英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在列车作用下原位动态位移测量中使用的铁路桥梁模型更新
Dongming Feng, S.M.ASCE1; and Maria Q. Feng, F.ASCE2
摘要：为满足老化的铁路桥监测的需要，本文提出了一种使用时域优化的基于在荷载作用下桥梁原位测量的动态位移曲线的有限元（铁）模型更新方法。现场测量是用一种由作者团队最近开发出的低成本的远程视觉传感器在一种短跨板梁桥上测量不同速度下其位移响应的货运列车。A FE桥梁模型的开发考虑了列车轨道桥梁动力相互作用。灵敏度分析是为了研究火车、轨道和桥梁子系统在桥梁动力响应下的内在影响因素。研究发现桥梁位移响应对桥梁的刚度特别敏感，而加速度响应受许多其它参数的影响。这证明了桥梁动态位移比加速度更适合于铁路桥梁刚度的更新。因此，一种在荷载下桥梁位移响应的模型更新方法被提出。这种方法被应用于短跨桥首先来确定列车的速度，接着通过最小化测量和计算位移时间历史之间的误差确定桥梁刚度。此外，本文从测量和计算位移两方面研究了频率特性。这个分析表明由于频率远低于桥梁的固有频率，列车不会激发桥梁的固有模态振动。因此，很难使用基于模态识别的有限元更新方法的动态位移测量。短跨铁路桥梁一般情况下往往有很高的固有频率。这个被提出的周期性的位移测量和时域有限元模型更新可以被发展成为一个长期针对铁路短跨桥梁结构健康监测的有效工具。关键词：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000765.copy;2015美国社会土木工程师。
关键词：铁路桥梁；模型更新；列车-轨道-桥梁相互作用；位移测量；动力响应；优化。
引言
美国铁路网主要是由货运铁路公司控制的，其运输超过全国城市货运的40%。货运铁路网包括了76000座桥梁，大部分建于100年前，并且大多数桥梁仍在服务。在过去的几十年里，由于更高的运输效率和不断增长的经济要求，交通负荷增加了，使这些桥梁承受的荷载跟其设计承受的荷载有所不同。此外，桥梁的动力作用在桥梁设计时没有被充分的认识到。因此，要有更多关注和需要对既有铁路桥梁的动态特性进行监控。(Majka and Hartnett 2009)
在发展高效的车辆-桥梁相互作用模型来预测铁路与公路桥梁的动力响应方面作出了相当大的努力
1Ph.D. Candidate, Dept. of Civil Engineering and Engineering Mechanics, Columbia Univ., New York, NY 10027.2Professor, Dept. of Civil Engineering and Engineering Mechanics,Columbia Univ., New York, NY 10027 (corresponding author). E-mail:mqf2101@columbia.edu Note. This manuscript was submitted on April 24, 2014;approved on December 11, 2014; published online on April 28, 2015. Discussion period open until September 28, 2015; separate discussions must be submitted for individual papers. This paper is part of the Journal of Bridge Engineering, copy; ASCE, ISSN 1084-0702/04015019(12)/$25.00.
(Dowlinget al. 2012; Majka and Hartnett 2008; Ouyang 2011; Xia et al.2013; Zhang et al. 2001).对于铁路桥，在列车建模技术的基础上这些研究可能一般分为三类，即移动荷载模型。(Liu et al. 2009; Yang et al. 1997),移动质量模型(Lee 1996; Mao and Lu 2013)，和动弹簧-阻尼器系统模型(Cheng et al. 2001). 三种模式中，移动荷载模型是最简单和计算效率最高的，但列车-桥梁相互作用的影响是不容忽视的。移动质量模型考虑到列车惯性效应，但不考虑列车在桥上的弹跳作用，预计其影响对于高速行进或轨道粗糙度存在时的列车将特别显著。(Yang andLin 2005).鉴于此，郑等，(2001)提出了一个桥梁-轨道-车辆单元来研究铁路桥梁的动态响应。移动的列车在轴的位置被建模为一系列二度-自由质量-弹簧阻尼器系统，因此，轨道的振动也可以同时
分析。对于旧桥，初始有限元（铁）模型往往需要通过现场测量数据中使用的参数值的微调来更新。这是因为由于不完全的设计信息、长期的材料退化、几何形状和边界条件的变化等造成的不确定参数。该模型可用于预测新的负载情况下的动态响应，检测结构损坏，设计健康监测系统，并评估剩余时期。在文献中现有的模型更新方法是一般基于实验模态分析。例如，Ribeiro等人 (2012)提出的基于从环境振动数据实验的模态参数的一个系杆拱铁路桥模型更新。利用遗传算法，对15个数值模型参数进行了调整。在人工有限元模型调谐之后，Wiberg等人(2012) 使用运行模态分析及荷载试验对铁路桥进行了模型更新。
基于环境振动测量和试验模态分析的模型更新方法遭遇技术挑战，特别是对短跨铁路桥（美国货运铁路网中的大多数），这种桥刚度大并且很少经历环境振动，这使得精确地提取模态参数很困难。因此，对于短跨度铁路桥梁列车利用现场振动测量来更新模型是可取的。然而，铁路桥是一种改变列车通道自然频率的变系数控制系统。(Lu et al. 2012; Spiridonakos and Fassois 2009)。此外，由于与被反复通过的列车引起的占主导频率相比较小的振幅，桥梁的固有频率可能被隐匿（文章之后将讨论）。总之，基于频域模态分析的短跨铁路桥有限元模型更新很难。
本文提出了一种基于荷载和时域优化下的桥梁位移测量的铁路桥有限元模型更新方法。下一节介绍一种短跨板梁桥（在美国铁路桥网上经常采用的一种桥梁）的现场测量。在“初始有限元模型建立”这部分，一个初始有限元模型被开发应用于考虑列车-轨道-桥梁相互作用的桥梁。之后的部分，参数敏感性分析表明，比起经常使用的加速度测量，位移测量更适合于桥梁刚度的更新。然后一个两步有限元模型更新过程被提出并应用于桥梁以提高它的刚度和列车速度。在“荷载作用下短跨桥的动态特性”这部分，由重载列车引起的短跨铁路桥的动态影响从列车-桥梁相互作用系统的频率特性分析被研究。
铁路桥梁和动态位移现场测量
这里考虑一座在运输技术中心的百年老刚桥，Inc.(TTCI), Colorado.如图1所示，这座短跨简支梁桥长16.75米，由两个I型铆接板梁、水平和垂直支撑系统、轨枕和铁路系统组成。在与TTCI的合作下，于2012年的十月在该桥上进行了实地测量 。用于实验的火车有一个重达89586公斤的机车和15辆每辆重达71440公斤的货运汽车。需要注意的是每辆货运列车都比桥梁自重重12倍。他的尺寸在图2中标出。
现场测试的重点放在使用作者的研究小组最新开发的低成本远程视觉传感器测量垂直位移(Fukuda et al. 2013)。如图3所示，该传感器系统组成简单，由一个视频相机、变焦镜头和一台配备了实时图像处理软件的PC组成。这个系统独特和显着的优点在于易于安装而不需要特别安装目标刑法和灵活的测量位置。现场试验在不同的列车速度下进行，即根据列车的速度约8.05，38.62，和64.36公里/小时（5，24，和40英里/小时）。
传感器系统放置在距离桥梁9.15米的固定位置。这个摄像机以150帧/秒的速度采样，获目标的视频图像。视觉传感器的缩放因子是0.69毫米/像素。为进一步提高测量精度，把亚像素技术，即重心和模板匹配算法（OCM）的原方向码相结合。在测试过程中，一个实际的分辨率少于0.05毫米可以被观察到。一个典型的在跨中以8.05公里/小时运行的列车被测量的位移时程如图4所示。负号表示向下偏移。位移历史和车的模式类似，每辆汽车的贡献值可以清楚地分辨。17个峰值反映了汽车的使用数量。
Fig. 1. Bridge schematic: (a) side view; (b) plan view; (c) bridge schematic
Fig. 2. Freight train configuration
Fig. 3. Test setup schematic diagram
Fig. 4. Displacements history under train speed 8.05 km/h
Fig. 5. Schematic representation of the bridge–track–vehicle interaction system
初始有限元模型
为这条铁路桥制定一个初始的有限元模型这个模型考虑到三个子系统之间的相互作用，即火车，轨道和桥。这个模型作为“敏感性分析和有限元模型更新”部分更新的基线。
列车-轨道-桥梁相互作用的理论与假设
在这项研究中，铁路桥在垂直方向的动态响应被认为是没有滚动和偏航影响的。因此，列车-轨道-桥梁相互作用系统是一个通过一个二维（2D）有限元模型，如图5所示的理想化系统。在模型中，上部和下部的梁单元被分别用来模拟轨道和桥的梁。铁路床的弹性和阻尼性能是由一系列弹簧和阻尼器来体现。路堤上的轨道被仿照为一根在粘弹性地基上的梁。列车子系统模型采用以下假设：（1）火车在桥上以恒定速度行驶；（2）这列火车可以被建模为数个（在每辆机车六个和每辆汽车4个的情况下）在轴的位置的弹簧-阻尼器悬挂系统；和（3） 只考虑垂直方向上的自由度； 因此，每个弹簧-阻尼悬挂系统具有2个自由度。通过结合三个运动方程子系统，列车-轨道-桥梁系统的运动方程能以矩阵形式导出为(Cheng et al. 2001;Lou 2007)
其中下标B，R，T分别代表桥梁，铁轨，火车。加粗的矢量XB，XR，和XT分别代表位移 桥矢量，轨道和火车车轴。 矩阵中火车的MTT，KTT和Ctt是用下标tt标记 。矩阵中轨道的MRR，KRR，和CRR是 用下标rr记的。矩阵中桥的MBB，KBB、和CBB 是用下标bb标记的。矩阵中由火车–轨道相互作用引起的 KRT，CRT，KTR和CTR是用下标rt或tr表示的。 矩阵中由火车–轨道相互作用引起的KBR，CBR，KRB，和 CRB是用下标br或rb表示的。
这个方程可以进一步写成
其中M,C和K分别代表全部质量，阻尼和刚度矩阵；X(t), X_ (t)和 Xeuro; (t)分别代表位移、速度， 和加速度； F(t)代表力。应该注意的是，互动系统是一个与时间变化耦合的动态系统，即质量，阻尼和刚
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148889]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
