动载扰动诱发巷道冲击的风险性分析

巷道冲击地压发生机理与风险性评估问题,对不同区域应力场中的巷道围岩分区能量释放规律进行分析,考虑动载事件扰动,建立了始态应力场、动载事件产生的瞬态应力场与巷道围岩破坏之间的力学联系,提出了动载事件扰动下的终态巷道围岩塑性区边界计算方程,阐述了动载事件与始态应力场共同作用诱发冲击地压的机理,并对不同因素变化下的巷道冲击风险性进行了分析,以震动事件发生角为指标对动载事件发生的不同区域进行了风险强度的划分。研究结果表明:区域应力场不均匀程度的增大使得巷道围岩系统在扰动平衡后的能量释放量增大,且能量释放的主要区域为区域应力场的最大围压方向;巷道冲击地压是巷道围岩受始态应力场与动载事件的瞬态应力场2者共同作用的结果,动载事件的影响会使得巷道围岩系统的终态应力场产生偏转,而围岩协调所释放的能量是冲击产生的主要原因;当始态应力场处于蝶形风险区时,受动载事件影响后的巷道冲击风险性更大,且动载事件的有效释放能量的增大、震源距离的减小与横波能量占比的增大会使得巷道冲击风险性随之增大;震动事件发生角影响着巷道冲击风险性,当动载事件发生在强风险区与次强风险区时,微小的动载事件也极易诱发冲击地压,巷道冲击风险性较高;当动载事件发生在弱风险区时,较大的动载事件也不易引起冲击地压,巷道的冲击风险性较低。

动载作用下锚固体应力波传递及破坏特征研究

为研究动载作用下锚固体的应力波传播规律及破坏特征,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对锚固体试件开展了不同预应力及不同冲击次数的冲击试验。研究结果表明:随着预应力增加,锚固围岩中应力波峰值逐渐增加,衰减速度逐渐减小,增大锚杆预应力,锚固自由端拉伸波峰值明显减小;随锚固体试件预应力增加,锚固体轴力损失越快,轴力损失率呈二次线性增加的趋势;预应力较小时,锚固自由端围岩产生裂缝较多,多次冲击下裂缝距离较为接近;随着预应力的增加,自由端头破坏程度减弱;随着预应力增加,拉拔最大位移量越来越小,未受动载作用的原始试件拉拔后未出现明显的破坏;动载作用后,随着预应力增大,锚固端头发生一定程度的劈裂破坏,预应力持续增加劈裂破坏程度越来越弱。

基于静动载试验的桥梁健康评估方法探究

为提高桥梁健康评估的可靠性,本文基于静动载试验提出了对桥梁健康的评估方法,该方法通过调整评估测试控制界面,设置加载车辆,布置静动载测点,并分别进行静载、动载试验分析,利用有限元仿真分析获得试验结果,最终完成了桥梁健康静动载试验的评估。结果表明,该方法能有效计算桥梁的健康评估校验系数和冲击系数,并根据相关标准完成有限元评估分析,且灵敏性较高,有效提高了评估可靠性,为解决桥梁运行维护问题提供了一定参考。

大重合度直齿轮动载特性分析

针对大重合度直齿轮啮合齿数与普通直齿轮间的差异性变化,以一对大重合度直齿轮和普通直齿轮为研究对象,通过有限元法求解齿轮时变啮合刚度,建立大重合度直齿轮啮合耦合型动力学模型,利用Newmark-β时域积分求解齿轮系统动态响应,对其进行时频域分析并与普通直齿轮进行对比,获得了大重合度直齿轮在不同转速、误差影响下的动载系数变化规律。结果表明,大重合度直齿轮啮合刚度与普通齿轮有较大差异,其动态响应结果波动幅值较普通直齿轮有明显降低,提升了系统稳定性;大重合度直齿轮动载系数与普通直齿轮相比有明显下降,并且随着转速的升高和误差的增大出现不同程度的增加,其中在共振转速区域范围内增幅明显。

动载作用下复合岩体力学失稳机制与损伤本构模型研究

为探究不同层理倾角复合岩体的动载响应特性,利用WDW-300E伺服压力试验机和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对不同层理倾角的复合岩体进行压缩试验和动态冲击试验,基于静载结果对比了动力冲击下复合岩煤(rock coal,R-C)和复合煤岩(coal rock,C-R)的动态强度、能量耗散以及破坏模式。考虑到介质弹性模量和强度的非均质性,通过二次开发得到弹性损伤本构模型,最后建立了考虑复合岩体宏细观损伤的本构模型。试验、模拟和理论分析结果表明:在静载条件下随着层理角度的增加,复合岩体应力峰值表现出明显倒U型变化,其弹性模量逐渐增加而峰值应变在逐渐减小。动载作用下复合岩体R-C和C-R峰值应力、应变和能量耗散值随着角度的增加均表现为先减小后增大,复合岩体R-C的应力、能量耗散值和弹性模量值大于复合岩体C-R,而复合岩体R-C的应变值普遍小于复合岩体C-R。在动载冲击作用下复合岩体在层理倾角为0°和90°时破坏形式主要为劈裂拉伸,吸能率较高破碎块度相对较小,在30°、45°和60°则主要为剪切和拉伸混合破坏,吸能率较低破碎块度相对较大。利用弹性损伤本构模型再现了不同层理倾角下复合岩体内部损伤过程和能量演化。构建了同时考虑复合岩体宏细观损伤的本构模型,其与试验和模拟结果均可以较好地吻合,验证了构建模型的正确性。

行星传动系统均载与动载系数试验测量改进设计

试验测量行星传动系统均载与动载系数的精准度是评价系统动态性能的基础。针对现有行星传动系统均载与动载系数测量方法存在灵敏度与精度欠佳、系数测试算法缺失、测试应力点存误等问题,本文提出了一种方便、实用且具有高精度的行星传动系统均载与动载系数测试方法,定义了系统系数的测试算法与概念,明确了精确应力测试位置点及不同位置间差异性,采用应变片电桥传感器串并联设计,实现了拉压应力叠加、温度补偿以及繁琐标定免除等优点,为精准测取行星传动系统均载与动载性能提供了重要的理论基础和技术手段。

人群步行荷载等效动载因子及应用

人群步行荷载是大跨楼盖、人行桥等工程结构人致振动分析的基础。现有时域模型缺乏对人-人相互作用的考虑,频域模型形式复杂难以用于工程设计。对此,提出了一种简单有效的人群步行荷载等效动载因子模型,该模型基于二阶傅里叶级数,充分考虑人-人相互作用且适用于人群密度相关的多种交通状态。首先利用基于实测的人群步行荷载互功率谱模型进行了不同人数、主导步频、结构阻尼比下的单自由度系统响应模拟,进而依据结构响应等效的原则,由模拟结果拟合确定等效动载因子计算公式。利用已建成大跨结构的实测响应进行了验证,结果表明,该模型相比国内外现有规范方法具有更低的预测误差,可为大跨结构设计中人致振动舒适度和安全性评估提供参考。

基于联合仿真的飞机着陆机场跑道桥动载特性研究

为研究飞机着陆滑跑过程中冲击作用对机场桥梁动力响应的影响,以某拟供C类飞机使用的跑道桥为研究对象,以Boeing 737-800机型为例,首次基于有限元软件与多体动力学软件相结合的联合仿真技术建立了机-桥耦合模型,精细化模拟了飞机以不同的着陆姿态在桥梁上着陆滑跑的全过程。在验证机-桥耦合模型准确性的基础上,系统讨论了飞机着陆质量、下沉速度、俯仰角及滚转角等参数对桥梁动力响应的影响程度、影响规律,并明确了桥梁动力系数的分布范围。研究结果表明:飞机着陆冲击作用下,桥梁动力系数的主要分布区间为1.26~1.62;桥梁动力系数随着陆质量、下沉速度、滚转角增大而增大,随接地速度、俯仰角增大而减小;飞机下沉速度的影响最为显著,当下沉速度从1.00 m/s增大到3.05 m/s时,动力系数从0.98增大到1.87,增幅高达90%。跑道桥的设计需合理考虑飞机着陆滑跑过程的动载作用。

飞机着陆数值仿真及机场道面动载特性研究

为研究飞机着陆滑跑过程民用机场道面动荷载特性,以Boeing737-800机型为例,基于动力学仿真软件VI-Aircraft,建立了机身、起落架及轮胎三维数值仿真模型,根据某机场道面实测平整度数据创建道面仿真模型,形成了一套考虑气动力变化特性的飞机着陆冲击仿真方法,并通过相关起落架系统落震试验以及飞机-地面运动学理论解析两方面验证了仿真方法的可靠性。此外,系统讨论了各类着陆状态参数对道面动载特性的影响,明确了不同着陆状态参数影响下道面动载系数量化取值范围,揭示了各着陆状态参数对道面动载响应的影响规律及影响机理。研究结果表明:随着陆质量、接地速度及滚转角增大,道面动载响应显著增强;随着陆航向速度增大,道面动载响应明显减小;而随俯仰角增大,道面动载响应整体呈现波动减小的趋势。飞机着陆过程中道面动载系数敏感性因素从大到小依次为:航向速度、着陆质量、接地速度、滚转角与俯仰角,充分考虑各着陆状态参数影响,一般情况下道面动载系数DIM分布区间为1.18~1.80。研究成果可进一步拓展用于飞机着陆跑道桥的分析研究。

不同加固方式下的软硬过渡段隧道基底受列车动载影响规律

在高速铁路列车动载作用下,隧道穿越软硬岩过渡段时易使隧道结构发生损害,而对于此类工程的动力研究及相关减隔振措施还鲜有涉及。鉴于此,依托广湛铁路相思山隧道工程实例,采用数值计算方法,对比分析无加固以及不同桩板结构加固下隧道穿越软硬岩过渡段时结构的动力响应特性。研究结果表明:在列车荷载作用下,位于交界面软岩侧隧道结构的加速度、动位移和动应力响应与硬岩侧隧道结构的动力响应差异很大,导致隧道交界面附近过渡效果较差,不利于结构的稳定。经三种不同桩板结构加固后,软岩段的隧道结构的动力响应有所减小,且与硬岩段隧道结构的动力响应更接近,过渡效果十分显著。在对比之下,桩板结构1(即承载板+托板+钻孔桩)的减振作用与过渡效果最佳。

动载扰动巷道再现冲击地压模拟试验研究

为解决巷道冲击地压模拟试验难以再现的问题,研发了一套简便的动载扰动巷道冲击地压模拟试验系统和相应的低强度类煤岩模拟材料,并开展了验证性试验。试验结果表明:系统成功在实验室再现冲击地压,且操作简单便捷,动静载施加灵活,模型材料满足需求;借助多源信息监测系统,实现了动载扰动下巷道冲击地压的全过程模拟与监测。研发的低强度类煤岩材料,以模型石膏粉、GRG石膏粉、水解树脂与水为主要原料,强度控制在6~9 MPa,制样与试验周期缩短至21 d。静态加载过程中的围岩应变与声发射信号互相吻合,能够反映模型试样经历的压密、弹性变形与微破裂发展等阶段;动载扰动对巷道围岩的变形破坏影响存在方向性,顶板的变形响应最为显著,在巷道周向产生较大的应变振荡与塑性弯曲变形,但冲击显现主要发生在巷道两帮,两次动载扰动在巷道同一区域均成功诱发了巷道的冲击地压现象,且第2次动载扰动引发的冲击显现程度趋于强烈,揭示了动载扰动对冲击发生的影响作用。研究结果表明该试验系统与模型材料稳定可靠,能够较好地模拟动载扰动下巷道的冲击失稳过程,可为研究巷道动静载组合致冲机理、动载扰动巷道的支护防控机制等提供参考。

动载扰动下巷道围岩冲击破坏与能量释放规律研究

深部煤矿开采过程中的动载扰动可能诱发巷道围岩冲击失稳,为揭示动载扰动与围岩冲击破坏的关系,采用PFC数值模拟方法,分析了采动应力、动载荷和震源位置对巷道围岩冲击破坏与能量释放的影响规律。研究结果表明:相同动载扰动下,巷道围岩整体变形随采动应力的增大逐渐增大,较大动载荷会引起巷道顶板的显著下沉,且近震源侧的巷道帮部位移较大。低采动应力和动载荷条件下,动载扰动诱发巷道围岩破坏的能量释放主要集中于两帮煤体,表现出由巷道浅部向深部的多频次小能量释放,两帮煤体呈渐进式破坏;高采动应力和动载荷条件下,巷道两帮深部煤体表现为突然的大面积失稳和快速的能量释放。动载扰动下巷道围岩冲击危险除与动载扰动能量有关,还取决于围岩的能量释放量级。当采动应力或动载荷增大到一定程度时,围岩破坏能量释放量级增大,表现为突然的大能量释放,具有较大的冲击危险。研究结果可为深入了解煤矿动载扰动与巷道冲击破坏的关系及其防治提供参考。

动载扰动下特厚煤层巷道破坏机理及其控制技术研究

为改善园子沟煤矿特厚煤层巷道在高应力、强动载扰动下支护效果,以园子沟煤矿1102007工作面为工程背景,通过现场调研测试、数值模拟、理论分析及工程实践的方法,对巷道支护进行优化。通过数值模拟,分析了巷道围岩在动载扰动下变形破坏效应,巷道围岩浅部支护构件易损坏,深部围岩变形破坏严重;通过理论分析,提出了“长短锚杆索梯次支护+帮顶M型钢带整体支护+弱结构构建”组合支护技术。现场实践结果表明,采用新的支护组合体系后,可以有效控制巷道围岩稳定性。

房柱式采煤采空区下采场动载矿压机理研究

为解决31201工作面上覆房柱式采煤采空区集中煤柱受到破坏形成动载矿压易导致下部工作面发生顶板事故的难题,对工作面地质条件及顶部采空区集中煤柱对下部工作面回采产生的影响进行分析,分析工作面过应力集中区支架循环末阻力云图可知:31201工作面矿压显现为通过集中煤柱后大范围来压>2-2煤房采低回收率区>杨树洼上坡区>其他区域。对工作面顶板动载矿压进行FLAC^(3D)数值模拟,通过模拟结果可知:诱发大面积强动载矿压原因是集中煤柱的突然破坏,上覆岩层顶板垮落及工作面自身顶板切落,使顶板载荷完全作用在支架上,造成液压支架压架事故。通过动载矿压发生机理,提出有针对性的应对措施,为后续安全回采提供依据。

煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性

冲击危险性巷道围岩遭受外界动载荷扰动,常导致冲击地压发生。为了探索煤层大直径预卸压钻孔在动载扰动条件下的防冲卸压作用,综合采用理论分析、实验室试验以及数值模拟等方法,开展煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性研究。结果表明:大直径钻孔卸压区内的煤体形成弱结构,增大了衰减动载的能力,降低了冲击发生的可能性。低动载扰动下,孔洞裂隙扩展,声发射累计事件随着扰动周期增加呈上升趋势;较高动载扰动下,钻孔煤样损伤破裂程度加剧,声发射事件以高能量为主。随着动载能级和扰动周期增加,应力集中区、弹性高能区与钻孔之间的距离缩短,影响范围增大,围岩运动趋势增强,弹性能集聚程度增加;在低动载能级扰动下,钻孔发挥耗能卸压防冲的作用,能够维护围岩的稳定性,在高能级动载扰动驱动下,大直径钻孔防冲失效,钻孔孔壁易发生动力失稳破坏,造成围岩失稳。总体上大直径卸压钻孔存在弱化结构,能够耗能减冲,降低动载扰动程度,但在高能、高频动载扰动下,卸压钻孔围岩运动趋势增强,破裂响应程度剧烈,防冲效能存在极限性。

循环动载冲击下加锚裂隙煤体力学响应试验研究

为了解循环动载下加锚裂隙煤体的力学响应及破坏特征,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展了循环冲击动载作用下加锚裂隙煤体动载冲击试验;分析了循环动载次数、动载冲击强度等因素对加锚裂隙煤体应力-应变曲线、锚杆轴力及宏观破坏的影响规律。研究结果表明:随着动载应变率的增加,锚固体试件强度增加,但随着动载冲击次数的增加,锚固体强度反而降低;冲击输入能量一定时,随着冲击次数的增加,煤体内部裂隙逐步扩展甚至破坏,锚杆对煤体扩展限制力降低;高能量冲击时,锚杆无法阻碍加锚裂隙煤体内部裂隙起裂与扩展,易发生加锚煤体整体瞬时破坏。

输电线路双摇臂落地抱杆起升动载系数理论研究

针对现有双摇臂落地抱杆的设计计算未考虑起升效应的问题,以双摇臂落地抱杆单吊点模型为例,通过对抱杆的质量与刚度进行等效,推导起升动载系数的数学表达式,并建立相应的有限元模型来验证其正确性,最后通过试验对表达式进行修正。研究表明:起升动载系数的数学表达式为φ_(2)=1+βv_(h)的形式,起升动载系数由等效系数β和起升速度vh决定。通过仿真计算得到,抱杆的位移随加载时间的变化而增大,在达到一定峰值后,因刚度和质量的影响会出现周期性波动。起升动载系数随等效系数、冲击速度的增加而增加,仿真值与理论值的最大相对误差为3.33%,验证了起升动载系数数学表达式的正确性。通过抱杆的起吊试验,采用最小二乘法对起升动载系数数学表达式进行修正,表达式为φ_(2)=1.007+0.05vh。研究结果为双摇臂落地抱杆提供了起升动载系数计算方法,完善了抱杆的设计计算体系,提升了双摇臂落地抱杆的计算准确性与使用安全性。

多拱肋异型系杆钢拱桥动载试验分析

通过现场实际对多拱肋异型系杆钢拱桥进行动载试验,详细介绍了异型拱桥动载试验的主要工作内容、试验方法、试验结果分析等。通过现场测试与理论计算分析,桥梁结构各阶自振频率的实测值均比理论计算值大,表明桥梁实际结构刚度好于理论刚度,桥梁实测阻尼比0.145%~0.390%之间,属于正常范围,桥梁主要振型为主梁一阶扭转,拱肋横向一阶侧弯,拱肋的横向刚度相对较弱。桥梁在各行车工况下的实测冲击系数在1.04~1.20,与设计所用冲击系数1+μ=1.05较为接近,满足规范要求。

独塔混凝土斜拉桥静载与动载检测试验研究

以某双索面H形独塔混凝土斜拉桥为例,通过建立有限元模型确定相应的试验方案,对静载工况下主梁挠度、主塔塔顶变位、斜拉索索力增量、主塔和主梁截面应力进行试验,并对动载试验中桥跨结构自振特性及行车对桥跨的冲击作用等进行检测分析。分析结果表明,结合有限元结果提出的荷载试验方案切实合理,对独塔斜拉桥实际承载力和结构安全性的评价客观真实,提出的桥梁结构加固措施及管养建议也符合桥梁运行实际,可为同类工程性能检测提供参考。

动载试验在公路桥梁健康检测中的应用

作为公路交通重要组成部分,桥梁结构的安全性能尤为重要,动载试验是公路桥梁技术状况评价中的重要环节,为探究动载试验在公路桥梁健康监测中的应用,以伊犁河大桥为工程背景,分析桥梁结构在脉动周期荷载及无障碍行车荷载作用下的动力表现。试验结果表明:脉动周期荷载作用下,大桥竖向第一阶至第三阶实测自振频率分别为0.781 Hz、1.172 Hz和1.416 Hz,实测竖向振动频率均大于理论值,结构实际刚度大于计算刚度;在无障碍行车荷载不同工况作用下,桥梁最大冲击系数范围为0.026~0.056,与理论计算冲击系数基本吻合,结构整体性能良好,动力性能满足设计要求。