基于接头非线性抗弯刚度的盾构隧道迭代算法的实现与应用

盾构隧道接头环向抗弯刚度反映了接缝在一定的轴力水平下抵抗弯矩作用产生变形的能力,具有典型的非线性特征,设计中对刚度取值的偏差会导致结构变形和内力出现差异。通过将管片接头弯矩-轴力-转角的三维曲面参数编制汇总到数据库文件中,实现接头非线性力学效应向整环模型输入的迭代计算方法。采用接头刚度迭代算法与传统的(修正)惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型的内力与变形结果进行比较。运用大比尺相似结构模型试验对不同外荷载作用下的计算成果进行验证。最后采用迭代算法对复合地层条件下的衬砌结构进行计算分析,并利用现场实测数据进行验证。研究结果表明:接头刚度影响着衬砌的整环抗弯刚度,对于受力均匀的衬砌结构而言,采用梁-弹簧模型的计算结果与迭代计算模型相差不大,满足工程设计要求;对于上下交叠的软硬程度差异极大的复合地层而言,衬砌结构内力相差较大,采用接头刚度迭代算法的计算结果与现场实测值吻合较好,证实了该算法的可行性和合理性。

盾构管片接头非线性转动刚度研究

以一类采用斜直螺栓、不设传力衬垫构造形式的盾构管片接头作为研究对象,对接头非线性转动刚度变化特征以及主要影响因素进行研究。研究表明:①在特定接头轴力作用下,当弯矩超过张开临界弯矩后,接头转动刚度随着弯矩迅速衰减,接头相对柔度值仅与相对荷载(弯矩)有关,而与接头抗压刚度、截面尺寸、材料特性等无关;②高荷载水平下,接头的非线性转动特征与其有效高度的变化密切相关;③在管片接头尺寸和材料特性一定时,接头的张开临界弯矩、屈服临界弯矩以及极限弯矩等三个指标均受管片接头实际承受的轴力控制。在一定范围内,管片轴力增大,可以提高接头的极限承载力。

接头抗弯刚度非线性及渗水影响下盾构隧道力学行为分析

盾构隧道在运营过程中会出现局部渗漏水,对结构的长期安全性有较大影响。目前渗漏水研究中,难以对局部渗漏及盾构隧道的力学特性同时进行准确的模拟。针对该现状,提出一种组合模拟方法,即渗流计算时,管片结构采用均质圆环模型,在局部接头处设置相应的渗流路径;而在力学计算时,关闭渗流场,将管片结构的均质圆环模型替换为考虑接头抗弯刚度非线性的壳–弹簧–接触–地层模型,迭代计算达到平衡。采用该方法对不同渗流量及渗漏位置情况下,隧道周围孔隙水压力分布规律及结构的力学行为进行了对比分析。分析结果表明:渗漏量越大,孔隙水压力降低越明显,结构内力变化越显著,且拱腰附近接头渗水对结构内力的影响程度大于拱顶与拱底附近接头渗水;各接头渗水时,影响区域的划分表现出一致性,即以渗水接头为中心,两侧各36°的区域为严重影响区域;与严重影响区域相连,两侧各48°,60°区域为一般影响区域,剩余区域为微弱影响区域。复合地层情况下,与静水压力工况相比,上半部分渗水导致结构上侧正弯区域增加,下半部分渗水导致结构下侧正弯区域增加,且轴力沿全环分布不均,渗漏侧轴力平均值小于非渗漏侧轴力,对管片结构受力不利。

非线性刚度转子-轴承支承松动故障的特征分析

研究了非线性刚度转子系统发生松动故障时的振动问题.考虑了转轴材料的非线性因素,建立了在非稳态油膜力作用下的非线性刚度转子-滑动轴承系统松动模型,并用Runge-Kutta数值积分方法,得到了系统在不同的参数下的波形图、频谱图和轴心轨迹图的特征.并通过实验数据验证了该方法的可行性.数值分析结果为该类转子-轴承系统的设计和支承松动故障识别提供了一定的参考.

考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明:该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。

分块式预制综合管廊接头非线性转动刚度理论与数值研究

分块式预制综合管廊是一种新型地下管廊结构,其接头处的力学性能往往直接影响管廊的运营安全。现有综合管廊接头转动刚度理论模型有的公式较为复杂,有的准确度不高,难以运用于实际工程中。本文对采用螺栓连接的分块综合管廊横向接头在整个加载阶段的转动刚度进行了理论研究,推导出4个不同受力阶段的接头转动刚度理论计算公式。建立了分块管廊横向接头的三维有限元模型,并对接头处的挠曲变形、接触面应力分布进行了研究。将分块综合管廊接头转动刚度理论、数值与试验结果进行了对比分析,验证了理论公式、有限元分析方法的正确性。由于本文所提出的理论计算公式较为简洁,且所涉及参数很容易得到,因此该公式对预制装配式综合管廊接头性能的评估适用性较好。

盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的"管片环+接头"非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。

齿轮耦合的转子-轴承系统非线性动力特性的研究

在考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙、脱齿、挤齿及齿背接触 等因素的情况下，建立了齿轮耦合的转子—滑动轴承系统的多自由度动力学模型。用数值方 法研究了该系统的质量不平衡响应，结果发现，由于齿轮时变啮合刚度的影响，随着转速的 增加，系统动力学响应首先由周期运动向准周期运动变化，当转速超过某一值时，系统的响应将由准周期运动发展为混沌运动；由于混沌运动，转子将沿齿轮中心线方向产生很大的变 形，脱齿、齿背接触及挤齿现象也将发生，可能导致系统产生破坏。

钢-混凝土组合梁的非线性杆系有限元分析

根据截面应符合平截面假定等基本假设提出了预应力钢 混凝土简支组合梁全过程工作中钢梁下翼缘应力达到0.2fsy、钢梁下翼缘初始屈服、钢梁腹板下翼缘0.3hw高度处屈服及构件正截面破坏这4个特征状态的弯矩、曲率计算公式。基于这些特征点,运用最小二乘法分析得到组合梁截面弯矩 曲率关系的解析表达式。此外,利用该解析表达式建立了组合梁的有限元分析模型,推导了组合梁的单元刚度矩阵,编制了相应的非线性全过程分析程序。该方法考虑了混凝土压碎、钢梁材料硬化对结构性能的影响,计算简单,易于在计算机上实现,计算结果与实测结果较吻合。

盾构法隧道纵向非线性地震响应特性研究

以考虑轴向力与弯矩共同作用的等价刚度非线性动力有限元法 ,分析了地震动作用下盾构法隧道纵向的非线性响应特性。通过与不考虑轴向力与弯矩共同作用的等价刚度法及管片与纵向螺栓单独建模分析等不同方法计算结果的对比 ,验证了等价刚度计算中考虑轴向力与弯矩共同作用的必要性和不考虑轴向力与弯矩共同作用等价刚度法的适用性 ,并就隧道等价刚度、螺栓非线性及地基参数非线性等要素对隧道纵向地震响应的影响情况进行分析。

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。

钢-混凝土组合构件非线性分析

采用三次多项式分段模拟混凝土、钢筋和型钢材料的非线性本构关系 ,以平截面假定为基础 ,推导出双向偏压钢筋混凝土、钢骨混凝土及钢 -混凝土组合构件截面非线性分析通用公式 ,得到的截面割线、切线刚度矩阵是线性与非线性刚度矩阵的叠加。应用标准有限元方法和截面非线性刚度矩阵 ,推导出梁单元刚度表达式。所得到的表达式含义清晰、计算简便 。

钢-混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢 -混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型 ,该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响 ,推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移 ,与已有的理论计算结果和实验结果吻合 ,证明本方法分析钢

一种复合材料螺栓连接结构非线性刚度模型及应用

针对复合材料螺栓连接结构挤压破坏及钉载分配规律,提出一种非线性刚度模型。基于单钉连接结构试验获得的应力-应变曲线,将连接结构挤压破坏过程分为:线性无损伤阶段、非线性损伤扩展阶段和线性退化阶段,并将连接结构等效为弹簧系统模型。模型在线性阶段考虑了层合板间摩擦力的影响;在非线性阶段考虑了层合板面内剪切非线性并定义了非线性损伤函数;在线性退化阶段基于能量吸收原理,对结构失效后力学行为进行了表征。最后,将单钉弹簧模型引入多钉连接结构进行分析,通过多钉连接结构试验验证表明,模型计算结果与试验曲线吻合良好,钉载分配计算误差小,符合工程要求。

考虑滑移效应的钢-混组合梁非线性有限元研究

混凝土桥面板和钢梁之间的剪力连接件能协调混凝土翼板和钢梁的变形,保证钢梁和混凝土桥面板产生组合效应共同工作,但绝对刚性的连接件并不存在,无论是完全剪力连接还是部分剪力连接都存在纵向界面滑移。纵向界面滑移使截面的实际弹性弯矩小于采用换算截面法的弯矩计算值,同时使构件的挠度和应变增大,所以不考虑纵向滑移就不能真实、准确地反映组合梁的受力性能。基于Newmark几何模型,将混凝土板和钢梁以及剪力连接件按一整体单元考虑,采用T.L列式增量法,推导了考虑纵向滑移效应的非线性钢-混组合梁单元模型,并描述和定义了所采用的组合梁各个构件的材料非线性本构关系,最后通过算例验证了所推导方法的准确性。

齿轮耦合的转子-轴承系统的非线性模型

在考虑滑动轴承非线性油膜力、齿轮时变啮合刚度、齿面间的摩擦力以及齿侧间隙的情况下 ,推导出了齿轮耦合的转子 -轴承系统的非线性动力学模型 ,该模型是一个包含强非线性项的非自治系统 ,蕴含着丰富的动力学内容。

钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构非线性地震反应分析

钢-纤维复合筋是一种耐腐蚀、具有稳定二次刚度等特性的新型结构材料。开展了钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的非线性地震反应研究工作,由复合筋的应力-应变本构关系出发,利用修正Gauss-Radau积分法推导了杆件单元柔度矩阵,并用于框架结构非线性时程响应分析。参考现行规范设计了一个8度区的普通钢筋混凝土多层框架结构和一个对比钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构,比较了两个结构在相同地震输入下结构自振周期变化率、非线性时程响应和杆端出铰时间和位置等抗震性能指标。结果表明:在多遇和罕遇地震动输入下,配置钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的最大弹塑性位移与层间转角等指标比普通钢筋的框架结构有所减小;在罕遇水准的地面运动输入下结构自振周期变化率小于RC框架结构,结构刚度退化和损伤程度更小;杆端出铰时间相对更晚、数量更少且更易形成梁铰塑性耗能机制。钢-玄武岩纤维复合筋可充分利用材料的强度,通过合理配置钢筋与玄武岩纤维的比例能够有效控制框架结构的塑性变形、减小结构残余位移,从而减小重力二阶效应对柱的不利影响,改善结构在大震下的性能,确保大震不倒的安全性能目标。

带有结构刚度非线性的跨音速翼型颤振特性研究

以非定常纳维尔 -斯托克斯方程为主管方程 ,计算翼型振荡的瞬态非定常气动力 ,并与带有结构刚度非线性的颤振方程耦合求解 ,用时间推进的方法 ,计算了带有结构刚度非线性的结构响应特性 ,及带有三次型刚度和间隙型刚度非线性的跨音速翼型颤振特性。计算研究表明 ,由于同时具有结构和气动非线性 ,导致了振荡极限环极为复杂的特性。

土-结构非线性相互作用混合约束模态实施方法

分析、探讨线性-非线性混合约束模态综合法用于土-结构相互作用的动力分析实施方法。据结构存在局部非线性特性,提出对整体结构划分为若干个线性、非线性子结构,对线性子结构只需一步提取特性矩阵并进行方程降阶,而对非线性子结构则逐步提取降阶后的等效特性矩阵。通过组装各子结构达到对整体结构特性矩阵的降阶处理。对非线性子结构凭借在小段时间Δt内利用分段等效线性化手段,通过ANSYS二次开发工具UPFs编辑写成可执行程序文件,并与MATLAB联立计算,实现特性矩阵提取。结果表明,该方法求得结构的各阶频率和动态响应时程曲线与ANSYS直接计算吻合良好。可逐步提取等效弹塑性特性矩阵,为采用变化的特性矩阵对结构进入塑性阶段深层次分析研究提供有效方法。

一种新型高效的几何非线性梁-柱单元

进行杆系结构有限元分析时,为得到足够精确的数值解往往需要将构件划分为大量的单元。单元数量的增加不仅会极大的增加计算代价,还易产生数值计算不收敛的问题。在梁-柱单元位移函数中引入了轴力的影响,将传统三次位移函数改进为四次位移函数,并推导得到了新型几何非线性梁-柱单元。新单元几何非线性刚度矩阵中考虑了单元位形变化对平衡方程的影响及单元位形变化对几何方程的影响,进而可以考虑二阶效应、弓形效应。采用新单元编制了有限元程序,算例分析表明:该新梁-柱单元精度得到了显著改善,可以极大减少非线性有限元模型的单元数量,在分析柱的稳定、梁悬链线效应等极限问题时具有显著优势。