the dynamic response characteristics of the simply supported double-beam system.The simply supported double-beam system underwent several resonant speeds under a moving mass,and the Winkler-layer spring stiffness has a relatively significant effect on the vibration of the first beam.

关键词： Double-beam system moving mass dynamic response analytical method finite sin-Fourier Transform

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场地条件对高速铁路桥梁-轨道系统震后残余变形的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第5期54卷 1823-1838页

作者：余建周旺保蒋丽忠刘祥冯玉林中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 福建工程学院土木工程学院福建福州350118 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013

以带CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的高速铁路多跨简支梁为研究对象,分析高速铁路桥梁-轨道系统震后残余变形的分布规律,提出一种描述震后残余变形的特征曲线,比较在不同地震强度下场地条件对震后残余变形的影响。研究结果表明:在横向地震... 详细信息

以带CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的高速铁路多跨简支梁为研究对象,分析高速铁路桥梁-轨道系统震后残余变形的分布规律,提出一种描述震后残余变形的特征曲线,比较在不同地震强度下场地条件对震后残余变形的影响。研究结果表明:在横向地震作用下,支座发生了严重的横向变形,箱梁发生了明显的横向偏移,其余构件没有发生损伤;在纵向地震作用下,各构件没有发生损伤;多遇地震作用后,高速铁路桥梁-轨道系统无需修复,震后高速列车运行无需减速;在设计地震和罕遇地震作用后,支座需要更换,震后高速列车运行需要减速;随着土体柔软程度的提升,震后残余变形的幅值明显增加;地震作用后当高速列车由坚硬场地行驶至柔软场地时,需要适当减速。

关键词：桥梁工程高速铁路演化功率谱密度短时傅里叶变换地震残余变形场地条件

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钢-混凝土组合箱梁弯矩-曲率恢复力模型研究

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建筑结构学报 2015年第1期36卷 78-84页

作者：周旺保蒋丽忠李书进武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

截面弯矩-曲率滞回规则是钢-混凝土组合梁最重要的力学特性之一,该滞回模型的建立为组合箱梁结构的弹塑性分析提供了可行性。利用幂函数插值方法,考虑剪力连接度对组合箱梁截面弯曲刚度的影响,提出了考虑界面滑移的钢-混凝土组合箱梁正... 详细信息

截面弯矩-曲率滞回规则是钢-混凝土组合梁最重要的力学特性之一,该滞回模型的建立为组合箱梁结构的弹塑性分析提供了可行性。利用幂函数插值方法,考虑剪力连接度对组合箱梁截面弯曲刚度的影响,提出了考虑界面滑移的钢-混凝土组合箱梁正向、负向截面弹性刚度及截面屈服弯矩计算方法,建立了组合箱梁截面弯矩-曲率三折线骨架曲线模型;在试验数据与理论分析的基础上,获得了组合箱梁正向及负向刚度退化规律表达式,并进一步提出了钢-混凝土组合箱梁截面弯矩-曲率最大点指向型滞回模型,将该模型的分析结果同试验结果进行了比较。结果表明:提出的组合箱梁截面弹性刚度、屈服弯矩、弯矩-曲率骨架曲线模型及滞回模型均与试验结果吻合良好,且模型计算方法简单明了,便于手算。

关键词：钢-混凝土组合箱梁恢复力模型剪力连结度骨架曲线弯矩-曲率关系滞回规则

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横向地震作用下高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道-桥梁系统震致轨道不平顺研究

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铁道科学与工程学报 2023年第8期20卷 2773-2784页

作者：周旺保彭东航蒋丽忠刘丽丽余建中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075

为探究高速铁路轨道−桥梁系统震后轨道不平顺的产生机理,以桥面铺设CRTSⅢ型无砟轨道结构的高速铁路轨道−桥梁系统为对象,考虑钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层土工布、弹性橡胶垫、底座板等轨道结构部件,建立非线性动力仿... 详细信息

为探究高速铁路轨道−桥梁系统震后轨道不平顺的产生机理,以桥面铺设CRTSⅢ型无砟轨道结构的高速铁路轨道−桥梁系统为对象,考虑钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层土工布、弹性橡胶垫、底座板等轨道结构部件,建立非线性动力仿真模型,分析轨道−桥梁系统在不同地震动强度下各关键构件的损伤规律及震致轨道残余位移分布规律,建立映射轨道不平顺计算模型,并将其与震致轨道不平顺有限元计算结果进行对比。研究结果表明:地震将引起显著的轨道不平顺,恶化钢轨的平顺程度,在设计地震和罕遇地震作用下,钢轨在梁缝处有明显折角,行车安全设计时应重点关注梁缝处的钢轨变形。钢轨的应力峰值出现在梁缝处,其应力大于钢轨的容许屈服应力。单元板式轨道结构的扣件极易在梁缝位置损坏,远离梁缝的扣件均处于健康状态。自密实混凝土与底座板不会相对滑动,二者的层间残余位移极小。在设计地震和罕遇地震下,固定支座以及滑动支座均产生显著的残余位移,而桥墩残余位移较小。隔离层以及桥墩的残余位移对于震致轨面几何形态变位的贡献可以忽略不计,震致轨道不平顺主要由扣件以及支座的残余变形引起。

关键词：高速铁路桥梁 CRTSⅢ型轨道系统残余位移轨道不平顺损伤规律映射关系

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移动荷载列作用下多层梁系统的动力响应分析

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华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第5期49卷 62-66页

作者：周旺保吴凌旭张云泰冯玉林中南大学土木工程学院湖南长沙410075 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013

为研究多层梁系统在任意移动荷载列作用下的动力响应,基于有限傅里叶变换,提出一种求解移动荷载列作用下多层梁系统动力响应的解析计算方法.利用本研究的解析计算方法分析了梁的抗弯刚度、层间阻尼及层间刚度对一跨长32 m的梁-轨系统动... 详细信息

为研究多层梁系统在任意移动荷载列作用下的动力响应,基于有限傅里叶变换,提出一种求解移动荷载列作用下多层梁系统动力响应的解析计算方法.利用本研究的解析计算方法分析了梁的抗弯刚度、层间阻尼及层间刚度对一跨长32 m的梁-轨系统动力响应的影响,分析结果表明:改变轨道抗弯刚度、层间刚度或层间阻尼对主梁跨中动力响应的影响可以忽略;随着轨道抗弯刚度、层间刚度或层间阻尼的增大,轨道的跨中动力响应都缓慢减小;随着主梁抗弯刚度的增大,轨道及主梁的跨中动力响应均显著减小.

关键词：多层梁系统移动荷载列抗弯刚度层间刚度层间阻尼动力响应

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横向随机地震下震致轨道几何不平顺的功率谱密度曲线研究

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土木工程学报 2022年第2期55卷 61-72页

作者：余建蒋丽忠周旺保冯玉林刘祥中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075 华东交通大学江西南昌330013

为了保证高速铁路系统在抗震救灾期间能够继续运营以实现运送救援物资、医疗力量,有必要对震致轨道几何不平顺进行合理的预测。该文以高速铁路CRTSⅡ型轨道-桥梁系统为对象建立了有限元模型,从PEER强震数据库中筛选出60条具有随机特征... 详细信息

为了保证高速铁路系统在抗震救灾期间能够继续运营以实现运送救援物资、医疗力量,有必要对震致轨道几何不平顺进行合理的预测。该文以高速铁路CRTSⅡ型轨道-桥梁系统为对象建立了有限元模型,从PEER强震数据库中筛选出60条具有随机特征的地震波并对有限元模型开展了非线性时程分析,研究了地震轨道残余不平顺的分布规律,提出了一种构造震致轨道几何不平顺功率谱密度曲线的方法,生成了震致轨道几何不平顺样本,探讨了震后轨道不平顺的模拟方法。研究结果表明:在横向地震后轨道发生了明显的轨向、高低、水平不平顺,轨距不平顺的幅值较小;轨道的地震随机残余不平顺在各个频率的功率谱密度服从对数正态分布;震致轨道几何不平顺谱可通过地震轨道残余不平顺谱集的均值和方差简单表示;初始不平顺对震致不平顺的影响作用可以忽略不计,震后轨道几何不平顺可以近似视为初始不平顺和震致不平顺之和。

关键词：高速铁路桥梁 CRTSⅡ型轨道系统随机地震轨道不平顺轨道谱

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高速铁路CRTSⅢ型轨道板隔离层关键构件-弹性垫板试验

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铁道科学与工程学报 2023年第1期20卷 1-11页

作者：蒋丽忠刘丽丽周旺保彭东航冯玉林中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013

弹性垫板作为自密实混凝土填充层和底座板之间的缓冲构件,通过自身压缩变形达到减震耗能的目的,因此弹性垫板在平面压缩情况下的力学性能对CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的抗震特性具有显著影响。为研究弹性垫板在平面压缩情况下的力学性能... 详细信息

弹性垫板作为自密实混凝土填充层和底座板之间的缓冲构件,通过自身压缩变形达到减震耗能的目的,因此弹性垫板在平面压缩情况下的力学性能对CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的抗震特性具有显著影响。为研究弹性垫板在平面压缩情况下的力学性能,开展弹性垫板的平面压缩试验。探究不同截面尺寸、不同厚度情况下弹性垫板试件的荷载-位移曲线变化规律,探讨弹性垫板试件在平面压缩情况下的刚度变化规律,提出考虑尺寸效应的弹性垫板荷载-位移力学模型。并利用该荷载-位移力学模型与弹性垫板平面压缩的试验数据进行对比。研究结果表明:弹性垫板荷载-位移力学模型能有效模拟弹性垫板的平面压缩力学特性;不同弹性垫板试件的荷载-位移曲线形状大体一致,均表现为位移随着荷载的增加非线性增大;弹性垫板的截面面积和厚度均对弹性垫板的荷载-位移曲线有显著影响,表现为相同荷载情况下,截面面积越大,厚度越小,弹性垫板的位移越小;弹性垫板试件的割线刚度与截面面积、厚度有关,表现为截面面积越大,厚度越小,弹性垫板割线刚度越大,平面可压缩性越低。

关键词：高速铁路 CRTSⅢ型板式无砟轨道系统弹性垫板力学模型试验

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