动荷载作用下隧道锚承载性能及影响因素敏感性分析

为了更加合理地评价悬索桥隧道式锚碇的承载能力,探究隧道锚在动荷载作用下的失效过程,借助有限差分软件建立数值模型,提取并分析接触面应力应变分布形式,并与静力作用下结果进行对比,建立不同工况研究锚塞体参数与动荷载参数对承载力的影响.研究结果表明,动荷载作用下,锚岩接触面应力与位移分布形式与静载类似,但幅值与增长速率明显大于静载状态,拱顶方向和右拱脚向位移增加幅度分别达到36%和112%,且二者在7倍静力荷载幅值作用下,达到其位移差异变化的“门槛值”0.30 mm;动荷载作用下,隧道锚的极限承载力随着锚塞体扩展角、长度以及间距的增加均有所增加,其几何参数敏感性排序由高到低为锚塞体长度、锚塞体扩展角、锚塞体间距,动荷载频率对承载力的影响较小,动荷载作用下隧道锚极限承载力出现明显降低,平均降低幅度约为21%.动荷载作用下隧道锚承载性能及影响因素的敏感性分析为实际工程中隧道锚极限承载力的优化设计提供了参考.

列车荷载作用下的磁浮轨道梁响应极值条件

为研究磁浮轨道梁动力响应的变化规律,将磁浮列车简化为移动的均布荷载,采用解析法得到简支轨道梁动力响应的解析解,并讨论轨道梁最大值随车速、跨度等参数的变化规律,推导磁浮轨道梁动力响应的极值条件,利用有限元方法和车-桥耦合振动方法进行验证.结果表明:列车与轨道梁跨度比值较大时,随列车速度的增加轨道梁跨中最大响应以波动形式增加,最大响应存在极值,轨道梁响应随轨道梁跨度、质量等参数也有类似规律;当车速和跨度的乘积为特定常数,或轨道梁一阶竖弯频率与跨度的乘积为车速特定倍数时,轨道梁产生消振现象.

冻融-弯曲荷载耦合作用下PP-ECC梁的抗弯性能

为探究冻融以及冻融-弯曲荷载耦合作用对聚丙烯纤维水泥基复合材料(PP-ECC)梁抗弯性能的影响,设置7种试验工况,采用三分点加载方式对PP-ECC梁抗弯性能进行研究,分析冻融及冻融-弯曲荷载耦合作用下PP-ECC梁的荷载-跨中挠度曲线、抗弯承载力及裂缝发展形态差异;基于计算假定和正常环境下PP-ECC梁抗弯承载力的计算模型,结合PP-ECC材料冻融劣化机理,推导出PP-ECC梁在冻融环境下抗弯承载力计算模型;在此基础上引入持荷损伤系数γ,建立冻融-弯曲荷载耦合作用下PP-ECC梁抗弯承载力计算模型.研究结果表明:不同持荷比的PP-ECC梁极限抗弯承载力在冻融循环作用下出现不同程度降低,500次冻融循环后,持荷比为0、0.25、0.50的PP-ECC梁极限抗弯承载力分别降低了28.70%、27.09%、35.69%;受拉区PP-ECC材料开裂后不退出工作仍能协同受拉钢筋参与全截面受力;PP-ECC梁在达到极限状态时,受拉区呈多条裂缝稳态发展模式,且随冻融损伤加剧,梁体最大裂缝宽度增大,裂缝数量减少;单一冻融以及冻融-弯曲荷载耦合作用下的PP-ECC梁仍满足平截面假定;基于平截面假定建立的冻融和冻融-弯曲荷载耦合作用下PP-ECC梁的抗弯承载力计算模型吻合度分别在0.88~1.06和0.96~1.10.

酸雨-干湿循环-荷载综合作用下水泥稳定碎石强度特性分析

为研究酸雨环境中水泥稳定碎石基层的力学性能,通过室内试验模拟水泥稳定碎石受酸雨、干湿循环和荷载循环等多因素的综合作用,并对试件进行中性化测试和微观检测,揭示不同酸度、干湿循环周期和荷载循环次数下水泥稳定碎石基层的强度劣化规律。试验结果表明:在7个周期的干湿循环作用下,水泥稳定碎石试件的强度会随着溶液酸性的增强而增加,并且在短期的酸雨侵蚀试验中,试件内部的中性化程度很低;在pH=3的酸雨环境中,随着干湿循环作用次数的增加,试件由外而内不断劣化,其强度随之降低;在同样的酸雨环境中,干湿循环和荷载循环综合作用对试件强度的削弱更为明显,而且两者作用的顺序不同亦会对试件强度产生不同的影响。在此基础上建立了多因素作用下水泥稳定碎石的强度演化模型,通过与实测值进行对比验证,该模型预测精度较高,可用于旧路改造中水泥稳定碎石基层残余强度的预估。

交变荷载-硫酸盐侵蚀下再生混凝土性能劣化及损伤模型

【目标】探究再生混凝土在富盐地区服役性能劣化规律,拓宽再生混凝土在道路工程中的应用场景。【方法】采用超声无损检测、力学特性试验等方法,评估了硫酸盐干湿循环周期及交变荷载应力水平对再生混凝土抗压强度与相对动弹模量的影响。通过微观性能测试,剖析了再生混凝土在交变荷载-硫酸盐干湿循环作用下宏微观性能的劣化机制,并构建了再生混凝土损伤演化方程。【结果】交变荷载作用使再生混凝土性能劣化提前。在侵蚀周期大于45次后,其相对动弹性模量与相对抗压强度呈下降趋势,且应力水平越高,下降速率越快。当应力水平小于0.5时,轴向压缩荷载与硫酸盐侵蚀作用可提高再生混凝土整体密实度,但超过该阈值,微裂纹扩展会降低其抗侵蚀能力。所建立的损伤演化方程能较好地预测再生混凝土损伤度发展规律,但在侵蚀后期,由于再生混凝土自身结构缺陷,预测误差会略有增大。【结论】研究结果可为富盐地区道路工程中再生混凝土的结构设计与耐久性评估提供关键依据,有效延长道路使用寿命,降低工程成本,对推动再生混凝土在道路工程中的广泛应用具有重要意义。

六边形断面超高层建筑风荷载研究

为了研究六边形断面超高层建筑的静力和动力风荷载,开展了一系列刚性测压模型和多自由度气弹模型风洞试验,测量了刚性模型表面风压和气弹模型风致位移。对于静力风荷载,分析了体型系数和静风力系数的变化规律,建立了顺风向平均基底弯矩系数和平均阻力系数的经验公式。对于动力风荷载,分析了横风向荷载功率谱和均方根基底弯矩,建立了横风向广义风荷载功率谱和归一化均方根基底弯矩系数的经验公式。最后,基于多自由度气弹模型的风致振动试验结果,验证了经验公式的精确性。

欧洲规范铁路桥梁动力分析竖向荷载取值研究

为有助于推动海外工程顺利实施,解决海外工程结构设计中的部分问题,开展国外标准规范系统研究是十分必要的,进而吸收与借鉴国际标准的先进经验,同时增强国际竞争力。针对铁路桥梁动力分析中欧洲规范竖向荷载的相关规定进行了详细研究,探讨分析了其规定差异性,提出了对国际工程设计咨询具有指导价值的结论。有助于解决涉外工程结构分析中荷载计算问题,有利于我国结构设计行业对外交流,为进一步推动海外工程的顺利实施奠定基础。

冲击荷载作用下井字梁楼盖的减振加固试验研究

针对大型动力设备运行时引起某工业厂房井字梁楼盖竖向振动的超限问题,采用增大刚度法(增加板厚和井字梁高度),通过缩尺模型试验研究了冲击荷载作用下井字梁楼盖结构的减振效果,推导出了局部井字梁楼盖结构的缩尺模型与原型结构物理量之间的相似关系,获得了试件的自振频率、动力响应等参数,并将试验结果与ABAQUS有限元模拟结果进行了对比分析。结果表明:适当增加板厚和井字梁高度均能有效降低井字梁楼盖的竖向振动加速度;相比于增加板厚的加固方法,增加井字梁高度的减振效果更佳;缩尺模型试件的实测与模拟竖向振动加速度的变化趋势基本一致,验证了缩尺模型与原型结构物理量之间相似关系的准确性和缩尺模型的有效性。

型钢转换集中荷载为线荷载情况分析

在既有房屋楼板安装超重设备时通常需用型钢对楼板进行加固或改变设备荷载分布形式,以满足楼板承载力和安全要求。该文重点研究超重设备通过型钢改变荷载形式时,型钢传递荷载的长度及对楼板的影响。

浅析公路桥梁检测中荷载试验的应用

为提高桥梁的安全可靠度,开展桥梁结构的载荷检测,全面评价桥梁结构的各项性能,为桥梁的设计、养护、加固等工作提供理论基础与技术支撑。因此,本文探讨载荷检测的含义,对载荷检测目标的选择进行了说明,并对其具体实施过程进行了详细的分析。结合实际情况,讨论道路桥梁载荷检测各环节的控制要点。本文的研究目标是为了提高国内公路桥梁载荷检测的综合水平,为提高公路桥梁的施工质量和提高其施工质量提出了技术保证和完善方案。

干湿交替-弯曲荷载耦合作用下混凝土的反渗防腐探究

海洋混凝土耐久性问题是海洋强国战略的重要课题,其中氯离子侵蚀内部钢筋是混凝土腐蚀的主要原因之一。氯离子通过扩散、对流、毛细等多种传输方式进入混凝土,当自由氯离子达到临界值后,将破坏内部钢筋钝化膜并产生腐蚀产物,从而损害混凝土结构。混凝土在海洋干湿交替区中受腐蚀最严重。在带弯曲荷载的混凝土试件中进行干湿交替试验,并采用反向水压提高混凝土的内部饱和度。结果显示,反向水压可以有效地抑制氯离子地运移和扩散,从而提高混凝土的防腐蚀性。

基于TRM法的移动荷载作用下层状非饱和土地基动力响应研究

根据非饱和多孔介质理论,建立了二维层状非饱和土地基的计算模型,研究了移动荷载作用下层状非饱和土体的动力响应问题。通过Fourier变换和Helmholtz矢量分解原理,采用传递、反射矩阵(TRM)法,结合边界及层间连续条件推导获得了二维层状非饱和土地基在频域中的动力响应解答,并利用Fourier逆变换得到了层状非饱和土体中位移、应力和孔隙压力的数值解。通过数值算例分析讨论了均质土、软夹层和硬夹层三种层状地基中荷载移动速度、土层剪切模量、饱和度和荷载频率对其动力响应的影响规律。研究结果表明:层状非饱和土地基中当荷载移动速度接近非饱和土地基中Rayleigh波速时会引起土体产生共振,地表竖向位移迅速增大到峰值;层状非饱和土地基中土层的排列次序对地表位移影响显著,与均质土地基相比,硬夹层地基的地表竖向位移大,而软夹层地基的地表竖向位移小;饱和度对层状非饱和土地基动力响应影响显著;随着荷载频率的增大,三种层状地基的位移沿水平距离方向呈现出明显波动性。

考虑运营荷载的大跨径拱桥层次贝叶斯模型修正方法

现有大跨径桥梁有限元模型修正(finite element model updating,FEMU)方法一般未考虑运营荷载对结构动力特性的影响,导致修正后模型的参数变异性大。鉴于此,提出了一种考虑运营荷载的层次贝叶斯有限元模型修正方法,该方法包含考虑温度和交通荷载的概率参数修正、概率响应预测和结构状态评估。首先,根据监测数据的相关性分析结果确定了计算理论频率时需要考虑的荷载。随后,建立了温度-弹性模量线性关系,并基于动态称重(weigh-in-motion,WIM)数据,提出一种车辆荷载估计方法,以在有限元模型中定量考虑运营荷载对结构频率的影响。同时,引入两阶段马尔科夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)采样方法和响应面代理模型,以提高概率模型修正的计算速率。该方法在一座采集了两年监测数据的大跨径拱桥上得到了验证。结果表明,在考虑运营荷载、参数不确定性和建模误差后,实测频率基本处于预测频率的95%置信区间内。最后,基于实测响应和预测响应置信区间提出了一个结构状态指标,并利用该指标检测出该桥的路面铺装更换过程。

自立式钢制放散管风荷载作用下应力分析

放散管是一种专门用来排放管道内部空气或燃气的装置,为了保证放散管在风荷载、地震荷载等条件下的稳定性,设计时,要对放散管在几种不同工况下的受力进行计算,其中风荷载对放散管的稳定性影响很大。GB50135规范中采用等效静力风荷载作用来对高耸结构进行计算,但是由于风荷载具有很强的随机性,采用等效静力风荷载进行风载荷计算是否符合实际工况需要进一步讨论。本文分别根据GB50135规范采用等效静力风荷载和利用ANSYS分析软件采用脉动风荷载对自立式钢制放散管进行风荷载计算,对计算结果进行分析,确定更符合实际工况的加载形式,以便对放散管风荷载计算起到积极的作用。

预切缝辅助TBM滚刀破岩贯入荷载演化规律

基于全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)滚刀贯入室内模型试验,研究了3种不同破岩模式(完整岩样破岩、同轨迹破岩和异轨迹破岩)在不同围压条件下高强度花岗岩样贯入荷载演化特征,重点揭示贯入荷载-贯入度特征曲线、峰值荷载、最大跌落幅值变化规律,获取不同破岩模式在不同围压条件下TBM滚刀受力特性。结果表明:1)高围压组贯入荷载-贯入度特征曲线较低围压组先跌落,跌落幅度较小,但其对应的贯入荷载并非峰值荷载,而低围压组初次跌落荷载为峰值荷载,且跌落幅值较大;2)在中高围压10~15 MPa时,峰值荷载及贯入荷载最大跌落幅值均最小,表明此围压范围较利于TBM的掘进;3)低围压条件下选用异轨迹破岩模式较同轨迹破岩模式能更有效地降低TBM滚刀贯入荷载,但同轨迹破岩模式的岩样发生楔裂破坏,其最大跌落幅值最小,更能减少刀具所受冲击荷载,减少刀具磨损。

荷载-氯盐侵蚀耦合作用下矿渣基地质聚合物混凝土梁的受弯性能

地质聚合物混凝土因绿色低碳、高耐腐蚀受到广泛关注。本工作以矿渣为主要原材料,掺合粉煤灰和陶瓷粉制备了强度等级为C60的地质聚合物混凝土梁,分析其在荷载和氯盐侵蚀作用下的受弯性能。通过改变持荷大小和侵蚀时间,研究挠度、裂缝、应变以及氯离子渗透的变化。结果表明,在耦合作用下,地质聚合物混凝土力学性能变化曲线与普通硅酸盐水泥混凝土的规律具有高相似性,且抗弯和抗腐蚀性能高于同强度的普通硅酸盐混凝土。试验结果为地质聚合物在结构工程中的应用提供了数据支撑。

动静荷载下层状围岩隧道应力集中分布特征

针对圣加旺水电站层状围岩引水隧道工程,设计物理模型相似试验,考虑不同的静荷载、动荷载及围岩倾角,采用LSDYNA分析层状岩体应力波的传播特性及分布特征.通过正交试验分析不同因素对围岩峰值应力及二次平衡应力的敏感性,基于量纲分析建立多因素影响下应力预测模型,确定围岩安全荷载控制范围.结果表明,高地应力条件下隧道围岩存在初始应力集中,动力扰动对应力集中数值的影响显著,应力波波阵面受层理的影响呈不连续分布.动、静载与围岩峰值应力、二次平衡应力呈正线性相关,围岩峰值应力及二次平衡应力随倾角增大呈“∧”型分布,不同因素对围岩峰值应力及二次平衡应力的敏感性顺序均为动载>静载>倾角.当围岩倾角为90°(0°)、75°(15°)、60°(30°)及45°时,静载极限值分别为0.731、0.555、0.479及0.456 MPa,动载极限值分别为0.624、0.523、0.477及0.463 MPa.

双向循环荷载下橡胶砾石-土工格栅界面剪切特性

橡胶颗粒与土体混合可作为构筑物基础的轻质填料,并能提高其抗震性能。利用室内动态直剪仪进行了一系列循环荷载下的直剪试验,分析了橡胶砾石颗粒级配、法向循环荷载、循环剪切频率对土工格栅-橡胶砾石界面的剪切应力-剪切位移关系和体变特性。试验结果表明:4种颗粒级配界面剪切应力均随着循环次数的增加而增大,表现出剪切硬化的特征,界面竖向位移也随之增大,表现出剪缩的特征;4种级配土中级配良好GR2表现出最高的界面抗剪强度,其界面最终剪缩量最小;当法向和水平加载频率一致时,界面循环峰值剪切应力随着频率的增加而增大,当法向和水平加载频率不一致时,滞回曲线根据法向和水平加载频率的大小呈现周期性变化;在同一颗粒级配下,筋土界面剪切刚度和界面阻尼比均随着法向循环荷载的增加而增大,界面剪切刚度随着循环次数的增加而增大,界面阻尼比则相反。

基于车辆荷载-位移响应动态数字映射模型的在役桥梁健康状态评估方法

为研究桥梁服役期间的运行状态,统计分析了江苏省烈士河大桥2018年的动态称重数据和位移响应数据,分别建立车辆荷载与车致位移特征参数的概率分布模型,采用马尔可科夫链蒙特卡罗(MCMC)方法和贝叶斯线性回归方法构建车辆荷载-位移响应动态数字映射模型,提出以映射模型斜率作为桥梁状态评估指标,结合建立的模拟不同损伤程度的大桥多尺度有限元模型,研究其有效性。结果表明:通过概率分析发现大桥车辆荷载和对应的车致位移存在模糊映射关系;基于实测数据建立车辆荷载-位移响应动态数字映射模型,其斜率能够稳定反映桥梁的力学性能;基于有限元的无损和损伤状态车辆荷载-位移响应动态数字映射模型进一步验证了斜率可动态反映桥梁的力学性能变化,清晰表征桥梁结构的损伤程度;采用双样本Z检验方法可识别斜率评估指标的异常分布,进而对桥梁损伤和异常运行状态进行预警。

静态龙卷风下输电塔塔头风荷载特性试验研究

利用龙卷风模拟器生成实验室尺度龙卷风,并验证模拟龙卷风的可靠性。在此基础上完成了两类涡流比龙卷风风场下典型输电塔塔头子结构模型的高频测力天平(HFFB)测力试验,研究了塔头模型在龙卷风作用下各向气动力系数的分布规律,并探究了龙卷风作用下塔头模型特有的扭转效应影响。结果表明:试验模拟的龙卷风风场与实测龙卷风吻合良好。塔头模型水平面合力系数最大值分别发生在1~1.5倍涡核半径位置附近。升力系数一般小于对应工况下阻力系数。而相较于风轴坐标系下气动力系数,体轴坐标系下气动力系数对风向角更为敏感。不同气动力系数最不利风向角差异性也较大。同时,受龙卷风较强旋转切向风速影响,具有长横担的输电塔塔头模型在位于龙卷风内部时会受到不可忽略的扭转作用,且扭转系数随涡流比的减小而增大。