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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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基于IPOA的巨型组合框架结构震损快速预测模型研究

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防灾减灾工程学报 2024年第2期44卷 263-272页

作者：黄志周芙蓉陈娟蒋丽忠周旺保戚菁菁湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 湖南省智慧建造装配式被动房工程技术研究中心湖南湘潭411201 湖南科技大学信息与电气工程学院湖南湘潭411201 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

为实现巨型组合框架结构的地震损伤程度快速评估,提出了一种基于改进鹈鹕优化算法(IPOA)的多参数震损预测方法。设计了5个不同参数的巨型组合框架结构模型,利用振动台试验和有限元软件进行非线性时程分析获取结构动态响应数据,并采用结... 详细信息

为实现巨型组合框架结构的地震损伤程度快速评估,提出了一种基于改进鹈鹕优化算法(IPOA)的多参数震损预测方法。设计了5个不同参数的巨型组合框架结构模型,利用振动台试验和有限元软件进行非线性时程分析获取结构动态响应数据,并采用结构损伤指数量化评估结构的损伤程度。同时,引入K均值聚类优化策略和惯性权重自适应优化策略改进传统的鹈鹕优化算法。基于振动台试验和有限元分析结果数据,比较了不同输入参数组合预测结构损伤的准确性,构建了能反映结构参数与结构损伤之间非线性关系的智能算法快速预测模型。最后,将模型预测结果与一缩尺比为1/15的振动台试验模型结构损伤程度进行对比验证。结果表明:(1)改进鹈鹕优化算法模型的准确性和泛化能力均优于其他算法模型;(2)最大层间位移角与结构损伤相关性最高,增加影响结构损伤的输入参数可提高预测模型的准确度和泛化能力;(3)模型预测的结构损伤指数与试验结果相比误差均小于10%,预测结构损伤等级与试验结果一致,所提出的快速预测模型能高效准确地预测结构的损伤指标,为巨型组合框架结构震后损伤快速评估提供了一种新方法。

关键词：机器学习巨型结构快速评估鹈鹕优化算法结构损伤

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高速铁路自复位摇摆桥墩抗震性能分析

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中国铁道科学 2024年第3期45卷 38-49页

作者：周旺保王晓婵娟聂磊鑫蒋丽忠付豪蒋智勇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

基于OpenSEES平台分别建立4跨高速铁路传统简支梁桥和摇摆桥墩简支梁桥系统的有限元模型,并依据摇摆桥墩的基本抗震设防目标,设计摇摆桥墩耗能构件的面积和承载力。在考虑地震动随机性基础上,进行自复位摇摆桥墩在高铁桥梁系统中的抗震... 详细信息

基于OpenSEES平台分别建立4跨高速铁路传统简支梁桥和摇摆桥墩简支梁桥系统的有限元模型,并依据摇摆桥墩的基本抗震设防目标,设计摇摆桥墩耗能构件的面积和承载力。在考虑地震动随机性基础上,进行自复位摇摆桥墩在高铁桥梁系统中的抗震性能研究。结果表明:罕遇地震下自复位摇摆耗能装置能够有效降低墩底最大弯矩,减震率达20.26%,进而减少墩身损伤,但碰撞效应使墩底最大轴力放大了74.7%;墩底耗能构件基本进入塑性但未完全被破坏,可实现震后快速修复;摇摆桥墩的最大墩顶位移比传统桥墩增加了66%,但位移组成中可自复位的刚体旋转变形远大于弯曲变形,因此震后残余位移减少了35%;摇摆耗能机制对支座最大变形的减震率达12.3%,使主梁最大变形增大了约49%,但对其残余变形的影响在1 mm内;轨道约束会削弱桥墩摇摆行为,使墩顶最大位移减少了14%,但对墩顶残余位移无明显影响。

关键词：高速铁路自复位摇摆桥墩随机地震韧性抗震设计抗震性能

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边墩沉降致连续简支桥段纵连线桥系统层间联结劣化规律

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防灾减灾工程学报 2024年第3期44卷 623-631页

作者：冯玉林何帅蒋丽忠周旺保颜建伟华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室江西南昌330013 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

为研究边墩沉降致纵连板式无砟轨道-连续梁桥系统(纵连线桥系统)层间联结劣化状态,在考虑边墩沉降与层间接触不连续影响的基础上,建立纵连线桥系统非线性空间模型,采用前期提出的理论模型对其进行验证,据此分析边墩沉降下纵连线桥系统... 详细信息

为研究边墩沉降致纵连板式无砟轨道-连续梁桥系统(纵连线桥系统)层间联结劣化状态,在考虑边墩沉降与层间接触不连续影响的基础上,建立纵连线桥系统非线性空间模型,采用前期提出的理论模型对其进行验证,据此分析边墩沉降下纵连线桥系统典型变形模式,层间联结失效的演化过程、发展规律及出现位置等。结果表明:建立的空间模型准确可靠;边墩沉降下,线桥系统会产生跟随变形、自重变形和悬停分离三种变形模式;沉降墩、与沉降墩临近的简支梁墩及连续梁桥另一侧边墩上方会出现层间联结失效,与沉降墩临近的简支梁墩、连续梁桥全部桥墩上的支座均会发生破坏;边墩沉降处板底脱空高度可用边墩沉降值减去连续梁桥变形限值进行描述;各脱空区长度均随边墩沉降幅值增加而增大,与沉降墩临近的简支梁墩左、右两侧区域脱空长度成正对称分布,连续梁另一边墩处脱空长度值只与连续梁变形有关,始终维持在2.56 m。

关键词：高速铁路桥墩沉降损伤演化悬停分离连续梁桥

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四肢钢管混凝土格构柱试验研究及参数分析

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防灾减灾工程学报 2024年第3期44卷 616-622,631页

作者：黄志熊陆增蒋丽忠周旺保谌湘文戚菁菁湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 湖南省智慧建造装配式被动房工程技术研究中心湖南湘潭411201 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 湘潭理工学院湖南湘潭411201

为研究四肢钢管混凝土格构柱的受力机理及抗震性能,对4根四肢格构柱进行拟静力试验研究及有限元分析。通过试验得到四肢钢管混凝土格构在低周往复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线,分析了试件破坏过程。研究结果表明:格构柱的耗能能力及... 详细信息

为研究四肢钢管混凝土格构柱的受力机理及抗震性能,对4根四肢格构柱进行拟静力试验研究及有限元分析。通过试验得到四肢钢管混凝土格构在低周往复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线,分析了试件破坏过程。研究结果表明:格构柱的耗能能力及延性都较好;轴压比对试件的影响主要体现在破坏阶段,轴压比越大承载力下降段的斜率越大;长细比对试件受力性能有较大影响,随着长细比增大,试件的屈服位移和极限位移会增大,但水平承载力和破坏段的斜率会降低。建立了数值计算模型,并与试验结果进行对比,验证其正确性。并对不同高宽比、节间距与柱肢外径比等参数对试件弹性刚度和承载力的影响进行分析,结果表明:减小格构柱的高宽比和节间距与柱肢外径比对格构柱的受力性能有很大提升。建议实际工程中格构柱的高宽比不宜大于4.8;节间距与柱肢外径比低不宜大于7.0。

关键词：钢管混凝土格构柱拟静力试验参数分析抗震性能有限元分析

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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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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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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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