混合基础隔震体系优化设计及性能

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,基于随机等效线性化和模式搜索优化算法并考虑地震动模型,在频域内建立了BIS+TTMDI体系的优化设计框架。分别从鲁棒性、有效性、刚度和阻尼系数、冲程及对地震频率敏感性方面对BIS+TTMDI体系的性能进行评估,并与BIS+调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)、串并联调谐质量阻尼器(TunedTandemMassDamper,TTMD)和调谐质量阻尼器惯容器(TunedMass Damper-Inerter, TMDI)进行比较。通过对近场地震动下某七层混合基础隔震结构(包括BIS+TTMDI和BIS+TMDI体系)的动力弹塑性分析,评价了其减/隔震性能。结果表明:BIS+TTMDI体系具有最好的减/隔震性能和强鲁棒性;而且在BIS+TTMDI体系中TTMDI的总阻尼需求不到BIS+TMDI体系中TMDI的一半,因而更为经济实用。

CPTU数据校准上海深层软土参数的随机力学-贝叶斯方法

城市深层地下空间的开发需要开展科学计算。合理的本构模型和准确的岩土参数是岩土力学分析的两大支撑。修正剑桥模型(modified cam-clay,MCC)的岩土参数简单直观,被广泛应用于岩土工程实践。室内土工试验由于取样扰动、试验误差等不可避免的缺陷,难以精确获得深层岩土参数。结合先验知识、室内试验数据和孔压静力触探(piezocone penetration test,CPTU)测试数据,将关键岩土参数视为随机变量,采用随机力学-贝叶斯方法,校准深层软土的关键岩土参数,如临界状态应力比、压缩系数、回弹系数和超固结比。以上海市苏州河深层排水调蓄管道系统工程——云岭竖井基坑工程为背景,以基础底板处的深部第(8)层土为研究对象。首先,利用MCC模型的柱孔扩张理论,揭示了CPTU数据(锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力)与极限扩孔应力之间的力学转换机理,利用苏格兰Bothkennar岩土试验场地的试验数据,验证CPTU测试数据力学模型的适用性;其次,建立关键岩土参数与CPTU数据之间的二次非交叉响应面,利用MCMC(Markov-chain Monte Carlo)抽样算法,获得关键岩土参数的后验统计特征;最后,结合岩土参数的后验均值,开展超深基坑工程的数值计算。结果表明,经过柱孔扩张随机力学-贝叶斯方法校准后,关键岩土参数的不确定性大幅度降低,后验均值的预测结果与监测值较为接近,证明了该方法的高效、合理性。

部分排水条件下静力触探试验力学机理研究

在自然状态下,大部分土体的约束条件介于完全排水和不排水两者之间。在孔压静力触探试验(piezocone penetrationtest,CPTU)的贯入过程中,受探头尺寸、贯入速度和岩土材料等因素的影响,将发生部分排水现象。为研究排水条件对CPTU试验数据的影响,开展三轴压缩试验。引入应变增量比,建立考虑渐近状态的修正剑桥(Modified Cam-Clay,MCC)模型。推导考虑渐近状态MCC模型的柱孔扩张理论,提出CPTU测试数据的力学模型。通过数值模拟和模型槽试验,研究归一化贯入速度与排水系数的规律。结合CPTU数据的力学模型,获得应变增量比与排水系数的数理关系。最后以上海市苏州河地区深层排水调蓄管道系统工程的测试数据为背景,验证力学模型的正确性。结果表明:在部分排水条件下,利用考虑渐近状态的MCC模型,能够描述土体的应力-应变关系,合理解释CPTU贯入的力学机理。

核电厂高静低动三维隔震系统的地震响应研究

为实现核电厂隔震结构在静载阶段隔震层具有小位移的同时,动载阶段具有较好减震效果的目的,提出一种由水平隔震单元和高静低动隔震系统(由斜置橡胶支座和负刚度装置组成)组成的核电厂高静低动三维隔震系统。基于静载和动载阶段的斜置橡胶支座、负刚度装置的变形特征提出了核电厂高静低动三维隔震系统竖向理论模型,分别对斜置橡胶支座、负刚度装置以及高静低动隔震系统进行静力加载试验,结果表明斜置橡胶支座具有较好的承载力和较大刚度,负刚度装置呈现明显负刚度特性,高静低动隔震系统在动载阶段滞回曲线饱满,具有较小动刚度特征。理论模型与试验结果的对比表明所提出的高静低动隔震系统理论模型能较好反映该装置系统力学特性。进一步对核电厂高静低动三维隔震结构进行地震响应分析,结果表明该结构在静载下的变形为102.02 mm,从地震作用下核电厂上部结构和内部设备的三向加速度变化来看,该隔震结构具有良好的减震作用,减震率达到40%以上,提高了核电厂在三向地震作用下的安全性。

结构‑形状记忆合金惯容器协同系统的控制性能

为发挥传统形状记忆合金阻尼器和惯容器的协同作用,进一步提高其有效性和鲁棒性,使其能够广泛应用于实际工程中,提出了一种形状记忆合金惯容器(Shape Memory Alloy Inerter,SMAI)协同系统。采用随机等效线性化方法建立了结构‑SMAI系统的动力学方程,推导出了白噪声激励下结构‑SMAI系统的位移方差解析式,进而定义了SMAI系统的优化目标函数。通过迭代优化过程,在频域内对结构‑SMAI系统进行了优化分析,并给出了可供工程应用参考的SMAI系统的设计参数。数值结果表明,相比于SMA,SMAI系统具有更好的减振效果;相比于调谐惯容阻尼器(Tuned Inerter Damper,TID),在总惯容质量比超过0.3时,SMAI系统能显著地减小阻尼需求。使用模拟的白噪声和脉动风速时程,对结构‑SMAI系统进行了时域分析,数值分析结果进一步验证了SMAI系统减振的有效性和低阻尼需求;此外,SMAI系统中惯容器出力显著减小,从而降低了惯容器对结构的损伤。

金属复合型摩擦阻尼器力学性能试验研究

提出了一种金属复合型摩擦阻尼器,通过预紧力试验和力学性能试验,研究了螺栓预紧力对阻尼器摩擦系数及摩擦荷载的影响,并以剪切型摩擦阻尼器作对照,对使用刹车片磨材的金属复合型摩擦阻尼器的力学性能进行分析。试验结果表明:摩擦阻尼器的摩擦系数会随着预紧力的增加而小幅减小,因此摩擦荷载衰减比例低于预紧力衰减比例;刹车片磨材具有良好且稳定的性能;金属复合型摩擦阻尼器滞回曲线表现为三线型,实现阻尼器的分阶段屈服,双阶段耗能效果;金属复合型摩擦阻尼器的预紧力损失和阻尼力衰减较剪切型的要更小。

考虑非饱和渗透系数随机场统计特征的库岸老滑坡稳定性分析

库岸边坡如果在历史上发生过滑坡灾害,计算所得的安全系数将略高于临界状态值1.0,仅以安全系数评价库岸老滑坡的稳定性,将导致预测结果与边坡稳定状态不相符合。提出以土水特征曲线和非饱和渗透系数为核心的水力参数联合随机(场)统计特征为基础,建立库岸边坡稳定性的可靠度分析方法。首先根据有限的室内土水特征关系试验数据,采用贝叶斯理论校准土水特征曲线VGM、VGB、VG和FX模型参数的随机统计特征,并得到模型备选组合的概率。其次根据饱和渗透系数的随机场统计特征,联合土水特征曲线的随机统计特征,生成库岸边坡非饱和渗透系数的随机场空间分布。最后分析仅考虑土水特征曲线随机统计特征的库岸边坡稳定性失效概率,以及综合考虑非饱和渗透系数随机场统计特征的可靠指标。针对三峡库区石榴树包老滑坡在2020年强降雨和长江水位快速升降的工程背景,开展考虑渗流作用的非饱和土边坡稳定性可靠度分析。研究结果表明,虽然边坡稳定性的安全系数较低,但是可靠指标满足规范不小于2.70的要求,无需采取额外的边坡工程加固措施,建议继续开展边坡的长期健康监测。

纤维混凝土对深埋调蓄盾构隧道管片力学性能的影响

以上海苏州河段深埋调蓄盾构隧道工程为背景,采用多功能回型框架试验系统对3组不同纤维混凝土和1组无纤维混凝土浇筑的管片梁和管片接头进行足尺静载试验,探究了3种纤维混凝土对深埋调蓄盾构隧道管片力学性能的影响.管片梁试验结果表明:合成纤维可以提高混凝土的抗拉能力,在内水压达到0.5 MPa时不同纤维可使钢筋应力降低8%-22%不等;合成纤维可以有效延缓裂缝的出现并抑制其发展,其中Barchip纤维管片裂缝宽度降低了40%,同维纤维降低了20%,钢纤维降低了28%.管片接头试验结果表明:合成纤维可以提高接头试件的整体刚度,其中Barchip纤维提高了24%,同维纤维提高了10%,钢纤维提高了17%;合成纤维混凝土可以有效降低接头受压区在螺栓屈服时出现碎角破坏的程度.总体而言,Barchip纤维在抑制裂缝发展和提高管片和接头整体刚度等方面的表现均优于钢纤维,而同维纤维在相关方面的表现则劣于钢纤维.

核电厂隔震结构附加侧向阻尼系统分析模型及减震效果

提出对半埋置/全埋置小堆三维隔震结构附加侧向黏滞阻尼的混合控制系统,达到同时控制水平加速度、水平位移以及摇摆反应且不影响竖向隔震效果的目的。基于隔震层及侧向阻尼系统变形分析,建立考虑隔震层平动及摇摆的耦合效应和侧向阻尼器协调转动变形的刚体动力学模型。基于RG1.60谱选取30条地震输入信号开展参数分析,探究阻尼布置参数、附加阻尼力参数及阻尼滞回形状参数对减震效应的影响。研究发现合理的附加阻尼力与隔震层出力比值区间为10%~20%,最优参数下水平加速度位移可同时分别减小20%,40%,最大摇摆反应减小70%。选取合理阻尼参数对某真实核电厂模型进行案例分析,摇摆角、加速度、隔震层位移等地震响应指标均减小,边支座受拉现象消失,案例数值模拟结果与参数分析规律一致,也与理论分析吻合。

统一边界条件下非饱和土一维固结理论研究

非饱和土固结理论中的边界条件对土体的固结有着重要的影响,它反映了土体在固结过程中边界的透气透水状态。针对实际工程中边界条件的复杂多样性,该文引入一个统一形式边界条件,构建了一个在瞬时均布荷载作用下,由顶面统一边界、底面完全不渗透边界组成的非饱和土一维固结计算模型。基于Fredlund非饱和土一维固结理论,采用Laplace变换等方法得到了Laplace域内超孔隙压力的解,再通过Laplace逆变换得到了时间域内相应解答。运用一个典型算例,设置合理的边界参数,将统一边界条件下的半解析解退化到几种常规边界条件下的解与文献中已有的结果进行比较,验证了所得解的正确性,并对非饱和土一维固结特性进行了简要分析。研究结果表明:统一边界条件下的半解析解相当于一个通解,具有广泛的适用性;通过改变相关边界参数的取值,可以模拟土层边界条件由完全不渗透到完全渗透的变化过程;固结过程中,边界条件对超孔隙气压力和超孔隙水压力的消散影响很大。因此,该文的研究具有一定的学术价值,所得的半解析解对不同边界条件下的实际工程具有参考价值。

远场爆炸荷载作用下钢箱梁桥的动力响应及毁伤评估

针对大规模爆炸后桥梁结构的毁伤评估问题,以三跨连续钢箱梁为对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和显式动力学方法,研究了冲击波入射角度与冲击波强度对桥梁结构破坏模式的影响规律,建立了桥梁毁伤程度与冲击波特性之间的映射关系。结果表明:通过CFD数值模拟得到的爆炸荷载可以反映冲击波的绕射和消波效应,可以为桥梁结构的抗爆计算提供可靠的爆炸荷载;桥梁的破坏模式与冲击波入射角有关,而桥梁的毁伤程度与冲击波强度有关;入射角度为0°时,桥梁的迎爆面腹板发生局部屈曲,非迎爆面桥墩发生破坏。

低屈服点钢研究进展与力学性能数据分析

为对低屈服点钢进行进一步的研究,同时促进其在工程中的应用,全面综述了国内外学者对低屈服点钢材料的研究成果,主要包括单调拉伸性能、循环加载性能以及低屈服点钢材料的应用。并将文献中的力学性能参数进行统计,采用K-S检验法对屈服强度与抗拉强度进行检验。结果表明:低屈服点钢具有良好的延性与滞回性能,力学性能参数基本满足规范要求;3种钢材的伸长率均随厚度增大而增大;低屈服点钢屈服强度符合正态分布,抗拉强度则不符合正态分布;实际工程中对低屈服点钢耗能构件的应用仍相对较少,还需进一步对其进行深入研究,以提高其应用比例。

束浆挤扩钢管桩竖向抗拔承载力计算方法

随着城市地下空间的开发,深厚黏性土地区的基础抗浮问题愈发凸显。钻孔预制桩因环境友好,得到了广泛的应用,但钻孔过程削弱了预制桩的抗拔性能。拟开发一种新型的约束注浆挤扩钢管桩,为了准确评估束浆挤扩桩的承载力,分析了抗拔桩的破坏模式。基于对数螺旋线,提出局部滑裂面理论。采用经典案例,验证了抗拔承载力公式的有效性。基于正交试验设计理念,研究了束浆挤扩桩承载力的影响因素。结果表明,桩径和桩-土界面强度,对抗拔承载力的贡献最大。开展束浆挤扩桩的现场抗拔试验,与同直径钢管桩相比,束浆挤扩工艺可提高抗拔承载力达到70%。使用简化计算公式,计算基桩的抗拔承载力,误差控制在5%以内,更为准确安全。研究结果为约束注浆挤扩钢管桩承载力的设计和优化,提供了理论和技术参考。

基于分布式光纤传感技术的地铁基坑支撑的力学性能研究

开展围护结构和支撑体系的监测对于控制基坑开挖变形、保证结构安全具有十分重要的意义。传统传感器监测多为点式测量,其自动化程度低、测量值与实际值误差大、难以发挥传感器工程预警的作用。基于布里渊散射光频域分析技术(Brillion Optical Frequency Domain Analysis,BOFDA)的光纤传感器具有空间分辨率高、精度高、信噪比高的优势。通过在4根原有传统钢筋计支撑上布设分布式光纤传感器,文章对布里渊散射光频域分析技术(BOFDA)与传统监测手段进行了对比,分析了支撑体系全断面受力特性,探讨了分布式光纤感测技术在基坑工程监测中的优势。研究结果表明:分布式光纤传感器可反映不同开挖工况下支撑轴力变化规律以及支撑通长方向轴力的不均匀性,实现支撑体系的全断面受力分析以及基坑开挖过程的安全预警。

装配整体式黏滞阻尼器减震框架试验及参数分析研究

对一种普通装配整体式框架结构与配置黏滞阻尼器的装配整体式减震框架进行了动力试验与有限元对比分析研究,试验与有限元结果吻合较好,并对普通装配式框架与装配式黏滞阻尼器减震框架进行对比分析,在此基础上进行拆除黏滞阻尼器的带连接墙的装配式框架与黏滞阻尼器跨内不同布置位置的参数影响分析研究。结果表明:黏滞阻尼器在装配式框架中具有良好的减震效能,且能够延缓梁端塑性铰的开展,而阻尼器连接墙的存在可以提高框架的刚度,但会削弱构件的最大承载力。黏滞阻尼器在跨中与跨边布置均能有效提高结构承载力,其中跨内中部布置黏滞阻尼器相较于端部阻尼器布置能够更好地发挥减震效能,说明黏滞阻尼器在端部布置削弱了装配式黏滞阻尼器减震框架的承载力,该研究可为装配式结构减震方案优选提供帮助。

三阶屈服屈曲约束支撑耗能机理及设计方法研究

屈曲约束支撑(BRB)在拉压荷载作用下受力基本对称,其滞回曲线饱满,是一种耗能效果优良且广泛在工程中应用的耗能构件。传统屈曲约束支撑在多遇地震作用下不发生屈服,无法为结构提供耗能,且无法兼顾不同强度地震作用的使用需求。基于此,提出一种能够三阶屈服的屈曲约束支撑(TYBRB),并通过理论和模拟相结合对其工作原理及力学性能进行了系统的研究。介绍了TYBRB的构造组成及工作机理;在力学分析的基础上,建立了TYBRB的刚度方程,给出了各阶屈服力和屈服位移的计算方法;并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,分析了TYBRB受力性能和抗震优越性。研究结果表明:TYBRB可以在较小变形情况实现一阶、二阶屈服进行耗能,具有明显的三阶屈服效果,可兼顾不同强度地震作用实现分阶段屈服耗能,且耗能性能优越。

碱渣及粉煤灰对水泥固化底泥强度影响研究

水泥作为固化底泥的固化剂被广泛使用,但因其价格相对较高且生产过程中会产生污染,因此在实际工程中需要一些添加剂来减少水泥用量,提高固化底泥强度.试验使用碱渣和粉煤灰作为添加剂,按标准养护后分别测量试样不同龄期的强度.试验发现碱渣可以提高水泥固化底泥强度,粉煤灰可以提高水泥-碱渣固化底泥强度.由此可知,碱渣可代替部分水泥,粉煤灰可代替部分碱渣,使固化底泥强度达到只添加高剂量水泥时可达到的相同强度,从而实现节约资源、降低工程成本的目标.

南通饱和粉砂地层地铁联络通道冻结法的水-热-力耦合研究

为研究滨海饱和粉砂地层中冻结法联络通道在渗流-盐分共同作用下的冻结效应,以南通地铁1号线永兴大道站—深南路站区间4#联络通道为工程背景,提出渗流-盐分共同作用下的水-热-力三维多场耦合分析方法。首先,根据工程概况,开展现场监测工作,分析监测结果;其次,建立三维数值分析模型;最后,采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics,模拟饱和粉砂土体的冻结过程。结果表明:1)数值模拟结果与现场监测数据吻合度较高,建立的数值计算模型可靠;2)渗流和盐分的共同作用会延迟人工冻结时长,最大延缓时间为7.36 d;3)水头差导致冻结壁呈现非对称状,上游冻结温度下降过缓,形成的冻结壁较薄,下游冻结壁较厚;4)土中盐分仅减缓了人工冻结降温速率。

基于DIC分析的含石量对碎石土边坡稳定性影响

为了研究含石量对碎石土边坡稳定性的影响,对不同含石量的边坡进行了模型试验。模型试验中结合数字图像关联技术DIC,分析了边坡全场和局部场的土体变形。研究发现含石量对碎石土边坡的承载力和变形特性具有显著的控制效果,并且根据极限承载力发现含石量存在两个阈值,分别为20%和70%。对局部土体的变形规律和碎石的运动行为进行分析,发现在剪切过程中,局部土体出现剪胀效应,剪切带内孔隙率会明显增加。通过对局部土体中碎石及其周边砂颗粒的追踪,发现碎石会影响剪切带的发展,从而总结出5种剪切带绕石模式:单边绕石模式、分叉模式、穿石和分叉复合模式、分叉和单边绕石及穿石复合模式、单边绕石和穿石复合模式。研究成果可为进一步了解碎石土边坡失稳的内在机理提供相关参考。

悬臂式TMD在大型挤压机设备基础减振中的应用

某大型石油化工企业高密度乙烯(High-Density Polyethylene,HDPE)生产装置HDPE挤压机设备与其基础产生共振,附属设施振动剧烈,并导致液压油管出现断裂事故。本文采用悬臂式调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)通过有限元模拟及现场试验的方法对设备基础进行减振控制研究。首先阐明了悬臂式TMD的工作原理以及使用悬臂式结构的原因;然后通过有限元模拟不同工况下的各测点的基础振动情况,模拟结果进行对比分析;最后现场安装产品进行试验,测试其对设备基础减振效果。结果表明:悬臂式TMD对设备基础减振效果良好,减振率可达50%左右,与有限元模拟结果接近,能满足HDPE挤压机设备按设计满负荷状态下正常运行。