无粘结环锚预应力衬砌张拉工艺足尺模型试验研究

针对预应力衬砌张拉过程中易出现应力集中而导致张拉裂缝的现象,通过开展洞外地面足尺模型试验,提出了分级分步张拉顺序和质量控制指标。首先根据钢绞线摩阻测试计算出摩擦系数,随后应用上述张拉顺序和质量控制方法进行自动张拉,并采用磁通量传感器和混凝土应变计分别对钢绞线和内衬混凝土的应力变化开展实测。现场张拉试验结果表明:①钢绞线沿程预应力损失约16.3%,采用的双层钢绞线在实践中可保证较高的有效预应力;②对锚具槽进行分级分步张拉,可使内衬混凝土获得较均匀的封闭环向压应力环,平均压应力达-10.9 MPa;③提出的3项控制指标可进行量化管理,结合自动张拉技术可有效地保证张拉质量。

珠江三角洲水资源配置工程预应力复合衬砌足尺模型试验关键施工工艺研究

基于珠三角水资源配置工程预应力复合衬砌足尺模型试验,针对此类衬砌结构型式的施工难点,从作业台车研制、内衬混凝土制备与浇筑、预应力实施等方面开展施工工艺研究。总结了预应力复合衬砌足尺模型的施工内容,并结合模型实施过程中的经验,对现有的作业台车提出改进;随后针对预应力复合衬砌的关键施工工艺展开研究,提出了专门的混凝土配合比、配套振捣系统和预应力分级张拉的顺序,以保证内衬预应力混凝土的施工质量。研究成果为预应力复合衬砌结构的现场施工工艺提供借鉴。

基于QZD-160型气动振动器的混凝土振捣工艺试验研究

针对预应力复合衬砌施工中因结构中钢筋和钢绞线密集而导致的狭小空间内混凝土浇筑振捣困难的问题,提出在钢模台车背面附着气动振动器。为明确气动振动器的可行性与适用性,基于QZD-160型气动振动器开展了预应力复合衬砌拱顶和拱腰区域的模型试验,通过断面目测、超声波检测和钻孔取芯等手段明确了该设备的作用深度、作用半径及运行风压等关键参数。结果表明,当单台QZD-160型气动振动器的运行风压为0.6 MPa时,其作用深度不小于0.55 m,作用半径约为0.9 m;建议将振动器在钢模台车上按等边三角形交错布置,并将环向和纵向的间距均控制在1.5 m内,且振动器运行风压需达0.6 MPa以上。

盾构输水隧洞单层衬砌结构承载变形特性研究

针对华南地区盾构输水隧洞单层衬砌结构开展原位试验研究,揭示了该结构在真实地层条件下承受内压的受力变形规律,并采用三维有限元模型针对不同围岩条件对单层衬砌结构承载变形特性的影响开展进一步研究。结果表明:在内压作用下,单层管片衬砌结构呈现“横椭圆”变形且向外膨胀趋势,接缝张开量和螺栓应力随内压增加而增大;V类围岩中的单层管片衬砌输水隧洞应综合衬砌收敛变形和螺栓应力判断结构是否达到正常使用极限状态,而IV类围岩中的则以螺栓应力为结构达到正常使用极限状态的控制因素;随着围岩力学性能的提高,围岩分担内压的效果增强,能提高结构的内压承载能力;V类围岩中的单层管片衬砌输水隧洞内外压差不宜超过0.15 MPa,IV类围岩中的内外压差则不宜超过0.25 MPa。

自密实堆石混凝土力学性能的细观仿真与试验研究

本文基于混凝土细观力学模型,将自密实堆石混凝土离散为自密实混凝土、块石及两者交界面3个组分构成的多相介质,建立了数值仿真模型。通过三相介质力学参数的基础性试验,分别取得3个组分的强度与本构关系。为检验模型可靠性进行了多组四点弯梁抗折试验。将细观仿真分析结果与试验进行了验证比较。结果表明,该模型能较好地模拟自密实堆石混凝土抗折试验全过程,得到的力-位移曲线及破坏形态与试验结果表现出良好的一致性。

层状岩石细观构造表征及劈拉受载各向异性行为研究

层状岩石结构内部矿物之间的定向排列与胶结作用形成不同构造方向的细观结构,使岩石变形破裂及其力学性能存在明显的各向异性。该文以板岩为研究对象,通过构建空间相关函数,建立可表征不同片理方向的岩石细观颗粒离散元模型。基于细观力学参数反演,针对不同片理角度(θ)的巴西劈裂试验开展数值仿真分析,对板岩的各向异性行为进行了研究。结果表明,由于岩石受内部片理构造的影响,在劈拉荷载作用下,呈现三种破坏模式,当θ≤30°时主要发生矿物颗粒之间的拉伸破坏,当θ=45°~75°时为剪切与拉伸共同作用产生的破坏,当θ>75°时为沿着片理面的拉伸破坏;岩样破坏所耗能量及劈拉强度随片理角度的增大而逐渐降低。该文提出的方法能较好地模拟层状岩石的各向异性力学特征及变形破裂规律,与试验结果表现出良好的一致性。

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料，在此基础上，采用有限元方法，对混凝土弹性本构关系进行数值模拟，利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程，重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响，得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸，即5～10倍最大骨料粒径。作为例证，对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究，结果表明：基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为。此外，由于骨料、砂浆的相互作用，应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征。

碾压混凝土坝温度场与应力场全过程仿真分析

根据碾压混凝土坝的施工特点,基于有限单元法,对彭水水电站碾压混凝土重力坝溢流坝段的施工期和运行期(共长达2 001 d)的温度场、应力场进行全过程仿真计算。温度场计算考虑了逐日气温变化、混凝土的水化热以及入仓温度、库水等对坝体温度的影响;应力场计算考虑了自重、静水压力、温度荷载、混凝土徐变、随龄期而变化的混凝土弹性模量等因素,对施工过程中渡汛泄洪冷却、施工入仓温度、寒潮袭击等多种工况进行了分析,提出了合理的施工程序及温控措施。仿真结果表明,环境温度、入仓温度对碾压混凝土坝的最高温升、温度场及应力场分布有着明显的影响。

考虑空间相关尺度特征的细观力学模型及其应用

天然岩石材料内部存在各种缺陷,在微、细观尺度表现出高度的非均质特性。基于连续介质力学框架,采用非线性标量损伤本构关系描述岩石材料的变形与破坏行为,建立了岩石细观损伤本构模型,并在常规Weibull随机分布模型基础上,引入空间相关尺度因子以模拟实际岩石材料各项物理力学指标具有的空间相关特征。选取典型岩石单轴拉伸试验算例,分析随机场内空间相关尺度因子的变化对试样荷载-加口张开度关系曲线以及破坏行为的影响。结果表明,考虑岩石材料各项物理力学指标的空间相关尺度特征对评价其力学指标的离散性以及破坏形态特征有着较显著的影响。

高致密增韧水工混凝土的制备及其性能研究

为使所制备的材料具有良好的体积稳定性和抗渗透能力,对基胶凝材料进行微观性能分析,选择性能适宜的化学外加剂进行浆体的流变性能设计。考察了外加剂的分散作用、引气作用、调凝作用和养护制度对浆体填充能力和凝结速率的影响,并采用颗粒堆积算法,调节和优化了浆体的颗粒堆积与流动能力之间的关系。通过掺入微细钢纤维,提高了混凝土的韧性,抑制混凝土的收缩变形。同时,开展系列室内试验对制备的高致密增韧水工混凝土材料进行力学性能、耐久性及体积稳定性研究。试验结果显示:高致密增韧水工混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度分别可达109.66和17.60 MPa。其通电6 h的电通量不超过130 C,28 d碳化深度不超过2 mm,冻融质量损失率不超过0.2%,强度损失率不超过2%,42 d干缩变形量不超过0.17‰。高致密增韧水工混凝土表现出良好的力学性能、优异的耐久性及体积稳定性。

水工建筑物课程内容和教学体系的改革

水工建筑物课程是水利水电工程专业的一门理论与实践紧密结合的主干专业课程,在水利水电工程专业人才培养中起着重要的作用。文章通过分析课程教学的目的及目前存在的问题,从课程内容、教学模式、考核方式等方面进行改革探索,根据培养目标和教学计划,制定符合广东省区域特色的水工建筑物课程内容与教学体系。通过形式多样的授课方式、科学合理的教学内容,着力帮助学生掌握分析问题、解决问题的方法,立足学生综合能力的培养。

基于细观离散元的混凝土端部效应分析

为了研究端部效应对不同形状的混凝土试件强度的影响,采用三维颗粒离散元程序(PFC3d)对混凝土标准立方体与标准圆柱体试件在不同端部摩擦条件下的单轴压缩试验进行数值仿真.在细观层次假定混凝土材料力学性质符合Weibull概率统计分布来考虑混凝土材料的非均质特性,根据材料宏观力学参数反演计算出模型细观力学参数,进行数值仿真计算.模拟结果表明,端部摩擦对不同形状的混凝土试件的抗压强度、变形特征及破坏模式有较大影响;试件的形状效应随着加载板与试件间摩擦系数的增加而增强;当不采用减摩措施(f=0.6)时,测得两种试件强度的折算系数为0.795.仿真结果与规范的规定相符,证明了本文方法的可行性和有效性.

高内压作用下叠合式衬砌结构承载机理原型试验研究

本文针对“外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管”三层叠合式输水隧洞衬砌结构的承载性能及破坏机理,开展了结构在内外载联合作用下的原型试验。试验以分布式光纤感测技术作为主要测量手段,获得了加载过程中SCC层的裂缝扩展情况、接缝张开变形、螺栓应力与内衬钢管环向应变的发展历程。试验结果表明:在无内压工况下,结构整体呈弹性工作状态;在内压变化工况下,当内压低于0.6 MPa时,结构整体保持弹性,三层衬砌共同承担内压;当内压达到0.6 MPa时,SCC层开裂,内压快速向外衬管片转移,结构整体进入弹塑性阶段;随着内压继续增大,管片接缝螺栓在内压为0.965 MPa时屈服,外衬逐渐失去分担内压能力,结构体系进入破坏阶段,内水压力主要由内衬钢管承担。试验研究成果可为实际工程设计提供指导和参考。

高内压盾构隧洞原位试验及衬砌变形行为研究

针对城市地下高内压盾构输水隧洞工程,提出一种“外衬管片-中衬自密实混凝土(self compacting concrete,SCC)-内衬钢管”分离式衬砌结构,立足珠江三角洲水资源配置工程试验段,开展衬砌结构原位试验,探索该结构的变形行为。采用柔性囊体实现洞内高内压的可控有序加压模拟,并使用光纤光栅及分布式光缆测试技术对结构变形进行了监测。结果表明:随内压的增加,管片、自密实混凝土与钢管的变形逐渐增加;自密实混凝土内弧面和管片内弧面混凝土应变相对自密实混凝土外弧面应变分布更为均匀,复合排水板达到有效分离管片和自密实混凝土的效果;钢管呈现整体受拉、局部受弯的变形特征,变形受内压影响显著。

有、无柱地铁地下车站地震响应对比分析

为了解有柱与无柱地铁地下车站结构地震响应特性的异同,采用ABAQUS软件对2种地铁车站结构进行了水平向的非线性地震响应数值模拟,对比分析了在3种地震波不同峰值加速度作用下2种结构的响应特性。结果表明:1)2种车站结构的地震响应规律基本相似,在强震作用下均会受到严重的损伤,除侧墙与顶底板的连接处外,有柱车站的中柱与无柱车站的底板均为抗震的薄弱点,应注重加强其抗震性能;2)顶底板间最大的相对水平位移与输入波峰值加速度近似呈线性增大关系,且与波的频谱特性密切相关;3)在地震作用过程中产生的单向累积残余变形沿侧墙高度的变化曲线呈波浪状,最终摆向与最大摆幅的摆向一致;4)2种车站结构的加速度时程曲线形状相似,且相对基岩输入波有明显的放大。

基于细观颗粒离散元的花岗岩劈拉破损行为研究

由于试件制备简单、试验便于操作,巴西劈裂试验被广泛用于测量岩石的抗拉强度,但试验结果易受细观结构、平台中心角、端部摩擦等因素影响.针对上述问题,本文对花岗岩进行矿物成分鉴定,采用数字图像技术表征试件的真实结构,建立了颗粒离散元的岩石细观力学模型,利用该模型对花岗岩的劈拉试验进行了数值仿真,并通过开展相应的试验论证了模型的可靠性.同时,基于数值模型研究了平台中心角以及加载端部边界效应对花岗岩劈拉破坏的影响.研究表明,随着平台中心角的增大,花岗岩试件中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,中心角取20°-30°为宜;此外,端部摩擦效应随着平台中心角的增大而增大,当中心角小于30°时,端部摩擦影响较小,可忽略不计.

岩石单轴压缩端部效应的数值仿真分析

为了研究端部摩擦对岩石强度的影响,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系,描述岩石材料的力学行为。在此基础上,引入岩石力学性能的Weibull随机概率分布,以表征岩石力学参数的非均质特性与损伤局部化现象,建立了岩石细观力学模型,并对一系列不同摩擦系数下的岩石试件单轴压缩试件进行了数值试验。计算结果表明,在岩石单轴压缩试验中存在着端部效应,端部效应对岩石试件(特别是长度较小)的单轴压缩强度、应力-应变曲线及破裂形态影响显著。因此,为获取真实的岩石力学特性,需有效地控制实验室试验条件,降低端部效应对测量结果的影响。

上软下硬地层大跨无柱地铁车站地震响应分析

为研究大跨度无柱地铁地下车站结构在上软下硬地层中的地震响应,以广州地铁11号线为依托工程,采用ABAQUS软件开展该类复合地层中车站结构的震害规律分析,对比研究软硬地层交界面处于车站结构不同位置时结构地震动响应特性的异同及规律。结果表明:1)在强震作用下,软硬交界面分别位于中板上下两侧时结构的损伤程度、最大相对水平位移、残余变形量及摆动形态均有很大差异;2)随着地震波峰值加速度的增大,交界面处于中板及以下时,其位置的变化造成车站结构地震响应的变化程度比交界面处于中板及以上时有大幅增长;3)车站结构顶板相对底板的加速度放大系数与地震波大小及软硬地层交界面的埋深密切相关;4)车站结构的地震响应随软硬地层间剪切模量比值的变化在一定范围内产生较大变化,当剪切模量比值小于1/40时,地震响应的变化趋势将不再显著。

一种新的有限域动力刚度改进连分式求解算法

比例边界有限元法仅需离散边界,网格划分灵活,且易于采用高阶单元,是结构动力分析的理想方法。针对有限域动力问题,基于广义特征值分解对动力刚度表示的比例边界有限元方程进行模态变换。通过选取特定的因子矩阵,简化了改进连分式算法的求解流程,提出了一种新的有限域动力刚度改进连分式求解算法。在动力刚度连分式渐近解的基础上引入辅助变量,建立了有限域动力问题的运动方程,其系数矩阵对称稀疏,可以利用现有的有限元求解器求解。正八边形板和重力坝算例表明,新算法具有良好的数值稳定性和计算精度,适用于实际工程问题的动力响应分析。

一类求解堆石混凝土结构温度场分布的解析法

堆石混凝土作为一种新型材料已应用于水利、港口、采矿等诸多工程结构,目前,对于这种材料的应用仍处于发展阶段。为深入研究堆石混凝土的热力学特性,根据堆石混凝土结构的特性,建立等效的计算模型,确定堆石混凝土温度场的数理方程,并获得材料温度场分布的解析解。以一个堆石混凝土结构为例,借助Matlab的编程工具,分析了温度变化特性。计算实例表明,该解析法可用于研究堆石混凝土材料温度场的分布规律,为研究堆石混凝土材料的温度场变化奠定了理论基础。