类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度研究

类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度是衡量其力学行为的重要参数,对于构件结构设计、抗弯承载能力验算具有重要作用。为了分析地铁车站纵向抗弯性能及其影响因素,根据等效连续梁的转角计算公式,得出了纵向等效抗弯刚度(EI)eq及纵向等效抗弯刚度有效率η的隐式表达式。通过截面参数分析,探讨了构件长度对中性轴距离c值、等效抗弯刚度有效率η值、截面最大应力的影响;研究了上下圆弧块厚度、曲率半径、圆心角及半短轴长b值对装配式构件截面上的最大应力的影响规律;为了反映装配式车站环缝实际作用范围,引入了环缝影响系数λ,拓展了类矩形装配式衬砌纵向等效连续化模型。研究结果表明:不同构件长度下截面应力分布状态及η值保持不变,且弯矩方向对其影响较小。在弯矩不变的前提下截面最大应力受半短轴长b值影响较大。当顶板块厚度t1处于0.6~2 m范围时,截面最大拉应力随半短轴长b增加而降低6.8%~9.3%;当底板块厚度t3处于0.6~2 m范围时,随着半短轴长b增加,截面最大压应力降低62.5%~63.6%。随着λ由0增加到1,纵向等效抗弯刚度有效率η由1降低到0.05%且变化趋势逐渐降低,与纵向等效连续化模型计算结论一致。本文研究结论对于装配式地铁车站预制构件结构设计及抗弯承载能力验算可提供有效参考。

双圆盾构隧道结构纵向等效抗弯刚度解析解

在邻近施工的作用下,双圆盾构隧道会发生纵向不均匀位移;而双圆盾构隧道的纵向等效抗弯刚度是表征其纵向抗弯性能的重要力学参数,也是预测外部荷载作用下双圆盾构隧道纵向变形的关键参数。为保障双圆盾构隧道结构安全,对双圆盾构隧道的纵向受力变形进行预测。基于纵向等效连续化模型,考虑螺栓预紧力的作用和环缝影响范围的影响,推导得到双圆盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解。结合双圆盾构隧道截面的特点,分别考虑中性轴位于上部边缘、上部双拱、腰部和下部双拱的4种情况,并给出界限弯矩表达式。以国内首条双圆盾构隧道为例,分析弯矩、螺栓预紧力和环缝影响范围对双圆盾构隧道纵向抗弯性能的影响。研究表明:1)当存在螺栓预紧力时,纵向等效抗弯刚度随着外部弯矩增加而呈现“反S”形态下降,并最终趋于无预紧力条件下的隧道纵向等效抗弯刚度值。2)中性轴位置亦非固定位置,随着外部弯矩增加,中性轴逐渐下移;且当外部弯矩小于环缝启动弯矩时,隧道的纵向抗弯刚度与均质隧道抗弯刚度一致。3)当环缝长度影响系数小于1时,中性轴位置始终保持不变,但纵向等效抗弯刚度有效率随着环缝作用区系数增大而迅速下降;当环缝长度影响系数大于1时,中性轴上移,管片受压范围增大,随着环缝作用区系数增大,纵向等效抗弯刚度有效率值缓慢减小并趋于一个定值。4)增大螺栓预紧力,环缝张开启动弯矩随之增大,隧道的抗弯刚度衰减更慢,同时中性轴位置上移,管片受压范围扩大。

考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明:该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。

型钢连接装配式混凝土梁等效抗弯刚度研究

型钢连接装配式混凝土梁截面抗弯刚度因构造做法差异而相差较大。基于小变形叠加原理,提出了该类构件在荷载作用下的挠度计算方法,根据等挠度原则,推导了构件的等效抗弯刚度计算公式,并与试验研究结果进行了比较,验证了公式的有效性。在此基础上,分析了型钢混凝土梁参数变化对变刚度构件整体抗弯刚度的影响。研究结果表明,型钢连接方式增大了装配式混凝土梁的抗弯刚度,减小了构件在荷载作用下的挠度变形,对构件和结构受力更为有利。

盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

盾构隧道在纵向上是通过螺栓将管片环拼装成一个整体的柔性结构,工程上常需进行纵向上的结构计算以评价由作用荷载及地层位移引起的隧道力学行为。对盾构隧道纵向计算理论进行了总结,分析了弹性地基梁模型、纵向梁-弹簧模型和纵向等效刚度模型的优缺点和适用性。对圆环断面的盾构隧道等效连续梁模型进行详细的解析推导。考虑到盾构隧道的横向性能对纵向性能的影响,假设变形后的隧道横截面变为椭圆环,建立了椭圆环面盾构隧道的纵向等效连续梁模型,提出了椭圆环面盾构隧道的等效抗弯刚度计算方法。

类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究。研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度有效率为1,中性轴位于截面上部外缘;随着弯矩进一步增加,环缝逐渐张开,同时中性轴位置逐步下移,等效纵向抗弯刚度减小;纵向等效抗弯刚度有效率随环缝作用区系数增大呈现先迅速下降而后缓慢减小的趋势;螺栓预紧力越大,纵向等效刚度越大,中性轴位置随之上移;随宽高比增大,等效纵向抗弯刚度有效率逐渐下降,中性轴位置随之下移,并在中性轴位置角与小圆弧圆心角相等时出现转折点。

蜂窝梁等效抗弯刚度的确定方法

通过分析不同开孔的蜂窝梁,提出了确定蜂窝梁等效抗弯刚度的方法。该方法根据纯弯蜂窝梁有限元分析(FEA)结果,按照经典力学中挠度-刚度或弯矩-曲率关系式反算刚度,具有简捷、准确、经济、高效等优点。提出了蜂窝梁等效抗弯刚度的合理表达式,并以常用的六边形孔和圆孔为例,通过大量有限元分析,得到了腹板刚度折减系数表,然后进一步给出了该系数的半理论半经验计算公式。结果表明,采用该公式可快速求得蜂窝梁的等效抗弯刚度。

基于三维接触有限元分析的管片等效抗弯刚度和错台研究

针对盾构隧道管片接头等效抗弯刚度预测研究中,对梁-弹簧与三维模型整体等效性考虑的不充分,以三维接触有限元计算结果作为测量信息,借助基于挠度等效的反问题求解,提出了一种确定管片接头等效抗弯刚度的新方法;并利用不同轴力-偏心距组合下的反演结果,建立了基于Kriging代理模型的轴力-弯矩-等效抗弯刚度的非线性关系,提出了由此关联的管片结构非线性问题的数值求解方法。与三维有限元结果相比,所提方法可较为准确地预测管片结构的内力和变形,表现出良好的整体等效性。此外,借助三维接触有限元分析,进一步深入探讨了螺栓孔间隙与衬垫本构关系对管片纵向错台量的影响。

大断面矩形盾构隧道等效抗弯刚度研究

矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度是衡量隧道受力变形的重要参数,对于指导施工及隧道纵向结构设计具有重大意义。将横向刚度与纵向等效抗弯刚度联立起来,由力学平衡条件确定中性轴位置,根据弯矩平衡条件及等效连续梁转角公式推导得到大断面矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解,并探讨了管片宽厚比、长短边螺栓分布、管片厚度等对纵向等效抗弯刚度的影响。研究结果表明:截面长宽比由1增长100%时,隧道纵向等效抗弯刚度有效率η由2.787 5降低为原来的15.3%,最终值为0.426 2;中性轴距离c减小了49.6%,最终值为2.273 0 m;截面厚度t由0.25增长到0.55时,中性轴距离c由2.188 5 m降低0.62%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.099 m增加7.8%;长短边厚度比由1增长到2时,中性轴位置c由2.174 9 m增长0.34%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.106 7降低了21.27%;截面螺栓个数从30增加到80时,c由2.150 4增长1.43%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.121 6降低了12.25%。考虑螺栓分别沿隧道截面长短边均匀分布时,纵向等效抗弯刚度及抗弯刚度有效率大约为理想情况下螺栓均匀化分布时的2/3。在截面螺栓总数不变的前提下,适当降低截面短边螺栓所占比例可有效提升截面抗弯性能。

复合材料层合管等效抗弯刚度的试验分析

开展了4种铺层碳纤维复合材料层合管的短柱试验和4点弯曲试验,得到了2种试验方法下试件的等效抗弯刚度。通过建立轴压作用和弯曲作用下层合管的有限元模型,分析了4种铺层试件纤维方向应力分布特征,从材料纤维方向不同拉压模量角度分析了两种试验方法下等效抗弯刚度存在差异的原因。分别通过分层材性赋值和基于截面拉压应力区域比重的近似等效模量赋值,利用理论预测模型计算得到了等效抗弯刚度,理论值与试验值相差10%以内,验证了材料纤维方向弹性模量赋值方法的可行性。

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化,不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移.本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度,建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程,提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法.算例理论计算结果与有限元分析结果表明,两种方法计算结果非常接近.本文提出的等效刚度法概念清晰,准确性好,适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移.

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯>>纯弯>拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。

基于三维梁理论的复合材料层合管等效抗弯刚度

针对任意铺层形式和任意壁厚复合材料圆形层合管件,提出一种等效抗弯刚度的计算方法。此方法采用符合复合材料圆形管件梁真实变形的变形理论,考虑横向剪切变形,非均匀扭转效应,主、次挠曲效应和层合材料的三维弹性效应,按照壳壁中实际应力状态,建立了复合材料圆形管件等效抗弯刚度的计算模型。通过与4种铺层管件的三点弯曲实验结果以及经典层合板理论计算的等效抗弯刚度进行对比,验证了计算模型的正确性。通过退化与各向同性材料抗弯刚度的计算方法进行对比,分析了计算模型的适用性。

蜂窝梁等效抗弯刚度计算方法及其影响因素分析

为了得到用于框架或门式刚架结构时的蜂窝梁内力计算方法,基于经典材料力学中小变形挠度的计算方法,按蜂窝梁与等代实腹梁小区段变形一致的原则,在蜂窝梁变截面处采用Simpson公式,推导了蜂窝梁的等效抗弯刚度,提出了工程中常用的几种孔形蜂窝梁等效抗弯刚度求解方法。通过对一系列不同孔形蜂窝梁的有限元参数分析,验证了所提等效抗弯刚度计算方法的精确性,得到了不同孔形蜂窝梁的等效抗弯刚度受径高比与距高比的影响。结果表明,径高比是影响蜂窝梁等效抗弯刚度的关键因素,距高比对蜂窝梁等效抗弯刚度的影响很小。相较于以费氏空腹桁架法为代表的比拟法与其他的蜂窝梁抗弯刚度计算方法,文中提出的方法具有精确、高效、适用性广的优点。

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。

六边形桥墩柔性抗船撞装置抗弯刚度

针对中国自主研发的桥梁柔性抗船撞装置,构建该装置模型:由两个相似的六边形梁为内外钢围以及均布且垂直于六边形各边的防撞圈构成。分析该模型得到在冲击载荷作用下六边形梁的控制方程及相应的初边值条件。利用Laplace变换和数值Laplace逆变换对该方程进行求解,揭示六边形梁在冲击载荷作用下的动态响应。并进一步分析外钢围等效抗弯刚度对抗船撞装置动态响应的影响,发现外刚围结构在冲击载荷作用下存在临界等效抗弯刚度。当外钢围等效抗弯刚度达到该临界值后,该外钢围在冲击载荷作用下可以近似为刚性。

铝合金蜂窝板-杆组合网格结构的等效刚度研究

铝合金蜂窝板作为典型的轻质高强材料已被广泛应用于航空航天领域。由于大跨空间结构对自重特别敏感,为此将蜂窝板与单层铝合金网壳可靠连接,形成一种新型组合网壳,前期研究结果表明,该结构显著提高了单层铝合金网壳的整体刚度及稳定性。为探究蜂窝板与铝合金杆之间共同工作的性能,以及该类组合结构的简化计算方法,设计制作了3组铝合金蜂窝板-杆组合网格结构试件开展承载力试验,并建立精细化有限元模型,进行了弹塑性分析,最后在理论分析的基础上提出了等效抗弯刚度及等效薄膜刚度的计算公式。

盾构隧道纵向抗弯刚度双折减计算模型

盾构隧道纵向和横向抗弯刚度因接头螺栓的存在而降低。以盾构隧道经典纵向等效连续梁理论为基础,考虑盾构隧道纵横向抗弯刚度双折减效应和轴力-弯矩联合作用,提出基于椭圆截面和严格椭圆积分推导的盾构隧道纵向抗弯刚度双折减计算模型。模型控制方程为超越方程,采用数值方法对控制方程进行求解。将提出的模型与按圆形截面以及按椭圆截面但非严格椭圆积分推导的既有模型进行了对比,分析了管片横向抗弯刚度、管片及接头螺栓材料刚度等对盾构隧道纵向等效抗弯刚度的影响。研究结果表明:当截面为圆形时,提出的模型与既有模型结果一致;基于圆形截面推导的既有模型是提出的模型的特例;当几何和材料参数给定时,在正负临界轴弯比范围内,盾构隧道纵向等效抗弯刚度与轴弯比呈非线性正相关;在正负临界轴弯比范围外,纵向等效抗弯刚度为定值;盾构隧道纵向等效抗弯刚度随管片横向抗弯刚度或管片及接头螺栓材料刚度的减小而减小。研究成果可为盾构隧道纵向变形分析提供理论参考。

考虑腹板焊缝损伤的正六边形蜂窝梁变形性能与挠度计算研究

试验设计并制作了焊缝具有裂纹损伤的正六边形蜂窝梁,研究了不同参数下正六边形蜂窝梁的力学性能,其中试验参数包括焊缝裂纹的位置和长度,分析了试验梁的应变以及挠度随参数变化的规律,建立了考虑焊缝裂纹损伤正六边形蜂窝梁的抗弯挠曲线计算方法。结果表明:具有焊缝裂纹损伤的正六边形蜂窝梁破坏形式为压弯屈曲破坏,其结构孔角开始出现屈服,当孔角屈服数目达到一定数量时,结构整体发生屈曲破坏;在重复加载阶段内,裂纹长度变化对焊缝附近孔角应变的影响在±20με内,关键截面位置挠度的影响在0.05 mm内;通过等效刚度法推导了在腹板焊缝裂纹状态下蜂窝梁的抗弯刚度,研究了蜂窝梁腹板焊缝裂纹对跨中挠度的影响;通过引入挠度放大系数,得到了在特定荷载作用下蜂窝梁的跨中挠度计算式;对比研究了蜂窝梁跨中挠度的不同公式计算结果,其中日本规范估算法和费氏简化分析法与试验值相比差值均较大,在50%左右;该文建议公式与试验值吻合较好,差值绝大部分在10%以内。

六边形结构桥墩柔性防撞装置等效弹性系数研究

针对我国自主研发的桥梁柔性防撞装置,引入等效弹性系数研究其结构响应,并构建物理模型:2个六边形结构的钢围环绕在桥墩上,钢围之间由均布弹簧圈支撑连接.利用弹性地基梁理论分析该模型在小变形情况下的力学响应,通过解微分方程确定平动情况下该模型的等效弹性系数.研究表明:等效弹性系数是关于六边形结构几何参数、弹簧弹性系数、钢围抗弯刚度、撞击力的作用点位置的函数;在外钢围没有塌陷的情况下,结构的几何参数对于等效弹性系数的影响最大;装置的等效抗弯刚度超过0.25时,外钢围近似认为刚性;而在远远小于0.25时,在撞击点附近外钢围发生塌陷.