接触爆炸下波纹钢⁃混凝土板复合结构水下防爆效果评价

为探究不同波纹钢⁃混凝土板复合结构的水下抗爆防护效果,采用有限元⁃光滑粒子流体动力学耦合算法(FEM⁃SPH)建立水下多介质耦合爆炸模型;设计不同波纹钢⁃混凝土板复合结构防护方案,探究不同复合结构防护层(含3,6,9,12 mm厚波纹钢复合结构、含30°,45°,60°,75°波纹钢复合结构和含10,30,50,70 mm波高波纹钢复合结构)的水下削波吸能效果,并提出耗能分担率对复合结构进行防护效果评价。研究结果表明:混凝土板迎爆面与背爆面的模拟结果与试验结果较为吻合,验证了水下接触爆炸模拟过程;不同复合结构防护方案下,含12 mm厚波纹钢复合结构、含75°波纹钢复合结构和含70 mm波高波纹钢复合结构防护方案较无防护方案测点峰值压力最大降幅为63.2%,60%和57.9%,最大防护率分别为63.2%,60.0%和57.9%,耗能分担率为69.48%,66.26%和63.51%;最优型式(厚度为12 mm/夹角为75°/波高为70 mm)复合结构的削波吸能效果及防护效果均显著优于单一因素影响下的复合结构。研究成果可为不同波纹钢⁃混凝土板复合结构在水下抗爆防护领域的应用提供理论基础。

不同波纹钢-混凝土板复合结构水下抗爆机理及损伤等级预测

为探究不同波纹钢-混凝土板复合结构的水下抗爆机理,采用光滑粒子流体动力学与有限单元(FEM-SPH)耦合方法模拟混凝土板在水下接触爆炸下的损伤过程,并与试验结果对比,以验证数值方法的有效性;采用FEMSPH方法探究不同防护方案下墙面板毁伤过程及失效模式,揭示其水下防爆机理,并构建出墙面板损伤等级预测曲线。研究结果表明:模拟结果与试验结果较为吻合,验证了模拟方法的有效性;在含12 mm厚波纹钢的复合结构(T-12)、含75°夹角的波纹钢复合结构(A-75)和含厚70 mm波纹钢的复合结构(WH-70)三种防护方案下,墙面板的毁伤范围较未加固墙面板最大降幅分别为83.0%、81.6%和82.5%;预测曲线可以直观评估出炸药量和复合结构中波纹钢波高变化对墙面板损伤等级的影响。

TBM有压输水隧洞内张钢圈-管片-围岩组合结构联合承载力学特性分析

为探究全断面隧道岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)有压输水隧洞内张钢圈-管片-围岩组合结构的受荷状态,以榕江―关埠引水工程中Ⅴ类围岩TBM有压输水隧洞段为研究对象,建立内张钢圈-管片-围岩组合结构三维精细化有限元模型,研究内水压力、围岩类型对组合结构力学特性的影响。研究结果表明:采用内张钢圈加固隧洞结构能有效控制隧洞变形,减小管片拉应力及受拉区范围,提高组合结构的承载能力;内水压力作用下管片压应力、竖向变形、接缝张开度、连接螺栓应力、内张钢圈应力、锚杆应力均较无内水压力作用下有所减小,但管片拉应力和接缝错台分别增大了19.68%、39.25%,其主要原因为内水压力作用致使隧洞结构整体呈现向外膨胀,在充水运营期间应加强内水压力作用下的安全监测;在外部水土压力和内水压力共同作用下,围岩类型的改变使组合结构中连接螺栓应力、管片接缝错台、锚杆应力分别提高37.11%、15.29%、14.75%,其主要原因为围岩岩性越差承担荷载能力越弱,在围岩类型的过渡区域应进行重点监测;此外,在外部水土压力和内水压力共同作用下,组合结构中围岩、管片、内张钢圈、锚杆的荷载分担率分别为21.38%、43.08%、24.01%和11.53%,内张钢圈荷载分担率较无内水压力作用提高了34.06%,内水压力作用提高了内张钢圈分担荷载的效果;组合结构中围岩的分担率随围岩类型(Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类)的增加而减小,相同荷载下Ⅲ类围岩的荷载分担率较Ⅴ类围岩提高了16.96%。该研究成果可为类似隧洞工程的衬砌设计及后期加固措施提供理论参考。

基于SVD-TE的高拱坝泄流振动传递路径识别

针对泄流激励下高拱坝坝身振动机理不明确、振动传递路径复杂的问题,提出基于奇异值分解法和传递熵法的振动传递路径的识别方法。基于拉西瓦拱坝水弹性模型表深孔联合泄流工况的实测数据,开展拱坝振动传递路径的研究。首先,基于SVD算法对拉西瓦拱坝坝身测点振动位移数据降噪处理;然后,运用传递熵算法,根据测点振动信息探索高拱坝泄流振动的主要振动传递路径,并结合已有研究成果验证振动传递路径的准确性。研究结果表明:拉西瓦拱坝在表深孔联合泄流工况下,泄流荷载诱发的振动主要由泄流孔处垂向传递至坝顶,泄流孔向拱冠梁顶部的信息传递率为48.7%;水垫塘冲击荷载与涌浪荷载诱发的振动主要由坝肩向坝中部水平传递,坝肩向1/4和3/4拱冠处的信息传递率分别为32.33%和37.58%;泄流振动在坝体处的传递路径有3条:泄流孔→拱冠梁顶部→1/4(3/4)拱冠、泄流孔→1/4(3/4)拱冠、水垫塘→坝肩→1/4(3/4)拱冠。本研究成果可为高拱坝泄流振动传递路径提供理论依据,为类似工程的振动机理分析提供参考。

渡槽结构运行健康诊断及病损修复关键技术

1研究背景。渡槽工程作为农业灌溉、城乡供水、跨流域调水的关键性水利工程,具有线路长、建设标准低、运行周期长、跨越地区地质情况复杂等特点,在我国供水保障、农业灌溉等方面发挥了重要作用,也是解决我国水资源时空分布不均问题的关键举措。

基于原型观测的穿堤管道振源特性辨识研究

穿堤管道作为一种新型的引调水结构,明晰其管道振动激励源和组成成分,对于保证其结构安全运行至关重要。以北江大堤穿堤管道为研究对象,基于原型观测数据,对管道开机、运行和关机3种工况下各分频组成以及能量占总能量比重进行统计,进而明晰穿堤管道振源组成及其对管道振动的影响。研究结果表明:引起穿堤管道振动的主振源为转轮叶片引起的叶频145 Hz和24.8 Hz的转频倍频。机组开机过程中,叶频成分占比41.3%,转频倍频成分占比29.4%;机组稳定运行时,叶频占比降低至22.6%,而转频倍频占比增加至42.7%,说明机组运行引起的高次谐波成为主振源;机组关机阶段,叶频成分持续下降至20.5%,转频倍频成分持续增加至49.7%;低频成分在3种工况下均占比较少。为保证管道稳定运行,对于穿堤管道应重点关注高次谐波激励引起的管道振动。

基于声发射检测CSG材料损伤演变及裂纹识别

为了从细观角度揭示胶凝砂砾石(CSG)材料损伤演变机制和裂纹的分类演化规律,结合声发射测试技术,采用Geiger时差定位法、上升角-平均频率法和高斯混合模型,对CSG材料的裂纹类型进行识别.结果表明:CSG材料的破坏过程可分为原始裂纹闭合、新生裂纹扩展、裂纹聚结和峰后破坏4个阶段;声发射事件的三维定位直观反映了裂纹萌生、扩展直至贯通的动态演化过程;通过裂纹类型识别,加载前期试件以剪切裂纹为主,后期拉伸裂纹占比增加,在临近破坏前,高水胶比时剪切裂纹与拉伸裂纹比约为2∶1,低水胶比时约为1∶1.

波纹钢厚度对复合结构损伤特性及抗爆性能的影响

为探究不同厚度波纹钢加固混凝土板的抗爆性能,采用FEM-SPH耦合方法建立接触爆炸荷载下波纹钢-混凝土板复合结构三维精细化数值仿真模型,对比分析爆炸试验模拟结果与试验结果;探究波纹钢厚度变化对复合结构动力响应、损伤演化特征及毁伤模式的影响,揭示复合结构中冲击波的传播机理,并对复合结构毁伤预测并评价。研究结果表明,波纹钢-混凝土板复合结构中混凝土板爆坑直径的模拟结果与试验结果高度吻合;复合结构中波纹钢跨中位移、峰值应力和应变随波纹钢厚度增加而减小,而能量吸收值随波纹钢厚度增加而增大;复合结构的损伤范围随波纹钢厚度增大逐渐缩小,其破坏模式为混凝土板的爆坑和贯穿破坏;预测公式可以很好地算出混凝土板爆坑直径和深度,复合结构抗爆性能随波纹钢厚度增加而提高。研究成果可为波纹钢-混凝土板复合结构在结构抗爆防护领域的应用提供理论基础。

TBM引水隧洞组合结构联合承载特性及荷载分担率研究

为探究TBM引水隧洞在Ⅴ类围岩条件下组合结构联合承载特性影响及荷载分担率研究,基于有限元软件,依托榕江关埠引水隧洞工程,建立三维计算模型,开展管片的施工开挖及受力,对计算结果进行特性分析。结果表明:TBM隧洞施工开挖开始至结束地表的断面竖向沉降值逐渐增加,且开挖的开始和结束阶段是较为危险阶段,实际工程中应给予重视监测;组合结构联合承载中管片的竖向位移和最大压应力均小于管片单独承载,且外压工况下管片压应力最大,最大值为18.22 MPa,均满足相应的规范要求;外压控制下主要由管片承担荷载,钢圈和锚杆作为储备力分担荷载,其中管片平均承担93.06%,内张钢圈平均分担6.11%,锚杆平均分担0.84%。因此组合结构可为引水隧洞工程中管片的安全设计提供参考。

强震作用下肋拱式渡槽动力响应及损伤破坏机理研究

为探究强地震作用下肋拱式渡槽结构的损伤破坏演化过程,以长岗坡渡槽为例,建立肋拱式渡槽结构三维非线性有限元模型,采用黏弹性人工边界方法来实现无限域地基的精准模拟,引入混凝土塑性损伤本构模型,开展不同地震强度作用下肋拱式渡槽结构的动力响应分析及损伤破坏模式的研究。研究结果表明:渡槽结构的动力响应随地震强度增大而增大;地震作用下,基于塑性损伤本构模型,通过模拟得到渡槽结构的峰值位移、峰值加速度响应均较线弹性本构模型模拟结果大,主要是因地震波的持续作用使结构出现塑性损伤,致使刚度退化;反之,峰值应力较线弹性模型结果小,主要是因结构出现的塑性损伤会导致结构阻尼增大,耗散能增大。渡槽整体结构损伤严重的部位为顺槽向靠近支墩位置的槽体、跨中肋柱以及支墩、肋拱、肋柱交界处,明晰了槽体、小腹拱、支墩等构件的损伤演化破坏演化过程,揭示了其主要是由结构受力不均而引发的混凝土受拉损伤破坏的损伤破坏机制。研究成果明晰了渡槽结构的抗震薄弱部位,可为类似渡槽结构的抗震设计及加固处理提供理论基础。

基于扩展有限元法的混凝土重力坝裂缝扩展仿真研究

以坡月水库5#坝块为研究对象,采用扩展有限元法和水容重超载法对该坝块进行裂缝扩展仿真研究,探究该坝块的临界超载系数,研究重力坝坝踵部位裂缝扩展规律。结果表明:①5#坝块在满库水位下的水容重临界超载系数为1.4,可为坡月水库该坝块的极限承载能力提供参考依据。②大坝基本处于受压状态,仅坝踵周围和水力劈裂处产生拉应力,且最大拉应力均出现在坝踵部位。同一超载系数工况下,相同高程处的下游坝面位移比上游坝面位移大;坝体不同高程处的位移随高程的增大而增大;不同超载系数工况下,坝踵部位的拉应力、上下游坝面处的位移均随超载系数增大而增大。③裂缝扩展过程中,应力集中区沿裂缝扩展路径向裂缝尖端部位移动,当裂缝尖端的拉应力达到材料的抗拉强度时,裂缝继续扩展;当应力集中区移动到裂缝尖端且裂缝尖端的拉应力小于材料的抗拉强度时,裂缝停止扩展,研究成果可为重力坝坝踵部位裂缝扩展研究提供参考。

坝基混凝土直剪试验数值模拟分析

该文以坡月水库为研究对象,利用ABAQUS有限元软件对坝基混凝土与基岩胶结面开展原位直剪试验的有限元数值模拟。在验证了数值模型正确性和模拟方法可行性的基础上,对胶结面处的不同工况下的应力-应变关系、应力分布及破坏机理进行分析。结果表明:胶结面处应力分布呈两端大中间小,剪应力最大值集中在胶结面的边角处;胶结面处的损伤首先产生于加载端,并沿剪切方向逐渐发展,直至贯通整个胶结面;胶结面的抗剪能力随法向应力的增大而增强,使得胶结面完全破坏时的最大剪切应力逐渐增加。通过数值模拟与分析,可以充分揭示坝基胶结面处的断裂损伤演变规律,为大坝的建设及安全运行提供科学的理论依据。

变幅循环荷载下胶凝砂砾石材料的动强度特性研究

动强度是大坝稳定安全分析的重要参数,对工程设计具有重要意义。采用大型动三轴仪,开展变幅循环加卸载试验,探究了不同围压和水泥含量对胶凝砂砾石(CSG)材料动应力—动应变关系的影响;基于摩尔—库伦强度准则,以动应变为塑性内变量,研究了CSG材料在经历塑性变形时其动强度参数的演化规律。结果表明,动粘聚力和动内摩擦角随水泥含量增大而增加;随着动应变增加,动粘聚力下降较快,动内摩擦角增加,骨料间的剪切滑移产生的摩擦力起主导作用;达到峰值动应力时,骨料间的有效受力面明显减小,动粘聚力下降平缓,动内摩擦角减小,具有一定的滞后性。动粘聚力随动应变变化的规律符合幂函数关系;动内摩擦角与动应变变化的规律符合二次函数关系。研究结果可为CSG坝的抗震设计优化提供理论参考。

TBM引水隧洞组合结构承载下管片错台和张开度特性研究

为探究TBM(Tunnel Boring Machine)高埋深引水隧洞中组合结构在拼接成环管片错台和张开度的影响,基于有限元软件,依托榕江关埠引水隧洞建立计算模型,开展组合结构在不同工况下组合结构的受力和变形状态、管片的错台和张开度的研究。结果表明:组合结构联合承载中管片的最大压应力均小于管片单独承载;组合结构有效抑制管片的变形,相比于管片结构,组合结构的管片三方向位移值降低了11.2%~20.5%;组合结构中内张钢圈和化学螺栓的Mises应力分别为80.7 MPa、15.48 MPa;组合结构有效抑制了管片的张开度和错台发展,且错台减小较为明显,减小了49%,在最不利工况下,管片接缝处张开度和错台最大量分别达到0.029 mm、0.220 mm,可为类似的引水隧洞工程设计和施工提供参考。

胶凝砂砾石细观滞回模型敏感性分析

为研究动荷载作用下胶凝砂砾材料的细观特性,基于Preisach-Mayergoyz模型建立的胶凝砂砾石材料细观滞回模型,结合胶凝砂砾石材料等幅循环荷载加载试验,分析讨论了该模型中两个形态参数、疲劳寿命(次数)、细观弹性单元总量、荷载步长4个参数的物理意义。通过改变4个参数的取值,讨论不同参数对滞回模型影响。结果表明:形态参数主要影响加载段和卸载段滞回环曲线的形态;细观弹性单元总量影响该模型的理论计算量;荷载步长影响滞回环曲线的拟合精确度。基于参数敏感性分析,提出适合胶凝砂砾石细观滞回模型的细观参数理论取值范围,即形态参数ξ为1.2~3.0,η小于0.3;细观弹性单元总量为500~10000;荷载步长小于0.08拟合精度较高;疲劳寿命给出室内试验结果进行参考。提出的细观参数取值范围中选取合适的数值可模拟胶凝砂砾石试件的滞回环曲线,能预测胶凝砂砾石材料的破坏节点,还可根据细观参数调整其对应的物理量,即调整水泥含量、试件尺寸和加载频率等,用理论模型来指导试验,为后续胶凝砂砾石材料的动力学细观特性研究提供理论基础。

基于流固耦合模型的U型渡槽模态分析及验证

为提高渡槽结构工作模态特征的准确度,结合附加质量法原理和流固耦合(fluid solid interaction,FSI)系统理论,以景电工程输水渡槽为研究对象,建立不同形式的固-液耦合模型,对其进行工作模态数值分析,并将数值分析结果与采用小波阈值-经验模态分解联合滤波的希尔伯特-黄变换法(hilbert-huang transform,HHT)实测提取的频率值进行对比。结果表明:考虑FSI系统耦合模型的结果与HHT辨识结果吻合的较好,最大误差值为4.59%,比附加质量模型最大误差小5.97百分点,同阶次频率误差均比附加质量模型小,且弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象。可见考虑FSI系统耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能准确反映渡槽结构的工作特性,可用在渡槽结构动力特性分析中,亦可作为后续渡槽结构损伤诊断研究的基准有限元模型。

基于流固耦合效应的梯级泵站输水管道振动特性分析

为解决管道结构固有振动特性分析中选取高精度流固耦合模型的方法问题,以景电工程中梯级泵站输水管道为研究对象,运用附加质量法和直接耦合法原理,建立不同的流固耦合模型,对其进行固有模态特征提取,并将求解结果与SSI法模态辨识结果对比。结果表明:直接耦合法模型的结果与SSI法辨识结果吻合得较好,最大误差为3.62%,同阶次的计算精度均优于附加质量模型,频率间隔小,弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象;直接耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能较好地反映管道结构的固有振动特性,可在复杂管系结构的动力特性分析中应用。

考虑不同库水耦合模式的拱坝振动特性分析

为探讨不同库水模型对拱坝结构动力特性的影响,结合拉西瓦工程实例,分别建立附加质量模型与流固耦合（fluid solid interaction,简称FSI）系统耦合模型进行动力特性分析,并将仿真结果与依据小波阈值-经验模态分解联合滤波的随机子空间（stochastic subspace identification,简称SSI）法辨识结果进行对比。结果表明：两种模型均可反映结构的振动特性,附加质量模型计算结果与辨识结果的频率误差为0.41%~7.55%;FSI系统耦合模型计算结果误差为0.09%~3.19%,且同阶次频率误差均比附加质量模型小,相邻阶次的频率间隔相对稳定,弥补了附加质量模型的模态缺失现象。FSI系统耦合模型在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能更全面、准确地反映坝体振动信息,可在拱坝结构动力特性分析中推广应用,亦可作为后续拱坝结构损伤诊断研究的基准有限元模型。

基于二次滤波的HHT渡槽模态参数辨识方法

针对大型渡槽安全运行评估问题,提出一种环境激励下基于二次滤波的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)模态参数辨识方法。采用小波阈值与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)结合的二次滤波方法滤除运行环境中强噪声干扰,凸显结构动力特性,有效避免了模态混叠问题;根据奇异熵增量理论确定系统阶数,应用HHT方法辨识降噪后信号,提高辨识准确性和精度。将该方法应用于景泰川二期三泵站输水U型渡槽,辨识正常输水工况下结构前5阶模态参数,建立该渡槽第一跨三维有限元模型,并计算模型同工况下前5阶模态参数,对比模态参数辨识结果与有限元仿真结果。对比结果表明:2种方法计算结果非常接近,最大误差为4.4%。说明基于二次滤波的HHT模态辨识方法能准确高效辨识强噪声背景下结构模态参数,可将该方法推广到大型渡槽结构中,为渡槽安全运行评估和健康在线监测提供新思路,应用前景广阔。

运行车辆荷载对土石坝动力响应及振动影响范围分析

针对车辆运行对土石坝产生的振动安全问题,以广东地区某水库大坝为研究对象,建立三维精细化仿真模型,采用稳态正弦波动荷载方法模拟移动车辆荷载,开展坝顶行车过程及车辆荷载对土石坝结构动力响应、振动作用范围的影响研究,分析不同车辆荷载作用下坝体力学特性及振动影响范围的变化规律。结果表明:坝体的竖向附加应力随车重增加而呈线性增大趋势;车辆沿路面产生的竖向附加应力随着深度的增加呈现出衰减的趋势;车辆对坝体产生的竖向变形,距离车辆中心越远竖向变形越小。车辆在平顺路面稳定行驶情况下,车辆荷载对坝顶路面以下0~0.4 m区间内竖向应力影响较大,坝体应力随深度(距坝顶路面)的增加呈衰减趋势;车辆行驶过程中单个车轮对坝体的影响范围约为1 m,应力变化情况呈倒马鞍形分布。