深部开采环境下底板隔水关键层深梁力学分析

【目的】随着矿井开采深度增加,来自高承压岩溶水威胁增大,导致煤层工作面出现涌水、突水等水害现象,分析深部开采环境下煤层底板隔水关键层抵抗水压力强度是解决这一现象的重要内容之一。【方法】为解决此问题,将隔水底板简化为岩梁模型,并运用深梁理论解决深部开采突水预测中的岩梁模型问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,根据深梁弯曲力学特点,结合前人研究成果,将深梁条分成浅梁,通过弹性力学单根浅梁受力分布形式假定层间挤压应力σy为三次函数,给出深梁弯曲应力求解的条分技术,并将计算结果与弹性力学解、FLAC3D模拟结果进行对比。【结果和结论】结果表明,深梁条分解得到的应力及位移与数值解结果趋势更为接近,计算结果更为精确,相对误差均在10%以内,同时,随着条分层数增加,精度也增加,但提高幅度逐渐降低,因此,工程应用中针对深部岩梁模型条分到一定程度即可;随着高跨比不断增加,精度误差也在增加,说明条分层宽度不宜过大,否则造成误差增加;底板隔水关键层实例表明,当隔水关键层高跨比大于0.2时,为典型的深梁问题,常规弹性力学的最大拉应力求解结果误差较大,相对误差达到40.6%,给正确判定关键层突水危险性带来不利影响,此时采用深梁条分法求解应力精度较高,可为深部煤层底板突水预测研究起到重要的指导作用。

基于有限元的钢筋混凝土开口深梁设计与分析

深梁在受到外荷载时,其受力特点较为复杂。对此,采用有限元模型分析简支深梁和连续深梁存在孔洞时其受力变形规律。结论如下:①开口深梁在受到外荷载作用时,横截面不符合平面假定;②梁体受到外荷载时,其挠度值能够满足要求。③简支开口深梁梁体在开口处存在应力集中现象,应在梁两端增加斜向钢筋配置,在开口处也应加强钢筋构造,其余部位按照一般梁配筋。④两跨连续开口深梁开口处应力集中现象与单跨梁相比较弱,但中间支座受到的剪应力最大,需加强中间支座处的钢筋布置。

集中力作用下深梁弯剪耦合变形应力计算方法

深梁受力机理及影响因素之多决定了深梁计算的复杂性。由于存在纵向纤维挤压和截面的翘曲,深梁不能简单的应用材料力学细长梁的纯弯应力计算公式。虽然,深梁计算理论中已经有了各种各样的方法,包括级数解法及差分法、有限元法,但应用上,这些理论过于复杂。从弹性力学半平面体受集中荷载作用的计算理论出发,将深梁跨中及支座处的局部看作是一半平面体受集中力作用,并考虑到集中力产生的弯曲应力的影响,应用迭加原理推导出了深梁的应力计算公式,为工程设计提供简单正确且易于实现的计算方式。

钢纤维混凝土深梁非线性有限元分析在ANSYS中的实现

运用大型有限元软件ANSYS对钢纤维混凝土深梁进行非线性分析,详细地探讨了钢纤维混凝土和钢筋的本构模型、单元特性,并基于Nilson黏结滑移理论,考虑钢筋与钢纤维混凝土之间的相互作用。采用ANSYS参数化设计语言(APDL)参数化建模,完成了非线性分析。与试验结果比较表明,在ANSYS中钢纤维混凝土采用Solid65单元、钢筋采用Pipe20单元及其相应的本构关系和破坏准则模拟钢纤维混凝土受力全过程,并用Combin39三维非线性弹簧单元模拟钢筋与钢纤维混凝土之间的黏结滑移可取得满意的结果。

单轨吊巷道顶板深梁支护结构的构建及应用

针对单轨吊作用下区段平巷顶板控制难题,提出将巷道顶板视为深梁进行稳定性分析,并采用密集布置的高预应力锚索和强力锚杆支护系统构建顶板锚固复合深梁承载结构。采用FALC3D数值模拟软件研究了余吾矿S1203回风巷实际支护参数条件下的顶板预应力场分布特征,揭示了单轨吊巷道顶板的成梁机制,得出S1203回风巷顶板深梁厚度为6 m。通过对S1203回风巷顶板进行受力分析,建立了单轨吊作用下巷道顶板锚固复合深梁承载结构的力学模型,根据应力叠加准则,推导出深梁内部最大剪应力分布表达式,据此结合Matlab数值分析软件得出顶板深梁最大剪应力分布随单轨吊载荷变化的响应规律,阐明了单轨吊作用下巷道顶板的稳定性控制机理。根据S1203回风巷的矿压观测结果,单轨吊作用前后巷道顶板均未出现离层现象,顶板最大下沉量及两帮收敛量不变,分别为72,48 mm,表明巷道顶板深梁支护结构的构建有效实现了单轨吊作用下巷道顶板的控制。

建立Timoshenko深梁单元的新方法

基于Timoshenko两广义位移梁理论,建立考虑剪切效应的Timoshenko深梁单元横向线位移、转角和剪应变的各自插值函数,利用有限元方法导出单元线弹性刚度、一致质量矩阵和几何刚度矩阵。算例结果表明此公式用于静力、动力和稳定性分析是可靠的,并且不出现剪切闭锁现象。

BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力

为研究BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力,完成了9根集中荷载作用下的BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁的抗剪试验,分析了深梁的破坏过程、破坏形态及剪跨比、BFRP筋配筋率、再生混凝土抗压强度对梁抗剪承载力的影响,并基于加拿大规范和试验数据拟合出了BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力计算公式。结果表明:BFRP筋再生混凝土深梁主要发生剪切破坏,随剪跨比增大,破坏形式由剪切破坏向弯剪破坏转变;试验梁的抗剪承载力随剪跨比的增大而减小,随BFRP筋配筋率和再生混凝土抗压强度的提高而增加;采用所提公式的计算结果与试验值吻合较好,且具有一定安全度。

基于等效梁长法的组合深梁临界预紧力计算模型

为确定合理的临界预紧力,保证预紧组合结构横梁的整体性,提出采用等效梁长法修正传统Airy应力函数计算结果,从而得到更准确的临界预紧力。基于平面应变理论,建立临界预紧力的理论计算模型,通过叠加原理,分别得到弯曲模型和压缩模型中间截面x方向应力的傅里叶三角级数形式解,分析误差原因;采用等效梁长法进一步修正,结合临界开缝判据,得到临界预紧力理论计算公式。试验结果表明:等效梁长法修正的临界预紧力理论计算结果与试验结果最小误差为10.1%,最大误差为13.5%,与试验结果吻合较好,能够为大型成形设备的预紧组合结构横梁的设计提供理论依据。

内置钢构架型钢混凝土转换深梁传力机理试验研究

结合深梁的"拉杆-拱"传力机理,提出新型内置钢构架型钢混凝土深梁,将钢构架的各部分杆件分别用于传力机构中的拉杆和压杆中,并对一榀普通钢筋混凝土转换深梁、三榀内置钢构架型钢混凝土转换深梁模型进行试验研究,分析这种新型转换深梁在竖向集中荷载作用下的力学性能和破坏形态,研究深梁在受力过程中的钢筋和钢构架的应变变化特点、传力机理。试验表明内置钢构架型钢混凝土深梁具有承载力高、刚度大、延性好等优点。相同参数条件下,内置钢构架型钢混凝土深梁承载力比普通钢筋混凝土深梁提高30%～40%,抗剪承载力提高幅度尤为显著,刚度提高30%～50%。内置钢构架型钢混凝土转换深梁充分利用了深梁的拉杆拱传力机理,设置钢构架实现以最短、最直接的传力路线和传力方式传递上部荷载。偏于安全估算,钢构架能承担20%深梁总荷载。

悬臂深梁的应力分析

针对文献［１］在求解悬臂深梁问题中存在的缺点，本文建议了另一个关于是臂深梁问题的解法以完善文献〔１］中的解法。文中所述方法对求解其它深梁问题亦属有效。

拉-压杆模型在钢筋混凝土深梁设计中的应用

为完善中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)中关于钢筋混凝土深梁的承载力设计方法,根据美国ACI 318M—05规范D区拉-压杆模型方法,按中国规范的设计表达式,提出了钢筋混凝土深梁承载力的拉-压杆模型计算方法。基于所收集到的各国52个受剪破坏和29个受弯破坏的深梁试验数据,分别采用拉-压杆模型方法和中国GB 50010—2002规范深梁承载力计算方法,对试验结果进行了对比分析。结果表明,拉-压杆模型方法的计算结果比中国GB 50010—2002规范方法更准确。

钢筋混凝土深梁填充钢框架抗震性能试验

为了使钢结构初始刚度能够在一定范围内渐变,且增加的构件安装或拆卸方便,设计一种新型的抗震加固结构体系即钢筋混凝土深梁。通过1个纯钢框架和2个缩尺混凝土深梁填充钢框架的水平低周反复荷载试验,得到内填混凝土深梁钢框架结构的滞回曲线。在试验的基础上,分析深梁对纯钢框架的承载能力、延性、滞回特性和耗能能力的影响。结果表明:内填深梁大幅度提高了钢框架的初始刚度和承载能力;试件的滞回曲线饱满且骨架曲线有明显的塑性流动阶段;钢框架的延性和耗能能力都得到增强,证明内填深梁钢框架结构抗震性能良好,因此,混凝土深梁可作为结构抗震设防的第一道防线,钢框架作为第二道防线。

钢／聚丙烯混杂纤维对HPC深梁受弯性能的影响

为研究钢纤维和聚丙烯纤维对高性能混凝土(HPC)深梁受弯性能的影响,对17根含有不同钢纤维(体积掺量≤1%)和聚丙烯纤维(体积掺量≤0.2%)以及不同纵筋配筋率的HPC简支深梁进行4点受弯性能试验.结果显示:单一纤维或混杂纤维增强HPC深梁的初裂荷载提高了10%～40%;混杂纤维增强HPC适筋深梁的纵筋屈服荷载提高50%～150%,极限受弯承载力提高1～2倍,但无筋的混杂纤维HPC深梁承载力很小,破坏为剪切脆性破坏.试验结果表明:混杂纤维可以极大提高HPC深梁的受弯承载力,但混杂纤维的作用不能代替纵向钢筋的作用;可采用复合材料强度叠加原理及剩余弯曲强度理论来探讨混杂纤维增强HPC深梁的极限受弯承载力计算公式.

混杂纤维增强混凝土深梁受弯性能试验研究

通过对14根钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强高性能混凝土深梁的正截面受弯性能试验研究,分析了深梁的抗裂弯矩、屈服弯矩、极限承载力以及正截面受弯破坏形式与混杂纤维体积掺量的关系,研究结果表明:掺加少量的钢纤维(50~78 kg/m3)和聚丙烯纤维(0.5~1 kg/m3)使深梁的开裂弯矩提高10%~40%,屈服弯矩提高50%~100%,极限承载力提高1~2倍,深梁的受弯韧性明显提高.

钢板深梁屈曲分析

介绍了一种新型的抗侧力结构体系——钢板深梁;利用有限元分析软件ANSYS分析了两侧加劲钢板深梁的弹塑性屈曲性能,讨论了深梁跨高比、宽厚比等参数对钢板深梁屈曲性能的影响。研究结果表明:极限承载力与钢板深梁跨高比近似成正比关系;对厚板与薄板而言,厚板的非线性由材料的弹塑性引起,而薄板的非线性由深梁严重面外变形和材料弹塑性共同引起;厚板对加劲肋的要求较低,可不布置中部加劲肋,而薄板对加劲肋的要求较高。

钢筋混凝土深梁的拓扑优化模型

钢筋混凝土深梁的拓扑优化模型的获取是一个既有理论意义又有工程背景的设计问题。由于钢筋混凝土材料的特殊性,特别是混凝土拉压性能极端差异的特点以及变量的离散性使得问题复杂化。介绍了一种基于演化原理的结构优化算法——演化结构优化算法(GESO算法),这种算法通过以一定的概率淘汰构件中利用率不高的材料获取构件的优化桁架模型。在计算中考虑钢筋混凝土构件的受力特点,充分发挥钢筋受拉和混凝土受压的优势,给出能反映钢筋混凝土深梁工作机理的拓扑优化桁架模型。给出的钢筋混凝土简支梁和开孔深梁的计算实例,说明了方法的有效性和可行性。

钢管混凝土-钢板深梁结构抗震性能分析

提出了钢管混凝土-钢板深梁结构,它由钢管混凝土柱、柱间钢板深梁两种构件组成。为深入研究该结构的抗震性能,在典型模型构件试验基础上,用ABAQUS软件对不同钢板深梁布置与间距、不同钢板深梁厚度、不同钢板深梁跨高比的试件进行了数值模拟,模拟中考虑了基础锚固滑移对试件顶部位移的影响。研究表明:随着钢板深梁布置数量的增多和钢板深梁厚度的增大,结构承载力和刚度明显提高,但提高幅度逐渐减慢,而延性有所降低;随着钢板深梁跨高比的增大,结构的刚度和承载力逐步减小,延性逐步提高;合理设计钢板深梁布置位置与间距的试件与整体钢板试件相比,虽承载力和刚度有所降低,但延性和钢板弹塑性耗能能力显著提高,有利于抗震。在满足构造要求下,钢管混凝土-钢板深梁结构具有良好的抗震耗能性能,可用于高层建筑结构抗震设计。

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m^(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m^(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m^(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。

钢筋砼梁与深梁承载力统一计算方法的探讨

现行砼结构设计规范有关梁与深梁承载力计算公式不相衔接是由于各自根据试验研究结果提出的计算公式.我们分析了影响梁和深梁抗弯、抗剪强度的主要因素,研究其变化规律和作用,根据大量的试验资料提出受弯、受剪承载力统一计算公式,并满足统一标准的可靠度要求.

剪切弯曲下短深梁位移数值计算精度的研究

分析了短深梁位移的基本解 ,评述了有限元解法中关于高次分布力简化为节点力的问题。使用虚功原理和位移线性插值推导了满足二次分布力作用的精确节点力分配公式。通过矩形截面悬臂梁自由终端受集中载荷的算例 ,阐明了提高短深梁位移计算精度的途径。