Dynamic behavior of single-layer latticed cylindrical shells subjected to seismic loading

The single-layer latticed cylindrical shell is one of the most widely adopted space-fl'amed structures.In this paper,free vibration properties and dynamic response to horizontal and vertical seismic waves of single-layer latticed cylindrical shells are analyzed by the finite element method using ANSYS software.In the numerical study,where hundreds of cases were analyzed,the parameters considered included rise-span ratio,length-span ratio,surface load and member section size.Moreover,to better define the actual behavior of single-layer latticed shells,the study is focused on the dynamic stress response to both axial forces and bending moments.Based on the numerical results,the effects of the parameters considered on the stresses are discussed and a modified seismic force coefficient method is suggested.In addition,some advice based on these research results is presented to help in the future design of such structures.

低烈度区某超高层塔楼优化分析

超高层建筑由于单塔体量较大,结构经济指标备受关注,寻找最合理结构体系是超高层建筑不断自我迭代更新的主题。高烈度区和低烈度区塔楼控制方向完全不同,着重介绍优化过程以寻找低烈度区超高层塔楼的最优结构。以某位于低烈度6度区的建筑高度250m超高层塔楼为例,根据塔楼初步方案确定控制指标为刚重比和剪重比,以控制指标为目标进行附加质量和自重的迭代优化。其次是提高结构刚度,核心筒尺寸根据竖向交通及设备管井已确定,在建筑允许条件下通过柱的不同排布实现了更好的框架刚度贡献;纯混凝土柱重量贡献大于刚度贡献,通过对比叠合柱和型钢柱,选取了更合理的叠合柱截面形式;在低烈度区结构竖向承载满足基本需求而水平刚度不满足规范要求的情况下,通过增加伸臂桁架提高整体刚度;通过分析不同伸臂桁架形式,选取了最有效的伸臂形式。通过降低结构冗余重量和有效提高结构刚度选出最高效结构,且建筑品质优、造价合理。

索-悬链线拱联合结构的受力机理与力学特征

早期拱桥已运营多年,缺乏有效的养护,且设计荷载等级偏低;随着交通量的增加及车辆超载,其在活载作用下的力学性能已不能满足现代交通需求。为改善此类拱桥的受力性能,提出一种索-悬链线拱联合结构,在拱肋两侧对称设置索,使索和拱肋形成新的受力体系,从而改变悬链线拱结构的传力路径,进而降低拱结构的内力。在索-拱联合结构图式下,基于弹性中心法对其力法方程进行简化,采用近似曲线积分方法推导了竖向移动荷载作用下拱肋的内力解析解,并借助ANSYS有限元软件验证解析解的准确性;分析了在车道荷载作用下索约束位置、拱轴系数、矢跨比和轴向刚度比等设计参数对拱结构的影响,揭示了索-拱联合结构的受力机理和内力变化规律。研究表明,内力解析解与有限元结果的相对误差在1%以内;索的设置改变了拱结构弯矩影响线量值的正、负区间分布,而且有效地降低了拱结构弯矩影响线的峰值,从而使拱结构的整体弯矩得到较大幅度的降低,弯矩分布更均匀;沿拱脚至拱顶,拱结构弯矩的降低幅度和轴力的增长幅度均逐渐减小;轴向刚度比从0.02增加至0.10,拱脚负弯矩的减小幅度呈非线性增大,最大降幅达63.7%;索力的增长幅度与其数值大小成反比,当索设置在距拱顶0.3L(L为拱跨经)时,索力可增至轴向刚度比为0.02时的1.9倍。矢跨比对拱结构内力带来的影响不容忽视,矢跨比越大拱结构的内力变化幅度越大;拱轴系数对拱结构内力的影响可以忽略。

水平往复荷载作用下钢箱提篮拱弹塑性力学性能研究

目的 探究倾角、矢跨比及宽跨比三个参数对钢箱提篮拱在水平往复荷载作用下力学性能的影响,为钢提篮拱桥抗震设计提供理论基础。方法 通过改变参数,建立54个钢箱提篮拱有限元模型,在水平往复荷载作用下进行滞回分析,研究钢箱提篮拱水平力-位移滞回性能、极限承载力和拱顶横撑内力、变形在不同参数条件下的变化规律。结果 随着拱肋倾斜角度、宽跨比的增加或矢跨比的减小,结构初期刚度、极限承载能力均有较大提高,但横撑内力也随之增加,并会产生局部失稳破坏,影响结构的承载能力。结论 增加拱肋倾斜角度对钢箱提篮拱横向力学性能有较大改善,但在设计时应注意横撑内力增加带来的不利影响。

鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶结构静力性能分析

鼓蜂窝四撑杆型索穹顶抛弃传统概念,结合了多撑杆构思,是构形最为丰富的一类索穹顶结构。为研究新型鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶结构静力性能,选取下弦节点布置方案1,建立跨度为120 m的有限元数值分析模型,研究该结构在不同荷载水平及分布方式下的变形和内力变化。并进一步对结构进行参数化分析,研究包括初始预应力水平、矢跨比、撑杆高度(厚跨比)及下弦节点布置方案等不同参数对于结构整体刚度与承载力的影响及变化规律。分析结果表明鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶具有良好的结构性能,各索杆均不容易发生破坏,结构整体刚度大。研究中给出了初始预应力水平与相关几何参数的合理取值范围,可为该结构索穹顶的实际工程设计与应用提供参考。

龙卷风作用下双拱屋面风荷载特性研究

为研究龙卷风对连续双拱屋面的风荷载影响,研究利用Ward型龙卷风模拟发生装置,并选用Realizable k-ε湍流模型,对龙卷风作用下的连续双拱屋面风荷载进行了详细的数值模拟分析。基于0.5的涡流比,针对三种不同的前跨矢跨比(1/4、1/5、1/6),分析连续双拱屋面的风压系数和周围迹线。结果表明当屋面位于龙卷风核心时,连续双拱屋面的风压系数呈现出负压特征,而且屋檐两侧的风压变化更加显著,而屋顶中部的风压则相对稳定。当矢跨比增加时,连续双拱屋面的最大负压会略微升高,由0.54增加至0.552,增大了2.2%。研究可为龙卷风对低矮建筑的数值模拟提供不同矢跨比模型的参考。

城市轨道交通暗挖洞桩法车站拱顶矢跨比对钢管桩受力和地面沉降的影响分析

[目的]拱顶矢跨比影响着城市轨道交通暗挖洞桩法车站的建筑高度,以及车站设计的合理性和施工的安全性,需对拱顶矢跨比对钢管桩的受力以及地面沉降的影响进行研究。[方法]构建城市轨道交通车站拱顶结构力学模型,分析不同拱顶矢跨比下的结构内力。通过数值模拟分析软件建立车站-地层三维数值模型,结合地面沉降数值模拟值和现场监测值进行对比分析,论证模型的合理性。同时研究了暗挖洞桩法施工时钢管桩的力学特性,以及其对地面沉降的影响。[结果及结论]拱顶矢跨比从0.20到0.40变化时,拱顶结构的最大弯矩、最大轴力及最大剪力均呈递减趋势,钢管桩的最大轴力呈先减少后增大的趋势;当拱顶矢跨比为0.30时,中桩轴力为最小;随着拱顶矢跨比的增大,地面沉降呈先减少后增大的趋势,地面沉降控制最优的拱顶矢跨比为0.30,比拱顶矢跨比为0.20时减少了34%。导洞施工和扣拱施工是地面产生沉降最明显的两个阶段,合理的拱顶矢跨比会提高导洞施工和扣拱施工阶段地面沉降量的占比,进而减弱后续车站主体结构土体开挖对土层的扰动。

新型Q460材料单层球形网壳结构设计与受力分析

对新型Q460材料单层球形网壳结构进行三维建模与受力分析,运用三维软件SolidWorks对单层球形网壳结构进行简化建模,对其中的关键部件的连接和焊接进行详细设计;同时对钢屋盖结构进行设计,并对张弦梁进行详细的制作与结构施工;利用3D3S钢结构—空间结构设计软件对新型Q460材料的单层球形网壳结构进行预应力施加以及结构优化设计等数值模拟计算分析,通过数值模拟分析得出不同矢跨比、预应力、撑杆高度、网壳边杆厚度、网格尺寸对单层球形网壳结构极限承载力大小影响的变化规律,得出矢跨比、撑杆高度、网壳边杆厚度、网壳尺寸对单层球形网壳结构极限承载力影响较大,预应力对极限承载力影响较小,该网壳结构最大极限承载力可以达到11.268 kN/m^(2),为后续更大空间的单层球形网壳结构的设计和受力分析提供理论参考。

城市地下空间工程大学生模型竞赛的设计与建造

第六届高校城市地下空间工程专业大学生模型设计竞赛的主题为大跨度地下空间工程的设计与建造,要求使用白卡纸制作模型,具有足够的承载力和抗变形能力,且质量尽可能小.该文以安徽理工大学参赛作品为例,从材料力学性能、概念设计、理论计算、数值优化、制作工艺等方面,对模型结构进行了优化分析,最终完成模型加载试验,在承受满载20 kg时,模型结构沉降量仅为5.40 mm.模型设计竞赛作为培养大学生创新与动手能力的重要科技实践活动,是课堂教学的有益补充与延伸.

单吊点、无风撑梁拱组合体系桥梁受力特性分析

单吊点、无风撑梁拱组合体系桥梁造型新颖,但与常规梁拱组合体系桥梁相比,其受力存在差异,拱肋面外稳定问题突出。因此,研究了在恒载作用下的矢跨比、拱轴线、拱梁刚度比和吊杆倾角4个结构设计参数对结构内力和拱肋面外稳定性的影响,得出的结论是:大矢跨比可以降低拱肋轴力、提高面外稳定性,有效降低拱脚弯矩,但会增大拱顶弯矩;直线型的拱轴线可以更好地贴近于压力线,拱肋受力形式表现为轴压,但其面外屈曲系数有所降低;拱梁刚度比越大,拱顶承担荷载能力就越强,可以降低拱脚弯矩,并提升拱肋稳定性;较大的吊杆夹角可以改善拱肋的受力和面外稳定性。最后,针对各项参数的取值给出了建议,可供类似工程设计参考。

非对称式网状系杆拱桥结构力学性能研究

为研究非对称式网状系杆拱桥结构的受力特征,以主跨160m网状系杆拱桥为研究对象,建立桥梁三维有限元分析模型。针对拱桥矢跨比和非对称分段位置2个结构参数,考虑恒载和可变作用,研究了桥梁挠度及拱肋、系梁、桥面系纵横梁和吊杆4类主要受力构件应力等静力性能和自振频率的变化特征。结果表明:随着矢跨比由1/7.6增大至1/5.2,结构挠度显著减小,从40.66mm减小至30.68mm,减小幅度达24.55%;4类主要受力构件的结构应力变化均较明显,当矢跨比从1/7.6增大至1/5.2,纵横梁应力变化幅度最大,减小25.29%,而拱肋应力先减小后增大,最小应力出现在1/5.8时。选择稍大的矢跨比对降低结构应力水平有利,但过大矢跨比会引起拱肋应力一定程度增大。当分段跨度比在0.350~0.425时,系梁和桥面系纵横梁应力变化有限,当增大至0.450时,系梁、桥面系纵横梁应力增幅分别达到37.46%,21.59%。当分段跨度比由0.450减小至0.350时,吊杆拉应力显著增大,增幅达73.72%。分段跨度比对拱肋的应力变化影响较小。矢跨比和分段跨度比均对结构竖向基频影响较明显,矢跨比减小或分段位置远离跨中点,桥梁竖向基频均呈减小趋势。

复杂地应力环境下隧道底鼓处治技术研究

西南地区某隧道仰拱出现底鼓病害,道床开裂变形严重,底鼓速率快,运营安全隐患高。为安全高效处治运营线路无砟轨道隧道底鼓病害问题,采用现场调查、探孔验证、地质补勘等方式,对既有隧道结构现状、病害成因进行了调查,优选了处置方案。结果表明:(1)通过对病害发育程度、地下水情况、混凝土状态、围岩地应力、结构变形等因素的综合分析,得出复杂地应力环境下缓倾软弱岩层与地下水的相互作用是造成该隧道上拱的主要原因;(2)对隧底注浆加固、隧底微型桩、隧底桩筏结构、道床抗拉锚杆(索)及隧底拆换并加深加强结构等方案进行比选,确定采用增大矢跨比、隧底加深加强的拆换重构方案;(3)在施工过程中加强应急管理,根据沉降观测、应力监测、隧底围岩位移监测等数据分析,及时优化调整设计方案,整治完成后效果良好。研究成果可供后续工程借鉴和参考。

小矢跨比上承式钢管混凝土空间桁架拱桥设计

为解决小矢跨比钢管混凝土景观拱桥结构受力复杂、拱脚推力大的问题,文章对一座净跨径为80 m、净矢跨比为1/8的上承式钢管混凝土拱桥进行了设计分析,提出了采用空间四管桁式截面拱肋及轻型化拱上建筑的结构措施。最后采用通用有限元程序,对全桥结构施工及运营阶段进行了静力分析。研究结果表明,应用这些结构措施,有效提高了拱圈的承载力和稳定性,桥面系减轻了63.4%,小矢跨比钢管混凝土景观拱桥设计满足相关规范要求。

张弦梁结构若干参数对承载性能的影响分析

张弦梁结构已在我国大型工程中有所应用,但对该种结构的理论研究并不完善。通过分析在全跨荷载或半跨荷载作用下,初始缺陷、矢跨比、垂跨比和预应力水平对结构承载性能的影响,得出拱矢跨比基于承载性能的最优值。对张弦梁结构的设计具有有益的参考。

矢跨比对悬索桥受力的影响分析

为了研究不同矢跨比对悬索桥结构受力的影响,以西堠门大桥为原型,利用西南交通大学开发的桥梁非线性计算软件BNLAS,建立了主缆跨度为485 m+1 650 m+485 m、加劲梁为单跨简支结构体系的双塔单跨悬索桥有限元模型;比较了不同矢跨比(1/8、1/9、1/10、1/11、1/12、1/13、1/14、1/15)下悬索桥结构受力的变化。分析结果表明:矢跨比的改变将对结构整体刚度产生影响,从而对结构不同荷载作用效应产生不同程度的影响。

外水压下隧道衬砌的力学响应及结构对策研究

随着控制排放的隧道防排水技术的广泛应用,外水压力作用下隧道衬砌的一些设计技术问题也愈发突出。基于对外水压力下隧道衬砌的力学响应分析,以龙潭隧道和白云隧道为依托,通过数值仿真,研究了公路隧道抗水压衬砌的结构优化对策。研究结果表明:由于外水压力的作用,衬砌的边墙、仰拱隅角和仰拱处存在明显的应(内)力集中和突变现象,安全度大大降低;通过引入下半断面矢跨比的新概念,从技术和经济的双重角度,指出增大该指标是抗水压衬砌结构优化的首要对策;可依次或组合采用通过增大仰拱隅角处半径、减小仰拱处半径、增大仰拱拱圈厚度、增大衬砌全断面厚度等措施来作为抗水压衬砌的结构优化对策。

独塔悬索桥基本参数研究

基于挠度理论以及等代梁法,分析矢跨比和高跨比对主缆和索塔用量的经济性影响和结构受力变形的影响,得出矢跨比和高跨比在经济性和结构刚度方面的各自适用范围.为验证建议范围内的矢跨比和高跨比可以满足结构经济性的同时亦满足结构的受力变形要求,试设计一座独塔双主跨悬索桥,并与中国某三塔悬索桥进行比较分析.结果表明:独塔悬索桥主缆用量比三塔悬索桥减少约14%,索塔造价减少约3.5%.活载作用下独塔悬索桥主梁最大挠跨比、主梁最大转角以及塔顶最大纵向位移均小于三塔悬索桥.选择合适的矢跨比和高跨比的独塔悬索桥,可以兼顾结构的经济性和使用性,还可与三塔悬索桥方案竞争.

缓倾围岩隧道底鼓变形规律及整治措施研究

研究目的:随着我国高速铁路发展,无砟轨道得到大量应用,近十年来部分隧道局部段落出现底鼓,其中一些隧道采取措施后变形得以控制,但有个别隧道采取措施后变形仍在持续,因此有必要对隧道底鼓变形规律、基底荷载及整治措施进行研究。研究结论:(1)《铁路隧道设计规范》中的荷载模式不适用于缓倾层状围岩底鼓段,本文提出了仰拱受力的力学模型;(2)仰拱底鼓量随着围岩变差而增大;随着仰拱跨度增加,呈现出非线性增大,跨度越大,增加的速率越快;随着隧底荷载增加,总体呈现出线性增加;随着衬砌厚度增加,呈现出减小趋势,厚度越大减小幅度越小;随着矢跨比增大而减小,矢跨比越大减小幅度越小,合理矢跨比为1/8~1/4;(3)当隧道底鼓段隧底荷载难以确定时,可通过隧底结构变形进行荷载反演;(4)预防或防治隧道底鼓,应从降低二衬仰拱结构承受荷载及提高承载能力两方面考虑,可采取加强衬砌隧底排水、适当加大矢跨比、加强仰拱结构、加强填充刚度等措施;(5)本研究成果可为分析隧道底鼓变形规律、研究基底荷载、确定整治措施提供理论依据。

基于LS-DYNA的大空间柱壳结构爆炸波压力场分析

基于ANSYS/LS-DYNA,在验证模型及参数选取正确及可靠的基础上,建立了大空间柱壳结构在爆炸作用下的冲击波压力场计算模型。引入本征正交分解(POD)法,解决了冲击波荷载的时空差异性和结构表面压力场分布问题,大大减少了大空间结构爆炸动力响应分析的计算量。对大空间柱壳结构在爆炸冲击荷载作用下的压力场进行了数值模拟计算与分析,研究了跨度和矢跨比等因素对结构压力场分布的影响。结果表明,计算模型适用于大空间柱壳结构在爆炸作用下的动力响应计算。

矢跨比对悬索桥结构刚度的影响

主缆的矢跨比是设计悬索桥时需要首先确定的一个重要设计参数,其对结构刚度有较大影响。鉴于人们对大跨悬索桥的结构刚度随矢跨比的减小而增大的普遍认识存在一定的片面性,提出悬索桥的结构刚度应综合考虑重力刚度及几何刚度的贡献,两种刚度效应的叠加才能较真实地反映结构刚度。参照某悬索桥建立有限元计算模型,计算矢跨比取1/15～1/5时,悬索桥加劲梁的竖向挠度、梁端的纵向位移及梁端的竖向转角,以研究重力刚度及几何刚度各自随矢跨比的变化规律及其在结构刚度中所占的比重,从而得出结构刚度随矢跨比的真实变化规律,并给予合理解释,得出一些有用的结论,为结构的优化设计提供参考。