落石被动柔性防护网非线性静力设计方法及验证

被动柔性防护网是一种常见的落石灾害防治措施。针对当前落石被动柔性防护网尚无适用的工程化设计方法的现状,以非线性计算过程中结构内能与设计防护能级相等作为加载完成的判别准则,建立了落石被动柔性防护网的非线性静力设计方法。基于LS-DYNA对250~5000 kJ共8种常用能级的被动柔性防护网开展非线性动力分析,明确了冲击力的分布范围及相对大小,形成了适用于不同能级落石被动柔性防护网非线性静力设计的荷载模式。为了有效模拟被动柔性防护网特殊的受力特征,开发了由索单元与受拉弹簧单元组成的非线性耗能单元用于耗能器模拟,开发了内部由多段索单元组成的滑移索单元用于滑移边界以及网环单元模拟。基于对网片冲击试验的反演和3500 kJ被动柔性防护网的设计及足尺冲击试验检验,验证了所提出的落石被动柔性防护网非线性静力设计方法的有效性。

新型CFRP索股锚固体系设计及试验研究

为改善CFRP索股锚固体系的锚固性能及CFRP索股受力不均问题,研制了锚具内壁面带凹槽的CFRP索股锚固体系,对其进行了试验测试,分析了锚固体系破坏模式、荷载-位移、锚固效率、CFRP索股应变变化规律,通过应力变异系数评估了锚具内壁面凹槽设置和预张拉对CFRP索股应力不均匀改善的效果。研究结果表明,锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够提高锚固体系的锚固效率,锚固效率可达99%以上;试验观察到CFRP索股存在受力不均现象,引起CFRP索股受力不均的原因主要与CFRP索股长度不一致和粘结介质的剪切变形相关;通过在锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够改善锚固体系CFRP索股的应力不均程度,锚具内壁面凹槽深度为2 mm、间距为5 mm,预紧力为10%名义极限荷载时,锚固体系在自由段中点和加载端处的平均应力变异系数分别降低了7.16%、3.86%。

火灾后圆形孔蜂窝组合梁受力性能研究

圆形孔蜂窝组合梁火灾后的力学性能研究,可为受火后建筑结构性能评估提供参考依据。对4根火灾后圆形孔蜂窝组合梁及1根未过火处理圆形孔蜂窝组合梁开展静力加载试验,分析火灾、加劲肋设置、开孔率等因素对圆形孔蜂窝组合梁破坏形态、抗弯刚度及承载能力的影响。结果表明:降低开孔率可以提高火灾后圆形孔蜂窝组合梁的抗弯刚度和极限承载能力;设置加劲肋的火灾后圆形孔蜂窝组合梁与未设置加劲肋的构件相比,其极限承载能力提高了6.9%;火灾前、后,圆形孔蜂窝组合梁在静力荷载作用下均发生弯曲破坏,但火灾后其开裂荷载、极限承载能力和延性均出现不同幅度的下降;提出了具有良好精度的圆形孔蜂窝组合梁火灾后剩余抗弯承载力的计算方法。

支座底板直连接型焊接空心半球节点受力性能试验研究及分析

为研究支座底板直连接型焊接空心半球节点在受拉压状态下的力学性能,设计制作了8个试件。通过试验和有限元分析方法,获得了节点的破坏模式、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线。结果表明,受压工况下试件的破坏模式为半球先屈服支管后屈服、支管屈服和半球表面屈服,受拉工况下为半球先屈服后支管与半球相交处半球表面产生裂纹。节点承载力随半球直径、半球壁厚、支管直径及受力工况的不同而改变,受支管壁厚影响较小。在受力过程中,支管分别承受拉压力的节点试件在支管与半球相交区域的测点最先进入屈服状态,其余加载工况下试件最不利位置均为半球顶部。基于对218个有限元模型在受压和受拉工况下的参数化分析,非线性拟合提出了节点极限承载力计算公式,并考虑了加劲肋对节点承载力的影响,给出承载力提高系数。

循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制,利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统,开展了不同预加静载(0.45σ_(c)、0.65σ_(c)、0.85σ_(c))叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5、1.0、2.0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明:动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验,最大变形量大于静载试验,表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用,且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性,其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关,与循环冲击频率呈对数正相关;最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关,与循环冲击频率呈对数负相关;不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致,且前者略大于后者,表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性,相比岩石内部三维应力状态,表面更利用裂隙萌生与扩展;不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变,随着预加静载的增大或冲击频率的减小,破坏模式经历“斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏”的转变,且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制,结合理论分析与试验数据,建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子,进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验,理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%,误差均较小;但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度,初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性,循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍,后期可开展细观测试,探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律,进一步完善理论模型。

动静组合加载下岩石-充填体破坏特征研究

充填法开采时,爆破扰动势必对充填体造成不同程度的破坏,为更好地保护充填体稳定,需要对其破坏模式进行研究,并明确其破坏程度。从矿山实际出发,制备岩石-充填体组合试件,对其开展动静组合加载实验。研究结果表明,轴向载荷的施加与否会导致岩石-充填体试件的破坏模式发生变化。当不施加轴压时,试件更容易发生拉伸破坏。当施加一定轴压时,由于端部效应的影响,试件充填体部分的破坏模式由拉伸破坏向压剪破坏转变。这也进一步造成充填体破坏程度的变化,随着轴向压力的增加,其破坏程度逐渐减弱。说明拉伸破坏会对充填体造成更为严重的破坏,相较于拉伸破坏,压剪破坏造成的充填体破坏程度较低。

钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点静载试验及极限承载力计算研究

为了解钢桁腹-混凝土组合箱梁(顶、底板为混凝土结构,腹杆为钢结构)外接节点在水平荷载作用下的受力性能,以某钢桁腹-混凝土组合箱梁桥方案为背景,选取钢腹杆轴力最大节点设计、制作缩尺比为1∶3的钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点试件(由混凝土弦杆、方形钢腹杆、节点板组成,原混凝土板简化为混凝土弦杆)并开展静载试验,分析外接节点试件静载试验现象及破坏模式、荷载~位移曲线,以及混凝土弦杆、节点板和钢腹杆的应力分布规律,并基于有效宽度法及撕裂面法与最大强度准则提出外接节点极限承载力计算方法。结果表明:外接节点试件的破坏模式为节点板拉剪断裂失效,极限承载力为设计荷载的5.71倍,承载能力满足要求;混凝土弦杆压应力沿加载方向逐渐减小,沿竖直方向从上往下逐渐增大;节点板应力沿加载方向总体上先增后减,外露节点板是节点受力的关键构件;外接节点极限承载力由节点板和钢腹杆中较弱者控制,采用所提出的计算方法得到的外接节点极限承载力计算值与试验结果相差小于6%。

软弱结构面劣化锚固边坡静载演化规律研究

为了探讨含贯通软弱结构面锚固边坡在坡顶局部静载作用下的力学响应特性,在验证模型试验基础上通过数值模拟手段系统研究了锚固边坡的变形模式及应力应变特征。研究结果表明,随着附加荷载的增大,数值模拟与试验的框架梁特征点变形一致,坡面破坏形式呈鼓肚状,实际防护应注重坡体中上部防护,加强坡腰治理。静载作用下软弱结构面改变坡体的位移及应力分布状态,在结构面内部形成剪切-拉伸破坏,并沿其形成一条潜在滑移带,最终形成楔形滑动区。中上排锚索响应明显,软弱结构面异化轴力分布机制,锚固工程施工时应考虑渐进式设计,增强中上排锚索强度和预应力幅值。研究成果可为山区公路防护提供一定的参考价值。

寒区系杆拱桥桥面横向温度模式及静力性能

为研究寒区系杆拱桥桥面横向温度模式及结构静力性能,基于寒区气象资料和现场温度实测数据,研究系杆拱桥桥面的纵向和横向温度,提出桥面100 a横向温度模式。利用Midas软件建立桥梁温度场力学模型,分析横向升温载荷对桥梁静力性能的影响。研究表明:系杆拱桥桥面的横向温差呈非线性分布,距桥面中线越远温差越大。系杆拱桥桥面的横向温度以桥面中线为对称轴,在半幅桥面内呈幂指数对称分布。在桥面100 a横向温度模式下,各控制断面的应力和位移均大于我国铁路规范横向温度模式下的应力和位移,研究结果为工程应用提供理论指导。

基于等效静载荷和模态跟踪的结构拓扑优化

为实现结构动态多目标下的拓扑优化设计,以特定模态固有频率最大化和动态柔顺度最小化加权函数为目标,提出动力特性和动力响应综合目标的渐进结构拓扑优化模型。基于等效静载荷原理,将结构的动刚度拓扑优化设计问题转换为多载荷工况静态刚度拓扑优化设计问题。基于模态跟踪技术,保证结构指定模态在渐进优化过程中的一致性。构建归一化目标函数避免不同性质目标函数的量纲与量级差异,融和渐进结构优化方法构造动态多目标下的连续体渐进结构拓扑优化算法。数值算例结果表明:所提出的动态多目标渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了渐进结构优化方法在动力学拓扑优化设计的应用领域。

静载荷作用下夹层圆板大幅度振动的时域特性分析

基于均布载荷作用下夹层圆板大幅度振动的基本方程和四种边界条件,将动挠度设为时间和空间函数的分离形式,利用空间模态假设和变分法,得到用挠度函数表示的应力和转角的表达式,再利用伽辽金法推导出时间模态的控制方程。在此基础上,讨论了初挠度以及夹层板剪切参数对系统振动特性的影响。

北京植物园植物展览温室结构的静动力分析与研究

北京市植物园植物展览温室是北京市迎国庆五十周年的重点建筑之一,其独特的造型及其所受的荷载都对结构的分析计算提出了很高的要求.作者利用大型微机结构分析通用程序SAP84对温室结构进行了有效的静动力分析,给出了一些有意义的计算结果,由此得到的参考意见已用于结构设计.同时,所采用的分析方法对特种复杂结构的计算也具有一定的参考价值.

基于失效模式的输电塔优化设计

对基于失效模式的输电塔进行优化设计。首先,由完全气弹风洞试验处理得到等效静力风荷载。其次,寻找失效模式以及失效路径上的关键杆件。最后,对不符合承载力要求的失效模式通过加强关键杆件的方法进行优化。研究结果表明:在完整失效路径上存在关键的破坏杆件,对关键杆件进行优化可以有效地提高结构承载力;基于失效模式的优化是一种直接消除薄弱点的优化,优化效果较好;优化结果能达到目标可靠指标的要求;随风速的增大,优化的效率有所降低。

全装配式延性节点混凝土框架子结构抗连续倒塌试验研究

为研究全装配式干节点连接的钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,采用1/2缩尺比例设计了两榀全装配式(PC)试件进行静载试验研究.其中装配式结构在梁柱节点处采用高强螺栓-延性杆-锚固板的连接方式,其中PC1试件未设置牛腿,PC2试件采用暗牛腿,另外结合一榀本团队开展的现浇框架结构RC试件进行对比研究.对两个试件分别进行了中柱移除状态下的竖向加载拟静力试验,并对加载过程中测试所获得的结构极限承载力、应变响应、变形性能及失效破坏模式依次进行了分析.试验结果表明,与RC试件中既存在压拱效应又存在悬链线效应相比,两个PC试件中只存在压拱效应阶段,表明该类型全装配式结构的抗倒塌能力相对不足.同时PC1和PC2试件的极限承载力分别为RC试件在压拱效应阶段峰值荷载的95%和123%,相应的极限位移仅为RC试件的48%和61%.试验过程中,PC试件的受力及变形区域则主要集中在节点连接处,其材料利用率相对有限,PC试件则因节点区域内延性杆与锚固板连接处发生断裂而失效.

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明:(1)高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2)静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3)静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。

层状板岩动静拉伸力学特性及破坏模式研究

为探究层状板岩动静拉伸力学特性和破坏模式,以SHPB系统和RMT-150C岩石压力机为研究手段,进行层状板岩拉伸强度和破坏模式随加载率和层理面与加载方向不同夹角变化的规律研究。研究结果表明:随着加载率的增加,不同层理角度下板岩动态拉伸强度均呈现非线性指数增长的趋势;当层理角度θ为0°时,动态拉伸强度处于低强度区间,破坏形式为沿层理面拉伸破坏;当层理角度θ为15°,30°和45°时,动态拉伸强度处于中等强度区间,破坏形式为沿层理面剪切破坏和沿非层理面拉伸破坏;当层理角度θ为60°,75°和90°时,动态拉伸强度处于高强度区间,破坏形式为沿非层理面拉伸破坏。随着加载率的提高,板岩强度各向异性系数N逐渐降低,并趋近于1;当加载率超过600 GPa/s时,拉伸强度主要受加载率的影响;加载率低于600 GPa/s时,层状板岩的拉伸强度受角度和加载率共同影响。

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。

嵌入式基础叠合式地下室外墙板受力性能与嵌入深度研究

为研究采用嵌入式基础的叠合式地下室外墙板在平面外土侧压力作用下的受力性能,对9个嵌入式基础叠合墙板试件和1个作为对比的现浇混凝土试件进行了静力加载试验,观察两种不同试件的破坏过程和最终的破坏模式,并评估基础嵌入深度、墙板外侧纵筋配筋率、基础外侧杯壁厚度、基础与墙板间接触面是否采用粗糙处理等主要参数对嵌入式基础叠合墙板受力性能的影响。在此基础上,借助有限元分析确定叠合墙板嵌入式基础的计算模型,并给出具体的设计方法,进一步通过理论分析给出基础嵌入深度这一关键几何参数的建议值和取值范围。

预制混凝土叠合楼板新型连接构造的力学性能研究

对四个采用不同连接构造装配制作的预制混凝土叠合板试件进行单调静力加载试验,研究试件的破坏形态、承载极限等力学性能,并进行有限元分析。结果表明:各试件均经历弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段,属于延性破坏,试件承载力均达到设计预期,与现浇试件理论计算的承载力相当;所有试件的破坏位置均出现在连接区域之外的断面,并非在跨中位置,实现了节点处“强连接”的目标;钢筋U型连接以及侧面开槽封闭环筋搭接连接构造的钢筋均能实现有效锚固;叠合板的预制层可与后浇层协同工作。

大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨空间结构风荷载空间分布复杂、多振型参与结构风振以及等效静风荷载中存在多等效目标等特点,以作者提出的单目标(即等效目标)等效静风荷载分析方法为基础,提出多目标等效静风荷载的分析方法,该方法的基本思想是:根据结构风振响应特性,选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量;根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。该分析方法的优点是:能够再现风振响应特点,又能解决工程中的多等效目标问题。最后,将该方法应用于一单层球面网壳,结果表明:一个等效静风荷载分布形式就可以实现某一类响应(如所有节点的位移)都与动力极值响应等效,验证了本文方法的有效性和精度。