复合空间索对大跨度铁路悬索桥横向刚度影响的研究

为提升大跨度铁路悬索桥的横向刚度,提出一种由主、副斜拉索组成的复合空间索结构。然后,基于材料有效利用率和静力分析,对复合空间索的直径、主斜拉索在加劲梁和地表的锚点位置、副斜拉索的数量等参数进行了优化。最后,采用风-车-桥耦合振动分析法,基于行车性能得到了桥梁横向挠跨比限值,分析了主、副斜拉索对横向挠跨比限值提升率的影响。结果表明:基于材料有效利用率,主斜拉索与加劲梁的锚点位置宜设在1/4主跨附近,且主斜拉索的地表锚点、加劲梁锚点与桥塔的垂直距离相等时最优,每组复合空间索中副斜拉索设置1根即可;在复合空间索的最优布置形式下,桥梁横向挠跨比可降低14.18%,横向挠跨比限值可提升16.79%。

索-悬链线拱联合结构的受力机理与力学特征

早期拱桥已运营多年,缺乏有效的养护,且设计荷载等级偏低;随着交通量的增加及车辆超载,其在活载作用下的力学性能已不能满足现代交通需求。为改善此类拱桥的受力性能,提出一种索-悬链线拱联合结构,在拱肋两侧对称设置索,使索和拱肋形成新的受力体系,从而改变悬链线拱结构的传力路径,进而降低拱结构的内力。在索-拱联合结构图式下,基于弹性中心法对其力法方程进行简化,采用近似曲线积分方法推导了竖向移动荷载作用下拱肋的内力解析解,并借助ANSYS有限元软件验证解析解的准确性;分析了在车道荷载作用下索约束位置、拱轴系数、矢跨比和轴向刚度比等设计参数对拱结构的影响,揭示了索-拱联合结构的受力机理和内力变化规律。研究表明,内力解析解与有限元结果的相对误差在1%以内;索的设置改变了拱结构弯矩影响线量值的正、负区间分布,而且有效地降低了拱结构弯矩影响线的峰值,从而使拱结构的整体弯矩得到较大幅度的降低,弯矩分布更均匀;沿拱脚至拱顶,拱结构弯矩的降低幅度和轴力的增长幅度均逐渐减小;轴向刚度比从0.02增加至0.10,拱脚负弯矩的减小幅度呈非线性增大,最大降幅达63.7%;索力的增长幅度与其数值大小成反比,当索设置在距拱顶0.3L(L为拱跨经)时,索力可增至轴向刚度比为0.02时的1.9倍。矢跨比对拱结构内力带来的影响不容忽视,矢跨比越大拱结构的内力变化幅度越大;拱轴系数对拱结构内力的影响可以忽略。

基于工程经济性的公路悬索桥主缆最优垂跨比研究

为寻求工程经济性最优的公路悬索桥主缆垂跨比,以我国近年多座采用混凝土桥塔的单跨公路悬索桥为背景,建立主缆、锚碇、桥塔基础工程量的直接函数模型和桥塔塔身工程量的非线性函数拟合模型,对跨度750~2250 m、单层车道数4~8及双层车道数6+4、垂跨比1/14~1/6共952种布置形式的悬索桥进行大范围关于主缆垂跨比的工程经济性研究,并以2座实桥为算例分析主缆垂跨比对悬索桥静、动力性能及抗风性能的影响。结果表明:主缆垂跨比对悬索桥工程经济性影响显著;悬索桥主缆最优垂跨比与跨度相关,而车道数、加劲梁荷载集度的影响相对较小,涉水和不涉水的差异也不显著;基于工程经济性考虑,跨度750~2250 m的悬索桥主缆最优垂跨比为1/6.5~1/8.5,比经验值增大较多。2座实桥算例分析表明随着垂跨比增加,加劲梁挠度和活载应力有所增加,抗风性能略有提升,建议方案设计阶段加大垂跨比研究范围、对工程经济性和桥梁力学性能进行综合比选。

嵌入式H型钢梁柱节点受力性能研究

为解决传统标准梁柱节点施工复杂、节点强度低等一系列问题,提出一种嵌入式H型钢梁柱节点结构形式,并设计4个梁柱节点试件(1个标准现浇梁柱节点试件,3个嵌入式H型钢梁柱节点试件)进行试验研究,设置型钢翼缘宽度、剪跨比为主要参数,对4个试件的破坏形态、承载力、变形能力进行对比分析。结果表明:嵌入式H型钢梁柱节点试件的节点核心区柱端混凝土裂缝较少,裂缝分布和破坏位置基本上发生于梁端,充分满足了“强柱弱梁”的设计要求;相较于标准现浇梁柱节点试件,嵌入式H型钢梁柱节点试件峰值承载力、极限承载力、变形能力均显著提高,当型钢翼缘加宽时,试件峰值承载力和极限承载力提升较为有限,当剪跨比大于2.7时,承载力将会明显降低。

水平往复荷载作用下钢箱提篮拱弹塑性力学性能研究

目的 探究倾角、矢跨比及宽跨比三个参数对钢箱提篮拱在水平往复荷载作用下力学性能的影响,为钢提篮拱桥抗震设计提供理论基础。方法 通过改变参数,建立54个钢箱提篮拱有限元模型,在水平往复荷载作用下进行滞回分析,研究钢箱提篮拱水平力-位移滞回性能、极限承载力和拱顶横撑内力、变形在不同参数条件下的变化规律。结果 随着拱肋倾斜角度、宽跨比的增加或矢跨比的减小,结构初期刚度、极限承载能力均有较大提高,但横撑内力也随之增加,并会产生局部失稳破坏,影响结构的承载能力。结论 增加拱肋倾斜角度对钢箱提篮拱横向力学性能有较大改善,但在设计时应注意横撑内力增加带来的不利影响。

基于不同流动时间占比的紧凑式室温磁制冷系统实验研究

磁制冷因高效、环保、结构简单等特点,正有望成为替代传统蒸气制冷的新型室温制冷技术之一.当前针对单一影响因子对磁制冷样机的影响作用规律研究较为丰富,但对磁场-流场时序中流动时间占比工况的研究较少,且影响规律尚不明晰.本文以前期研制的紧凑型室温磁制冷系统为基础,在固定的磁场时序情况下开展不同流动时间占比的实验研究,探索制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的关联.以磁场时序1:4:1:4与频率0.45 Hz的工况为例,开展了固定磁场时序的不同流动时间占比(100%,80%,60%)的实验研究.结果表明:1)小利用系数和高流动时间的组合可获得较大温跨,大利用系数和高流动时间占比的组合可获得较大冷量,其中当利用系数为0.42、流动时间占比为100%时,获得最大无负荷制冷温跨26.2 K;2)对比研究了利用系数与流动时间占比对回热器压降及性能系数的影响,流动时间占比的增大和利用系数的减小均会造成流体速度的减小,会使压降进一步减小,性能系数进一步增大.本研究阐明了制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的影响规律,为进一步提升室温磁制冷机的性能奠定基础.

预制UHPC永久模板钢筋混凝土组合梁抗剪性能有限元分析

为了研究预制超高性能混凝土永久模板钢筋混凝土组合梁抗剪性能,选取合适的U型UHPC预制单元本构关系,建立了钢筋混凝土梁的有限元永久模型,并与已有的试验数据进行比较,验证了模型的可靠性,并分析配箍率、剪跨比等参数对超高性能混凝土组合梁抗剪性能的影响。结果显示:超高性能混凝土预制单元可显著提高斜向开裂荷载和极限荷载;预制单元会限制箍筋的作用,所以配箍率对组合梁影响小;剪跨比对组合梁抗剪性能影响大,但是和配箍率一样都会影响其延性。

上海超深基坑地下连续墙的空间变形特性实测分析

基于大量现场实测数据,对上海城区某大型通道工程超深基坑在开挖和降水耦合作用下地下连续墙的空间变形特性及规律进行了详细分析与研究。结果表明:①当基坑长深比、长宽比较小时,受坑角效应影响,地下连续墙变形呈现显著的三维效应,且局部出现较大横向挠曲,其中靠近坑角两侧的局部挠跨比大于中部,靠近坑角两侧的横向挠跨比平均值约为(0.32~0.56)δ_(h)/H_(e),跨中位置横向挠跨比平均值约为(0.15~0.23)δ_(h)/H_(e);②地下连续墙最大侧移δhm随着开挖深度H的增加而呈非线性变化,特别地当开挖深度H超过12m之后,其变化率明显增加;③大幅度坑内超前预降水的卸荷效应会造成地下连续墙先期变形显著增加,并导致后续累计变形的大幅增加,受此影响,基坑开挖期间地下连续墙最大侧移及竖向变形分别为0.7%He,0.1%He(回弹),坑中立柱回弹变形最大为0.2%He,约为地下墙回弹的两倍,各变形量均显著大于上海地铁标准车站基坑(深度16~20 m)的实测统计数据。因此,在超深基坑施工过程中应尽量采用分步降水方式,避免一次性预降水。

基于调研数据的部分斜拉桥设计关键参数研究

针对部分斜拉桥设计关键参数缺少足够规范指导的问题,通过对国内外的部分斜拉桥进行设计主要参数调研统计,并与现有相关规范、科研成果进行对比研究,讨论了部分斜拉桥各型结构体系适用性、拉索布置形式,总结给出拉索倾角和间距、边主跨比、塔跨比、索梁刚度比和无索区长度等重要设计参数取值范围。结果表明,拉索倾角一般为11°~35°,主梁上拉索间距一般采用3.5 m~8 m,塔上的拉索间距一般采用0.5 m~1.2 m;3跨布置时,边主跨比一般集中在0.41~0.70,塔跨比宜采用1/3~1/13,索梁刚度比宜小于30;主跨跨中无索区长度与跨径之比宜取0.06~0.21。

小剪跨比铁路圆端桥墩拟静力试验及易损性分析

为厘清小剪跨比圆端铁路桥墩横桥向的地震损伤机理,以国内某铁路沿线桥梁为参考开展3组缩尺比1∶8的拟静力试验,对滞回曲线的延性、残余位移、滞回耗能和刚度退化4个方面进行分析,以试验结果为参考使用OpenSees建立纤维截面有限元模型并进行耐震时程动力计算,以桥墩的位移延性比为损伤指标,基于试验中观察得到的4个关键节点定义无、轻微、中度、严重和完全损伤5种损伤状态之间的位移延性比临界值,通过易损性分析桥墩的损伤发展历程。研究结果表明:1)配筋率从0.3%提升至0.7%,桥墩的承载能力提高至1.37倍,极限位移提高至1.22倍,最终残余位移提高至1.55倍,耗散能量增加至1.80倍,初始刚度提升至1.08倍,最终刚度提升至1.12倍。提高配筋率可以提升桥梁抗震性能,也能增加桥梁抗震韧性。2)当桥墩配筋率由0.3%提至0.7%时,在多遇地震下,轻微损伤概率从87.2%降为29.8%;在设计地震下,中度损伤的概率从63.5%降为30.0%;在罕遇地震下,严重损伤的概率从61.7%降为16.4%。纵筋配筋率可以大幅降低桥墩的损伤概率,提升桥墩的抗震性能。3)在现行铁路规范允许的延性系数为4.8时,3个桥墩均处于严重损伤的阶段。当发生罕遇地震时,3个桥墩出现完全破坏的概率为6.4%、0和1.4%,小剪跨比圆端铁路桥墩在强震作用下具有一定的抗震安全储备。

不同剪跨比下低矮开洞剪力墙抗震性能试验

核电厂房的剪力墙具有剪跨比低和配筋率高的特点,为满足人员通行以及设备管道的布置,需要在剪力墙中开设洞口,然而,关于低矮开洞剪力墙抗震性能的研究比较有限。为此,设计3个1∶2.7的大比例尺低矮钢筋混凝土剪力墙试件,通过拟静力试验研究剪跨比对此类剪力墙抗震性能的影响。研究内容包括试件的破坏模式、滞回曲线、延性系数、刚度退化、耗能能力和变形能力等方面的分析和讨论。结果表明:低矮开洞剪力墙的破坏主要是由墙肢的斜向主裂缝宽度明显增大引起,导致承载力快速下降;剪跨比的减少使得低矮剪力墙的承载力、刚度和单圈耗能效果增加,但变形能力和极限位移显著降低,从而导致累计耗能较小;剪跨比较小的试件容易在洞口上方产生塑性铰,随后连梁的转动会导致洞口附近的混凝土压碎,且剪切效应较显著。此外,小洞口的存在会产生严重的不对称性,影响其抗震性能。

剪跨比对CFRP加固RC剪力墙抗剪承载力及加固效率影响分析

为探究剪跨比对外贴碳纤维增强聚合物(CFRP)布加固钢筋混凝土(RC)剪力墙抗剪性能及破坏机制的影响规律,建立了考虑Hashin损伤准则及Cohesive内聚力作用的三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该文数值模拟方法的准确性,研究了剪跨比对不同加固方式下剪力墙的破坏模式、抗剪承载力和延性系数等力学性能的影响,并进一步分析了剪跨比及加固方式对CFRP抗剪贡献及加固效率的影响规律。结果表明:随着剪跨比的增大,CFRP加固RC剪力墙的抗剪承载力降低,CFRP的抗剪贡献与加固效率被大幅削弱;此外,在同一剪跨比下,相较于双面加固及全包裹加固方式,采取水平条带加固剪力墙将提高1.0倍~3.0倍的抗剪承载力加固效率,延性系数提高效率增大0.8倍~2.4倍。

鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶结构静力性能分析

鼓蜂窝四撑杆型索穹顶抛弃传统概念,结合了多撑杆构思,是构形最为丰富的一类索穹顶结构。为研究新型鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶结构静力性能,选取下弦节点布置方案1,建立跨度为120 m的有限元数值分析模型,研究该结构在不同荷载水平及分布方式下的变形和内力变化。并进一步对结构进行参数化分析,研究包括初始预应力水平、矢跨比、撑杆高度(厚跨比)及下弦节点布置方案等不同参数对于结构整体刚度与承载力的影响及变化规律。分析结果表明鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶具有良好的结构性能,各索杆均不容易发生破坏,结构整体刚度大。研究中给出了初始预应力水平与相关几何参数的合理取值范围,可为该结构索穹顶的实际工程设计与应用提供参考。

边缘配置高强纵筋的高强再生混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为研究不同剪跨比、不同边缘构造形式对边缘配置高强纵筋的高强再生混凝土剪力墙抗震性能的影响规律,进行了3个C50再生混凝土剪力墙低周往复荷载试验,包括1个现浇高剪力墙、1个现浇中高剪力墙、1个装配式中高剪力墙。分析了各试件的破坏形态、滞回性能、承载力、延性、刚度退化、耗能能力。结果表明:边缘配置高强纵筋的高强再生混凝土剪力墙破坏形态均以弯曲破坏为主,各试件滞回曲线较饱满,耗能能力较好;中高剪力墙的承载力和刚度比高剪力墙明显提高,但延性系数降低;装配式再生混凝土中高剪力墙在达到峰值荷载之前整体性良好,但由于后浇结合面相对薄弱,试件破坏相对较早,承载力下降较快,延性稍差。基于试验结果,建立了边缘配置高强纵筋的高强再生混凝土中高及高剪力墙承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。

基于循环神经网络的超大直径盾构掘进地表沉降预测方法研究

为了研究超大直径盾构掘进过程地面沉降规律,以武汉市和平大道南延线盾构工程为研究对象,首先收集了超大直径盾构下穿过程掘进参数和地层地质参数,并使用盾构掘进过程深跨比描述超大直径盾构影响特征;其次,通过收集现场沉降测点数据分析盾构隧道施工阶段地表沉降的影响范围,计算了90%、95%、99%三种置信区间下地表沉降影响范围;最后,选取不同范围内的多元时序数据作为输入参数,分别建立了基于贝叶斯优化算法(BO)的长短期记忆(LSTM)、BP神经网络和随机森林(RF)大直径盾构地面沉降预测模型.模型运行过程中,通过贝叶斯优化算法分别寻找三种不同模型下的最优超参数,并通过四种评价指标对比模型精度.结果如下:①在90%置信水平下三种算法均表现出最高精度,通过区间计算筛选有效输入参数能有效提高模型预测精度;②LSTM对隧道沉降的预测结果优于传统机器学习算法模型,MAPE最低达到8.91%,R^(2)达到90%.

不同柱失效对T型钢连接子结构抗倒塌性能影响

结构倒塌会引起严重的人员伤亡和巨大的财产损失,研究结构抗倒塌性能可为结构设计提供指导和参考依据。文章通过对不同柱失效梁柱子结构的有限元数值模拟,分析结构的破坏模式和抗力机制,研究跨度比对角柱失效工况下梁柱子结构抗倒塌性能的影响。结果表明:中柱失效前,其承担的荷载在失效后的小变形阶段将更多地通过与失效柱强轴方向相连的梁传递到边柱,而在失效后的大变形阶段强轴和弱轴方向传递荷载能力相差不大;边柱失效工况下,只在对称方向的梁内产生了悬链线机制;在角柱失效情形,子结构中的梁构件只经历了梁机制作用阶段。比较3种柱失效工况,其角柱失效最危险,其原因在于梁构件没有产生悬链线机制;在角柱失效工况下,随着跨度比的增加,梁柱子结构极限承载力逐渐减小。

埋地夹砂拱结构的受力特性影响分析

为研究埋地半椭圆形夹砂拱结构受力特性的影响规律,采用自制模型箱开展拱结构埋地特性的加载试验,测试其环向应变与竖向位移,建立埋地半椭圆形夹砂拱结构的ABAQUS数值计算模型并验证精度;采用有限元方法研究不同矢跨比、覆土高度和拱脚约束状态对拱结构受力和变形的影响规律。结果表明:0.30~0.45之间的四种矢跨比下,拱顶和拱脚位置是拱结构受力和变形的关键位置;覆土高度在60 cm、90 cm和120 cm三个高度变化时,增加覆土高度可以对拱结构起到较好的减载作用;拱脚由无约束向半约束和全约束状态转换时,拱结构受力的最不利位置由拱顶转移至拱脚,有利于结构整体受力。夹砂拱结构设计施工中,可将受力最不利位置作为安全控制点,且应关注拱结构的应力集中问题,同时采取减载等手段,以避免结构产生破坏。

Zr_(61)Ti_(2)Cu_(25)Al_(12)非晶态合金在四点弯曲加载模式下的弯曲弹性极限

按照当前金属材料弯曲性能测试标准中推荐的跨厚比设计Zr_(61)Ti_(2)Cu_(25)Al_(12)非晶态合金的弯曲试验,试样将发生大挠度弹性变形。经过推导证明,弯曲试样不发生大挠度弹性变形的跨厚比上限取决于材料的弹性应变极限,锆基非晶态合金的弹性应变极限为2%,在四点1/4弯曲模式下不发生大挠度弹性变形的跨厚比上限值为22。在保证小挠度变形的前提下,通过四点弯曲循环加载-卸载试验,Zr_(61)Ti_(2)Cu_(25)Al_(12)合金试样最外表层发生初始剪切变形所对应的弯曲屈服应力约为1760 MPa,产生0.01%残余应变所对应的弯曲弹性极限σ_(p0.01)为2040 MPa。

大幅变宽连续箱梁桥受弯性能研究

为研究大幅变宽度连续箱梁桥的宽跨比对其力学特性的影响,以湖南省长益高速公路互通匝道变宽预应力混凝土连续梁桥为工程背景,分别建立梁格模型与单梁模型,对其弯矩、挠度及应力进行分析。研究结果表明:在仅考虑自重与二期荷载作用下,随着宽跨比的增加,各纵梁沿横截面承担的弯矩逐渐趋于均匀,各纵梁承担的应力相对平均偏差增大,空间效应明显;与增加箱室宽度而变宽的主梁相比,通过增加箱室数量而变宽的主梁的挠度与弯矩分布更加均匀。

双联变径带轮与行星传动复合无级变速研究

为了获得在不同情况下的不同工作速度,并且所需要输出的速度能够在一定的范围内均匀变化,使得速度和功率输出达到更好的平衡点,从而降低能耗,就需要使用无级变速器。目前市面上多数无级传动装置所能实现的变速范围较小,在需要进行大跨度传动的场合显得力不从心。研究了一种高效率大跨度传动的无级变速器,即一种双联变径带轮与行星传动复合无级变速器。对该新型变速器的转矩和转速进行公式推导,得出输出转速连续变化范围的最大跨度比,并对该新型变速器功率传递路径进行分析,得到一种高效的功率传递路径。该变速器具有传动功率大、传动效率高、传动比跨度范围广等特点。