温度效应对矮塔斜拉桥墩梁支撑体系的影响

为探究单索面多跨矮塔斜拉桥在温度作用下的受力特性,以某矮塔斜拉桥工程为例,基于Midas/civil软件建立了全桥有限元模型,分析了不同墩梁支撑体系下的多跨矮塔斜拉桥体系温度效应.分别考虑中塔、次边塔及边塔均为墩梁全固结(体系1),边塔为墩梁铰接、中塔及次边塔为墩梁固结(体系2),中塔为墩梁固结、次边塔及边塔为墩梁铰接(体系3),次边塔为墩梁固结、中塔及边塔为墩梁铰接(体系4),边塔为墩梁固结、中塔及次边塔为墩梁铰接(体系5)等5种组合下的墩梁支撑体系方案,分析墩梁支撑体系在升温或降温20℃时,主梁与主塔的应力与位移变化规律.研究表明,体系温度效应对墩梁全固结支撑体系下的主梁与主塔的位移与应力产生显著影响.在体系1中,体系温差为20℃时,主梁与主塔的最大位移分别为66.6 mm与94.07 mm,主梁与主塔应力分别为5.95 MPa与5.96 MPa;体系温度效应对仅在中塔处进行墩梁固结而其余位置进行墩梁铰接的体系下主梁与主塔的位移产生显著影响,但对其应力影响则较小;在体系3中,体系温差为20℃时,主梁与主塔的最大位移分别为74.20 mm与70.67 mm,主梁与主塔应力分别为0.59 MPa与0.48 MPa;在相同体系温度下中塔、次边塔和边塔位置任意选择两个墩梁固结,其余位置为墩梁铰接时,中塔、次边塔以及边塔位置处主梁结构响应显示出较高的相似性,且体系温度效应对主梁结构位移和应力产生的影响程度介于体系4和体系5之间.研究成果可为多跨矮塔斜拉主梁的施工线形控制提供参考.

盾构隧道混凝土管片接头抗弯与抗剪性能试验研究

混凝土管片的接头部位在使用过程中,会受到轴力、弯曲力矩和剪切力的共同作用,为能够全面了解混凝土管片接头处受不同外力下作用下的力学性能。根据研究特点,设计三组试验分别为极限承载能力、极限弯矩、剪切试验。针对混凝土管片接头有、无斜向螺栓工况,从管片接头受压区高度、最大张开度以及张开角度的试验数据角度,分析混凝土管片接头处轴力和极限弯矩之间的变化关系。采用有斜向螺栓逆剪切、有斜向螺栓顺剪切以及无斜向螺栓剪切的三种对比试验方式,开展管片接头破坏状态和接头相对错动量分析。研究表明,有无斜向螺栓下的混凝土管片接头处受压区高度和极限弯矩均随着轴力的增加呈现线性增长的趋势,最大张开度和张开角均随着轴力的增加呈线性减弱的趋势;有斜向螺栓连接的管片接头,其相对错动曲线存在平台段,同时受顺剪下的平台段要明显长于逆剪下的平台段。通过管片接头顺剪切和逆剪切破坏对比试验的研究,可较为全面地揭示管片接头部位的抗弯、抗剪切性能的宏观变形规律,其研究结果可为盾构隧道管片接头构造的合理选择提供参考。

基于BP人工神经网络的简支梁桥结构振动响应预测

针对有限元模型存在工作量大、计算耗时、无法实现结构响应的快速预测等问题,提出了基于BP神经网络算法的简支梁桥结构应力与位移预测模型。以某简支梁桥为工程背景,通过Midas/Civil有限元软件建立三维杆系有限元模型,并在考虑参数不确定性的基础上使用有限元模型得到完善的训练与测试样本数据集,建立了基于人工神经网络的桥梁结构响应预测模型。研究结果表明,构建的人工神经网络预测模型可在满足预测精度的基础上实现结构响应的快速预测,荷载试验实测值与模型预测值的最大误差在12.46%以内,且拟合优度均在0.9以上。该预测模型后期可与桥梁健康监测系统相结合,实现简支梁桥结构响应的实时分析,可应用于简支梁的结构响应评估工作。

基于颗粒离散元的碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性研究

[目的]南京地铁7号线晓庄站—万寿站区间盾构隧道处于岩层破碎、地下水发育处,该区间地质条件极其复杂,对预制管片抗裂和抗压强度要求较高,而普通混凝土管片无法满足结构抗裂要求,因此提出在混凝土中掺入碳纤维,并对碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性进行深入研究。[方法]基于颗粒离散元理论,通过单轴DEM(离散元方法)试验的应力-应变曲线确定混凝土材料平行黏结接触模型的细观强度参数,建立碳纤维混凝土管片抗弯强度试验数值模型,对碳纤维混凝土管片的强度、破坏特征、裂纹扩展模式及变形等进行了分析。[结果及结论]抗弯强度试验数值模拟结果表明:在不同加载工况下,碳纤维对混凝土管片强度的提高作用有限,但碳纤维结构具有较大抗拉强度,显著提高了管片的抗变形和抗断裂能力;掺入碳纤维的混凝土管片在加载过程中,其底部先产生1条竖向张拉裂纹,随着加载的继续,底部产生3条竖向张拉裂纹且未出现压溃现象。当加载达到混凝土极限压应力时,管片出现了压缩裂纹;随着压缩裂纹与张拉裂纹贯穿,此时管片将会达到极限强度破坏状态。在加载过程中,碳纤维混凝土管片中存在变形最小区域,随着加载的持续,其变形最小区域从管片接头端部逐渐向压头位置转移。由此可见,碳纤维混凝土管片能够满足岩层破碎和地下水发育区间隧道的安全性和稳定性要求。

基于荷载等效理论的柱体结构剪切变形解析

为了提高具有铁木辛科梁性质的柱体结构剪切变形的计算效率和精度,基于荷载等效分布理论、节点解析法以及具有正交内插特性的铁木辛柯梁理论,提出了一种高效求解梁柱节点剪切变形位移的等效分布荷载-有限元算法,并通过研究2种工况算例验证了算法的可靠性。结果表明:该算法利用非常少的单元(1个或2个单元)便可以获得位移、旋转角、剪切力和弯矩的高精度近似解;其他基于位移的方法,如简化积分法,大约需要40个单元才能获得类似的结果。所提方法可以在不同的连接条件下直接获得铁木辛柯梁柱的稳定函数和弯曲荷载,有效提高了柱体结构剪切变形有限元分析解的精确性。

不同荷载作用下桥梁摩擦桩承载特性研究

研究桥梁钻孔灌注摩擦桩的承载特性及桩身力学性质的分布规律对桥梁的安全稳定运行具有重要意义。以重庆三店互通式1号桥梁桩基为研究对象,根据桥梁桩基特点设计室内试验,依次进行了灌注摩擦桩单桩承载力、桩身轴力以及侧摩阻力等桩基性能研究,并将试验结果与数值模拟结果以及理论公式计算结果进行对比验证。研究表明:持力层岩性对桥梁灌注摩擦桩桩顶沉降量存在影响,持力层岩土性能越高,则桩顶沉降量越小;桩身轴力及摩阻力的变化幅度均随着桩顶荷载的增加呈先增大后减小的规律,且桩身中部所受到的摩阻力最大;经理论公式和有限元分析的验证,本次试验结果整体上偏差率较小,3种分析计算方法均可较好地得出灌注摩擦桩桩身轴力变化规律。研究结果可为桥梁运营后期的病害防治提供重要的理论支撑。

基于贝叶斯分类算法的隧道开挖安全风险概率评价

隧道开挖安全风险因子的早期识别及风险评估,对隧道后期施工及安全管理具有重要的指导意义。在收集研究区8条隧道相关资料的基础上确定影响因子,同时结合同类型隧道开挖遇到的主流问题进行分析,采用专家打分法确定了各安全风险因子的权重比例,确定了6个一级安全风险因子和20个二级安全风险因子,并对各一级因子权重进行归一化处理,进而得到各安全风险因子条件概率表和先验概率表,最后利用GeNie2.3软件进行风险评价。研究表明,线路涉及的隧道工程总体安全风险水平为Ⅲ级,各安全风险因子中敏感性较高的为地震(B3)、塌方(B6)及开挖方式的合理性(B15),并在此基础上提出了应对措施。

恒定法向刚度条件下加锚充填节理岩体剪切特性研究

深部岩体节理往往存在不同程度的软弱充填物质,导致岩体力学性质更为复杂。开展恒定法向刚度CNS边界条件下,考虑高初始法向应力及不同节理粗糙系数JRC−充填度△组合模式的加锚充填节理岩体剪切试验,结合微观电镜扫描(scanning electron microscope,简称SEM)分析充填节理部分宏微观结构演变特征,推导CNS边界条件下峰值剪胀角相关计算方法。研究结果表明:当△<0.5,试件剪应力强度呈现应力硬化;当1.0<△≤1.5,剪应力强度由基本恒定演化为应力软化。当△小于临界充填度△_(cr),JRC成为峰值抗剪强度主要影响因素。△在节理法向变形中起到控制作用,随着△的增加,出现剪胀、先剪胀后剪缩、剪缩3种演化规律,JRC则影响着试件剪胀−剪缩变化程度。充填节理部分破坏模式随着△的增加主要经历3个阶段:粗糙点磨平、充填物质摩擦、充填物质磨碎。微观角度下由疏松多孔结构形式演化为散体碎屑状结构形式。受挤压破碎区与挤压应力集中区二者的相互演化机制影响,锚杆剪切变形模式逐渐由△=0的“近似”拉剪变形向△=1.5的拉弯变形模式演变。在此基础上,提出了一种CNS边界条件下加锚充填节理岩体峰值剪胀角的计算公式,并进行了试验验证及边界条件影响参数敏感性分析。

气象因素对季冻区超长铁路隧道温度场的影响

寒区隧道温度场研究是揭示隧道冻害机理、优化隧道服役性能的基础。当前多关注工程地质条件对隧道温度场的影响,而气象因素对季冻区隧道温度场影响的相关研究较为少见。依托某季冻区隧道工程,引入统计分析方法基于工程区近41年气象数据总结了典型气象条件参数,设置3种不利风向组合,利用三维有限元模拟分析了典型气象条件下不同风向组合的隧道温度场。以隧道出入口负温区长度及温差为评价指标,通过正交试验方法分析了气象因素对隧道温度场影响的敏感性。结果表明:研究区风温服从正态分布,风速及持续时间服从对数正态分布;典型气象条件下隧道入口负温长度约2680 m,出口约240 m,隧道入口为抗冻设防重点区域;隧道入口温差约7.2℃,出口温差约4.5℃,隧道入口温差大于隧道出口;隧道入口温度场主要受风温、风速影响,出口温度场受风温影响最大;隧道出入口负温长度及温差均随风温的降低逐渐增大,主导风向风速增加入口负温长度增大但温差逐渐减小。

大跨径无缝准连续梁桥RPC钢管混凝土灌注桩参数优化分析

为了解决无缝桥梁桩基存在易腐蚀、打桩难等问题,以某无缝准连续T梁大桥为研究背景,通过有限元分析建立了大桥整体模型以及二维弹簧框架简化模型,开展了桩基受力性能有限元分析.将各层地基土的水平抗力比例系数m值换算成一个等效的m值,针对桥台RPC混凝土(活性粉末混凝土)灌注桩桩身正截面受荷载作用效应的压应力、拉应力进行了对比分析.结果表明,m值、桩径对桥台RPC钢管混凝土灌注桩桩身正截面受力特性影响显著,桩身截面入土深度为2.4D~5.5D时产生的拉应力与压应力值最大.

浅埋软岩隧道结构简化模型及分析方法

现有钻孔隧道力学分析模型主要集中在中、深度隧道(覆盖层直径比C/D≥2),但这类隧道模型因忽略了浮力且没有考虑到隧道衬砌的实际荷载,并不适用于浅埋钻孔隧道的力学分析。此文结合浅埋隧道的有限元分析,提出了一种浅层隧道计算模型,并研究了隧道截面最优厚度直径比d/D与覆盖层直径比C/D之间的关系。该模型中的隧道衬砌荷载包括浅层隧道顶部和底部的荷载差,利用提出的浅层隧道模型计算隧道截面上特定点处的土压力,以及结合有限元法进行结构分析得出一系列关键结论。结果表明,在有浮力的浅埋隧道分析中,隧道衬砌归一化内力和变形较无浮力的浅埋隧道显著大,当改变隧道覆盖深度时,隧道衬砌的最大变形值达到最小。结合结构分析和隆起分析的结果给出了掘进过程中隧道某断面C/D值的最优断面直径比值和最优覆盖层直径C/D比值。

降雨条件下弃土场滑坡力学参数敏感性反演研究

为了研究不同降雨工况下的滑坡稳定性机理及变形规律,以兰原弃土场滑坡为例,首先在GeoStudio中建立二维剖面模型,然后从内因和外因两个角度出发,选取了内摩擦角、黏聚力、降雨强度、渗透系数、降雨入渗补给系数、饱和体积含水率等6个影响因子作为研究对象,设计了25组正交试验并采用极差分析法对滑坡影响因子进行敏感性分析,并结合监测数据对内摩擦角、黏聚力和渗透系数进行参数反演;同时,结合当地多年降雨数据资料,对滑坡进行了3种极端降雨工况条件下的稳定性影响规律研究。研究表明:兰原弃土场滑坡6个影响因子的敏感性大小为:内摩擦角>黏聚力>降雨强度>渗透系数>降雨入渗补给系数>饱和体积含水率;经参数反演计算后,得出的参数值较室内试验组有了进一步的修正,使得滑坡变形趋势更加符合实际监测资料分析的结果,同时得出双日降雨对滑坡稳定性影响更大,更易导致滑坡失稳破坏。通过本文的研究,可在后期不同极端降雨条件下对其采取针对性的防治措施及稳定性判别,并可为同类滑坡的研究提供借鉴意义。

基于MEA-BP神经网络的自锚式悬索桥施工阶段吊索索力预测分析

为减小自锚式悬索桥在施工过程中吊索索力偏差对桥梁线形的影响程度,提高有限元模型的计算效率,提出一种基于思维进化(MEA)算法优化BP神经网络的吊索索力预测方法,以实现对桥梁各施工阶段的高精度逼近与吊索索力的快速反馈。在考虑施工过程中材料参数、荷载参数和环境温度等因素的不确定性基础上,结合有限元模型得到神经网络训练样本集。通过MEA算法实现BP神经网络权值与阈值的寻优,从而提高BP神经网络的预测精度。以某空间索面自锚式悬索桥为工程背景,建立该座桥梁的MEA-BP神经网络预测模型。结果表明,MEA-BP神经网络较传统BP神经网络具有更强的泛化能力与预测精度,MEA-BP神经网络的预测值与现场实测值的误差在10%以内,MEA-BP神经网络模型在索力预测方面具有较好的适用性。

季冻区隧道导流明洞及其防寒效果研究

为弱化季冻区自然气象条件对隧道冻害的影响,基于流体力学基本原理和冷/热量累积理念,提出一种高效环保的新型导流明洞结构,并通过ANSYS-Fluent数值模拟验证导流明洞的防寒效果。研究结果表明:1)当寒冷气流方向与隧道横向夹角介于15°~75°,提出的导流明洞可显著降低进入隧道寒流的风速;2)当夹角不超过45°,导流明洞可基本隔绝外部冷空气的流入;3)当夹角超过45°,隔绝效果随着夹角的增大逐渐减弱,但始终明显优于传统明洞。本工程研究背景下,不设置导流明洞时,隧道负温区长度超过1000 m;设置导流明洞后,隧道负温区基本消失,防寒效果显著。

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。结果表明:斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10 m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。

基于模糊层次和改进灰色关联度耦合算法的隧道爆破风险评价

在隧道开挖过程中,对隧道掌子面爆破工程进行风险因子的识别及评价,可以达到评价整个隧道施工安全风险的目的。以石柱至黔江高速公路万寿山隧道为研究对象,从影响隧道爆破安全的角度出发,确定4个一级指标和14个二级指标。然后,结合模糊理论和改进灰色关联度分析方法,建立了模型矩阵以及模糊互补矩阵,确定了各因子的权重和矩阵特征向量。最后,再运用模糊理论多层次分析方法对隧道爆破施工风险开展评价,确定了各风险分级。结果表明:各因子的权重由大至小依次为掌子面爆破、爆破管理、地质条件、爆破设计。同时,隧道爆破风险综合等级为高风险;各一级指标中,地质条件为高风险,掌子面爆破为极高风险,爆破管理和爆破设计为中风险。基于风险类型和风险评价结果,可制定分级管控措施及北斗一体化监测系统方案,实时了解隧道围岩变形情况,实行风险分级管控,为隧道开挖动态施工的安全提供保障。

山岭隧道注浆锚杆布置规律研究

在含水丰富的砂土地区,锚杆注浆可以解决隧道建设中围岩稳定差以及地下水侵蚀等问题。然而,注浆锚杆的不合理布置既会造成浆液的浪费,又不能达到预定的注浆效果。该文根据浆液扩散的微分方程,通过软件二次开发实现了隧道中锚杆注浆的数值模拟。结合数理统计,研究山岭隧道中注浆锚杆间距、隧道半径以及注浆时间对注浆圈形成的影响。结果表明:锚杆间距与注浆时间之间存在幂函数关系,而隧道半径与注浆时间之间存在指数函数关系。多心圆隧道中,不同半径段注浆锚杆之间布置的间距需要不同,锚杆间距之间的换算关系可由研究所得的公式完成。

基于细微观结构的分级加载作用下预制管片变形破坏机制研究

随着城市隧道工程快速发展,预制管片越来越多应用于地下工程当中.该文采用颗粒离散元理论,基于管片大型抗弯试验原理、力-位移准则及平行粘结接触本构模型,建立了单轴压缩模型反演出混凝土的细观强度参数.在颗粒离散元模型分析中,综合考虑预制管片内部变形及力学各向异性,基于随机算法开发随机骨料生成算法,并将其应用于预制管片抗弯试验模型.结果表明:预制管片往往从最下部出现拉裂纹,同时接触下部出现裂纹;随着加载增大,底部拉裂纹向上部扩展,同时上部混凝土达到抗压极限值出现压裂纹,接头底部由于旋转效应出现崩裂破坏,导致管片整体失稳.管片最上部加载位移达到1.6 mm时,应力达到峰值18.0 MPa,随着加载继续,由于混凝土出现压裂,应力下降;最下部始终处于拉应力状态,当位移达到0.8 mm时,达到最大拉应力3.2 MPa,由于拉裂纹扩展,拉应力迅速降低,并保持较小拉应力,接头处剪切应力在加载位移为1.6 mm时达到峰值10.4 MPa.南京市地铁窑上村站-晓庄站区段隧道地质条件复杂,通过抗弯试验确定其能满足承载力要求.

基于材料随机模型的透水型水稳基层混合料的细观破裂研究

为了研究材料不均匀性和透水孔隙对透水型水稳基层材料破裂演化的影响,在充分考虑骨料和孔隙在空间中的随机分布特征后,构建了透水型水稳基层材料的离散元模型。结合室内试验对离散元模型的细观强度参数进行了校正,并对透水型水稳基层材料开展了不同材料随机场和不同孔隙条件下的离散元数值模拟研究。结果表明:基于随机骨料算法、接触算法和材料随机场方法构建的离散元模型对透水型水稳基层混合料的细观特征具有很好的映射能力,充分模拟了透水型水稳基层材料的细观裂纹演化特征;基于室内试验的离散元参数标定试验验证了离散元模型的有效性,表明离散元模型所获得的细观强度参数对表征透水型水稳材料物理力学规律具有一定的鲁棒性;离散元数值模拟结果揭示了透水孔隙和材料随机场对其裂纹拓展和力学响应的影响机理,明确了透水孔隙在试样裂纹拓展过程中的控制作用;透水型水稳基层材料对外部荷载具有较高的敏感性,敏感性主要来源于试样中孔隙和界面的薄弱位置,微裂纹通常在这些薄弱区域开始发育;水泥的随机强度场对试样的力学强度具有较大的影响,水泥材料的强度非均匀性过大,对试样的强度会产生较大的消极影响,使用过程中应该更好地控制胶凝材料的均匀性。

基于2.5维有限元-完全匹配层技术的隧道振动建模研究

为解决隧道受周围区域复杂影响的三维隧道动力模拟问题,基于有限单元法,采用2.5D技术,应用完全匹配层(PML)处理由有限单元网格截断的边界,提出一种针对超长隧道结构动态性能模拟的高效、精确解法。结合2.5D技术、有限单元法(FEM)及完全匹配层(PML)的方法并不常见,推导2.5D技术和有限单元法(FEM)结合法的方程,着重说明其与2.5D技术和完全匹配层(PML)结合法的兼容性。通过与常用数值模型(MEF-MEC)和半解析解(PIP)法的结果验证,证明了模型的准确性,并进行了参数研究,以评估隧道和土体性质对土体振动的影响。结果表明:提出的2.5D MEF-PML方法能够解决有限元法不能处理无限域的缺点,与常规PML法相比,精度更高,在隧道动力分析时,能准确考虑隧道周围区域因素的影响。