基于极限承载比的大跨桥梁结构内力监测方案设计

大跨度桥梁结构内力监测方案设计提供理论方法和依据,提出了基于构件极限承载比的大跨度桥梁结构内力监测方案设计理论和方法。通过对不同荷载组合作用下的大跨度桥梁结构的极限能力分析,以及结构极限状态下的受力和构件本身的极限承载状态,定义了构件极限承载比、极限承载比均匀度和基准极限承载比等特征参数。进而根据构件极限承载比与基准极限承载比确定结构中的高承载构件,并对高承载构件进行内力监测方案设计。最后,以芜湖长江公路二桥为工程背景,通过对六种荷载组合作用下的极限承载能力分析,找出结构中的高承载构件及破坏路径,进而提出了芜湖长江公路二桥内力监测设计初步方案。结果表明:基于构件极限承载比的大跨度桥梁结构内力监测方案设计,为桥梁结构内力监测设计提供定量化评价基准;通过基于构件极限承载比的结构内力监测所选取的监测构件与结构的真实破坏过程一致,可以减少低承载构件的监测,对于芜湖长江公路二桥内力监测的构件可以从原方案178个测试构件减少至59个测试构件,减少了低承载的监测构件,降低了监测费用。

间断焊接包管加固圆钢管构件轴压极限承载力研究

为研究间断焊接包管加固杆件的轴心受压性能,设计了13组试件进行单调加载静力试验。对试件极限承载力、破坏模式、荷载-位移曲线和截面应变发展规律进行分析,对比了负载加固与非负载加固对试件极限承载力的影响。结果表明:包管构件的破坏模式可分为整体失稳破坏和内管外伸段强度破坏;包管构件内外管协同工作、共同受力,内管和外管都在屈服后发生整体失稳破坏;负载加固与非负载加固试件的极限承载力基本一致,相差2.2%,非负载加固试件与未加固试件相比,极限承载力最大提高了479.9%。根据试验结果对包管构件的ABAQUS有限元模型进行修正,并用该模型分析了各主要影响因素对包管构件极限承载力的影响规律。提出了包管构件极限承载力经验计算公式,且公式计算结果与试验结果吻合较好。

锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

静压桩残余应力对极限承载力影响

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明:卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%,卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定;沉桩结束后,桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍,卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体;桩端土体应力消耗越多,桩端残余应力越小,卸荷后桩端土体回弹量越多;沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小,从而桩端土体能够提供的承载力降低,致使桩体承载力降低。研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素,卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。

轴力作用下焊接方管Π型节点的极限承载力分析

目前规范中还未规定Π型构造形式的方管节点承载力计算公式。该文在经过试验验证有限元分析准确性的基础上,基于两种方管不同区域的材料本构关系模型,利用Abaqus软件对85组在轴力作用下的节点进行了数值模拟,得到了方管Π型节点在轴力作用下的极限承载力。随后,通过参数化分析和多元回归,得出影响Π型节点极限承载力的因素以及修正的承载力计算公式。结果表明,支管-主管宽度比β对节点极限承载力和初始刚度影响较大,增大支管宽度,能够显著提高节点的极限承载力,支管上施加的荷载由主管上表面的抗弯、抗剪作用和主管侧壁共同承担,节点的破坏模式也取决于β;主管宽厚比2γ越大,意味着主管上翼缘和支管连接区域变得更加细长,降低了主管上翼缘的抗弯刚度,节点承载力和初始刚度因此降低;支管-主管高宽比η和支管间距g对节点极限承载力有一定影响,增大支管截面的高度和支管间隙,即增大了沿主管纵向方向的支管、主管相交区域,使得支管在主管翼缘更宽的区域传递荷载,节点的塑性区域更大,材料利用更充分,因此提高了节点的承载能力;支管-主管厚度比τ对节点极限承载力和初始刚度影响不大,支管的壁厚增加,提高了支管的承载力,但节点最终破坏是主管上翼缘达到屈服破坏而并非支管破坏,因此支管厚度的变化对节点承载能力影响不明显。根据有限元模型的分析结果,通过曲线拟合提出了计算方管Π型节点极限承载力的参数方程,并对该方程的准确性进行了评价,为这类节点的进一步研究和工程应用提供了参考。

中风化花岗岩中嵌岩桩承载性能原位试验与极限承载力预测

为深入探究中风化花岗岩中嵌岩桩的竖向抗压承载特性,对12根嵌岩桩进行了单桩竖向抗压静载原位试验与ABAQUS有限元数值模拟,通过多种方法对嵌岩单桩极限承载力进行评价,明确中风化花岗岩中嵌岩桩竖向抗压承载性状。研究表明:12根中风化花岗岩中嵌岩桩并非表现出完全端承桩,而是呈摩擦型桩或摩擦端承桩的性状;中风化花岗岩地基中的嵌岩桩竖向抗压极限承载力较高,桩顶沉降小,满足工程对基础的承载要求;有限元模拟荷载-沉降曲线与实测荷载-沉降曲线走势吻合度较高,桩顶沉降误差较小;本试验条件下,桩端阻力占桩顶荷载的56.9%,桩侧摩阻力占比为43.1%,桩侧摩阻力在荷载传递过程中发挥较充分;有限元模拟得到的单桩极限承载力与指数函数模型的预测结果较为吻合,可用于嵌岩桩单桩竖向抗压极限承载力的预测,以及嵌岩桩承载性状和荷载传递规律的分析。

动车前端承载结构拓扑优化及车体动态承载极限分析

使用OptiStruct软件,对车体前端承载结构进行拓扑优化,以体积分数为约束,以最小应变能作为优化目标,通过优化结果对车体前端骨架结构进行重新排布。对优化后的车体在车钩安装座、前端吸能结构及防爬器三个不同位置加载,完成刚性墙对车体冲击过程仿真。对车体在冲击过程中冲击力-时间曲线和不同时刻应力分布进行分析,得到车体弱刚度区域,通过应力变化临界点确定车体承载极限。对弱刚度区域不同组件的能量-时间曲线与上述承载极限结果进行验证。结果表明,优化后车体前端刚度大幅提升;在车体承载极限内,不同位置加载对车体承载极限影响较小;通过弱刚度区域各不同组件的能量-时间曲线可以准确地找到车体承载极限达到临界点的时刻,为车体动态承载极限提供数据分析。

考虑二次受力的UHPC加固RC墩偏压极限承载力

为揭示考虑二次受力UHPC加固桥墩偏压受力的损伤机理和极限状态,设计制作了UHPC加固RC墩和未加固墩构件,并进行了相应的试验研究和理论分析,并与未加固墩进行了比较。开展了考虑二次受力的UHPC增大截面法加固RC桥墩的小偏压试验,研究了不同初始受力条件下加固墩的破坏模式和极限承载力。结合有限元模型讨论了UHPC抗压强度、加固层的厚度和配筋率对极限承载力的影响。根据极限状态下的受力特性和平衡关系,推导了UHPC加固RC墩偏压极限承载力计算公式。结果表明:UHPC搭配钢筋网加固墩小偏压承载力与未加固墩相比,提升幅度达到了183%以上。UHPC强度对试件极限承载力的影响较大,UHPC厚度增大对加固试件承载力提高也较明显,加固层配筋率对构件承载力的提高影响较小。初始荷载的增大会降低原墩的混凝土利用率,降低加固墩的极限承载力。所提出考虑二次受力公式的计算承载力与实测值误差在3%之内,与有限元计算值误差在8%之内,具有较高的计算精度。研究结果可以为UHPC加固RC墩偏压承载力计算提供理论依据。

海洋纤维增强热塑性立管极限承载拉力预测方法

海洋新型纤维增强热塑性立管因其可盘卷、耐腐蚀、耐疲劳和轻质化等优点,在深水油气开发中应用前景十分广阔。热塑性立管具有复合材料的各向异性、受力耦合效应及复杂的本构关系,且承受浮体运动和复杂海洋环境载荷,其失效模式尚未明确。针对轴对称载荷作用下纤维增强热塑性立管极限承载力问题,进行热塑性管稳态热传导和热应力的理论推导,求解了稳态温度和应力分布,首次给出了在任意温度载荷作用下管体径向位移的解析解,并直接求解其径向、轴向、环向和剪切应力。采用各向同性层Von Mises和各向异性层最大应力(Max Stress)准则或Tsai-Hill准则判定热塑性管的失效,基于应力分布、失效准则和二分法计算了热塑性管的极限载荷。温度载荷、纤维铺设角度和径厚比对管道的应力分布影响显著。不同温度载荷会改变失效指数沿径向的变化趋势,增大轴向拉力将增大热塑性管的失效指数,选用不同的失效准则在管体失效判定上存在一定的差异。热塑性管温度越低、纤维铺设角越小及径厚比越大,管道对轴向拉伸载荷的承载能力越强。

土工合成材料加筋土桥台极限承载力的离心载荷试验

土工合成材料加筋土(geosynthetic-reinforced soil,简称GRS)桥台是桥梁工程的承重结构,对其极限承载力还缺乏清晰的认识。在平面应变条件下开展了5组GRS桥台离心载荷试验,研究了筋材强度、承载区缩进距离和宽度对GRS桥台极限承载力以及破坏模式的影响。试验结果表明,筋材强度对GRS桥台极限承载力影响显著,采用高强度筋材的GRS桥台在加载过程中始终保持稳定。采用低强度筋材的GRS桥台的极限承载力随承载区缩进距离增加而增大,但其增长趋势出现衰减;随承载区域宽度增加,极限承载力降低;现行的半经验半理论公式显著低估了GRS桥台的极限承载力。从试验中和模型拆除后观察,GRS桥台破坏面均从承压区域后缘开始发育,随后向面层方向倾斜向下延伸至约1/2桥台高度处终止;但承载区缩进距离和宽度会影响破坏面的形态和位置。现有方法不能准确地预测GRS桥台破坏面底部终点的位置以及在承载区域下方的形态。增大承载区缩进距离和宽度使得各层筋材应变峰值的位置向桥台内部移动。桥台临空面的存在使得筋材的应变集中于靠近临空面一侧。

复合壳体水中高静压试验及极限承载能力分析

[目的]旨在实现在水中高静压环境下对结构应变的准确测试,同时探究复合壳体在水中高静压环境下的极限承载能力大小以及不同初始缺陷的影响。[方法]首先,开展复合壳体水下高静压试验,提出基于高压防护装置的水下高静压3D-DIC测试方法,获得结构在15 MPa水压下的应变;然后,将其与有限元模型模拟结果进行对比,验证3D-DIC测试系统在水中高静压环境下的可行性以及数值模型的正确性;最后,在此基础上针对不同初始缺陷条件对复合壳体极限承载能力的影响开展仿真计算。[结果]结果显示,试验结果与数值仿真结果的平均误差为5.1%;不同模态下复合壳体的极限承载能力与添加的几何缺陷大小呈二次函数关系,其中,一阶模态下极限承载能力的变化梯度为1.48~2.12 MPa/mm,三阶模态下极限承载能力的平均变化梯度为1~4.32 MPa/mm。[结论]3D-DIC测试技术在水中高静压环境下可以对复合壳体进行准确的应变测量。在水中高静压环境下,几何初始缺陷在很大程度上影响复合壳体的极限承载能力,其中三阶模态的影响程度大于一阶模态。

U型Twin-PBL剪力键极限承载力的数值分析

根据端部承压混凝土可提高Twin-PBL剪力键承载能力的特点,提出一种新型的可用于装配式钢混组合结构的间断式U型Twin-PBL剪力键。通过3组推出试验试件的非线性数值模拟分析,研究了这种新型剪力键的极限承载特点和承载力。结果表明:U型Twin-PBL剪力键极限承载能力较普通承压型Twin-PBL剪力键有显著提高,且提高主要来源于端部混凝土承压面积增大,所以混凝土强度的提高对该剪力键承载能力影响明显,而孔中混凝土榫和贯穿钢筋两部分对承载力贡献无明显变化,故而通过修正端承压混凝土面积得到了这种剪力键承载力计算公式。研究结果为装配式钢-混凝土组合梁桥的间断式剪力键提供了新的思路。

非均质黏土地基单桩基础水平极限承载力研究

为减少海上风机长期受到风浪流等水平荷载的影响,利用ABAQUS软件建立非均质黏土单桩基础极限承载力有限元模型,利用温度作为虚拟变量以反映非均质黏性土抗剪强度随深度变化的关系,采用生死单元法进行地应力平衡,并比较有限元得到的水平荷载下单桩基础承载力变化结果与离心机试验结果,以验证其准确性。结合刚性桩与刚柔性桩水平极限荷载下土体失效模式,分析不同长径比、土体弹性模量系数、桩土摩擦因数等参数对单桩基础水平极限承载力影响。结果表明:桩体预埋深度增加后,桩体从刚性桩向刚柔性桩转变,土体破坏模式从楔形、旋转破坏转变为楔形、满流和旋转破坏。土体弹性模量系数对单桩基础水平极限承载力影响较小,长径比和桩土摩擦系数对单桩基础水平极限承载力有较大影响。

钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点静载试验及极限承载力计算研究

为了解钢桁腹-混凝土组合箱梁(顶、底板为混凝土结构,腹杆为钢结构)外接节点在水平荷载作用下的受力性能,以某钢桁腹-混凝土组合箱梁桥方案为背景,选取钢腹杆轴力最大节点设计、制作缩尺比为1∶3的钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点试件(由混凝土弦杆、方形钢腹杆、节点板组成,原混凝土板简化为混凝土弦杆)并开展静载试验,分析外接节点试件静载试验现象及破坏模式、荷载~位移曲线,以及混凝土弦杆、节点板和钢腹杆的应力分布规律,并基于有效宽度法及撕裂面法与最大强度准则提出外接节点极限承载力计算方法。结果表明:外接节点试件的破坏模式为节点板拉剪断裂失效,极限承载力为设计荷载的5.71倍,承载能力满足要求;混凝土弦杆压应力沿加载方向逐渐减小,沿竖直方向从上往下逐渐增大;节点板应力沿加载方向总体上先增后减,外露节点板是节点受力的关键构件;外接节点极限承载力由节点板和钢腹杆中较弱者控制,采用所提出的计算方法得到的外接节点极限承载力计算值与试验结果相差小于6%。

带水平加劲肋PEC墙-钢梁刚接节点极限承载力

部分包覆钢-混凝土组合(Partially encased composite,PEC)墙在装配式建筑领域具有广阔的应用前景,但其节点承载力尚待进一步深入研究。对带水平加劲肋PEC墙-钢梁刚接节点受力性能进行研究,基于既有试验验证有限元模拟的准确性,考察水平加劲肋厚度、柱间腹板厚度、暗柱截面高度和暗柱横隔板间距等参数对节点承载力的影响,根据节点受力机理和有限元分析结果,提出带水平加劲肋PEC墙-钢梁刚接节点极限承载力计算式。研究表明,计算值与有限元结果吻合良好,适用于带水平加劲肋PEC墙-钢梁刚接节点的极限承载力计算,可供相关工程设计应用参考。

800MPa高强钢T形截面轴压构件极限承载力有限元分析

针对800MPa高强钢T形截面轴压构件失稳问题,基于ABAQUS软件建立有限元计算模型,分析残余应力、几何初始缺陷、翼缘宽厚比、腹板高厚比和构件长细比对构件极限承载力的影响,建立正则化长细比与整体稳定系数关系曲线,并将高强钢T形截面轴压构件极限承载力的模拟结果与GB50017—2017系列设计规范进行比较分析。结果表明:建立的有限元模型能够准确模拟试验构件的屈曲行为,残余应力峰值对短柱承载力影响较小,对大长细比构件的承载力影响较大;试件初弯曲和板件翘曲对小长细比构件极限承载力影响较大,随构件长细比增加,构件极限承载力随着翼缘宽厚比变化表现为敏感度降低,腹板的高厚比变化规律与之类似。计算得到的稳定系数与GB50017—2017中b类柱子曲线吻合较好,建议采用b类柱子曲线计算800MPa高强钢焊接T形截面轴压构件的极限承载力。

含缺陷连续管极限承载研究及安全分析

为了准确评价含缺陷连续管的极限承载能力,提出基于塑性失效准则的含缺陷连续管极限承载理论模型,以有限元结果对比不同类型缺陷对连续管极限承载的影响,并通过灰色关联法得出缺陷深度和截面积为影响连续管极限承载的敏感因素,基于完整管极限承载理论,采用非线性曲面拟合方法对缺陷修正系数进行拟合,建立包含极限内压、极限外压和极限抗拉载荷的含缺陷连续管极限承载理论模型。研究结果表明:本文模型对比经典模型误差更小,最大误差仅为4.56%,可以有效评价含缺陷连续管极限承载能力。研究结果可为连续管安全作业提供参考。

竖向受荷桩极限承载力计算的可靠性分析

为深入探究竖向受荷桩极限承载力3种典型计算模型(双曲线模型、指数曲线模型和灰色理论模型)的可靠性,基于具有极限承载力的95根试桩数据,详细分析3种单桩竖向极限承载力计算模型预测行为的不确定性。研究发现3种计算模型均可基于未达到破坏状态单桩的荷载-沉降数据序列预测其极限承载力,但具有一定的不确定性。编制的计算程序SIMUPU有效提高了单桩极限承载力的计算效率,具有良好的实用性。结合程序分析结果,提出单桩竖向承载力计算模型不确定性的分析方法,阐明了计算模型不确定性的统计特征,发现计算模型的不确定性系数统计均值可用于修正并提高模型预测单桩极限承载力的可靠性。基于双曲线模型极值点法预测的单桩极限承载力普遍偏大,且离散性较大,偏于不安全;采用双曲线模型最大曲率点法确定单桩极限承载力的不确定性系数均值虽接近1.0,但其预测结果的可靠性略有降低。指数曲线模型和灰色理论模型的预测结果整体略偏小,且二者预测结果较为接近,预测所得单桩极限承载力的可靠性优于双曲线模型。基于工程试验桩的应用分析表明,单一计算模型可能产生较大误差,基于本文可靠性分析方法,同时采用3种计算模型进行预测、修正、取均值,可获得更为可靠的单桩极限承载力。研究成果可为单桩极限承载力的分析和获取提供参考和依据。

溶洞上方桩基极限承载力计算

为计算岩溶区桩基的极限承载力,提出一个符合工程实际情况的简化分析模型,充分考虑了桩与溶洞之间距离对桩基承载力的影响。基于极限分析上限法,提出了相应的假定破坏模式,并采用三角形刚性块体对破坏模式进行离散,计算得到外力功率和内能耗散率。以桩端极限承载力作为目标函数,将该问题转化为数学优化模型,并利用MATLAB对数学优化模型求解。将本文计算结果与有限元极限分析法所得结果进行对比,验证了本文方法的正确性。最后,分析了材料参数和几何参数对桩基极限承载力的影响,参数分析表明:随着桩与溶洞距离不断增大,溶洞对桩端承载力的影响越来越小,当桩与溶洞距离超过某一定值时,桩端极限承载力将不受溶洞的影响。

空间异形桥塔的稳定极限承载力计算方法

空间异形桥塔几何构形复杂,存在非规则截面和非理想边界特征,利用现有方法难以获得其稳定极限承载力,无法准确感知结构安全性,保守设计思维引发材料浪费。而这类桥塔形式发展快、规模大,朝着结构高耸化、材料高强化、构件薄壁化的趋势发展,稳定问题突出,需重点关注其稳定极限承载力。本研究剖析了桥塔稳定问题的实质,从非线性稳定安全系数入手,系统考虑构件长细比、双重非线性、初始缺陷的影响,寻求稳定安全系数与稳定折减系数的内在映射关系,提出了空间异形桥塔稳定极限承载力计算方法。采用矩形和圆形钢筋混凝土、纯钢箱、钢箱混凝土等典型理想压杆算例,将稳定承载力结果与规范值比对,验证了所提计算方法的可行性和准确性。最后,以一座典型的空间异形桥塔斜拉桥为工程依托,构建了精细化非线性有限元模拟策略,获得其稳定极限承载力。结果表明:该工程的弹性稳定安全系数为18.56,非线性稳定安全系数为4.125,稳定折减系数为0.899,考虑双重非线性和初始缺陷后,非线性稳定安全系数仅为弹性稳定安全系数的0.22,稳定极限承载力大幅降低。对于长细比较大的异形压杆索塔结构,设计上应充分考虑非线性对结构稳定承载力的影响。