崩塌危岩体减震消能复合加固结构抗震性能试验研究

地震区工程建设中崩塌危岩体的加固方式目前主要是锚固和支挡两类结构形式。加固结构与危岩体的连结都采用刚性连结,结构与危岩体之间几乎无变形能力,因此抗震性能较差。在地震作用下,特别是强震作用下极易破坏失效,造成崩塌灾害,在我国西南地震区工程中大量存在此类破坏现象。为解决目前加固结构存在的问题,设计了一种允许地震作用下危岩体能够有限度的变位、可以缓冲危岩体的地震冲击力、具有减震消能功能的崩塌危岩体复合加固结构,结构由锚杆(索)、减震锚头(一级消能)、连梁、支撑桩以及设于连梁与支撑桩之间的作为二级减震消能装置所组成。为验证复合加固结构的功效,除理论分析外,利用振动台进行与同等条件普通锚杆加固结构的物理模型对比试验。试验选用具有地区代表性的不同波形、幅值与频率的地震波作为输入波形。理论分析与试验结果表明:复合加固结构相较于无防护措施的同样崩塌体理论分析,其位移增长速度显著降低,累积位移幅度显著减小;相较于传统锚杆加固结构,所承受的拉力和压力显著减小;峰值加速度放大系数明显降低。证明复合加固结构利用自身的弹塑性变形以及阻尼力,有效抵御由于地震作用在危岩体上产生的动应力,有效转移了危岩体的冲击动能,减震消能作用明显,避免加固结构损坏,从而阻止崩塌灾害的发生,证明复合加固结构能够分层次地削弥小震、中震、大震时产生的地震能峰值。减震消能复合结构为地震区崩塌危岩体的加固提供了一种新的加固方案,对于提升地震区工程中崩塌危岩体的加固技术具有较大的现实意义。

可恢复功能复合结构体系基于复模态叠加法的响应分析和应用

可恢复功能复合结构体系利用黏滞阻尼等耗能机制可显著提高抗震韧性水平,同时导致其非比例阻尼特征更加突出,采用传统振型叠加法进行响应计算会产生较大误差。为建立该类体系面向抗震韧性的设计方法,该文在前期研究基础上,推导得到可恢复功能复合结构体系分布参数模型复模态正交性条件,建立了该类体系基础激励下动力响应的复模态叠加计算方法。在验证推导正确性后,将该方法应用于两个方面:传统振型叠加法响应计算误差分析和复合体系的设计参数选择。结果表明:相比于振型叠加法只在非比例阻尼不显著的情况具备较好的计算精度,复模态叠加法不仅可以更加准确地计算地震响应,而且可以量化黏滞阻尼对结构响应的控制效果,对于指导该类体系的设计具有参考价值。

基于复合弱化结构的上覆煤柱区冲击地压防控研究

为实现上覆煤柱影响区冲击地压的整体可控性,提出利用复合弱化结构进行冲击能量耗散,在阐述复合弱化结构定义、分类和弱化度及上覆煤柱导致冲击地压发生机理的基础上,分析了复合弱化结构的防冲力学机制。结果表明:弹性能指数、冲击能指数随复合弱化结构弱化度的增大而降低;复合弱化结构将冲击危险区域的弹性能分段耗散,能有效改变煤岩弹性能释放模式;对既定的残留煤柱采用顶板(煤)预破坏措施实现冲击能量的耗散。在唐山矿煤柱区域进行了现场试验,采取整体耗能措施后,冲击危险区域的钻孔应力值和钻屑量均小于发生冲击地压的临界值,保证了煤柱区的安全生产。

框架-分布摇摆芯筒-核心筒结构体系力学模型及耗能减震性能分析

为了提高传统框架-核心筒(frame core tube, FCT)结构的经济性,提出框架-分布芯筒-核心筒(frame-distributed tube-core tube, FDCT)新型高层结构体系,用以减小传统筒体围合面积。进而提出框架-分布摇摆芯筒-核心筒(frame-distributed rocking tube-core tube, FDRCT)新型高层结构体系,改善FDCT因刚度削弱导致的抗震能力下降。根据FCT结构、FDCT结构和FDRCT结构的简化分析模型,基于Lagrange方程建立三种结构的动力方程。通过分析地震下结构的时程响应,针对分布摇摆芯筒的质量进行相关参数分析,证明附加摇摆体系的FDRCT结构具备优良的耗能减震性能。对三种结构分别进行了不同场地条件以及不同类型长周期地震波下动力时程分析,结果表明FDRCT结构在不同类型地震波下均有耗能减震效果,且在长周期地震波下更为优越。对三种结构的性能-利润总值进行评估,结果表明在不同类型地震波下FDRCT结构均可实现既能提升结构的经济性,也能保证结构在地震下的安全性能。

基于无人机摄影测量的露天矿边坡非连续变形分析

岩体结构面在很大程度上影响了露天矿岩质边坡的稳定性。为提高岩质边坡结构面信息获取的精度及获取动态破坏过程的能量耗散问题,首先借助无人机非接触摄影测量的优势,提出无人机多层次全方位摄影测量方法获取露天矿边坡结构面信息;其次对动态破坏过程施加黏性阻尼,实现能量耗散,并与试验结果进行对比;最后应用所提方法对某露天矿岩质边坡进行非连续变形分析(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)。研究结果表明:多层次全方位无人机摄影测量方法对于边坡结构面信息的采集精度良好,施加2.45%~2.53%黏性阻尼的非连续变形分析结果与试验结果基本一致。对某露天矿岩质边坡实际破坏过程的模拟效果良好,且DDA分析得出的滑落面位置与现场位移监测分析结果一致;滑落面安全系数为1.167,处于失稳临界状态,故应提前剥离上覆预失稳岩体,从源头上解决该边坡的滑坡灾害问题。所提方法也适用于其他结构面发育的边坡体分析。

岩石变形破坏过程耗散结构理论分析及损伤模型

将岩石视为系统,运用耗散结构理论分析能量在岩石系统形成有序耗散结构过程中的作用机制,揭示能量演化与强度变化、缺陷系统演化之间的关系和规律,在此基础上,以耗散能为参量建立描述缺陷系统演化过程的非线性动力学方程,推导耗散能演化方程,采用非线性最小二乘法对多种岩石的耗散能演化试验数据进行回归分析,验证耗散能演化方程的正确性。基于能量耗散和耗散能演化方程定义损伤变量表达式,从而得到能够反映岩石内部能量和力学作用机制的损伤演化方程。依据连续损伤理论建立考虑残余强度的岩石三维损伤本构模型,通过与多种岩石不同围压下的试验应力应变曲线进行对比,分析表明理论曲线与试验曲线吻合良好,所建损伤本构模型可以很好地描述复杂应力环境下岩石材料的变形与强度特性。

考虑阻尼器失效的屈服消能摇摆双层框架墩结构地震反应分析

针对应用延性抗震理念设计的双层桥梁结构震后塑性损伤严重、功能恢复困难的现状,本文基于摇摆理念提出一种屈服消能摇摆双层框架墩结构体系,以控制结构地震损伤和提升结构震后功能可恢复能力。应用拉格朗日方程和动量矩定理建立了该类摇摆结构的刚体动力反应分析模型,并考虑了桥墩复位碰撞造成的能量损失和防屈曲阻尼器的失效。本文以常规双层桥梁结构尺寸的摇摆桥梁为研究对象,采用远场地震动、无脉冲近场地震动和脉冲近场地震动对屈服消能摇摆双层框架墩结构进行了地震反应分析和阻尼器参数分析。分析结果表明:分析屈服消能摇摆双层框架墩结构地震反应时需考虑阻尼器失效的情况,以防止低估结构地震反应的情况发生;阻尼器刚度的增加可提升结构体系减隔震效果,而阻尼器失效伸长量过小不利于结构减隔震。

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。

静动态加载下岩石结构破坏时的能量分析

设计了岩石孔洞结构试件,对其分别进行静态加载和动态冲击实验,对试件的破坏模式进行理论上的预估计,观察了破坏现象的差异.分别实测了结构的输入能与储存的可释放应变能,利用表面能的概念分析并计算了破坏过程中的耗散能;通过能量守恒原理对破碎后岩石颗粒的飞溅速度进行了初步估计,理论估计值与实验中通过高速摄像机所捕捉到的速度值基本吻合.

岩石失稳破裂的能量原理分析

岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料,其内部结构和变形过程十分复杂,通过分析指出如果用能量的观点研究岩石的破坏问题,就有可能发现岩石破坏的物理机理。基于这一思路,认为岩石在变形初期阶段具有能量耗散的特点,用耗散结构理论研究这一过程;受力超过峰值点,岩石发生突然破坏,瞬间释放出大量的能量,这一过程可以用灾变理论进行研究。最后指出了岩石能量原理需要研究的主要内容。

新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究

传统滚石棚洞主要是通过结构顶部的砂砾石垫层来耗能抗冲击的,然而实践表明:砂砾石垫层材料不仅缓冲吸能效果有限,且自重荷载较大,建设成本偏高,不利于大面积推广应用。为此,提出一种新型耗能减震棚洞,通过在棚洞支座处增设耗能减震器,在最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构的系统柔度,达到耗能减震的目的。通过构建非线性质量弹簧体系来模拟滚石冲击下棚洞结构的动力响应,并结合能量原理对新型棚洞的防滚石抗冲击机制进行分析,结果表明耗能减震棚洞能大幅度降低滚石的最大冲击力,并通过耗能减震器的变形来耗散冲击能,大幅度降低棚洞结构的建设成本。

耗散结构理论在岩石类材料变形系统中的初探

从系统的角度出发,运用耗散结构理论,对岩石类材料的极限承载力、破裂过程及其变形过程中的能量变化、宏观应力-应变关系等进行深入的分析,从而更深入地揭示岩石类材料力学特性的本质。研究结果表明岩石类材料变形系统具有耗散结构的特性,岩石受力产生变形是非线性动力学过程,即系统内部各要素之间发生协调和相干效应,岩石承载力(强度)是外界做功功率和岩石自身耗散能率达到平衡的外在力学表现。

自回复跷动减震结构地震反应分析

自回复跷动减震技术是一种新型的隔震减震技术,它使结构发生跷动的同时,能够消除结构的残余变形或者使结构的残余变形维持在一个足够低的水平。本文对自回复跷动减震结构体系进行推覆-卸载和增量动力分析(IDA),提出自回复跷动减震结构抗震性能的快速评估方法;验证在大震作用下,自回复跷动减震结构具有显著减小结构位移响应、减小结构残余位移(即自回复)和耗能的减震性能;随着地震波强度的增大,自回复跷动减震结构具有显著的自回复性能。

自复位耗能结构的概念、分类及研究进展

残余变形对震后结构的整体性能具有重要影响,是基于性能的抗震设计的关键参数之一。为解决传统结构体系残余变形过大的问题,维持结构在震后的正常使用功能,自复位耗能结构(Self-Centering EnergyDissipative Structures,SCEDS)近年来成为国际土木工程领域的研究热点。在特定水准的地震作用下,SCEDS能够降低刚度、抑制地震作用增长、稳定耗散地震能量、对结构实现保护作用,同时利用自身的恢复力消除震后残余变形。首先阐释了控制残余变形对于结构性能的重要意义,总结了实现结构自复位的5个基本原理,并建议了相应的SCEDS的分类;然后对不同类别的典型SCEDS进行了历史回顾和现状总结;最后结合面临的问题展望了SCEDS的发展方向。

一种轻型消能摇摆架近断层地震响应减震分析

针对传统摇摆墙自重大、受地震作用强的缺点,提出一种轻型自复位消能摇摆架。将轻型摇摆架应用于一幢六层RC框架,对其构造和减震机理进行阐述。提出摇摆架体和自复位消能支撑(SCED)的设计方法,利用OpenSees对轻型摇摆架减震框架在近场地震动罕遇水平下进行非线性动力时程分析。数值分析结果表明,与原结构相比,加入自复位消能摇摆框架后,有效降低了结构的位移峰值响应和残余位移,框架结构层间位移峰值、层间位移角和残余位移角分别降低了27.2%、38.9%和50%,且层间位移角分布更加均匀,降低了结构因为薄弱层而出现过早失效的可能性。

层状岩体的破坏特征及其迭代计算方法

层状岩体的物理力学特性沿层面和层面法向各异,为明显的各向异性,其破坏形式和破坏机理与一般岩体也不同。本文根据层状岩体的物理力学性质分析了其破坏特性及其迭代计算方法,推导了损伤状态应力表达式和损伤刚度修正表达式,改进了三维非线性层状各向异性弹塑性损伤有限元数值计算方法并运用于工程实例中。计算分析了岩层倾角对洞室围岩稳定的影响,对各种岩层倾角方案的位移、破坏体积、破坏类型和能量耗散等指标进行对比分析和综合评价,结合工程经验,得出层状岩体中地下洞室的合理布置方式。分析结果与工程实际相吻合。

基于能量的新型消能摇摆结构体系抗震性能研究

利用能量法分析新型消能摇摆结构体系在地震动过程中的耗能机制,并对其抗震性能进行系统研究。以某已建成的6层框架结构为研究对象,建立新型消能摇摆结构体系的计算模型,利用Opensees软件获得新型消能摇摆结构体系在不同地震动激励下的动力响应,分析其各子结构的耗能部位及所占比例。结果表明:新型消能摇摆结构体系的耗能机制更为合理,其抗震性能优于传统结构体系,为工程设计和研究提供一些参考。

框架-摇摆消能桁架减震体系抗震性能分析

提出了框架-摇摆消能桁架这一新型摇摆结构体系,摇摆消能桁架是由抗弯刚度较大的型钢或组合截面的立杆通过水平连杆和消能斜撑相连而成,消能桁架与框架主体采用铰结连接。利用通用有限元软件SAP2000对比分析了框架与摇摆消能桁架在不同地震强度影响下体系的弹塑性地震响应和层间变形特征,结果表明,摇摆消能桁架可以减轻结构地震响应,使结构各层层间变形趋于均匀。同时研究了耗能元件与主体结构在不同水平地震时耗散地震能量的性能,摇摆消能桁架可以在地震强度不大时就可以发挥耗能功能保护主体结构。研究结果表明,摇摆消能桁架在减轻震害保护建筑方面具有优势,具有一定应用前景。

基于弹塑性地震响应的轻型消能摇摆架-框架结构损伤性能分析

轻型消能摇摆架-框架结构作为一种新的结构体系,要将其应用于工程实际中,还需要大量理论分析和试验研究的支持。本文以一栋5层钢筋混凝土框架结构为原型,利用Open Sees有限元软件建立钢筋混凝土(RC)框架结构、摇摆架-框架结构、轻型消能摇摆架-框架结构的模型。首先利用单条地震动对三种模型进行弹塑性动力时程分析,从而对其局部损伤进行研究;然后选用20条地震动对结构进行增量动力分析(IDA分析),利用概率统计分析方法对于三种模型的整体损伤情况进行统计和分析。依据损伤指数可以对结构局部和整体损伤分布情况做出较好的评判,分析结果表明:增设轻型摇摆架能够提高结构的抗震能力,改善结构损伤机制,添加自复位消能支撑更可以优化结构耗能机制,大幅降低结构整体损伤程度。

基于履带式阻尼器的框架-摇摆墙耗能结构抗震性能研究

介绍了基于履带式阻尼器的框架-摇摆墙耗能结构及其抗震性能的研究分析.框架-摇摆墙结构能改善结构的变形机制,提高结构抗震性能,缺点是削弱了结构刚度,使各层位移加大.而履带式阻尼器构造简单、安装方便、价格低廉,且能在2个方向上帮助结构耗能,帮助结构提升抗震性能.通过对框架剪力墙结构、框架-摇摆墙结构及基于履带式阻尼器的框架-摇摆墙耗能结构进行静力非线性推覆分析及动力非线性时程分析,对比研究3种结构的抗震性能.结果表明:框架-摇摆墙结构较框架剪力墙结构层间变形趋于一致,结构损伤趋于均匀,属整体破坏机制,相比框架剪力墙结构更加符合规范要求的"强柱弱梁""强剪弱弯"的设计原则;而履带式阻尼器可有效降低框架-摇摆墙结构的层位移及层间位移角,基于履带式阻尼器的框架-摇摆墙结构在承受地震荷载时层位移小,层间位移变化均匀,抗震性能更加优越.