Forschung zu den Auswirkungen unregelmäßiger Strukturgruppenkonstruktionen auf Eisenbahnbrückenpfeiler und deren Reaktion auf Windlast

Feb 26, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10469 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine potenzielle Gefahr besteht in der Möglichkeit einer Verformung und Kollision bestehender Eisenbahnbrückenfundamente aufgrund der Errichtung einer Gruppe großer unregelmäßiger Strukturen in unmittelbarer Nähe und deren Möglichkeit, bei starker Windlast umzukippen. In dieser Studie werden vor allem die Auswirkungen der Konstruktion großer unregelmäßiger Skulpturen auf Brückenpfeiler und deren Reaktion unter starken Windlasten untersucht. Es wird eine Modellierungsmethode vorgeschlagen, die auf realen 3D-Rauminformationen der Brückenstruktur, der geologischen Struktur und der Skulpturenstruktur basiert, um deren räumliche Beziehungen genau wiederzugeben. Mithilfe der Finite-Differenzen-Methode wird der Einfluss des Skulpturenbaus auf Pfeilerverformungen und Bodensetzungen analysiert. Die Brückenstruktur weist insgesamt eine geringe Verformung auf, wobei die maximalen horizontalen und vertikalen Verschiebungen der Pfeiler am Rand der gebogenen Kappe auf der Seite des kritischen benachbarten Brückenpfeilers J24 neben der Skulptur liegen. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik wird ein Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell der Wechselwirkung zwischen der Skulpturenstruktur und Windlasten in zwei unterschiedlichen Richtungen erstellt und es werden theoretische Analysen und numerische Berechnungen zur Kippsicherheitsleistung der Skulptur durchgeführt. Die internen Kraftindikatoren wie Verschiebung, Spannung und Moment der Skulpturenstruktur im Strömungsfeld unter zwei Arbeitsbedingungen werden untersucht und eine vergleichende Analyse typischer Strukturen durchgeführt. Es wird gezeigt, dass Skulptur A und B aufgrund des Einflusses von Größeneffekten unterschiedliche ungünstige Windrichtungen und spezifische interne Kraftverteilungen und Reaktionsmuster aufweisen. Unter beiden Arbeitsbedingungen bleibt die Skulpturenstruktur sicher und stabil.

Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Wirtschaft ist die Nachfrage nach Transportinfrastruktur gestiegen. Für schnelle Verkehrsverbindungen zwischen Vororten ist der städtische Schienenverkehr eine ideale Wahl. Laut Statistik haben insgesamt 50 Städte auf dem chinesischen Festland 9192 km städtische Schienenverkehrslinien in Betrieb genommen, davon über 950 km Hochbahnlinien1. Da Hochbahnstrecken häufig städtische Straßen kreuzen oder parallel dazu verlaufen, ist es unvermeidlich, dass Eisenbahnbrücken beim kommunalen Bau städtischer Straßen in Mitleidenschaft gezogen werden. Die Kontrollstandards für Eisenbahnhochbrücken sind streng und die zulässige Verformung ist gering. Daher ist es erforderlich, die Bauqualität beim Bau unter Eisenbahnbrücken streng zu kontrollieren2, 3. Beispielsweise beim Bau flach vergrabener Pfahlgründungsstrukturen in der Nähe von Eisenbahnbrücken Besondere Aufmerksamkeit sollte den Verformungseffekten von Bauwerken auf Brückenpfahlgründungen, Pfahlkappen, Pfeilern, U-Trägern, Schienen und anderen Grundkonstruktionen sowie deren Widerstandsfähigkeit gegenüber starken Windlasten gewidmet werden4. Daher ist es notwendig, die Auswirkungen des Baus unter Eisenbahnbrücken zu untersuchen.

Wissenschaftler haben umfangreiche Untersuchungen zum Verformungsgesetz der Eisenbahninfrastruktur unter dem Einfluss äußerer Lasten durchgeführt. Feng et al.5 verwendeten analytische Methoden, um die Kartierungsbeziehung zwischen der vertikalen Verformung von Brückenstrukturen und der Verformung von Hochgeschwindigkeitseisenbahnschienen zu untersuchen, und schlugen ein entsprechendes analytisches Modell vor. Die Schienenverformung unter drei typischen Verformungen der Brückenstruktur wurde mithilfe analytischer und numerischer Finite-Elemente-Methoden berechnet und die Entwicklung der Schienengeometrie in diesem Fall analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abbildungskoeffizient zwischen der Brückenstrukturverformung und der Schienenverformung nichtlinear mit zunehmender Verformungsamplitude der Brückenstruktur zunimmt. Gou et al.6 lieferten eine Methode zur quantitativen Bewertung der Gleisverformung aufgrund von Brückenverformungen und Zwischenschichtabbau. Mit dieser Methode wurde eine Echtzeit-Zustandsbewertung von Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken auf der Grundlage einer Echtzeitüberwachung der Brückenverformung durchgeführt. Die Analyse und Forschung wurden anhand des 3D-Finite-Elemente-Modells validiert und zur Untersuchung der Auswirkungen wichtiger Parameter verwendet. Salcher et al.7 untersuchten den Einfluss von Boden-Struktur-Wechselwirkungen auf die Dynamik von Eisenbahnbrücken anhand numerischer Simulationen von Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsmodi und äquivalenten Dämpfungskoeffizienten. Basierend auf dem Energievariationsprinzip wurde von Jiang et al.8 unter Berücksichtigung der Auswirkung der Scherverformung ein Kopplungsschwingungsanalysemodell eines einfach gestützten Trägerbrücken-Gleis-Struktursystems für eine Hochgeschwindigkeitseisenbahn erstellt. Die numerischen Finite-Elemente-Berechnungsmethoden ANSYS und MIDAS wurden mit den in dieser Arbeit festgelegten Analysemethoden verglichen. Die in der Studie etablierte Analysemethode wurde verwendet, um die Eigenschwingungseigenschaften des Tragwerkssystems bei unterschiedlichen Zwischenschichtsteifigkeiten und unterschiedlichen Schienenlängen der Unterbauabschnitte zu bewerten. Han et al.9 entwickelten ein integriertes System, das ein globales Positionierungssystem (GPS), einen Beschleunigungsmesser und einen Anemometer umfasst, um die Reaktionen einer Brücke mit großer Spannweite auf extreme Windlasten zu ermitteln. Zur Trennung der sich langsam ändernden Bewegungen wurde ein adaptiver rekursiver Filter der kleinsten Quadrate eingesetzt, und die Gesamtverschiebung mit erhöhter Messgenauigkeit wurde aus den kombinierten quasistatischen und hochfrequenten dynamischen Verschiebungen ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Technik die Genauigkeit von Verschiebungsmessungen bei starkem Wind deutlich verbessern kann.

Bezüglich der analytischen Lösung der strukturellen Verformung von Brückenpfeilern haben viele Studien zahlreiche nützliche Schlussfolgerungen gezogen10,11,12,13,14. Bimschas et al.15, 16 entwickelten ein zuverlässiges mechanisches Modell zur Beschreibung der vollständigen Verteilung der Biegeverformungen entlang des Bauteils und bei allen Belastungsniveaus. In diesem Artikel wurde das theoretische Konzept der inelastischen Biegeverformungsanalyse von Stahlbetonpfeilern vorgestellt. Bei der Verwendung des diskontinuierlichen Spannungsfeldes zur Bestimmung der Saitenkraft wurde der Einfluss schräger Risse im Zusammenhang mit Scherung auf das Biegeverformungsverhalten berücksichtigt. Die in einem Begleitpapier vorgestellte mechanische Methode der inelastischen Biegeanalyse von Stahlbetonpfeilern wurde angewendet und die Ergebnisse mit den experimentellen Messergebnissen zweier Großversuche verglichen. Chen et al.17, 18 schlugen eine Methode vor, um den Einfluss der Setzung mehrerer Pfeiler auf ein gekoppeltes dynamisches System aus Zug, Gleis und Brücke zu analysieren. Der Kartierungszusammenhang zwischen Pfeilersetzung und Schienenverformung wird theoretisch hergeleitet. Basierend auf der Theorie der dynamischen Interaktion zwischen Zug, Gleis und Brücke wurde ein detailliertes dynamisches Modell zwischen Zug, Gleis und Brücke erstellt. Die Feldtestergebnisse wurden verifiziert, indem dieses Modell verwendet wurde, um die dynamische Reaktion des Eisenbahn-Schienen-Brücken-Systems unter verschiedenen Pfeilersetzungswerten zu berechnen.

In ähnlicher Weise wurden Laborexperimente und numerische Simulationen häufig bei der Analyse struktureller Verformungsprobleme von Brücken eingesetzt19, 20. Ein detailliertes 3D-Finite-Elemente-Modell wurde von Liu21 entwickelt, um die Wechselwirkungen zwischen der Pfeilersäule, der Pfahlgründung, dem umgebenden Boden und dem schweren Lastkraftwagen aufzulösen Laden, um die Analyse zu erleichtern. Nach der Validierung des Modells mit der Methode der allgemeinen Analyse M wurde das entwickelte Modell verwendet, um das Verhalten der Brücke unter den kombinierten Auswirkungen temporärer Straßenlasten zu untersuchen. Zheng et al.22 präsentierten eine numerische Untersuchung der Verformungsreaktion von Minipfeilern aus geosynthetisch verstärktem Boden (GRS) unter Betriebslastbedingungen. Simulationsergebnisse aus einer parametrischen Studie zeigen, dass der Reibungswinkel des Hinterfüllbodens, die Kohäsion des Hinterfüllbodens, der vertikale Abstand der Bewehrung und die Bewehrungssteifigkeit die größten Auswirkungen auf die Setzungen und seitlichen Versatzverschiebungen von GRS-Minipfeilern unter Betriebslastbedingungen haben. Zhang et al.23 verwendeten den Finite-Elemente-Code LS-DYNA, um Kollisionen zwischen Steinschlägen und Brückenpfeilern numerisch zu simulieren, um Aufprallkräfte, Brückenreaktionen und strukturelle Verformungen der Gleise zu untersuchen. Zur Bestimmung des Betriebssicherheitsindex von Hochgeschwindigkeitszügen wurde eine zweistufige numerische Modellierungstechnik vorgeschlagen.

Gleichzeitig gibt es zahlreiche Studien zur strukturellen Reaktion von Gebäuden unter Windlasten24,25,26,27. Im Gegensatz dazu gibt es relativ wenige Studien zur Kippsicherheit von Bauwerken wie kommunalen Anlagen unter starker Windlast. Zuo et al.28 führten ein dreiphasiges Experiment durch, um die Windbelastung von Schilderkonstruktionen mit rechteckigen Schilderflächen zu untersuchen. Fünf Modelle repräsentativer rechteckiger Schilder unterschiedlicher Konfiguration wurden in einem Windkanal getestet. Die Ergebnisse zeigten den signifikanten Einfluss der geometrischen Konfiguration rechteckiger Schilderstrukturen auf die Windlast. Tse et al.29 führten numerische Untersuchungen zu vier typischen Konfigurationen von Lärmschutzstrukturen und ihren Eigenschaften im Hinblick auf Windlasten durch. Das Turbulenzmodell und die Modellparameter, die Modellierung der atmosphärischen Grenzschicht im Gleichgewicht, die Gitterdiskretisierung usw. wurden im numerischen Modell berücksichtigt, um die numerische Genauigkeit zu verbessern. Eine Konfiguration wurde auch anhand von Windkanaltestdaten numerisch validiert. Solari30 fasste die Forschung zu Windlasten in der strukturellen Windtechnik zusammen und diskutierte die analytischen, experimentellen und numerischen Werkzeuge, die üblicherweise zur Gewährleistung der strukturellen Sicherheit verwendet werden.

Aus den oben genannten Studien geht hervor, dass sich die meisten Untersuchungen zur Verformung von Brückenkonstruktionen unter dem Einfluss äußerer Lasten auf die Auswirkungen von Vibrationslasten wie Erdbebenlasten und Zugbetriebslasten konzentrierten. Es liegen jedoch nur wenige Studien zum Einfluss des Baus von flach vergrabenen Pfahlgründungsstrukturen unter bestehenden Eisenbahnbrücken auf die Strukturverformung vor. Insbesondere wenn die Größe eines Bauwerks groß ist, die Form unregelmäßig ist und der Abstand von der Pfeilersäule relativ ungünstig ist, besteht die Gefahr, dass das Bauwerk unter Einwirkung einer starken Windlast umkippt. Sobald es umkippt, führt es zu irreversiblen Schäden an Brückenkonstruktionen wie Pfeilern, was die Sicherheit der Züge erheblich beeinträchtigen wird.

Der Bau großer Bauwerke unter Eisenbahnbrücken in sehr geringem Abstand ist derzeit selten. Auch hierzu liegen keine detaillierten Studien vor. Insbesondere die Skulpturenstruktur im hier untersuchten Projektbeispiel ist äußerst unregelmäßig, da es sich um eine Gruppenkombination großflächiger, unregelmäßiger, flach vergrabener Pfahlgründungsstrukturen handelt. Der Bau des Skulpturenbauwerks unter der Eisenbahnbrücke führt zu gewissen Verformungseffekten an den Brückenpfeilern und beeinträchtigt dadurch die Gleisstabilität. Da sich der Projektstandort außerdem in einem vom Meereswind betroffenen Gebiet vor der Küste befindet, erreicht die durchschnittliche maximale Windstärke laut meteorologischen Daten die Sturmstärke 9, sodass die Windlast während des Baus einen großen Einfluss auf die Skulpturenstruktur selbst haben wird Prozess und nach Abschluss der Bauarbeiten. Da das Umkippen der Bauwerksgruppe unter verschiedenen ungünstigen Bedingungen zu Schäden an den Brückenpfeilern führen wird, sind die Untersuchungen zu diesem Projekt von praktischer Bedeutung und haben Implikationen für die Innovation.

Daher ist es notwendig, den Bau von flach vergrabenen Pfahlgründungsstrukturen unter bestehenden Eisenbahnviadukten und die Verformung der Viaduktstrukturen unter dem Einfluss von Windlasten zu untersuchen. Darüber hinaus sind Untersuchungen zur Verformung von Eisenbahnbrücken unter dem Einfluss der Errichtung von flach vergrabenen Pfahlgründungsstrukturen und zur Kippsicherheit von Strukturen unter der Wirkung einer starken Windlast erforderlich. Was die Forschungsmethoden betrifft, so verwendeten die meisten relevanten Studien zwar auch numerische Simulationsmethoden, ihre Modellierung war jedoch häufig durch die numerische Simulationssoftware selbst eingeschränkt und es ist unmöglich, die Struktur sehr realistisch darzustellen. In diesem Artikel wird eine verfeinerte 3D-Festkörpermodellierung als Vorverarbeitungsschritt der numerischen Simulation durchgeführt, die die übermäßige Vereinfachung der numerischen Modellierung überwindet und die Größenparameter, die räumliche Position, den Bauprozess und die Materialparameter des technischen Objekts selbst maximal wiederherstellt. Verbesserung der numerischen Berechnungsgenauigkeit.

Die Qingdao-U-Bahnlinie 11 hat eine Gesamtlänge von etwa 58 km und die gesamte Linie besteht hauptsächlich aus einer Hochbrücke mit einer maximalen Entwurfsgeschwindigkeit von 120 km/h. Unterhalb der Eisenbahnbrücke wird eine neue städtische Straße gebaut, wobei sich Straße und Brücke annähernd orthogonal kreuzen. Dem Plan zufolge wird an der Kreuzung von Straße und Brücke, direkt unter den U-Trägern, eine Gruppe städtischer Skulpturen errichtet, nämlich Skulptur A, Skulptur B und Skulptur C.

Je nach Bauort der Skulpturen ist der Abschnitt der Eisenbahnbrücke K41 + 243,125 ~ K41 + 296,125 und die Pfeilernummern sind J23–J25. Es werden vorgespannte U-Träger aus Beton verwendet, deren Spannweite zwischen den Pfeilern J23 und J24 28 m und die Spannweite zwischen den Pfeilern J24 und J25 25 m beträgt. Die Betongüte des Trägers ist C55, die Pfeiler und Pfahlköpfe bestehen aus C40-Beton und die gebogene Kappe besteht aus C50-Beton. Abbildung 1 zeigt die Pfahlgründungen im aufgeständerten Brückenabschnitt im Einflussbereich der Skulpturenkonstruktion. Der Status des Piers ist in Tabelle 1 dargestellt.

Zustand der Pfeiler.

Bei den Skulpturen handelt es sich um Modelle, die im speziellen Formgussverfahren hergestellt werden. Skulptur A hat eine maximale Höhe von 16 m, eine maximale Spannweite von 12 m und eine Gesamtlänge von 18,3 m. Skulptur B hat eine maximale Höhe von 9 m, eine maximale Spannweite von 7,6 m und eine Gesamtlänge von 14,3 m. Skulptur C hat eine maximale Höhe von 4 m, eine maximale Spannweite von 3,29 m und eine Gesamtlänge von 8,3 m. Jede Skulptur wird von einem Streifenfundament getragen, wobei eine C40-Stahlbetonkonstruktion den Hauptkörper des Fundaments bildet.

Einige der Skulpturen A und B befinden sich innerhalb des vertikalen Projektionsbereichs der Eisenbahnbrücke, und Skulptur C liegt vollständig außerhalb des Projektionsbereichs der Brücke. Skulptur B steht ungefähr senkrecht zur Brücke, und die Linie, die die Sockel der Skulpturen A und C verbindet, kreuzt schräg die Brücke. Die vertikalen Höhen der drei Skulpturen sind alle niedriger als die Höhen der gebogenen Brückenkappen und U-Träger, und die Sockel liegen außerhalb des vertikalen Bereichs der Pfeiler und Pfahlköpfe von J23, J24 und J25. Der Abstand zwischen den Skulpturen und den Pfeilern und U-Trägern ist in Abb. 2 dargestellt.

Seitliche Abstände zwischen den Skulpturen und Pfeilern.

Um die räumliche Positionsbeziehung zwischen verschiedenen Strukturen widerzuspiegeln, wird ein 3D-Raummodell der Skulpturenstruktur, der Brückenstruktur und der Stratumstruktur erstellt. Dieses 3D-Volumenmodell wird für numerische Berechnungen in der anschließenden Analyse der Auswirkungen von Skulpturenkonstruktionen und Windlasten verwendet. Gemäß den Entwurfsunterlagen, Felduntersuchungen und geologischen Zustandsdaten wird die Rhino-Software für die Modellierung verwendet, um die digitale Zwillingssimulation der festen Struktur zu realisieren.

Der Modellierungsprozess in der Rhino-Software basiert stark auf detaillierten Parametern aus den drei Ansichten. Daher ist es während des Modellierungsprozesses notwendig, entsprechende Volumenmodelle und Verbundmodelle für die Skulpturenstruktur, die Brückenstruktur und die geologischen Schichten auf der Grundlage der planaren Parameter ihrer jeweiligen Vorder-, Seiten- und Draufsicht sowie ihrer räumlichen Eigenschaften zu erstellen Positionsbeziehungen. Zunächst werden anhand der Vorderansichten die Außen- und Innenkonturen der Bauwerke bestimmt und so die zweidimensionalen Formen in der Ebene definiert. Anhand der Seitenansicht werden die Abmessungen und die Dicke der Strukturen bestimmt und die 3D-Strukturen mithilfe der Volumenkörperextrusionsfunktion in der Rhino-Software erstellt. Durch die Berücksichtigung der Draufsicht und der räumlichen Beziehungen zwischen den Strukturen werden die einzelnen Volumenmodelle an ihren jeweiligen Positionen innerhalb des räumlichen Koordinatensystems platziert. Nach Abschluss der Modellierung aller Strukturen erhält man schließlich das Gesamtmodell des Systems. Der Modellierungsprozess ist in Abb. 3 dargestellt.

Modellierungsprozess.

Gemäß der Entwurfszeichnung und der Konstruktionszeichnung der Skulpturenstruktur ist jede Komponente der Skulptur eine speziell geformte Struktur, die Ober- und Unterseite sind nicht gleich breit und die Gesamtform ist oben schmal und unten breit. Die etablierten 3D-Volumenmodelle der Skulpturen A, B und C sind in Abb. 4 dargestellt.

3D-Volumenmodell der Skulpturen.

Gemäß den Brückenentwurfsunterlagen werden Parameter wie Typ, Höhe und Größe der entsprechenden U-Träger, gebogenen Kappen, Pfahlkappen und Pfahlgründungen der Pfeiler J23, J24 und J25 bestimmt, wie in Tabelle 2 dargestellt.

In diesem Projekt werden fünf Arten von Schichten angetroffen. Von oben nach unten bestehen sie aus glatter Schüttung, schluffigem Ton, mittelgrobem Sand, stark verwittertem Granit und mäßig verwittertem Granit mit einer Mächtigkeit von 2,8 m, 5,2 m, 5,2 m, 18 m bzw. 28,8 m. Unter Berücksichtigung des Schnittpunkts der Schicht und der Brückenstruktur müssen boolesche Operationen durchgeführt werden, um Strukturen wie Pfeiler, Pfahlköpfe und Brückenpfähle in den Schichten zu löschen. Das 3D-Volumenmodell der Skulpturen, der Eisenbahnbrücke und der Schichten werden kombiniert. Entsprechend der geplanten Platzierung der Skulpturen entsteht ein kombiniertes 3D-Raummodell. Die 3D-Volumenmodelle sind in Abb. 5 dargestellt.

3D-Volumenmodelle.

Entsprechend dem kombinierten 3D-Volumenmodell und der spezifischen Platzierung der Skulpturen wird für die Pfeiler J23, J24 und J25 innerhalb des Einflussbereichs eine numerische Simulation der Finite-Differenzen-Methode (FDM) mit der FLAC3D-Software durchgeführt. Um die im vorherigen Abschnitt erstellten 3D-Volumenmodelle in die FLAC3D-Software zu importieren, wird das Griddle-Plugin verwendet, um Modellnetze in der Rhino-Software zu generieren. Die generierten Netzdateien wurden als .f3grid-Dateien exportiert und in die FLAC3D-Software importiert. Die Modelle wurden dann für nachfolgende numerische Berechnungen neu organisiert. Der Importvorgang ist in Abb. 6 dargestellt. Es wird die strukturelle Verformung der Brücke berechnet, die durch den Bau der Skulpturen A, B und C verursacht wird.

Importvorgang.

Aufgrund der Zufälligkeit und Komplexität der physikalischen und mechanischen Eigenschaften geotechnischer Materialien werden im Modellierungs- und Berechnungsprozess die Hauptfaktoren berücksichtigt, die Nebenfaktoren ignoriert und die spezifischen Probleme entsprechend vereinfacht. In dieser numerischen Simulation werden die folgenden Annahmen angenommen: (1) die umgebenden Gesteins- und Bodenmaterialien sind homogene und isotrope kontinuierliche Medien; (2) Der Einfluss tektonischer Spannungen wird in der anfänglichen Spannungsfeldsimulation nicht berücksichtigt. Um Grenzeffekte zu eliminieren, werden die Modellgrenzendimensionen auf das Zwei- bis Vierfache der Größe des Kernforschungsbereichs festgelegt. Im Mittelpunkt steht der Kernbereich bestehend aus drei Pfeilern und drei Skulpturenstrukturen mit einer Flächenausdehnung von ca. 55 m × 25 m. Unter Berücksichtigung der Tiefe der Pfahlgründungen werden die x × y × z-Abmessungen des Modells auf 120 m × 60 m × 80 m festgelegt. Die Randbeschränkungen sind für die obere Fläche auf frei und für andere Flächen auf eine feste Verschiebung festgelegt. Das heißt, es gibt keine Begrenzung für die Verschiebung der oberen Fläche in den drei Koordinatenrichtungen. Die Verschiebung der Bodenfläche ist in allen drei Koordinatenrichtungen fest. Die umgebende Grenze hat eine feste Verschiebungsrandbedingung in x-Richtung und y-Richtung; Es ist nur eine Verschiebung in Z-Richtung zulässig. Für jede Schicht wird das Mohr-Coulomb-Modell und für jede Brückenstruktur und Skulpturenstruktur das Elastic-Modell verwendet. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt am linken Rand des Modells. Die positive x-Achse ist entlang der Mittellinie der Brücke angeordnet, die y-Achse verläuft senkrecht zur Mittellinie der Brücke und die positive z-Achse verläuft vertikal nach oben. Die Modellmaterialparameter sind in Tabelle 3 dargestellt. Das in der Simulationsanalyse verwendete numerische Modell ist in Abb. 7 dargestellt.

Numerisches Modell.

Den Ergebnissen der numerischen Simulationsberechnung zufolge beträgt die maximale Verschiebung der Brückenpfeiler in x-Richtung nach dem Bau der Skulptur etwa 1,78 mm, was an der Kante der gebogenen Kappe des Pfeilers J24 nahe der Seite der Skulptur auftritt. Die maximale Verschiebung der Brückenpfeiler in y-Richtung beträgt etwa 1,09 mm, was am Rand der gebogenen Kappe von J24 nahe der Seite der Skulptur auftritt. Die maximale Verschiebung der Brückenpfeiler in z-Richtung beträgt ca. 0,54 mm, was am Rand des Pfeilers von J24 nahe der Seite der Skulptur auftritt. Die Verschiebung der Brückenpfeiler ist in Abb. 8 dargestellt.

Verschiebung der Brückenpfeiler.

Aufgrund des großen Eigengewichts der Skulpturenstruktur kommt es aufgrund des Einflusses ihrer Konstruktion zu Bodensetzungen im Oberflächenboden. Den numerischen Simulationsergebnissen zufolge ist die Bodensetzung der obersten Schicht der Flachschüttung in Abb. 9 dargestellt. Im Rahmen der Modellebene führt die Platzierung der Skulptur zu einer erheblichen vertikalen Setzung. Unter diesen weist die Position, an der die Basis der Skulptur A den Boden berührt, die größte Setzung auf, die etwa 0,04 m beträgt. Da die Konstruktion der Skulpturen A und B einen großen Einflussbereich auf die Verformung der umgebenden Bodenschicht hat, überlappen sich die Einflussbereiche und bilden ein sattelförmiges Absetzbecken.

Bodenbesiedlung.

Beeinflusst durch die Skulpturenkonstruktion beträgt die maximale horizontale Verschiebung der Brückenpfeilerstruktur etwa 1,78 mm, die an der Kante der gebogenen Kappe des Pfeilers J24 nahe der Seite der Skulptur auftritt, und die maximale vertikale Verschiebung beträgt etwa 0,54 mm, was auftritt am Rand der gebogenen Kappe des Piers J24 nahe der Seite der Skulptur. Gemäß den Anforderungen der Technischen Spezifikation für Straßen- und Kommunalbau unter Kreuzung von Hochgeschwindigkeitsbahnen (TB 10182-2017) sollten bei Bauarbeiten unter einer Eisenbahnbrücke die Auswirkungen auf die horizontale und vertikale Verschiebung gebogener Kappen auf weniger als begrenzt werden 2 mm. Die maximale Verschiebung der gebogenen Kappen beträgt 1,78 mm, was den Anforderungen der Vorschriften entspricht. Die maximale Setzung der ebenen Füllschicht beträgt ca. 0,04 m und befindet sich am Fuß der Skulptur A. Nach der Errichtung der Skulpturen A und B verbinden sich die Bodensetzungseinflussbereiche und bilden ein sattelförmiges Absetzbecken. Aus Abb. 9 ist ersichtlich, dass die Pfeiler außerhalb des Absetzbeckens liegen und die Bodensetzung relativ gering ist. Daraus lässt sich schließen, dass die Auswirkungen der Bodensetzung, die durch den Skulpturenbau auf die Pfeiler verursacht wird, gering sind. Unter Berücksichtigung aller oben genannten Analysen kann der Schluss gezogen werden, dass der sichere Betrieb der Brücke gewährleistet werden kann.

Abgesehen von der Verformung der Pfeilerstruktur, die durch Setzungen infolge der Konstruktion der Skulptur verursacht wird, können sich auch die Verschiebung der Skulptur selbst und ihre Möglichkeit, aufgrund hoher Windlasten umzukippen, auf die Brücke auswirken. Um die Kippsicherheitsleistung der Skulpturenstruktur unter der Einwirkung von Windlast zu untersuchen und die Sicherheit des Zugbetriebs zu gewährleisten, wird eine Verformungsanalyse einer Skulpturenstruktur in einem Strömungsfeld mittels rechnergestützter Strömungssimulation (CFD) durchgeführt. Es werden die Winddruckbeständigkeit und die Kippsicherheit der Skulpturenstruktur untersucht.

Um die Korrektheit der numerischen CFD-Berechnung zu vergleichen und zu analysieren, wird zunächst die theoretische Berechnung der Windlast durchgeführt. Die durchschnittliche äquivalente statische Windlast in jeder Höhe z kann je nach Standorttopographie, Bauwerkshöhe und Bauwerksform ermittelt werden und wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Dabei ist w0 der Referenzwinddruck, μs der Windlast-Formkoeffizient der Struktur in der Höhe z und μz der Höhenvariationskoeffizient des Winddrucks der Struktur in der Höhe z.

Gemäß der Zufallsvibrationstheorie kann die äquivalente statische Windlast des pulsierenden Windes in jeder Höhe z ausgedrückt werden, indem die äquivalente statische Windlast an dieser Position mit dem äquivalenten Koeffizienten ηz multipliziert wird, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

Daher ist die Überlagerung der beiden die äquivalente statische Windlast in jeder Höhe:

Dabei ist βz der Windschwingungskoeffizient, der dem Einfluss des pulsierenden Windes entspricht.

Daher wird die äquivalente statische Windlast in jeder Höhe durch Multiplikation der durchschnittlichen äquivalenten statischen Windlast mit dem Windvibrationskoeffizienten im chinesischen Lastcode ermittelt. Der Windlastformkoeffizient μs, der Höhenänderungskoeffizient μz und der Referenzwinddruck w0 in der Gleichung können mit dem aktuellen Lastcode entsprechend der Strukturart des Berechnungsobjekts ermittelt werden31. Da die Windgeschwindigkeit in dieser numerischen Berechnung ein konstanter Wert ist, wird βz als 1 angenommen. Gemäß den Vorschriften beträgt der Wert von μz 1,42, wenn die Meeresumgebung des Bauwerks und eine Höhe von 15 m über dem Meeresspiegel berücksichtigt werden. Wenn der Querschnitt der Struktur eine rechteckige Ebene ist, beträgt der Wert von μs 0,8. Der Referenzwinddruck basiert auf dem Winddruckwert der 50-jährigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit in einer Höhe von 10 m unter der Standardgeländeform.

Entsprechend der Größe der Skulptur A wird als Beispiel das zweithöchste Bauwerk A*2 (15 m) genommen. Berücksichtigt man den Höhenunterschied, entspricht dieser grundsätzlich den im Code angegebenen 15 m. Ersetzen Sie jeden Wert in Gleichung. (3) beträgt die berechnete Windlast wz an der Spitze der Skulptur A*2 0,38 MPa. Bemerkenswert ist, dass dieses Ergebnis der berechnete Wert der theoretischen Formel der einzelnen Skulpturenstruktur A*2 ist. Aufgrund der tatsächlichen Situation ist Skulptur A eine Kombination mehrerer Strukturen. Unter Einwirkung der Windlast interagieren verschiedene Strukturen miteinander. Daher wird es eine Abweichung zwischen dem numerischen Berechnungswert und dem theoretischen Berechnungswert geben.

Für dieses Projekt ist die Spannungs- und Verformungsreaktion der Skulpturenstruktur unter der Einwirkung von Windlast ein Fluid-Feststoff-Kopplungsproblem. Der physikalische Prozess ist wie folgt: Die Luft strömt im Modell, die Skulpturenstruktur fungiert als Hindernis, um den Luftstrom zu behindern, und der Luftstrom beeinflusst die Außenfläche der Skulptur. Es wirken Kräfte, die durch viskosen Widerstand und Mauerwerksdruck erzeugt werden, und die Skulptur verformt sich unter der äußeren Belastung, wodurch der Luftstrom einen neuen Weg einschlägt. Daher wird bei diesem Fluid-Feststoff-Wechselwirkungsproblem die Skulpturenstruktur als verformbares Material verwendet, um den Ausrichtungswiderstand gegen Winddruck und Umkippen zu bewerten.

Unter den drei Skulpturen sind die Skulpturen A und B von großer Gesamtgröße und großem Volumen, und auch ihr Aufprallbereich ist groß. Darüber hinaus befinden sich diese Skulpturen relativ nahe an den Piers J23 und J24. Daher stellen die Skulpturen A und B nach Abschluss der Bauarbeiten ein großes potenzielles Sicherheitsrisiko dar, weshalb die Skulpturen A und B als Bewertungsobjekte ausgewählt wurden. Die Berechnung ist in zwei Arbeitsbedingungen unterteilt: (1) Im Arbeitszustand I wird die Windlast entlang der Richtung der Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur belastet; und (2) im Betriebszustand II wird die Windlast entlang der Richtung der vertikalen Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur belastet. Die Spannungs- und Verformungsreaktionen unter zwei Windlastbedingungen werden mit der CFD-Software COMSOL Multiphysics simuliert und analysiert, einer vielseitigen Software zur direkten Kopplung von Multiphysik-Analysen. COMSOL Multiphysics ist eine Simulationssoftware, die auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basiert und die Lösung partieller Differentialgleichungen oder Systeme partieller Differentialgleichungen verwendet, um reale physikalische Phänomene nachzubilden. Gemäß den Konstruktionszeichnungen der Skulpturen A und B wurden die Dimensions- und Formkonturinformationen aus der Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht extrahiert. Zunächst werden mithilfe der Rhino-Software 3D-Volumenmodelle der Skulpturenstrukturen erstellt. Anschließend werden sie als .stl-Dateien exportiert und zur Berechnung in die COMSOL Multiphysics-Software importiert. Um die Strömungsfeldumgebung zu simulieren, wird außerhalb der Skulptur ein hexaedrischer Raum mit einer Größe von 40 m × 40 m × 40 m erstellt und in Maschen unterteilt.

CFD-Simulationen umfassen sowohl laminare Strömungen als auch die Festkörpermechanik. Für den laminaren Strömungsprozess legt der numerische Simulationsprozess den Einlass und den Auslass als Randbedingungen fest. Laut den Planungsunterlagen der Brücke beträgt die Windgeschwindigkeit für starke Winde basierend auf historischen statistischen Daten mit einer Wiederkehrperiode von 50 Jahren 23 m/s. Daher wird die Starkwindgeschwindigkeit mit 23 m/s (Sturm der Stufe 9) gewählt; das heißt, der Einlass hält einen Luftstrom von 23 m/s aufrecht. Der Auslass ist zur Atmosphäre hin offen und der entsprechende Abschnitt ist eingestellt, wie in Abb. 10 dargestellt.

Funktionsfähiger Zustand I der Skulptur A.

Die Studie präsentiert eine Berechnung des Windlast-Luftströmungsgeschwindigkeitsfelds, der Verschiebung, der Spannung und des Moments von Abschnitt I und Abschnitt II der Skulpturenstrukturen. Die Windlast wird entlang der Richtung der Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur belastet. Die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit im Abschnitt I beträgt etwa 27,5 m/s und befindet sich an der Spitze der Skulpturenstruktur. Mittlerweile beträgt die maximale Verschiebung im Abschnitt I etwa 0,52 mm und befindet sich ebenfalls an der Spitze der Skulpturenstruktur. Die maximale Spannung von etwa 0,43 MPa tritt an der Spitze der A*2-Struktur der Skulptur auf. Darüber hinaus tritt das maximale Moment von ca. 8 kN·m an der Spitze der A*3-Struktur der Skulptur auf.

Wenn die Windlast in Richtung der mittleren Verbindungslinie der Skulpturenstruktur einwirkt, beträgt die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit im Abschnitt II an der Skulpturenstruktur A*1 ungefähr 27,5 m/s. Die maximale Verschiebung beträgt etwa 0,53 mm und befindet sich an der Spitze der Skulpturenstruktur. Die maximale Spannung beträgt ca. 0,7 MPa und liegt an der Unterseite der A*1-Struktur der Skulptur. Darüber hinaus liegt das maximale Moment von ca. 1,2 kN·m oberhalb des Fußes der Skulpturenstruktur und die Skulpturenstruktur befindet sich in einem Torsionszustand. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 11 dargestellt.

Berechnungsergebnisse der Skulptur A im funktionsfähigen Zustand I.

Im numerischen Simulationsprozess werden Einlass und Auslass als Randbedingungen festgelegt und die starke Windgeschwindigkeit wird auf die gleiche eingestellt wie bei Skulptur A. Das heißt, der Einlass hält einen Luftstrom von 23 m/s aufrecht, der Auslass ist mit der Atmosphäre verbunden , und der entsprechende Abschnitt wird eingestellt, wie in Abb. 12 gezeigt.

Funktionsfähiger Zustand I der Skulptur B.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die maximale Luftströmung mit einer Geschwindigkeit von etwa 27 m/s an der Spitze der Skulpturenstruktur befindet, wenn die Windlast in Richtung der Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite wirkt. Die maximale Verschiebung beträgt etwa 0,45 mm und die maximale Spannung beträgt etwa 0,22 MPa. Das maximale Moment beträgt ca. 1,2 kN·m und liegt alle an der Spitze der Skulpturenstruktur.

Im Abschnitt II wird bei Windlast entlang der mittleren Verbindungslinie der Skulpturenstruktur die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit von ca. 30 m/s bei Skulptur B*1 beobachtet. Die maximale Verschiebung von ca. 0,45 mm erfolgt an der Spitze der Skulpturenstruktur. Die maximale Spannung von etwa 1,4 MPa wird in der Mitte der B*1-Struktur der Skulptur beobachtet. Das maximale Moment von ca. 6,5 kN·m liegt über den Füßen der Skulpturenstruktur, mit entgegengesetzten Richtungen auf beiden Seiten, was auf einen Torsionszustand der Skulpturenstruktur hinweist. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 13 dargestellt.

Berechnungsergebnisse der Skulptur B im funktionsfähigen Zustand I.

Es ist zu erkennen, dass die Skulpturenstruktur eine gewisse behindernde Wirkung auf die Windströmung hat. Aufgrund der Größe der Skulptur A gibt es zwischen ihren Komponenten einen gewissen Raum, der einen Weg für die Übertragung der Windströmung bietet. Daher kann die Windgeschwindigkeit unter der Struktur der Skulptur A*1 10–15 m/s erreichen. Wenn der Windstrom außerdem auf ein Hindernis durch die Skulpturenstruktur trifft, sinkt die Windgeschwindigkeit in der Nähe der Struktur stark auf nahezu 0 m/s, was zu höheren Verschiebungen und inneren Kräften führt. Was die Skulptur B betrifft, so ist ihre behindernde Wirkung auf die Windströmung aufgrund ihrer geringen Größe sehr offensichtlich. Die Windgeschwindigkeit unterhalb der Skulpturenstruktur liegt fast ausschließlich unter 10 m/s.

Bei der numerischen Simulation der Arbeitsbedingung II werden auch der Ein- und Auslass Randbedingungen unterworfen. Ebenso wird weiterhin eine Windlast von 23 m/s (Sturmstärke 9) Windgeschwindigkeit gewählt. Konkret wurde am Einlass ein konstanter Luftstrom aufrechterhalten, während der Auslass mit einem entsprechenden Querschnitt mit der Atmosphäre verbunden war, wie in Abb. 14 dargestellt.

Arbeitszustand II Skulptur A.

Abschnitt I erfährt die Windlast in Richtung der vertikalen Mittelfeldverbindungslinie der Skulpturenstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit von etwa 31 m/s am Rand jeder Struktur der Skulptur liegt. Die maximale Verschiebung von ca. 0,48 mm befindet sich an der Spitze der Skulptur A*3-Struktur. Die maximale Spannung von ca. 3 MPa liegt auch an der Spitze der Skulptur A*3-Struktur. Das maximale Moment von ca. 4,5 kN·m befindet sich an der Spitze der Struktur der Skulptur A*3, wobei die Momentenrichtungen der beiden Strukturen entgegengesetzt sind.

Im Abschnitt II wird die Windlast in Richtung der Mittelfeldverbindungslinie des Skulpturenbauwerks eingebracht. Die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit von ca. 29 m/s liegt an der Spitze der Skulptur. Die maximale Verschiebung von ca. 0,33 mm liegt auf der Luvseite. Die maximale Belastung von ca. 1,2 MPa liegt auf der Luvseite der Unterseite der Skulptur. Das maximale Moment von ca. 5,2 kN·m liegt auf der Luvseite über der Mitte der Skulpturenstruktur. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 15 dargestellt.

Berechnungsergebnisse der Skulptur A im funktionsfähigen Zustand II.

Die Randbedingungen der numerischen Simulation von Skulpturen B sind die gleichen wie zuvor, und es werden auch eine Reihe von Luftstromeinlass- und -auslassgrenzen bestimmt, wie in Abb. 16 dargestellt.

Arbeitszustand II der Skulptur B.

Für Abschnitt I wird die Windlast in Richtung der vertikalen Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur ausgeübt, und der maximale Luftstrom beträgt etwa 27,5 m/s, der am Rand jeder Struktur der Skulptur auftritt. Die maximale Verschiebung beträgt ca. 0,05 mm und liegt an der Oberseite der Skulptur. Die maximale Spannung beträgt ca. 0,3 MPa und liegt an der Spitze der B*1-Struktur der Skulptur. Das maximale Moment beträgt ca. 1,2 kN·m und liegt auch an der Spitze der B*1-Struktur der Skulptur.

In Abschnitt II zeigen die Berechnungsergebnisse, dass die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit an der Spitze der Skulptur etwa 26 m/s beträgt. Die maximale Verschiebung beträgt ca. 0,05 mm und tritt im mittleren und oberen Teil der Skulpturenstruktur auf. Die maximale Spannung beträgt etwa 0,7 MPa und liegt im oberen Teil der Skulpturenstruktur. Das maximale Moment beträgt ca. 1,1 kN·m und liegt auf der Luvseite oberhalb der Skulpturenstruktur. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 17 dargestellt.

Berechnungsergebnisse der Skulptur B im funktionsfähigen Zustand II.

Im Gegensatz zum Arbeitszustand I wird die Windströmung aufgrund der senkrecht zur Vorderseite der Skulpturenstruktur verlaufenden Windrichtung durch eine größere Fläche behindert, wenn der Abstand zwischen den Skulpturenkomponenten gering ist. Unabhängig von Abschnitt I oder Abschnitt II wird daher die Windgeschwindigkeit im Raum unter der Skulptur stark behindert und auf nahezu 0 m/s reduziert. Im Vergleich zu Zustand I ist der Spannungswert der Skulpturen A deutlich erhöht, während die Verformung der Skulpturen B deutlich reduziert ist. Der Hauptgrund liegt darin, dass der Einfluss der Windrichtungsänderung auf die Skulpturen A größer ist, während die kleinere Größe der Skulpturen B den Einfluss der Windrichtungsänderung abschwächt. Gemäß dem Mechanismus der Fluid-Struktur-Wechselwirkung ist die innere Kraft des Festkörpers umso größer, wenn die Windlast auf die feste Oberfläche einwirkt, je stärker die Windgeschwindigkeit abnimmt. Daher weist die hier beschriebene Konstruktion der unregelmäßigen Skulpturenstrukturgruppe selbst unter den geforderten Extrembedingungen keine erkennbare Tendenz zum Umstürzen auf. Unter diesen Umständen können sowohl die Brückenkonstruktion als auch die Skulpturenkonstruktionen ein angemessenes Maß an Sicherheit gewährleisten.

Um die Genauigkeit der numerischen CFD-Simulationsergebnisse zu überprüfen, wurde eine vergleichende Analyse mit den theoretischen Berechnungsergebnissen durchgeführt, die im Abschnitt „Theoretische Windlastberechnung“ erhalten wurden. Den theoretischen Berechnungen zufolge beträgt der auf die Oberseite von A*2 wirkende Winddruck etwa 0,38 MPa. Dieses Berechnungsergebnis stellt den Spannungswert auf der Strukturoberfläche dar, wenn die Windlast auf die Vorderseite der Skulptur wirkt. In den CFD-Berechnungsergebnissen (Abschnitt „Berechnungsergebnis der Skulptur A“) liegt der entsprechende Wert bei ca. 0,43 MPa. Der Unterschied zwischen den beiden Werten beträgt etwa 11 %. Unter Berücksichtigung der in den Berechnungen vorgenommenen Vereinfachungen sind die Berechnungsergebnisse beider grundsätzlich konsistent.

Um die inneren Kraftreaktionen zweier verschiedener Windrichtungen auf typische Skulpturenstrukturen zu analysieren und zu vergleichen, wurden die größten Strukturen von Skulptur A und Skulptur B, nämlich die Struktur von Skulptur A*1 und die Struktur von Skulptur B*1, hinsichtlich Verschiebung, Spannung, und Momentanalyse unter den beiden unterschiedlichen Arbeitsbedingungen. Es ist zu beachten, dass die inneren Kräfte an den äußeren Konturlinien der beiden Skulpturenstrukturen im Abschnitt II und nicht am gesamten Abschnitt beobachtet wurden. Dies führt zu geringfügigen Unterschieden in der numerischen Analyse der Schnittgrößen im Vergleich zur vorherigen Analyse des gesamten Abschnitts.

Aus Abb. 18 ist ersichtlich, dass für die beiden unterschiedlichen Windrichtungen, mit Ausnahme der Verschiebung, die Spannungs- und Biegemomentwerte der Skulptur A*1-Struktur im Betriebszustand I im Allgemeinen kleiner sind als im Betriebszustand II. Unter Betriebsbedingung I zeigt die Verschiebungsverteilung aufgrund der senkrecht zur Vorderseite der Struktur verlaufenden Windrichtung ein deutliches Muster: unten kleiner und oben größer. Im Betriebszustand II tritt die maximale Verschiebung in der Mitte der Struktur auf, und die Verschiebungsgrößen auf der Luv- und Leeseite sind ähnlich. Bezüglich der Spannung ist bei frontaler Windrichtung der Spannungswert unten deutlich größer als der oben, was auf die starke Rückhalte- und Fixierungswirkung der flach vergrabenen Pfahlgründung auf die Skulpturenstruktur zurückzuführen ist, während die Oberseite ist das freie Ende. Diese Stressreaktion stimmt mit der Verschiebungsreaktion überein. Unter Arbeitsbedingung II zeigt die Spannungsverteilung der Skulpturenstruktur ein oszillierendes Muster und der Spannungswert auf der Luvseite ist höher als der auf der Leeseite. Die Verteilung des Biegemoments wird stark von der Windrichtung beeinflusst. Unter Arbeitsbedingung I ist der Moment symmetrisch zur Skulpturenstruktur, was zum entgegengesetzten Vorzeichen des Moments führt. Unter Arbeitsbedingung II ist das Moment auf der Luvseite im Allgemeinen höher als das auf der Leeseite und der Maximalwert erscheint im oberen Teil der Luvseite.

Innere Kräfte der Struktur der Skulptur A*1.

Im Gegensatz zur Struktur der Skulptur A*1 sind die Verschiebung, Spannung und das Moment der Struktur der Skulptur B*1 im Betriebszustand I alle größer als im Betriebszustand II, wie in Abb. 19 dargestellt. Im Betriebszustand I ist das Gesamtbild Das Verteilungsmuster von Verschiebung, Spannung und Moment ähnelt dem der Struktur der Skulptur A*1. Im Betriebszustand II ist die Schwingung der inneren Kraftverteilung bei seitlicher Windrichtung nicht stark. Aufgrund seiner geringeren Größe und des Einflusses anderer Skulpturenstrukturen ist die Momentreaktion unter Windlasten schwächer. Daher ist ersichtlich, dass die Größe einen erheblichen Einfluss auf die inneren Kräfte der Skulpturenstrukturen hat, wenn die Windrichtung festgelegt ist.

Innere Kräfte der Struktur der Skulptur B*1.

Durch die Durchführung von Berechnungen und Analysen zur Konstruktion der Skulpturenstruktur und ihrer Reaktion auf Windlasten können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

Die Konstruktion der Skulpturen hat nur geringe Auswirkungen auf die Sicherheit des Brückenbauwerks. Die maximale horizontale Verschiebung des Brückenpfeilers beträgt etwa 1,78 mm, was am Rand der gebogenen Kappe des Pfeilers J24 nahe der Seite der Skulptur auftritt, und die maximale vertikale Verschiebung beträgt etwa 0,54 mm, die am Rand der Biegung auftritt Kappe des Piers J24 nahe der Seite der Skulptur.

Wenn die Windlast in Richtung der vertikalen Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur belastet wird, ist die strukturelle Verformungsreaktion von Skulptur A auf der Luvseite höher, mit Ausnahme des Moments, das eine ungünstige Windrichtung darstellt. Wenn die Windlast in Richtung der Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite der Skulpturenstruktur belastet wird, ist die Verformungsreaktion der Struktur der Skulptur B höher als wenn die Windlast in Richtung der vertikalen Verbindungslinie in der Mitte der Spannweite belastet wird. Das ist eine ungünstige Windrichtung. Unter beiden Bedingungen sind die Skulpturen relativ stabil.

Im Betriebszustand I ist die Verdrängung unten kleiner und oben größer. Unter Arbeitsbedingung II ist die Spannungsverteilung auf der Luvseite höher als auf der Leeseite. Die Biegemomentverteilung wird durch die Windrichtung beeinflusst, mit symmetrischen Momenten im Betriebszustand I und höheren Momenten auf der Luvseite im Betriebszustand II. Die Größe der Skulpturenstrukturen beeinflusst auch deren innere Kräfte bei festen Windrichtungen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Hou, XF, Mei, JP & Zuo, C. Überblick über städtische Schienenverkehrslinien auf dem chinesischen Festland im Jahr 2020. Urban Rapid Rail Transit 34(01), 12–17 (2021).

Google Scholar

Ministerium für Wohnungsbau und Stadt-Land-Entwicklung der Volksrepublik China. Technischer Code für Schutzstrukturen des städtischen Schienenverkehrs (China Architecture Publishing House, 2013).

Google Scholar

Zhao, BY et al. Bewertung der strukturellen Integrität der Schildtunnelüberquerung einer Eisenbahnbrücke mittels orthogonaler Versuchsplanung. Ing. Scheitern. Anal. 114, 13 (2020).

Artikel Google Scholar

Feng, SX, Lei, HY, Wan, YF, Jin, HY & Han, J. Einflussfaktoren und Kontrollmaßnahmen des Aushubs auf angrenzenden Brückenfundamenten basierend auf dem analytischen Hierarchieprozess und der Finite-Elemente-Methode. Vorderseite. Struktur. Zivil. Ing. 15(2), 461–477 (2021).

Artikel Google Scholar

Feng, YL, Jiang, LZ, Zhou, WB, Lai, ZP & Chai, XL Eine analytische Lösung für die Kartierungsbeziehung zwischen der vertikalen Verformung von Brückenkonstruktionen und der Schienenverformung von Hochgeschwindigkeitsbahnen. Stahlkompositionen. Struktur. 33(2), 209–224 (2019).

Google Scholar

Gou, HY, Xie, R., Liu, C., Bao, Y. & Pu, QH Analytische Studie zur Verformung von Hochgeschwindigkeitsbahngleisen unter langfristigen Brückenverformungen und Zwischenschichtabbau. Strukturen 29, 1005–1015 (2021).

Artikel Google Scholar

Salcher, P., Onay, A. & Adam, C. Einfluss der Boden-Struktur-Wechselwirkung auf die Dynamik von Portalrahmen-Eisenbahnbrücken. Bautechnik 97(7), 490–498 (2020).

Artikel Google Scholar

Jiang, LZ, Feng, YL, Zhou, WB & He, BB Schwingungscharakteristikanalyse eines einfach unterstützten Trägerbrücken-Gleis-Struktursystems für Hochgeschwindigkeitsbahnen. Stahlkompositionen. Struktur. 31(6), 591–600 (2019).

Google Scholar

Han, HZ, Wang, J., Meng, XL & Liu, H. Analyse der dynamischen Reaktion einer Brücke mit großer Spannweite unter Verwendung von GPS/Beschleunigungsmesser/Anemometer unter Taifunbelastung. Ing. Struktur. 122, 238–250 (2016).

Artikel Google Scholar

Chen, LK et al. Impulsartiger Bodenbewegungseffekt bei Nahfehler-Richtwirkung auf einer Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnbrücke. J. Cent. Süduniversität 21(6), 2425–2436 (2014).

Artikel Google Scholar

Sayed, MA, Kaloop, MR, Kim, E. & Kim, D. Bewertung der Beschleunigungsreaktionen einer Eisenbahnbrücke mithilfe der Wavelet-Analyse. KSCE J. Civ. Ing. 21(5), 1844–1853 (2017).

Artikel Google Scholar

Zhao, HW, Ding, YL, Nagarajaiah, S. & Li, AQ Verhaltensanalyse und Frühwarnung vor Trägerdurchbiegungen einer Eisenbahnbrücke mit Stahlfachwerkbogen unter dem Einfluss von Temperatur und Zügen: Fallstudie. J. Bridge Eng. 24(1), 11 (2019).

Artikel Google Scholar

Bebiano, R., Calcada, R., Camotim, D. & Silvestre, N. Dynamische Analyse von Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnbrückendecks unter Verwendung der verallgemeinerten Balkentheorie. Dünnwandige Struktur. 114, 22–31 (2017).

Artikel Google Scholar

Feng, YL, Jiang, LZ, Zhou, WB, Zhang, YT & Liu, X. Eine analytische Lösung für die Schwingungseigenschaften für kontinuierliche Trägerbrücken-Gleis-Kopplungssysteme und ihre Anwendung. Struktur. Ing. Mech. 77(5), 601–612 (2021).

Google Scholar

Bimschas, M., Chatzi, E. & Marti, P. Inelastische Verformungsanalyse von Stahlbetonbrückenpfeilern, Teil 1: Theorie und Hintergrund. ACI-Struktur. J. 112(3), 267–276 (2015).

Google Scholar

Bimschas, M., Chatzi, E. & Marti, P. Inelastische Verformungsanalyse von Stahlbetonbrückenpfeilern, Teil 2: Anwendung und Nachweis. ACI-Struktur. J. 112(3), 277–286 (2015).

Google Scholar

Chen, ZW, Zhai, WM & Tian, ​​GY Studie zum sicheren Wert einer Mehrpfeiler-Befestigung für einfach unterstützte Trägerbrücken in Hochgeschwindigkeitsbahnen. Struktur. Infrastruktur. Ing. 14(3), 400–410 (2018).

Artikel Google Scholar

Chen, ZW, Zhai, WM & Yin, Q. Analyse der strukturellen Spannungen von Gleisen und der dynamischen Fahrzeugreaktionen im Zug-Gleis-Brücken-System mit Pfeilersetzung. Proz. Inst. Mech. Ing. Teil FJ Rail Rapid Transit 232(2), 421–434 (2018).

Artikel Google Scholar

Chen, LK, Jiang, LZ & Liu, P. Seismische Reaktionsanalysen von runden Pfeilern von Hochgeschwindigkeitseisenbahnbrücken unter Verwendung eines globalen Brückenmodells. Int. J. Mater. Prod. Technol. 44(1–2), 35–46 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Matsuoka, K., Collina, A., Somaschini, C. & Sogabe, M. Einfluss lokaler Fahrbahnschwingungen auf die Bewertung der maximalen Beschleunigung einer Stahl-Beton-Verbundbrücke für eine Hochgeschwindigkeitsbahn. Ing. Struktur. 200, 14 (2019).

Artikel Google Scholar

Liu, CY, Jiang, ZS & Yu, HC Sicherheitsanalyse für Brückenpfeiler im Rahmen des nahegelegenen Straßenbaus und -betriebs. Messung 151, 12 (2020).

Artikel Google Scholar

Zheng, Y., Fox, PJ & McCartney, JS Numerische Simulation der Verformungsreaktion von geosynthetisch verstärkten Boden-Minipfeilern. Geosynth. Int. 25(3), 271–286 (2018).

Artikel Google Scholar

Zhang, X, Wang, XY, Chen, WS, Wen, ZP & Li, Struktur. Infrastruktur. Ing. 17(1), 1–19 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Jiang, YJ et al. Windströmung und Windlasten auf der Oberfläche eines turmförmigen Gebäudes: Numerische Simulationen und Windkanalexperiment. Wissenschaft. China Ser. D-Earth Sci. 51(1), 103–113 (2008).

Artikel ADS Google Scholar

Wong, SY & Lam, KM Einfluss von vertieften Hohlräumen auf windinduzierte Belastung und dynamische Reaktionen eines hohen Gebäudes. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 114, 72–82 (2013).

Artikel Google Scholar

Zhi, LH, Fang, MX & Li, QS Schätzung der Windlasten auf ein hohes Gebäude durch eine inverse Methode. Struktur. Kontrolle. Gesundheitsüberwachung. 24(4), 21 (2017).

Artikel Google Scholar

Zisis, I. & Stathopoulos, T. Mechanismen zur Windlastübertragung auf ein niedriges Holzgebäude unter Verwendung vollständiger Lastdaten. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 104, 65–75 (2012).

Artikel Google Scholar

Zuo, DL, Smith, DA & Mehta, KC Experimentelle Untersuchung der Windbelastung rechteckiger Schilderstrukturen. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 130, 62–74 (2014).

Artikel Google Scholar

Tse, KT, Yang, Y., Shum, KM & Xie, ZN Numerische Simulation der Windbelastung auf Lärmschutzstrukturen am Straßenrand. Windstruktur. 17(3), 299–315 (2013).

Artikel Google Scholar

Solari, G. Windbelastung von Strukturen: Rahmen, Phänomene, Werkzeuge und Kodifizierung. Strukturen 12, 265–285 (2017).

Artikel Google Scholar

Ministerium für Wohnungsbau und Stadt-Land-Entwicklung der Volksrepublik China. Ladecode für die Gestaltung von Gebäudestrukturen (China Architecture Publishing House, 2012).

Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir sind dankbar für die Unterstützung des Systematic Project des Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety (2020ZDK005).

Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Qingdao, Qingdao, 266520, Shandong, China

Yan Wang

Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Guangxi University, Nanning, 530004, Guangxi, China

Zheng Chen

Beijing Urban Construction Group Co., Ltd, Peking, 100088, China

Yi Qi

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YW leistete Beiträge zur Modellkonstruktion und -analyse und verfasste den Hauptmanuskripttext; ZC konzentrierte sich auf die Überwachung und YQ bereitete die numerischen Simulationen vor.

Korrespondenz mit Yan Wang oder Zheng Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, Y., Chen, Z. & Qi, Y. Forschung über die Auswirkungen unregelmäßiger Strukturgruppenkonstruktionen auf Eisenbahnbrückenpfeiler und ihre Reaktion auf Windlast. Sci Rep 13, 10469 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37717-6

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Eingegangen: 14. Mai 2023

Angenommen: 26. Juni 2023

Veröffentlicht: 28. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37717-6

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