快速铁路路桥过渡段土工格栅加筋结构设计与施工

考虑路桥过渡段的工程特性及快速行车的要求 ,对路桥过渡段土工格栅加筋结构的设计要求与原则进行了讨论 ,并结合秦沈客运专线大成特大桥过渡段施工实例 ,介绍了该路桥过渡段的设计。

冲击后含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲

采用数值分析方法研究了冲击后含损伤的复合材料格栅加筋板的后屈曲特性。基于Mindlin一阶剪切理论和Von Karman大挠度理论,建立了冲击后蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板后屈曲分析的有限元方法;分析中同时考虑了蒙皮和肋骨中纤维断裂、基体开裂等损伤累积造成的刚度的退化和蒙皮分层子板间的闭合接触效应,为含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲特性研究提供了一种有效的数值分析方法。分析结果表明,蒙皮分层面积较大时,格栅加筋板出现蒙皮分层上子板的局部屈曲后仍然具有较强的继续承载能力,而在后屈曲分析中,应考虑损伤累积对格栅加筋结构承载能力的影响;采用非线性虚拟界面元可成功处理分层子板间的闭合接触效应。

先进复合材料格栅加筋板的总体稳定性分析

通过建立复合材料格栅结构单元的基本力学假设和分析模型,推导了一种新的等效刚度计算方法,用于分析复合材料格栅加筋板的总体稳定性。该方法充分考虑了筋条和面板的相互作用和中面偏移效应,并具有通用性。结合Rayleigh-Ritz能量近似法,推导出了求解加筋板总体屈曲载荷的通用特征方程;分析了多种算例,并与修正平铺法进行了比较,结果吻合得很好。

新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法

针对薄壁复合材料格栅加筋结构的受力特点,在改进原有力学假设的基础之上,推导了一种新的平铺等效刚度计算方法,它充分考虑了筋条和面板之间的相互作用．通过格栅单元结构布局形式的参数化表示,建立了通用的力学分析模型;该模型可用于分析各种结构布局形式和面板铺层方式下的结构总体屈曲问题,故对于航空航天结构设计非常有用．结合Rayleigh-Ritz方法,推导出了求解格栅加筋板屈曲载荷的通用线性特征方程;最后,分析了多种类型格栅结构的算例,并与现有的各种方法进行了比较,结果更为精确,因而对格栅加筋结构的优化设计具有很好的应用价值．

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和Von-Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;基于总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例,讨论了不同的初始分层尺寸、肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响,通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。

复合材料格栅加筋板的分层扩展特性

采用有限元方法对低速冲击后蒙皮内含有不同分层形式的复合材料格栅加筋(AGS)板的分层扩展行为进行了数值模拟。采用虚裂纹闭合技术计算分层前缘的总能量释放率,并以总能量释放率准则作为分层扩展判据,结合自适应网格移动技术,分别研究了在压缩载荷作用下,蒙皮内具有圆形和椭圆形分层的复合材料格栅加筋板的分层扩展过程。数值研究结果表明:分层深度的变化导致了AGS的分层扩展特性十分复杂,它与分层深度、初始分层尺寸、蒙皮和肋骨的刚度比、后屈曲变形模式等因素都密切相关。本文结论对AGS的承载能力预测及优化设计具有一定的参考价值。

一种分析AGS结构的三角形加筋板壳单元

基于精细三角形Mindlin板单元构造了21个自由度三角形复合材料加筋板壳单元。在该单元构造过程中,考虑了肋骨弯曲、扭转、面内剪切和横向剪切变形的影响;由于肋骨和蒙皮的位移插值函数采用了相同的形函数,保证了两者变形的协调性,同时又放松了肋骨转动的约束,故与传统的板单元相比,能较好地反映了蒙皮和肋骨的变形特征。在此单元中,肋骨放置的数量、位置和角度可以任意,为结构的单元网格剖分带来了很大的便利。算例结果验证了单元的有效性,特别是在分析高肋结构时,显示出其比传统加筋板单元具有更高精度的优点。还以一典型的先进复合材料等格栅加筋板(AGS)为例,讨论了该结构弯曲变形的力学特性。

土工格栅蠕变特性的试验研究及粘弹性本构模型

土工格栅的蠕变特性是影响土工格栅加筋支挡结构长期工作性能的重要因素。通过实验室内蠕变试验,针对不同荷载和温度组合,对土工格栅的蠕变特性进行了对比试验。通过对试验结果的综合比较,详细地分析了土工格栅载荷-应变等时曲线、蠕变曲线及松驰曲线的变化特征,由此并基于粘弹性理论提出了能够反映土工格栅蠕变特性的粘弹性本构模型,提出了模型参数的合理确定方法。并通过模型预测与试验结果的对比论证了所建议粘弹性本构模型的可靠性。

用于AGS结构分析的混合法

结合均匀化模型和加筋单元模型构造了一种混合模型用来分析复合材料格栅加筋板/壳结构(AGS)。所构造的加筋单元模型是一种高性能协调转角独立加筋板壳单元,保持了肋骨和蒙皮位移场的协调性,同时还满足肋骨和蒙皮具有独立转动条件,该单元中肋骨的方向和位置任意。混合法具有精度高、速度快等特点。通过典型算例讨论了肋骨间距和高度对均匀化模型计算结果精度的影响,通过对带孔复合材料AGS板孔边特殊点应力值的分析证明了混合法的有效性。

先进复合材料AGS结构损伤扩展分析

基于精细加筋单元模型提出了一种用于先进复合材料格栅加筋(AGS)结构的损伤启始和扩展分析方法。该方法同时考虑了层内损伤和层间损伤,其中,层内损伤包括蒙皮纤维破坏、蒙皮基体开裂、蒙皮纤维-基体剪切破坏以及肋骨纤维破坏,而层间损伤为蒙皮分层损伤。对于层内损伤采用材料常数退化准则;而对于分层损伤,提出了一种新的等效刚度退化准则。通过典型算例证明了该损伤模型用于AGS结构分析的有效性,并详细分析了中心含孔复合材料正交各向异性格栅加筋曲板和光板在轴压下的损伤扩展机理和行为。计算结果表明,蒙皮层内损伤往往先于分层损伤发生并扩展,纤维-基体剪切破坏在45°铺层扩展速度最快,分层损伤区域极易发生局部蒙皮失稳。

格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响

研究格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响。首先,基于格栅间距沿母线方向的变化特征和等效平铺模型推导了格栅加筋圆锥壳体的等效刚度阵。其次,采用Donnell型扁壳理论推导了在均布外压作用下格栅加筋圆锥壳体稳定性分析的总势能表达式,利用最小势能原理得到了该壳体总体稳定性的临界载荷值,所得计算结果与实验结果十分吻合。最后,通过典型数例参数讨论,说明格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响将随底锥角增大而显著。该文将为先进复合材料格栅加筋圆锥壳体的参数优化设计提供一种高效和可靠的分析方法。

基于变环肋间距的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性

研究均布外压作用下具有非均匀特征的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋(AGS)圆锥壳体构型优化。首先,充分考虑复合材料格栅圆锥壳体中格栅非均匀分布造成结构小端材料利用不充分问题,提出变环肋铺设间距的优化分布方式,使格栅在截顶圆锥壳体结构上小端疏大端密。之后,基于考虑格栅非均匀分布及变环肋间距铺设特征的等效刚度模型,并采用最小势能原理得到环肋铺设优化后的AGS圆锥壳体临界载荷值解析式。针对典型锥壳的有限元验证表明解析算法的误差在1%左右,证实了本文提出的分析方法的可靠性和有效性。最后,通过对环肋间距优化圆锥壳体的参数分析,发现优化环肋分布方式可以使AGS锥壳结构的外压稳定性大幅上升。本文研究内容为碳纤维/环氧树脂复合材料AGS圆锥壳体的优化设计提供了一种具有较高承载力的构型,并为此类结构的计算提供了解析算法。

含损伤复合材料AGS板的屈曲特性

采用有限元数值模拟方法,研究了蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板结构(AGS)的稳定性问题。对蒙皮和肋骨分别采用基于Mindlin一阶剪切理论的复合材料层合板单元和层合梁单元来模拟,推导了相应的有限元列式,并通过坐标变换,利用蒙皮与肋骨的几何连续条件,形成了AGS的单元刚度阵和几何刚度阵,建立了含损伤AGS稳定性分析的有限元控制方程。通过典型算例,研究了压缩载荷作用下,分层形状、分层大小、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式等因素对AGS的稳定性特征的影响。数值结果表明,含分层损伤的AGS具有十分复杂的屈曲性态。屈曲临界力和屈曲模式与分层面积、分层形状、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式和位置均密切相关。

含分层损伤AGS起裂和扩展过程数值模拟

建立了在压缩荷载下先进复合材料格栅加筋结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程的数值模拟方法.首先,基于一阶剪切变形理论和Von Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;其次,采用总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应;最后,应用OpenGL实现了分层损伤的扩展动态可视化过程.通过典型算例,讨论了肋骨与分层中心的相对位置,以及蒙皮的铺层方式对AGS结构的分层起裂和扩展过程的影响.所提方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测将具有参考价值.

复合材料格栅增强夹芯梁弯曲性能研究

为研究含填充芯材复合材料格栅增强夹芯梁的弯曲性能,采用均质化方法对夹芯层等效弹性参数进行理论推导.结合平行移轴刚度理论、一阶剪切理论对含填充芯材复合材料格栅增强夹芯梁的弯曲刚度、最大挠度进行理论分析;然后对夹芯梁的弯曲性能进行了研究,结果表明:夹芯梁的相对弯曲刚度、挠度与格栅芯材弹性模量比之间存在一次分式函数关系,所用格栅可使相对弯曲刚度提高21.5%,相对挠度下降19.5%;当夹芯层与蒙皮厚度较小时,格栅对夹芯梁的相对弯曲刚度无明显提升;在相同条件下,格栅纵向分布比横向分布更利于夹芯梁提升刚度、降低挠度;当格栅纤维铺层角度在45°时,可使夹芯层弯曲刚度最大提升约21%,夹芯梁相对弯曲挠度下降约7%,而对夹芯梁相对弯曲刚度影响微小.

Improved Simulation Method for Soil-Geogrid Interaction of Reinforced Earth Structure in FEM

The interaction between geogrid and soil is crucial for the stability of geogrid-reinforced earth structure. In finite element （FE） analysis, geogrids are usually assumed as beam or truss elements, and the interaction between geogrid and soil is considered as Coulomb friction resistance, which cannot reflect the true stress and displacement developed in the reinlbrcement. And the traditional Lagrangian elements used to simulate soil always become highly distorted and lose accuracy in high-stress blocks. An improved geogrid model that can produce shear resistance and passive resistance and a soil model using the Eulerian technique, in combination with the coupled Eulerian-Lagrangian （CEL） method, are used to analyze the interaction between geogrid and soil of reinforced foundation test in ABAQUS. The stress in the backfill, resistance of geogrid, and settlement of foundation were computed and the results of analysis agree well with the experimental results. This simulation method is of referential value for FE analysis of reinforced earth structure.

湿热环境下考虑累积失效和分层损伤AGS结构的稳定性

对湿热环境下考虑累积失效和分层损伤的先进复合材料格栅加筋结构(AGS)的稳定性进行了数值分析。基于一阶剪切理论和Von Karman非线性变形假设建立了含分层损伤复合材料AGS结构的有限元模型,并推导了考虑温度和湿度效应的AGS结构有限元列式,同时给出了材料破坏准则。通过典型算例讨论了湿热环境、累积失效及分层损伤等因素对复合材料AGS结构稳定性的影响,数值结果表明当上述因素导致结构的屈曲模式发生突变时,其对AGS结构稳定性能的影响是不容忽视的。