海上风电单柱复合筒型基础复合加载条件下的承载特性

为研究新型海上风电单柱复合筒型基础在二维复合加载条件下的承载特性,利用有限元模型计算,首先得到模型在一维荷载空间下的极限承载力,随后通过施加不同的竖向荷载,得到在V-H、V-M、V-H-M荷载空间下的承载能力包络图,并分析不同二维荷载工况下的单柱复合筒型基础各位置处的土压力分布情况以及筒体底部等效塑性应变区的变化情况。结果表明:对于单柱复合筒型基础,在一定范围内,竖向荷载(0~0.15倍竖向极限承载力)的存在能够增大结构的水平及弯矩承载力;在V-H与V-M荷载空间中,基础各位置处的土压力变化、土体等效塑性应变变化具有一定的相似性,可互相对映参考;基础所承受的最大土压力位置与基础受力倾倒方向一致;随着竖向荷载的增加,结构达到极限承载力时,基础底部土体等效塑性应变区的范围与深度相应扩大。

基于纤维梁柱单元的墩柱弹塑性性能数值分析模型

基于OpenSees开源平台,采用基于位移的纤维梁柱单元和零长度单元,建立了考虑钢筋混凝土墩柱塑性弯曲变形和粘结滑移效应的滞回推覆(Pushover)分析有限元模型,分析了塑性铰区单元长度对墩柱弹塑性性能数值模拟结果的影响,探讨了单元长度的合理取值,最后,基于美国PEER结构试验数据库中3个弯曲破坏的钢筋混凝土悬臂墩的拟静力试验结果,验证了数值模型的正确性。结果表明:采用基于位移的梁柱单元模拟钢筋混凝土墩柱弹塑性性能时,塑性铰区单元长度对其最大水平抗力和位移延性都有显著的影响;合理单元长度为等效塑性铰长度,而等效塑性铰长度可以采用Priestley等提出的经验公式计算。

倾斜煤层矩形巷道围岩非对称破坏特征及控制技术研究

为揭示倾斜煤层中矩形巷道掘进期间的非对称失稳破坏诱因,以硫磺沟煤矿(4-5)06工作面掘进巷道为工程背景,采用“当量半径”理论分析、数值模拟和工业性试验等研究方法,系统分析了倾斜煤层巷道围岩应力分布特征及非对称破坏机理。结果表明:倾斜煤层矩形巷道围岩塑性区呈现出椭圆形分布特征,椭圆长轴与水平面夹角约为20°,且长轴发育范围约为25 m。巷道在未支护下其右顶角及左底角塑性区发育严重,巷道顶板靠右顶角区域垂直位移较大,约为420 mm,靠左底角区域底板水平位移较大,约为380 mm,且巷道右顶角及左底角的变形量明显大于其他区域,导致巷道呈现出明显的非对称变形破坏特征。基于这一特征,提出了“长锚索(杆)补强区”的围岩控制技术,工程应用效果良好。

采场等效孔模型及主应力旋转规律

针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题,基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论,阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型,研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律,以神东布尔台矿22205工作面为工程背景,通过理论分析与数值模拟,沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合,验证了采场等效孔模型的可靠性,为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明:①当巷道处于蝶形风险区时,其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转,对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度,数值模拟结果与理论计算吻合度较高。②采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转,主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时,最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向,可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定;当初始侧压系数小于1时,最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度,随后会回转至垂直方向。采场等效孔半径表征采场的影响范围,半径越大则采场的影响范围越大。

基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析

围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因,确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于DP准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程,对非圆形截面巷道进行当量半径折算,分析不同侧压系数下塑性区形态,采用单因素法分析不同DP准则的塑性区影响因素。研究结果表明:当侧压系数在0.6~1.5范围时,塑性区呈椭圆形分布;当侧压系数小于0.6或大于1.5时,塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围,根据工程实际合理选取巷道位置,能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角,进而减小塑性区范围,但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同DP准则计算出的塑性区半径有所差异,合理运用DP屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性,又能够降低工程造价。

基于D-P条件等效的黏性土隧道开挖地层力学行为有限元分析

基于三轴试验应力-应变结果,获取了依托工程黏性土强度参数。通过德鲁克-普拉格条件(D-P条件)等效,实现了摩尔-库伦(M-C)黏性土材料的D-P准则模拟方法。采用“间隙约束法”模拟衬砌支护时机对地层力学行为的影响。通过数值计算讨论了黏性土盾构隧道地层参数以及施工特性对地层力学行为及支护反力的影响。研究发现:黏聚力、内摩擦角以及开挖洞径对围岩塑性区半径及支护反力的影响基本呈线性关系,随黏聚力和内摩擦角的增大,塑性区半径和支护反力明显减小,内摩擦角的影响显著于黏聚力。开挖洞径由6 m增大到14 m,塑性区半径增大约210%,支护反力增大约230%。土侧压力系数将显著影响开挖后塑性区形状、范围以及支护反力的分布。随着支护时间的延后,塑性区逐渐增大,支护反力逐渐减小,当释放的位移超过总位移的40%时,两者增减幅度均有明显降低。就依托工程而言,当将地层含水率控制在8%~15%间,当地层收敛约为总位移的20%时,可充分发挥地层自承能力从而降低支护反力。

考虑嵌固端约束作用的RC柱纤维单元模型研究

针对传统纤维单元未考虑嵌固端约束作用而导致钢筋混凝土(RC)柱的数值模拟精度降低问题,分析了嵌固端约束作用对RC柱破坏形态和传统纤维单元模拟精度的影响.选取文献中45根高剪跨比RC柱并建立实体单元模型进行数值模拟,结果表明建模方法合理可靠;进而剖析了嵌固端约束机理及嵌固端约束作用对RC柱承载力和延性性能的影响,明确了控制截面位置及其承载力计算方法,阐明了纤维单元数值积分点位置与控制截面位置、权系数与等效塑性铰长度的对应关系,提出控制截面位置计算公式和考虑嵌固端约束影响的等效塑性铰长度计算公式,建立了一种考虑固端约束影响的纤维单元模拟方法.通过对文献中45根RC试验柱的数值模拟分析,表明所提方法可合理考虑嵌固端约束影响,具有较好的适用性.

轴压下钢筋混凝土桥墩塑性铰特性研究

通过2个大尺寸钢筋混凝土桥墩在轴压下的水平低周往复加载试验,并结合混凝土压应变方法和基于OpenSEES的数值方法,研究钢筋混凝土桥墩的塑性铰特性,分析轴压对塑性区域长度及等效塑性铰长度的影响规律。结果表明:随轴压的增大,桥墩截面受压区应变增大,桥墩发生塑性破坏区域的长度显著增加,既有规范按1.0倍的桥墩截面高度估计塑性区域长度在高轴压下偏于不安全,故建议当桥墩轴压比超过0.2时,加密布筋的塑性区域长度应增大至1.5倍的桥墩截面高度;随着轴压增大,桥墩位移延性的下降大于截面曲率延性下降的幅度,从而使等效塑性铰长度不断减小,因此在推导等效塑性铰长度时应考虑轴压的影响,以免在轴压较大时过高估计桥墩延性,带来安全隐患。

跨中集中荷载下两跨UPC矩形截面连续梁塑性铰性能

无黏结预应力混凝土(UPC)连续梁在肋梁楼盖中得到了较为广泛的应用,目前国内外对无黏结预应力混凝土连续梁内力重分布的研究相对较少。为此,以两跨连续梁内支座控制截面综合配筋指标、张拉控制系数、内支座控制截面预应力度、跨高比及跨中与内支座控制截面综合配筋指标比为主要参数,开展了16根两跨无黏结预应力混凝土矩形截面连续梁试验。介绍了试验梁设计、试验方案、试验现象及试验梁达到正截面承载能力极限状态标志的选取。集中报道了两跨无黏结预应力混凝土矩形截面连续梁内支座塑性铰形成与发展情况,提出了与加载形式相对应的内支座等效塑性铰区长度及塑性铰的塑性转角计算公式,为以相对塑性转角为自变量的弯矩调幅系数提供了基础性素材。

活性粉末混凝土连续梁塑性性能试验

为了研究活性粉末混凝土连续梁的塑性性能,制备了5根钢筋活性粉末混凝土两跨连续梁,完成了单跨单点加载试验.考察了试验梁在加载过程中的开裂、中支座控制截面受拉纵筋屈服、跨中控制截面受拉纵筋屈服和极限破坏状态等阶段的受力特征,基于试验结果提出了在设计用承载能力极限状态和真实承载能力极限状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式,以及以中支座控制截面相对塑性转角和中支座相对受压区高度为自变量的弯矩调幅计算公式.

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(II):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用。本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值。本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式。

任意截面无粘结预应力混凝土梁的极限非线性分析

在材料非线性应力-应变关系基础上,提出了确定任意截面无粘结预应力混凝土梁抗弯强度以及计算无粘结预应力筋极限应力的通用方法。利用修正的RODRIGUEZ截面模型进行截面强度分析,按截面顶点把截面划分为若干个梯形单元,通过对梯形单元积分求出混凝土内力。将极限状态下无粘结预应力梁等效塑性区长度与破坏截面中性轴高度之比看作一常数,通过对引自7个不同文献的140片无粘结预应力试验梁的非线性回归分析,认为这个常数取为9.78较为合理。计算结果与试验值吻合较好。

钢筋混凝土梁火灾承载力及等效楼面荷载分析

根据梁截面火灾温度场,将梁截面混凝土分为弹性区和塑性区2部分计算火灾场梁极限承载力,并采用等效楼面活荷载描述火灾场高温对梁极限承载力的削弱,推导了相关的计算公式。通过算例与目前的梁极限承载力计算方法作了对比分析,详细论述了火灾场不同混凝土强度等级简支梁极限承载力和等效楼面活荷载的变化规律。

穿越地裂缝带地铁隧道结构分段长度优化研究

目前西安地铁建设中过地裂缝带隧道均采取分段设缝的结构措施,而隧道结构分段长度的优化问题是地铁隧道穿越地裂缝带设防的关键。本文以西安地铁斜交穿越地裂缝带为工程背景,通过分段设缝的地铁隧道斜交跨地裂缝带的有限元数值模拟,研究了斜交跨地裂缝带地铁隧道分段设缝的合理模式及分段隧道的合理长度。计算结果表明:对缝设置模式下分段设缝隧道结构塑性区范围较小,集中在隧道拱底、拱脚;而悬臂设置模式下塑性区分布范围大且较为复杂,不利于进行衬砌加强。地铁隧道穿越地裂缝带衬砌结构宜采取分段设缝的对缝设置模式,跨地裂缝带的分段隧道合理长度为15 m,位于地裂缝主变形区内的分段隧道长度可按10～15 m考虑,而穿越地裂缝主变形区之外的地铁隧道分段长度可根据轨道调坡及隧道防水等其他要求适当增加。研究成果可为地裂缝发育的城市地铁隧道结构设计及其他地下空间开发提供重要的理论依据和技术参考。

近海浅滩地区大尺度海上风电筒型基础在风荷载作用下的响应

把现场实测的加速度时程转换为实际荷载作用在模型中,把风速时程转化为风荷载,用ABAQUS有限元软件分析了基础和土体在荷载作用下的响应,比较了风荷载和塔架涡激振动等其他因素分别对实际荷载的贡献;主要研究了沉降的发展和基础及周围土体应力在不同时程内的变化,以及加载结束后土体内的等效塑性区等影响区域的情况,通过变化土质参数(土体密度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等),考察了筒型基础在不同土质中荷载作用下的反应情况.研究表明:随着加载的持续,土体中的应力值逐渐增大,基础周围的土体会产生马鞍形的沉降,土体中的等效塑性区产生在基础底部距筒底端约2倍筒高处,土体的强度越大,筒的沉降越小其对周围土体的影响范围也越小.

高速铁路桥墩等效塑性铰长度研究

研究目的:等效塑性铰长度在墩柱的简化抗震设计中普遍用于预测墩顶的极限水平位移。高速铁路桥墩具有截面尺寸大、纵筋率较低等特点,目前我国铁路抗震设计规范未对桥墩的塑性铰长度给出建议值,设计人员只能参考现有的经验公式进行抗震设计,其适用性还不明确。本文基于9个高速铁路圆端形桥墩拟静力试验数据,对多个桥墩进行塑性铰长度的参数分析,与多种设计规范进行对比,旨在研究并提出适用于高铁桥墩的塑性铰长度公式,以方便桥墩抗震设计。研究结论:(1)利用纤维截面梁柱单元,采用修正Chang-Mander混凝土模型进行分析,与试验曲线吻合良好;(2)桥墩高度和轴压比对塑性铰长度影响较大,钢筋屈服强度与直径对其影响较小;(3)相比于已有的规范公式,本文提出的公式可更为准确地预测高铁桥墩的塑性铰长度;(4)该研究成果可用于高速铁路桥梁的抗震设计与分析。

土体约束对桩柱式桥墩塑性铰长度的影响

采用经过试验验证的建模方法,建立了常规桩柱式简支梁桥的单墩数值计算模型,系统分析了土体约束作用对桩柱式桥墩整体延性性能、不同延性水平下桩身的曲率分布规律以及等效塑性铰长度的影响.结果表明:土体约束作用会显著增大桩柱式桥墩的截面破坏曲率,提高桥墩的水平承载力和位移延性系数,并显著减小桩身塑性区域长度和等效塑性铰长度,同时,桩身等效塑性铰长度还会随着位移延性系数的增大而显著减小.

基于不同弹性本构方程的塑性区宽度及封孔长度研究

煤层注水是煤矿开采过程中重要的增透卸压手段,而封孔长度是影响注水压裂效果的一个关键因素。为了确定出合理的封孔长度,根据Lippmann煤层失稳基本理论,选取了6种不同的弹性区本构方程,引入非线性动态瓦斯压力分布的表达式,构建了含瓦斯煤层力学理论模型,得到煤层垂直、水平应力和塑性区宽度的解析式,之后结合高家堡的现场情况,对比分析6种弹性本构方程下的煤层应力分布曲线及塑性区宽度,并进行了现场封孔试验。结果表明:封孔长度在9.5 m时孔洞漏水量小、未出现异常现象,封孔效果良好,最终确定出了合理的封孔长度为9.5 m;相对于其他3种弹性本构方程,选取第i、v、vi种弹性本构方程对封孔长度进行理论计算分析,更加符合现场实际情况。

无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁试验与分析

制备了9根两跨无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁,并完成了每跨三分点加载试验。考察了在加载过程中的开裂、中支座控制截面非预应力筋屈服、跨中控制截面非预应力筋屈服、极限破坏状态等阶段的受力特征,获得了无粘结CFRP筋在设计用承载能力极限状态和真实承载能力极限状态下的应力增长规律,基于试验结果提出了在这两个状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式,提出了分别以中支座控制截面综合配筋指标为自变量和以中支座控制截面相对塑性转角为自变量的弯矩调幅的计算公式。

压裂泵头体内腔相贯线裂尖塑性区计算与分析

针对压裂泵泵头体主要失效形式,建立了含裂纹缺陷压裂泵泵头体有限元模型,分析了不同初始裂纹及工作压力情况下裂纹前缘塑性区长度,依据最大张开位移(maximum crack opening displacement,MCOD)拟合了裂纹前缘θ=0°及θ=90°处裂尖塑性区长度多项式。结果表明:内腔相贯线处裂纹前缘3°≤θ≤87°处裂尖应力状态接近平面应变状态,裂尖塑性区长度与初始裂纹及工作压力呈正相关,应用Irwin公式计算的塑性区长度能较好地吻合有限元结果;裂纹前缘θ=0°及θ=90°处于平面应变与平面应力的过渡状态,拟合的塑性区多项式与MCOD及初始裂纹有关,为研究裂尖塑性区对泵头体裂纹扩展的影响提供了一种方法。