Theoretical research and experimental validation of quasi-static load spectra on bogie frame structures of high-speed trains

One of the major problems in structural fatigue life analysis is establishing structural load spectra under actual operating conditions.This study conducts theoretical research and experimental validation of quasi-static load spectra on bogie frame structures of high-speed trains.The quasistatic load series that corresponds to quasi-static deformation modes are identified according to the structural form and bearing conditions of high-speed train bogie frames.Moreover,a force-measuring frame is designed and manufactured based on the quasi-static load series.The load decoupling model of the quasi-static load series is then established via calibration tests.Quasi-static load–time histories,together with online tests and decoupling analysis,are obtained for the intermediate range of the Beijing—Shanghai dedicated passenger line.The damage consistency calibration of the quasi-static discrete load spectra is performed according to a damage consistency criterion and a genetic algorithm.The calibrated damage that corresponds with the quasi-static discrete load spectra satisfies the safety requirements of bogie frames.

爆破扰动高应力巷道围岩力学响应特征研究

为研究深井厚硬顶板采场巷道围岩在高静载和强动载耦合作用下的力学响应,基于相似模拟试验分析原岩应力、采动应力及爆破扰动三阶段的巷道围岩应力场与位移场,结合光纤环向应变场研究巷道围岩破坏特征,探索爆破扰动应力波在不同煤岩体中的传播规律及巷道动力响应机制。研究结果表明:巷道开挖后顶底板卸压明显,两帮产生应力集中区,采动应力阶段应力集中区范围增加50%,爆破后顶板围岩沿垮落角大范围卸压,应力沿巷道左肩窝逆时针逐渐增大;浅部巷道围岩呈现向自由面膨胀–变形,受巷道肩窝处剪切滑移错动影响,锚杆、锚索支护场产生相反的位移量,应力波扰动后,巷道左帮产生拉伸裂纹并与锚杆支护场连成宏观裂纹,裂纹发育高度大于锚杆支护场高度;巷道围岩顶底板呈现明显的张拉破坏特征,左右肩角呈现张拉及剪切复合破坏形式;应力波由小阻抗介质进入大阻抗介质的衰减速度最快,在同种介质中衰减速度次之,由大阻抗介质进入小阻抗介质中应力波峰值反而增大,应力波峰值强度衰减后仍大于巷道顶板极限抗拉强度,导致巷道围岩大变形失稳并产生一定程度的动力响应。基于应力波连续穿过层状岩体理论模型,结合动静载叠加理论,可优化爆破参数从而实现减冲抗冲主被动联合支护。

扰动诱发高应力岩石动力响应及岩爆灾变机制

为揭示深部矿山岩爆发生机制,以硬质红砂岩为研究对象,利用岩石动静组合加载试验系统开展了无轴向静压及4个轴压条件下的不同入射能冲击试验,获得了纯动载及动静组合加载下岩样的力学行为与破坏特征。结果表明:试样最终形态分为完整、轴向劈裂、表面剥离、即时型粉碎和滞后型粉碎五类,其中,表面剥离和滞后型粉碎两类破坏模式表现出“岩爆”特征,即Ⅰ型应力−应变曲线、峰后释放能量、岩石自身静应变储能驱动碎片弹射、明显压剪破坏面;根据碎片弹射与动力加载的相对时间,进一步将表面剥离与滞后型粉碎破坏分别对应深地工程中的“即时型”和“滞后型”岩爆;动力扰动是岩爆的关键诱发因素,触发岩爆的临界扰动能随轴压比升高而逐渐降低。

静风荷载下大跨斜拉桥上无缝线路受力与变形

大跨度斜拉桥在自然风场中易因自身柔度特性发生位移变形。为研究静风荷载作用下大跨斜拉桥上CRTS(China Railway Track System)双块式无砟轨道无缝线路桥梁及轨道结构在空间三向的力学性能分布规律,参照某一四线预应力混凝土斜拉桥工程实例,基于有限元法建立了大跨斜拉桥上无缝线路精细化空间耦合模型,分析了横桥向静风荷载作用下桥梁体系及桥上轨道结构的力学性能。分析结果表明:桥梁及桥上轨道结构三向(应)力最大值基本分布在斜拉桥跨中及边墩附近;各结构三向(应)力中,底座板、桥梁结构纵向应力峰值最大,约为横向应力峰值的8倍,约为竖向应力峰值的7倍、15倍,轨道板结构表现为横向应力峰值最大,且与其余两向应力峰值之间差距较小;各结构三向位移中,横向、竖向位移均在跨中及附近达到最大值,纵向位移在斜拉桥边墩附近达到最大值,其中,横向位移峰值是其余两向位移峰值的20余倍;桥梁两侧构件竖向、纵向位移方向相反,即桥梁表现为静风作用下的倾覆、弯曲倾向。研究成果可为风环境中大跨斜拉桥上线路设计、维护检修以及健康监测提供理论依据。

面向初步设计的一种高效静气动弹性分析方法

大展弦比柔性机翼在气动载荷作用下会发生弹性变形从而引起气动特性变化,因此在初步设计阶段,希望使用一种高效分析方法研究静气动弹性平衡下机翼气动载荷的重新分布情况。本文提供了一种求解静气动弹性变形和对应气动载荷的高效方法,即采取松耦合策略,假设攻角不变,将未变形状态的载荷加载到结构上,计算出结构变形,再由变形后的气动外形计算气动载荷分布,反复迭代至变形/载荷收敛,得到机翼最终气动弹性载荷分布情况和气动特性。采用大展弦比弹性模型飞机算例表明了该方法的可行性。

耦合排障−吸能的高速列车排障器结构双尺度拓扑优化设计

排障器置于列车前端,先于车体冲击排开轨道上的障碍物。在列车速度或障碍物尺寸发生改变时,排障器结构在刚度和吸能特性上具有不同的设计要求。为了设计一种耦合排障−吸能的结构形式,提出一种整体大刚度(排障)、局部结构降低冲击力(削峰吸能)的双尺度优化设计方法。该方法在以刚度为目标的整体结构初设计中确定变形区间,并在串行路线下完成以引导结构变形为目标的局部结构优化,最终形成新型排障器。研究结果表明:在基于标准EN 15227的静载荷工况下,新型排障器结构的质量降低了7%,同时,结构安全性提升;在冲击刚性墙仿真中,相较于原有排障器,新型排障器的峰值力降低了17.5%,且优化后的缓冲梁结构使排障器中部产生的弯折变形变为压缩变形,有效缓解了排障器后侧对车体结构的挤压现象。

高空升降框架的结构优化与有限元分析

沙漠环境中易出现的极端风载对设备的安全性能提出极高要求,现有高空升降框架的设计主要依靠工程经验,存在用料多、自重大、安全余量高等不足。针对此,采用CREO软件建立高空升降框架的三维实体模型,根据国标规定将风载等效为静载荷,采用ANSYS软件对极端风载作用下高空升降框架力学特性进行仿真计算。结果表明:系统与风载不存在共振风险,极限风载作用下系统最大应力幅值为166 MPa。进一步提出设计精细、造价经济的高空升降框架优化设计方案,在极限风载作用下,优化框架静力学计算结果表明:优化后系统的最大应力幅值在降低约35%的同时,可实现整体减重约17%。

UHPC预制拼装综合管廊的抗弯性能试验

针对预制拼装钢筋混凝土(RC)管廊自重大和吊装难的问题,通过试设计超高性能混凝土(UHPC)预制拼装管廊主体构造,并进行1∶2模型的静力试验;得到UHPC综合管廊的顶底板和侧墙在不同荷载作用下的破坏形态、荷载-变形关系、钢筋和混凝土应变,并对整体受力机制、破坏模式和极限承载力进行分析.结果表明,UHPC管廊重量可减少30%,破坏模式与RC管廊基本一致,均为弯曲破坏,但UHPC管廊的开裂荷载和变形能力明显提高.在实测数据的基础上,通过简化拉压区应力分布图形,建立UHPC综合管廊抗弯极限承载力的计算方法,得到的计算值与实测值吻合良好,误差在10%左右.提出的计算公式可为UHPC综合管廊的设计计算提供参考.

多因素耦合高静载窄短工作面防冲管控对策

冲击地压是巨野矿区灾害防治的重点,彭庄煤矿地处巨野矿区,属埋深超千米的冲击地压矿井。大埋深工作面多因素耦合高静载工作面冲击风险高,治理难度大。矿井按照“强卸压、强支护、强监测”的防冲技术路线,在3307工作面采取高密度大直径钻孔卸压、顶板爆破预裂、增加被动支护密度等针对性防冲措施,有效降低了采空区三角煤柱应力集中程度,解决受大埋深、采空区、巷道切割、断层等多因素影响的高静载窄短工作面安全推采的问题。

宝鸡峡漆水河渡槽钻孔灌注桩承载力检测试验

宝鸡峡灌区漆水河渡槽工程对基桩承载力检测试验综合采用了静载法和高应变法,通过两种检测法验证了单桩极限承载力满足设计要求,并对两种检测方法的优缺点、准确性和可靠性进行了对比分析。在进行工程基桩检测时合理进行二者选择、结合,才能满足工程需求,也为类似工程基桩承载力检测提供了参考。

基桩综合检测技术在中风化泥岩中的应用

高应变法具有适用性强、效率高、成本低等优点,常应用于摩擦型基桩检测,但该法在软岩地基检测中可参考的经验较少,研究资料相对缺乏,且受锤重、落距、贯入度等因素影响,CASE法阻尼系数jc参数选取具有较大主观性。论文基于CASE理论计算方法,提出中风化泥岩地基中的高应变检测贯入度及j_(c)值建议选取范围。以依托工程AZ18#、AZ35#、AZ57#桩基高应变、静载试验数据对比分析,动静误差分别为3.06%、15.74%、5.16%。结合高应变波形曲线图分析AZ35#桩侧阻与端阻,认为该桩身完整性类别为Ⅱ类桩,桩底反应明显,动静载误差虽>15%,尚属于试验可控的允许误差。

改进高应变法的桥梁基桩承载力检测研究

为实现对桥梁基桩承载力的检测,本研究引入高应变法,并对某桥梁建设项目中的基桩进行承载力检测。在明确了桥梁建设项目的基本概况后,选择重锤、荷载箱、基桩静载仪、基桩高应变承载力检测仪器等设备。利用高应变法,提出改进高应变法的桥梁基桩承载力检测方法。经过检测,发现该桥梁建设项目的承载力特征值均超过了设计承载力特征值。同时,通过检测得到的极限承载力数值结果将可作为该桥梁建设项目承载力验收的依据。

静载试验和高应变法在桩基承载力检测中的对比试验

以巴基斯坦某电厂桩基承载力检测为目的,分别采用静载试验法和高应变动力检测法对旋挖法和反循环法两种成桩工艺的四根试桩进行承载力检测,并对结果进行了对比分析。结果表明,静载试验与高应变法实测四根试桩的承载力特征值均大于设计承载力特征值,均满足设计要求;两种方法对不同成桩工艺桩基承载力的检测结果均具有较好的一致性,采用高应变法代替静载试验在该地区进行桩基承载力检测具有较强的可行性和适用性;为该地区桩基承载力检测提供参考和借鉴。

非挤土嵌岩预应力高强度混凝土管桩的桩端承载性能研究

施工装备和工艺的不断创新使得非挤土嵌岩预应力高强度混凝土(prestressed high-strength concrete,简称PHC)管桩逐渐得到推广和应用。为揭示嵌入中微风化岩PHC管桩的桩端承载机制,以随钻跟管工法桩为背景,基于泥质粉砂岩地区5组桩径为500 mm的PHC管桩桩端现场静载破坏性试验,分析了不同条件下嵌岩PHC管桩的桩端承载性能及宏观破坏模式,并提出桩端承载力计算方法。试验表明:对于采用敞口桩靴的PHC管桩,未封底时,敞口桩靴削弱了PHC管桩桩端承载性能,呈现刺入岩基的破坏,极限荷载下桩端沉降为11~15 mm;混凝土封底后,显著提高了桩端承载性能,极限承载力较非封底时提升340%,封底混凝土和桩靴的桩端阻力分担比分别为78%和22%,桩端呈整体剪切破坏。基于Hoek-Brown强度准则,提出了嵌岩PHC管桩桩端承力简化计算方法,计算精度得到了试验验证,可供非挤土嵌岩PHC管桩的设计与施工参考。

灌注桩承载特性测试技术研究进展

灌注桩凭借承载力高、施工工艺成熟、施工机械化程度高等优点被广泛应用于城市建设中。有效确定灌注桩的承载特性和充分掌握承载特性的测试方法,是确保建(构)筑物安全使用的前提和保证。为此,围绕灌注桩承载特性和承载特性关键测试方法进行了梳理,总结和评述中外相关的最新研究现状,系统归纳灌注桩承载特性的影响因素和荷载传递规律,重点介绍低应变法、声波透射法、高应变法、静载荷试验、自平衡试验等灌注桩完整性和承载特性测试方法的原理与特点,简述分布式光纤测试技术在灌注桩承载性能测试方面的最新研究进展,综合现有研究成果对灌注桩桩端阻力、桩侧摩阻力以及桩身荷载传递规律进行概述与分析,最后基于目前灌注桩承载特性及测试方法的研究不足与缺陷,提出了具有针对性的建议措施以促进灌注桩承载特性测试方法的进步与发展。

高强钢丝布-聚合物砂浆加固混凝土楼板的静载试验研究

基于中国建筑东北设计研究院老办公楼改造项目,为研究高强钢丝布-聚合物砂浆加固法在楼板加固中的受力性能,模拟老办公楼楼板制作了同跨度、近似等强度的钢筋混凝土试验基板,进行了试验基板(B1类)、试验基板板底采用高强钢丝布-聚合物砂浆加固(B2类)、试验基板板底采用高强钢丝布-聚合物砂浆和板顶采用钢筋混凝土叠合层加固(B3类)的3类实比例楼板的静载试验。试验结果表明:在试件挠度达到L/200之前,跨中正筋拉应力未达到屈服,荷载主要有高强度钢丝承受;在跨中挠度达L/200时、产生相同裂缝宽度0.200 mm时和极限承载破坏状态时,加固后的楼板承载能力均有大幅度提高;板边支座形式对承载力影响较大,采用连续板相比简支板形式,能较大提高承载力。

基于层内力等效的偏心高层建筑三维等效静力风荷载

对于质心和刚心不重合的偏心高层建筑,由于结构三维振型耦合与气动力耦合等因素的影响,其等效静力风荷载的评估变得十分复杂.基于振型加速度法,推导了考虑三维气动力耦合和振型交叉项贡献的偏心高层建筑各层拟静力项和惯性力项内力(剪力和弯矩)响应计算方法 .在此基础上,基于各层内力响应等效,建立了能合理反映荷载沿高分布信息的结构三维等效静力风荷载评估方法.随后,结合3种典型矩形截面高层建筑刚性模型测压风洞试验,分析了荷载相关性、结构偏心率和截面长宽比对偏心结构三维等效静力风荷载的影响.研究表明:对于偏心截面高层建筑,振型交叉项和荷载相关性对结构风致响应与等效静力风荷载的贡献不可忽视,若忽略两者则会低估偏心高层建筑三维等效静力风荷载,特别是扭转向等效静力风荷载.此外,偏心率和截面长宽比同样影响偏心高层建筑等效静力风荷载的大小和分布情况.相关研究可为偏心高层建筑的抗风设计提供一定的指导.

高温后钢-混组合梁抗剪性能试验研究

为研究钢-混组合梁经历高温后的抗剪性能,以受热温度和冷却方式为试验参数,分别开展了普通混凝土、钢材高温后材料性能试验和钢-混组合梁高温后静力试验。对高温冷却后混凝土和钢材的基本力学性能进行了试验研究,并采用扫描电镜观察了高温后混凝土的微观结构;按“强弯弱剪”设计了7片钢-混组合梁,测定了升降温过程中截面温度场分布,开展了常温和经历高温冷却后组合梁加载破坏试验,对组合梁常温和高温后的极限承载力、跨中挠度和应变变化进行对比分析,研究了受热温度和冷却方式对组合梁受力性能的影响,并探讨了高温后组合梁极限抗剪承载力计算方法。结果表明:高温后混凝土内部水泥复合物疏松和水泥与骨料包裹界面出现裂纹是混凝土宏观力学性能劣化的主要原因;常温和高温冷却后钢-混组合梁的破坏形态均为混凝土板出现贯穿的斜裂缝;随着温度的升高,组合梁的承载力、刚度和延性均降低;低于400℃时冷却方式对承载力影响较小,600℃时喷水冷却后组合梁承载力大于自然冷却;与自然冷却试件相比,喷水冷却下试件的刚度较大,极限挠度较小;基于试验数据和回归分析建立了混凝土抗压强度、钢材屈服强度与受热温度之间的计算公式;修正后的AS/NZS 2327规范公式计算值与试验值吻合良好。

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明:①3-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;②模拟得到3-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;③提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。

民用飞机策略化气动弹性载荷方法研究

针对现代大型民用飞机静气动弹性载荷分析的需求,建立了策略化的弹性载荷设计方法。采用工程梁法、平板面元法、高阶面元法和大变形法,并引入风洞试验或CFD气动压力数据对飞机压力分布进行修正,对某大型民用飞机进行弹性载荷分析。研究表明:在飞机概念设计阶段,可采用工程梁法实现几十万种工况弹性载荷快速分析;在初步设计阶段,可采用优化的工程梁法和平板面元法进行几千种工况的弹性载荷分析;在详细设计阶段,可采用高阶面元法和大变形法进行几百种工况的弹性载荷分析。该策略化的静气动弹性载荷设计方法精度高、效率高,满足了大型民用飞机弹性载荷不同设计阶段需求,具有较强的工程适用性。