非圆弧拱面内自由振动实用解析

针对非圆弧拱面内线性自由振动没有解析的现状,提出了一种变系数平衡微分方程近似解析方法来解决该问题。基于笛卡尔直角坐标系下非圆弧拱线性应变与Hamilton原理,推演了非圆弧拱面内自由振动变系数平衡微分方程;基于陡拱与浅拱面内振型没有显著差异的基本假定,将该变系数平衡微分方程对应的常系数平衡微分方程的通解,代入变系数平衡微分方程,得到该变系数平衡微分方程的不平衡差;当该不平衡差沿全拱积分为零时自振频率误差最小,进而得到非圆弧拱面内自振频率高精度实用解析。基于所提出的变系数平衡微分方程近似解析方法,推演了非圆弧两铰拱与无铰拱面内自振频率实用解析,并阐明了非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的逻辑关系。抛物线、悬索线、悬链线与组合线等常用非圆弧两铰拱与无铰拱自由振动算例结果表明:该研究的基本假定得到了严格检验;自振频率与有限元结果吻合较好,非圆弧拱前十阶自振频率中,两铰拱自振频率最大相对误差为7.71%,无铰拱自振频率最大相对误差为4.34%;非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的比例系数,可为行业规范条文修订提供参考。

圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡性能与参数分析

为规避当前施工方法的不足,发展安全、高效和可靠的施工方法。依托东北地区某高速铁路路堑边坡工程,采用适于机械钻孔的圆形抗滑桩代替现行矩形抗滑桩,预制拱形挡土板,本文提出一种新型拱形板-桩墙支挡体系;并构建有限元模型,分析桩长、桩径、桩间距以及拱形挡土板矢跨比对新型拱形板-桩墙支挡体系支护性能的影响;揭示不同参数下桩顶水平位移与桩身内力的变化规律。研究结果表明:桩长与桩身弯矩和剪力大小呈正相关关系,与桩顶水平位移呈负相关关系。桩长超过14 m时,其对桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力的影响效应明显减弱;随着桩间距增大,桩顶水平位移增大但变化幅度逐渐减小。拱形挡土板矢跨比增大时,桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力均减小。影响拱形板-桩墙体系支挡性能的因素依次为桩间距、桩长、桩径和矢跨比。研究结果为圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡体系在实际工程中的应用提供新思路。

离散侧向平移支撑圆弧拱的自由振动分析

拱通常采用离散侧向平移支撑增加其面外稳定性,而离散侧向平移支撑会产生振型耦合效应,显著影响拱的振动特性。为研究等间距离散侧向平移支撑对两铰圆弧拱自由振动的影响,通过假定拱的耦合振型,基于Hamilton原理求解离散侧向平移支撑圆弧拱的自振频率,并与有限元数值结果比较。同时,还探究了拱的面外长细比、圆心角以及侧向支撑的数量和位置对拱的临界刚度及最大基频的影响。研究结果表明:假定的耦合振型可以描述复杂的离散侧向平移支撑拱的弯扭振型,并能准确预测拱的自振频率和支撑临界刚度。侧向平移支撑拱的基频随支撑刚度的增加呈现多种增长模式,根据振型变化情况将其划分为第1类、过渡和第2类增长模式,不同增长模式之间的转换取决于拱的面外长细比、拱的圆心角、支撑数量以及支撑位置。当拱的面外长细比和拱的圆心角的组合靠近第1类增长模式和其他增长模式的分界线时,拱的支撑临界刚度和最大基频显著增大。支撑位置靠近两端翼缘时可能会改变拱的基频振型,但支撑位置在剪切中心附近时,拱的基频最大。拱基频在第1类增长模式时,支撑数量的增加显著提高拱的最大基频,在过渡增长模式时,支撑数量的增加对最大基频的影响减弱,而在第2类增长模式下,拱的最大基频随支撑数量的增加基本不发生变化。

In-Plane Elastic Stability of Arches under a Radial Concentrated Load

This paper is concerned with the in-plane elastic stability of arches subjected to a radial concentrated load. The equilibrium equation for pin-ended circular arches is established by using energy method, and it is proved that the axial force is nearly a constant along the circumference of the circular arches. Based on force method, the equation for the primary eigen function is derived and solved, and the approximate analytical solution of critical instability load is obtained. Numerical examples are given and discussed.

含裂纹圆拱的模态参数分析

基于圆拱振动微分方程,引入基于断裂力学的线弹簧模型,分析了含单裂纹圆拱的面内自由振动特性。基于摄动理论,揭示了不同裂纹位置和裂纹深度下结构的模态变化规律;同时结合有限元模型,对比了拱结构内、外侧裂纹对结构模态参数的不同影响;利用损伤拱试验数据,检验了建立的含裂纹拱力学计算模型的适用性与可靠性。结果表明:在拱结构中,各阶模态对裂纹损伤的依赖性不同,当损伤靠近某阶振型峰值点或固定端时,该阶模态固有频率下降显著;同阶模态中拱外侧裂纹在振型峰值较大处对损伤敏感,而内侧裂纹在振型峰值较小处敏感。

竖向基础激励下圆弧拱动内力分析

文中以竖向基础激励下两端固接圆弧拱为研究对象,运用能量法与哈密顿原理推导了圆弧拱的运动方程,分析了圆弧拱动轴力与动弯矩随圆心角和长细比的变化规律,并用有限元软件建立了数值分析模型,验证了理论解析解的正确性。结果表明,大长细比圆弧拱的动轴力随着圆心角的增加先逐渐增加,然后逐渐减小;对于小长细比的圆弧拱,其无量纲动轴力随着圆心角的增加而增加。大长细比圆弧拱的无量纲动弯矩随圆心角的增加而增加,并在较小的圆心角处达到一个峰值,然后随着圆心角的增加,无量纲动弯矩先减小后增加;对于小长细比的圆弧拱,其无量纲动弯矩随着圆心角的增加而逐渐增加。

某圆拱形桥塔矮塔斜拉桥索塔锚固方案研究

随着对桥梁景观造型要求的提高,斜拉桥的桥塔会采用非常规造型。上海金运路─申昆路道路贯通工程中跨吴淞江大桥,为满足景观造型要求,采用圆拱形桥塔矮塔斜拉桥。索塔锚固区的设计难点是截面尺寸小,索塔锚固区构造布置空间受限,锚固构件放样、焊接困难,是控制设计的关键部位。配合工程设计,根据常用的提出可行的锚固方案,再通过有限元受力分析验证其可行性与安全性。

望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究

为保障望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带的施工安全及长期稳定,通过钻孔窥视、数值模拟等方法,探究断层构造影响下围岩松动圈发育特征,以组合拱理论为基础对锚杆、锚索支护进行优化设计,采用可伸缩U型钢架提高支护强度,数值模拟验证支护方案的可行性,实现了快速顺利通过F15断层,为后续巷道支护及施工提供可靠参考。

蚀变岩地质条件隧洞底拱衬砌针梁滑模施工技术

圆形隧洞底拱衬砌常规翻模工艺中模板需设置足够的锚筋,增加较长的工序时间和较高的成本费用,而对于长距离蚀变软岩的隧洞更是受力条件差,另外水工隧洞糙率要求高,需解决外观质量通病的产生和处理。以硬梁包水电站引水隧洞为例,经过探索改进工艺,设计并使用了底拱混凝土衬砌针梁滑模台车,实现了高质量、低成本、简施工和节约工期等目标。

基于普氏理论的圆形隧道竖向土压力计算方法

基于经典普氏压力拱理论,对隧道竖向土压力进行了分析论证,在此基础上,结合圆形隧道开挖后土体滑裂面的实际情况,对经典普氏压力拱理论进行了合理的改进,推导了圆形隧道平衡拱半跨度B和平衡拱高度h的解析表达式,由此建立了圆形隧道竖向土压力计算公式。通过一个具体的算例,对比分析了圆形隧道条件下直接采用经典普氏压力拱理论以及采用文中改进方法所得隧道竖向土压力之间的差异,初步验证了文中所提出改进方法的合理性。

圆形深基坑环撑刚度计算分析及应用

通过圆形基坑实例,推导单个环形支撑的水平刚度系数,提出了圆环支撑刚度系数的简易计算公式,利用其解析解作为支护结构单元计算刚度输入的初始数据,并通过启明星BSC计算软件及迈达斯GTS-NX三维有限元软件计算出的位移和内力及基坑开挖后实测的位移和内力对环撑水平刚度进行反推,并与解析解对比。结果表明:解析解计算出的环撑水平刚度系数较反推计算结果偏大。根据对比分析,对环撑水平刚度系数计算公式进行了修正,修正结果能基本与反推结果吻合,可为今后类似圆形深基坑的设计、施工提供参考。

压弯圆弧拱平面内稳定承载力设计方法的理论与试验研究

对压弯圆弧拱平面内稳定承载力设计方法进行理论研究,考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和支承条件的影响,提出热轧圆管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面压弯圆弧拱平面内稳定承载力的设计建议公式。在数值计算的基础上,分别对全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载作用下的焊接工字形截面两铰圆弧钢拱的平面内稳定承载力进行试验研究,试验结果与有限元计算结果吻合良好。

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。

钢管混凝土支架构件—圆弧拱破坏机理研究

以钢管混凝土支架支护深井软岩巷道为背景,对钢管混凝土支架组成构件中的四分之一圆弧拱进行六分点等值加载,以研究试验试件的矢跨比和钢纤维体积掺量对试件力学性能的影响。实验表明,钢管混凝土圆弧拱试件拱底处主要受压弯剪应力影响,最先发生局部破坏;拱顶处主要受压应力影响,拱底和拱顶均为试件最薄弱截面。矢跨比越大,能够承受的荷载和刚度越大。1%~1.5%钢纤维体积掺量的试件的柔性增强,极限荷载与无钢纤维试件差别不大。继续增加钢纤维掺量,试件刚度增加,但试件极限荷载降低,钢纤维体积掺量在1%~1.5%较为合适。再通过数值模拟进一步研究试件危险截面的受力形式和试件的截面尺寸、矢跨比、壁厚对承载力的影响。与此同时,结合试验分析和数值模拟结果,从试件截面强度、局部失稳、整体失稳三方面进行理论分析,给出钢管混凝土圆弧拱局部失稳的原因和承载力的计算公式。最后,结合实际工程情况,提出钢管混凝土设计方案。

跨中集中荷载作用下弹性约束圆弧拱的稳定性分析

研究了跨中集中荷载作用下两端由不同转动刚度弹性约束的铰支圆弧拱的面内稳定性。由变形几何关系、变分原理得到了拱的非线性平衡方程,建立了外荷载、结构内力、径向位移的对应关系,通过定义拱的深浅参数和约束刚度参数进行分析,并得到了跳跃屈曲和分岔屈曲的发生条件及存在区间。通过数值分析可知本文方法所得屈曲路径和屈曲荷载与有限元法所得结论吻合良好,极值点、临界荷载相对差值在1%左右。对不同结构参数区间圆弧拱在集中荷载作用下的屈曲路径和临界荷载进行了分析,结果表明约束刚度对屈曲路径和临界荷载起决定性的作用,深浅参数决定屈曲发生条件、屈曲形式、极值点对数。

两种单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性分析

针对单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性研究较少的现状,基于有限元平面梁大变形几何非线性屈曲理论,应用ANSYS有限元软件,研究了无边立柱及带边立柱两种形式单杆型圆弧拱塑料大棚骨架承受竖向均布荷载下的几何非线性屈曲性能。研究结果表明:在相同的几何参数条件下,无边柱骨架的极限承载力远高于带边柱骨架,且结构的破坏点集中于1/2跨、1/4跨和底部柱脚处;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着矢跨比的增加而增加;无边立柱骨架合理的矢跨比在0.3左右,带边柱单杆骨架无最优矢跨比;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着长细比的增加而减小;带边立柱单杆圆弧拱塑料大棚结构表现出更强的几何非线性。

可考虑任意围岩压力分布形式的隧道衬砌计算分析

以大型通用软件ANSYS为平台,采用静力等效原则,把压力转化为相应的节点荷载,解决了隧道围岩压力与节点位置相关又不与衬砌结构垂直的输入问题.利用ANSYS的参数化高级设计语言,编制了适合任意三心圆拱衬砌断面和不同围岩压力分布形式的隧道衬砌内力和偏心距的通用计算程序.这为隧道设计提供了很大的方便.以武广客运专线双线浅埋隧道为例进行了计算分析.结果表明:对于埋深较浅的隧道,如果拱顶围岩压力按均布进行计算,结果会产生较大误差.围岩压力仅按均布设计的隧道,拱腰易出现开裂;围岩压力仅按马鞍型设计的隧道,拱顶易出现开裂;最好采用多种围岩分布形式进行隧道设计与验算.

非理想边界拱的面内失稳模式与屈曲荷载

将拱结构中既非固结也非铰支的非理想边界考虑为沿不同方向的具有一定刚度的弹性约束,利用变形几何关系和能量变分原理推导了拱的非线性平衡方程.以圆弧拱为例建立了径向均布荷载下外荷载与结构内力、径向位移之间的关系,通过定义拱的深浅参数和临界约束刚度进行分析并得到了跳跃屈曲、分岔屈曲等的发生条件及存在区间.本文方法所得屈曲路径和屈曲荷载与有限元法所得结论吻合良好,且用数值法分析了不同约束刚度时的屈曲路径和临界荷载.结果表明,临界深浅参数和临界约束刚度对圆弧拱的屈曲模式及屈曲临界荷载影响显著.

解析型几何非线性圆拱单元

为研究圆拱结构几何非线性内力和位移计算以及平面内稳定分析问题,基于圆拱几何非线性静力分析模型,构造了解析位移形函数,进而利用能量法和势能变分原理,构造了解析型几何非线性圆拱单元,给出了单元列式;同时将该文模型通过理论退化,得到了不考虑轴向变形的无压缩圆拱模型,进一步得到了解析型无压缩几何非线性圆拱单元,并将此单元应用于圆拱的平面内稳定分析。研究结果表明:采用本单元模型进行平面内分岔失稳分析得到的失稳临界荷载系数与经典Timoshenko模型、Dinnik模型及静力法模型计算结果一致,相对误差为0%;平面内分岔失稳的临界荷载与平面内极值点失稳的临界荷载一致。该文单元具有解析型、高精确性以及良好的适用性,可用于任意工况下圆拱结构几何非线性位移、内力和平面内稳定分析。

变截面圆拱的自由振动

本文应用传递矩阵法研究了变截面圆拱的自由振动。用解析法推导了等截面圆拱单元的精确传递矩阵 ,再应用传递矩阵原理建立变截面圆拱自由振动的特征方程。该法具有计算简单、节约内存的优点 ,可方便地用于实际结构计算和设计。