横坡段桥梁双桩双柱式结构受力特征与解析模型

山区桥梁基础不可避免地建立在陡坡上,不稳定斜坡变形或破坏将会对上覆桥跨结构安全造成严重威胁,亟需研究高效、可靠的力学模型。首先,对横坡段桥梁双桩双柱式结构划分不同特征段,分析其受力特性;其次,考虑桩土相互作用和桩顶变形协调关系并引入边界条件,建立适用于横坡段桥梁双桩双柱式结构内力及位移的简化模型;第三,综合考虑P-Δ效应及盖/系梁对桩柱受力影响,引入相邻特征段满足的连续条件(即位移、转角、剪力及弯矩连续),建立挠曲微分方程并以MATLAB为平台编制相应计算程序,提出横坡段桥梁双桩双柱式结构基础内力及位移的幂级数解;最后,将模型结果与有限元计算结果对比,验证模型的可靠性。研究结果表明:本文提出的模型将桥墩与桩基础视为整体,对于多道系梁的结构分析该模型同样适用;模型考虑了横向联系对两桩轴向力和弯矩的分配,可获取横向联系中的横向力;模型不需要假设自由段剪力和迭代计算。随着剩余下滑力增大,结构各特征段前后桩位移和弯矩明显增加;横向联系对桩基位移及内力进行了重新分配,有较强的约束作用,能够较好地改善前后桩受力与变形情况。

隧道结构变形与受力特征的稳定性有限元分析

为了研究隧道结构变形与受力特征的稳定性,本文以四川某高速公路隧道施工为例,采用通用ANSYS11.0进行有限元模型搭建,通过建立的有限元模型,运用比较的方法对有无水压、排出与渗入、两种不同的断面以及不同的水压分布等内容比较,研究结果表明:水压力是造成水平和竖向位移的主要因素;水压分布不均匀是对隧道结构变形与受力特征的稳定性影响较大。

隧道装配式仰拱施工荷载受力特征试验研究

研究目的:相比传统现浇混凝土结构,装配式结构具有标准化程度高、施工方便、现场占地小、机械化程度高、绿色环保等诸多优点。矿山法隧道采用装配式仰拱时,除考虑运营期受力工况外还要考虑施工期受力工况,为此需要在施工机具、拼装机等作用下对结构受力情况进行研究。本文以单线铁路隧道为工程背景,通过足尺试验研究预制仰拱块在施工荷载作用下的相关受力特征。研究结论:(1)当仰拱预制块单孔纵向拉紧力达到373 kN(37.3 t)时,环向缝最小处可闭合;(2)拉紧效果与拉紧顺序和拉紧方式有关,恰当的拉紧方式可改善拉紧效果;(3)在整个施工荷载作用过程中,仰拱预制块的钢筋和混凝土均处于受压状态,且未发生任何破坏,荷载作用位置及作用面积是影响仰拱预制块应力的重要因素;(4)本研究成果可应用于矿山法隧道及地下工程领域,为隧道智能化建造提供技术支撑。

可发性聚苯乙烯板减载条件下高填方箱涵长期受力特征与减载效果

在高填方箱涵顶部铺设可发性聚苯乙烯(expandable polystyrene,简称EPS)板降低其荷载已经在工程中得以应用,而EPS板的蠕变会使箱涵受到的土压力随时间发生变化。现有的箱涵设计理论未能明确的反应EPS板的长期减载效果以及箱涵长期受力特性。开展了EPS板减载条件下箱涵短期受力特性模型试验,并利用模型试验结果验证数值模型。之后利用验证后的数值模拟方法分析涵-土体系应力重分布规律以及高填方箱涵长期受力特征;在此基础上提出涵-土体系力学模型,推得涵顶长期土压力计算方法,并与数值模拟结果进行对比验证。研究表明:涵顶土压力先随时间逐渐减小,然后会出现小幅增大,最终趋于稳定,对比填土完成时土压力减小了52.12%;涵侧竖向土压力和水平土压力总体上均随着时间逐渐增大并趋于稳定,涵侧上部范围内最终水平土压力比填土完毕时增长了28.32%;基底土压力也是先增大后趋于稳定。实际工程中侧墙的设计应考虑EPS板蠕变引起水平土压力的增加,避免箱涵侧墙在长期使用中产生受弯破坏。

软岩隧道EPP混凝土受力特征及卸压效果分析

研究目的:软岩隧道在运营期间由于围岩蠕变导致隧道衬砌发生大变形及开裂,严重影响运营安全。在前期试验取得的EPP(聚丙烯)泡沫混凝土力学参数的基础上,开展软岩隧道EPP泡沫混凝土缓冲层受力特征及卸压效果分析,提出一种抵抗隧道围岩蠕变、减小衬砌变形的方法,为类似隧道工程设计提供参考。研究结论:(1)EPP泡沫混凝土作为软岩隧道缓冲层对衬砌受压有良好的改善效果;(2)以EPP泡沫颗粒含量为64%的混凝土作为缓冲层且厚度为0.8 m时,衬砌受到的压应力最小,衬砌处于全断面受压状态,且极限承载能力最高;(3)缓冲层的让压量是决定其卸压效果的直接原因,缓冲层EPP泡沫含量越高,厚度越大,让压量就越大,卸压效果最好;(4)EPP泡沫混凝土应用于土木工程领域铁路和公路工程方向软岩隧道初期支护与二衬之间缓冲层结构中,其应用前景广阔,为进一步改善EPP泡沫混凝土卸压性能及提升工程实用性,需对材料配合比及压缩特性开展优化研究。

铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析

为探索铁路钢混梁装配式桥面受力性能,建立装配式钢混梁桥面板有限元模型,从而对比分析铁路荷载作用下整体现浇和预制装配式桥面板的受力特征,分析装配式桥面板长度、宽度、厚度、主梁横向间距等参数对桥面板受力特征的影响。结果表明:装配式钢混梁桥面板采用预制装配方式后结构纵桥向正、负弯矩变化较小,但横桥向正、负弯矩显著减小;预制板长度增加,预制板横桥向正弯矩、负弯矩绝对值增大,纵桥向负弯矩增大;预制板宽度增加,横桥向正弯矩、负弯矩,纵桥向负弯矩均增大;预制板厚度增大,横桥向负弯矩、纵桥向负弯矩均增大,纵桥向正弯矩减小;主梁横向间距增加,横桥向正弯矩增大,横桥向负弯矩减小,纵桥向负弯矩增大。各因素影响程度依次为:预制板宽度>主梁横向间距>预制板长度>预制板厚度。

高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征

西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点,在隧道开挖过程中常引起围岩大变形,导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破坏现象,严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景,采用现场实时监测、数值模拟等手段,获取大断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力,揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。研究结果显示,受围岩结构强度的各向异性控制,隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致,时间上变化历时长,且由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳,且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征,提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。

浅埋偏压隧道衬砌受力特征及破坏机制试验研究

运用相似理论及弹性力学基本方程,推导得到模型试验的相似准则,并对其试验方法进行具体设计。通过开挖模拟15°,30°,45°这3种偏压角模型隧道,对浅埋偏压隧道围岩压力、衬砌结构应力的动态变化规律和分布形式以及衬砌和围岩的破坏机制进行系统研究。研究结果表明:隧道在开挖过程中,围岩压力及衬砌内力均随开挖而持续变化,在开挖面附近,围岩应力释放明显,表现出显著的偏压特征和时空效应现象;随着偏压角增大,浅埋侧围岩压力逐步减小,而深埋侧围岩压力增大;"规范法"关于浅埋偏压隧道围岩压力的计算低估了荷载的偏压特征,欠安全;偏压荷载的存在改变了结构的受力状态,不同位置的破坏形态和破坏类型差异明显,且受偏压角度的影响,在实际施工过程中应对衬砌结构的表观形态发展特征进行密切观测,以采取针对性处治措施;全施工阶段围岩的破坏过程可描述为局部位移变形→深埋侧浅表受拉开裂→深层剪切滑移,其破坏形态为以隧道为顶,边仰坡线为底的倒锥形体,且破裂角受偏压角的影响,浅埋侧破裂角较规范值小,而深埋侧破裂角大于规范值,从破坏形态上亦说明"规范法"低估了偏压特征。

不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究

以兰渝铁路新作坊隧道洞口明挖段不等跨连拱结构为背景,采用室内模型试验的方法,对不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征进行研究。试验结果表明：隧道水平侧压力均小于竖向围岩压力,拱顶处侧压力小于墙脚处侧压力,小洞侧侧压力系数平均为0.55,大洞侧侧压力系数平均为0.65;中隔墙顶部围岩压力均大于拱顶处围岩压力,且大洞拱顶围岩压力约为小洞的1.2倍;隧道结构总体为小偏心压弯构件,大洞所承受的轴力总体比小洞承受的轴力大20%-30%;隧道先后在大小洞靠近中隔墙的拱腰及仰拱处破坏,最终发生整体失稳;靠近中隔墙的大小洞拱腰及仰拱是设计施工时应重点关注的部位;最终获得不等跨连拱铁路隧道的围岩压力分布模式,研究结果可以直接指导新作坊隧道结构的设计与施工,有利于完善不等跨连拱隧道设计施工理念。

考虑层间效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌受力特征模型试验研究

为探究考虑层间接触效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌内力分布规律,自行设计考虑层间效应的单层衬砌模型并研制竖向油压5MPa和侧向压力1.5MPa作为逐级施加的卧式加载试验台架,开展不同荷载作用下的钢纤维混凝土隧道单层衬砌受力特征模型试验。研究结果表明:不考虑层间接触特征的单层衬砌与考虑接触特征的单层衬砌在拱腰和墙角处的安全系数均为最低,最容易出现弯矩和轴力突变;考虑层间接触特征的单层衬砌最大弯矩与最大轴力均出现在拱脚处,层间接触面存在明显黏结力,结构的轴力增加和弯矩减小,内力变得均衡,结构的整体安全性高于不考虑层间接触面,相对不考虑层间效应,受力最不利的左右拱脚处的安全系数分别增加143.7%、149.4%;当竖向油压达到3MPa、侧向油压值达到0.9MPa时,仰拱周围层间接触面压力增长速度显著加快,仰拱处混凝土由线弹性转变为塑性,竖向油压达到4MPa,侧向油压值达到1.2MPa时,仰拱、拱角与拱顶层间接触面应力值有减小或反向增长的趋势,仰拱、墙角等界面发生破坏;钢纤维在单层衬砌裂缝扩展在30%～70%之间阻裂效果最好。

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——Ⅰ.物理实验

随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。

高地热环境隧道衬砌结构受力特征模型试验研究

随着我国交通事业的发展,深埋高地热条件下的长大隧道越来越多。地热温度不仅对衬砌结构的受力特征有影响,而且会影响隧道结构的耐久性,但目前国内对高地热环境下隧道力学行为的研究有限。针对以上问题,以拟建的高地热环境下的高黎贡山隧道为工程背景,采用室内相似模型试验,通过逐步改变温度的方式,得到不同温度下隧道衬砌结构各部分受力特征和变化趋势:1)在地热温度作用下,隧道衬砌结构产生内力重分布,即在一定温度范围内,轴力基本随温度呈线性增长;弯矩总体上变化不明显,拱项部位弯矩随温度升高呈降低趋势,其他部分则呈相反变化趋势。2)衬砌结构的拱脚位置受温度影响最明显,应作为设计与施工时的重要控制部位。3)在温度荷载作用下,支护结构的整体安全储备(安全系数)明显降低。

大变形隧道初期支护受力特征及对策研究

由于隧址区岩体具有大变形效应,渝利铁路大梁隧道在初期支护施作后拱腰、拱脚等部位相继出现喷混凝土开裂、剥落、掉块等现象。为了保证隧道结构安全,采用现场测试(解除应力测试和松动圈测试)、数值模拟(试算/正演计算)等方法对该段支护结构的受力特征进行了研究,并提出了相应的对策措施。结果表明:在此地质条件下,初期支护配筋为6.36 cm^2时,结构将产生破坏(最大弯矩处安全系数为1.0),而实际配筋只有5.07 cm^2,所以初期支护内的配筋(格栅钢架)不能满足工程实际需要,必须调整类似地质条件的支护参数才能保证隧道整体稳定性;同时研究获得的松动圈范围为2.29 m,与地质雷达的松动圈测试结果相吻合,验证了该方法的可行性及结果的准确性。

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中,盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位,针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征,提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型,然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载,获取隧道最不利区域边界力,最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上,分析纵向接头细部构造受力特征;并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论.研究结果表明:地震波横向激励时,盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主,而纵向激励时,则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主;在纵向张开量最大的局部区域,不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况,该局部区域都处于受拉状态,两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响;当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时,最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位,最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.

铁路重载运输条件下钢筋混凝土涵洞受力特征试验研究

为掌握铁路既有线钢筋混凝土涵洞实际的受力特征,评估其对重载运输的适应性,理论分析涵洞活载储备量以及货车参数、冲击作用、疲劳荷载对涵洞受力的影响;通过某重载线路的大轴重列车试验,测试大轴重试验列车和运营列车通过时钢筋混凝土涵洞的静、动力响应。结果表明:30t轴重货车对涵洞的作用效应超过运营列车;大轴重列车通过时,理论上小跨度涵洞的活载储备量明显不足,但实测状态良好涵洞的受力水平较低,仍具备一定的承载潜力;涵洞跨中挠度、钢筋应变与大轴重货车的轴重、邻轴距直接相关,而与列车运行速度、货车长度关系较小;实测涵顶填土厚度大于1.0m的涵洞仍受到活载的竖向冲击作用,但动力系数并未随着货车轴重的增加而明显增加,且实测列车活载在涵顶填土中的扩散范围大于按现行铁路规范计算的结果。需要对铁路涵洞动力系数、荷载分布等的计算理论开展进一步研究,以使其进一步地完善;在既有线上开行大轴重列车之前,应对涵洞进行综合评估,以确定其合理的改造范围。

砂卵石地层圆形深基坑排桩支护结构受力特征

平面为圆形的深基坑工程近年来逐渐出现在以砂卵石地层为主的成都平原地区,其支护结构型式多为排桩结合圈梁构成的排桩框架结构。这种空间结构受力较为复杂,针对工程实际的迫切需要,基于数值模拟方法,依托成都某圆形深基坑工程,分析了排桩框架结构的内力和变形特征及桩径、桩端地层、基坑直径等因素对其的影响规律。结果表明,围护桩后侧土压力接近三角形分布,可采用Rankine理论近似计算,结果偏于安全,误差约为30%;围护桩具有双向弯曲特征,冠梁和腰梁均以轴向受压为主,腰梁受力较大;随着坑径增大,作用于围护桩上的土压力先减小后增大,其间存在使土压力最小最佳坑径。

爆炸波作用下预应力锚索受力特征研究

研究爆炸波作用下不同预应力锚索类型的受力特征对提高锚固洞室抗爆性能有着重要的意义。通过模型试验和数值分析,研究了在集中装药产生的爆炸波作用下两种类型预应力锚索的索端张力变化特征和锚索锚固段轴应变变化波形,探讨了两种锚索类型的预应力变化特征和规律,并得出几点有意义的结论。采用显式动力分析程序得出的计算结果与试验数据的吻合性较好,进一步证实了模型参数和建模的有效性和正确性。

水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征

为探明水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征,采用模型试验研究高水压条件下衬砌的力学行为、结构与围岩、地下水相互作用关系及结构破坏模式.研制了马蹄形断面非均布水压-土压加载装置,模拟大断面隧道衬砌主体结构在不同水压与土压共同作用下的力学行为.研究表明:弯矩沿衬砌周向总体上呈蝴蝶形分布,轴力呈近似椭圆形分布;土压力增大使结构弯矩、轴力、最大变形量和偏心距均增大;侧压系数增大使结构弯矩不同程度地减小,而使轴力增大;水压增大使衬砌轴力迅速增大,而弯矩增大较慢;高速铁路隧道衬砌结构承受的极限水压不宜超过500 kPa.

预应力格构锚固结构受力特征模型试验研究

格构锚固是边(滑)坡工程常用的防治技术之一,为了研究格构锚固结构实际支挡碎石土边坡的受力特征,利用现场大比例尺物理模型试验,填筑粘土方式模拟滑坡体,设计相似比为1∶2.5的格构梁,通过后缘加载模拟了格构锚固体系承载受力直至失稳破坏的全过程,监控格构梁后部土压力、格梁应力、格梁位移等参数,并分析了格构梁受力、位移特征和变形破坏模式。结果表明:格构边界处锚固点处变形较内部更为明显,跨梁呈"拱桥式"变形,最终在锚固点附近折断破坏;各横纵梁受力特征类同,梁交叉锚固点处应力集中,梁中部受力最小,应力呈近倒三角形分布;模型中锚固点受力和位移自顶到底呈现线性递减的应力分配现象。上述研究可以为工程优化设计提供一定参考。

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道中墙受力特征

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道中墙的受力特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路连拱隧道中墙受力特征进行研究,详细分析了应力场对中墙结构受力的影响,并运用模型试验结果对数值计算结果进行了验证。结果表明:不同的应力场中,中墙顶部,侧压力系数越小,施工中偏压越明显;中墙中部和底部,侧压力系数越大,施工中偏压越明显;侧压力系数越小,中墙竖向应力量值越大。