连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

与传统的金属材料相比,纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能,目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用.本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法.为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化,建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型,该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量.详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA)进行了优化求解;最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性,其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例,和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例.结果表明,所提方法优化迭代过程稳健,收敛快,能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时,有效提高结构的频率.

钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构概率地震易损性评估研究

为了研究钢管混凝土(CFST)框架-屈曲约束支撑(BRB)结构的抗震性能以及地震动持时对结构概率地震易损性的影响,基于能量平衡的塑性设计方法,设计了9层框架支撑结构.选取其中一榀单层单跨的框架支撑试件进行了低周循环加载试验和数值分析.采用OpenSees程序建立了9层典型三跨子结构的弹塑性分析模型;通过增量动力分析法得到了结构在不同工程需求参数和地震动强度参数下的易损性曲线,分析了地震动持时对结构抗震性能的影响.研究结果表明:试件的水平荷载-位移滞回曲线饱满,耗能稳定;结构90%的塑性变形耗能集中于屈曲约束支撑;整体损伤因子(ODI)可以较好地反映地震动持时对框架支撑结构累积损伤的影响;长持时地震动下结构的倒塌中位值比短持时的低24%.以ODI为工程需求参数时,考虑地震动谱加速度和重要持时的地震动强度综合指标INP-D表现出更优的实用性、有效性、充分性和调幅鲁棒性.对于I_(NP-D),罕遇地震水平下,长持时地震动下的ODI超越0.2和0.4限值的概率分别是短持时的1.74和5.0倍,因此建议钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构的抗震设计和分析应关注地震动持时对结构累积损伤的影响.

大高宽比矩形钢管混凝土柱压弯性能研究

为了研究大高宽比矩形钢管混凝土柱的压弯性能,对大高宽比钢管混凝土短柱进行偏压试验并结合有限元模拟补充了4组试件进行对比,包括不同偏心率、高宽比、钢管壁厚度、截面尺寸情况下柱性能的对比分析。最后参考常用的4本国内外规范进行柱承载力计算,对比并判断现有规范是否适用。结果表明:试件破坏模式均为长边鼓曲,当荷载小于极限承载力的80%时,横截面高度上的应变分布服从平截面假定;随着偏心率增大,柱延性提升,在偏心率超过0.205后,柱延性开始下降;随着壁厚增加,柱延性提升,在壁厚达到8 mm后,柱延性开始下降;随着高宽比提升,柱延性降低;随着截面尺寸增大,在壁厚不变的情况下,柱延性降低,在壁厚等比例增大时,柱延性变化不大;随着高宽比、截面尺寸、钢管壁厚度的增大,柱承载力提升;随着偏心率升高,柱承载力降低;参考规范JGJ 138—2016对大高宽比钢管混凝土柱偏压承载力的计算更为准确。

超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)由于较高的强度和耐久性可作为理想的加固材料。首先基于已有试验结果,研究了可合理考虑加固层和混凝土梁接触面间黏聚力接触的UHPC加固钢筋混凝土梁精细有限元模型建模方法。在此基础上,建立了162个加固梁的有限元模型进行了数值模拟分析,研究了不同加固筋截面积、加固层厚度以及加固层有无拼缝等关键参数对构件破坏模式和承载力的影响规律。研究结果表明:考虑黏聚力接触的数值模型可以较好地模拟UHPC加固钢筋混凝土梁的受弯性能;加固层厚度与加固筋截面积均会影响试件破坏模式与承载力提升幅度,但对于含拼缝试件,加固层厚度对上述性能影响较小。

合肥地铁车站基坑膨胀土有荷条件下的变形规律研究

为了考察合肥地区膨胀土的膨胀特性,选取合肥地铁车站基坑膨胀土进行了击实土样的有荷膨胀率试验,研究膨胀土的膨胀时程曲线特征及其有荷膨胀率与初始含水率、压实度、荷载的关系。试验结果表明:有荷膨胀时程曲线可分为等速膨胀、减速膨胀、缓慢膨胀阶段,初始条件不同膨胀时程曲线特征也不同;有荷膨胀率随初始含水率的增加而线性降低,有荷膨胀率与荷载的对数呈线性关系;压实度对有荷膨胀率的影响不显著。

不同阻尼模型对框架结构地震反应影响研究

文章采用不同阻尼模型对某实际框架结构地震反应运动方程进行求解,计算结构地震反应的层间位移、顶层最大位移、结构总输入能、阻尼耗能和滞回能等指标,并进行比较,结果如下:瞬时刚度阻尼模型使得结构层间位移和顶层最大位移取得最大值;相应地瞬时刚度阻尼模型使得结构阻尼耗能在各阻尼模型中取值最小,而滞回能取值最大;除振型阻尼使得总输入能较其他阻尼模型小得多外,其余模型使总输入能取值基本相同。研究表明:按不同阻尼模型计算得到的地震反应结果相差较大,对于何种阻尼计算方式最可靠,应进一步开展精确试验对比研究;用瞬时刚度阻尼模型进行地震反应分析偏于安全。

合肥地铁盾构隧道下穿河道施工数值模拟分析

文章针对合肥地铁1号线盾构下穿南淝河存在的安全隐患,基于流固耦合原理与有限差分方法,采用FLAC3D对隧道盾构开挖流固耦合效应进行模拟,分析了盾构推进过程中隧道周边土体孔隙水压力规律、竖向应力场、拱顶沉降等。研究表明:盾构开挖导致隧道拱顶及两侧土体孔隙水压力明显降低,地下水在水压力的驱动下向拱顶与两侧流动,这些部位容易出现危险,要防止涌水事故的发生;考虑流固耦合后,围岩竖向应力值变大,最大拉应力与压应力均变大,隧道周边局部围岩出现较大的应力集中现象,对隧洞安全不利,拱顶竖向位移增大,竖向位移在水平方向从隧道中心向两侧不断减小,而土体后期固结沉降占最终沉降的比例达到30%,要加强后期监测,防止沉降过大影响隧道安全。

Peck公式在合肥地铁盾构施工地面变形监测中的适用性分析

采用盾构法进行隧道施工,难免会引起地层移动而导致不同程度的沉降,而采用Peck公式进行沉降预测时,首先要利用实测数据对该公式进行验证,并给出适合该地域的计算参数。文章利用合肥轨道交通盾构施工中的地表监测数据对Peck公式进行验证,同时计算出沉降槽宽度参数和地层损失率,为该公式在合肥盾构施工过程中预测地表沉降值提供了依据。

合肥地铁大东门车站施工风险分析及控制

合肥地铁1号线大东门地铁车站工程采用盖挖逆作法施工,施工难度大,安全要求高。根据已有工程实例及现场情况,分析可能存在的基坑失稳、周边建筑物和管线变形及损坏、维护结构渗漏水、主体结构施工质量等4种主要的风险源。文章结合实际针对性地提出了做好基坑防排水工作、局部土体加固、加强地下连续墙接缝防水措施、合理选择混凝土配合比及施工缝布置等控制措施。并且对周边建筑物进行了变形监测,从而进一步验证这些控制措施的有效性。

轴心受压部分包裹混凝土十字形组合柱耐火性能研究

部分包裹混凝土异形组合柱可避免室内凸柱问题的出现,但由于型钢翼缘外露和截面形状系数大,其抗火性能较差。为考察常用的十字形部分包裹混凝土组合(PEC)柱的耐火性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立了轴压下十字形PEC柱的温度场及热力学分析模型。在已有相关试验数据验证模型可靠性的基础上,分析了十字形PEC柱的升温过程、受力机理和破坏模式,并与矩形PEC柱进行对比。之后详细研究了荷载比、长细比、截面尺寸和受火方式等对轴压下十字形PEC柱耐火性能的影响规律。结果表明:相比于矩形PEC柱,十字形PEC柱升温速度更快,耐火性能更差;十字形PEC柱耐火极限随荷载比、长细比的增加而显著降低,随截面尺寸的增大而显著提高;型钢翼缘受火对十字形PEC柱耐火极限的影响远大于混凝土表面受火的影响,但型钢翼缘不受火时,十字形PEC柱的耐火极限随混凝土受火面积的增大基本呈线性降低。基于参数分析给出了四周受火十字形PEC柱耐火极限的简化计算方法,计算结果与模拟结果吻合良好。研究结果可为异形PEC构件的抗火设计提供依据。

十字形部分包覆钢-混凝土组合柱轴压性能数值分析与承载力计算方法

为研究十字形部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)轴向荷载作用下的受力性能,通过有限元软件ABAQUS建立了足尺十字形PEC柱模型,并利用已有的试验数据验证了其可靠性;在此基础上,进行了典型十字形PEC柱轴压全过程受力分析,揭示了其在轴压作用下的受力机理和破坏模式,并对该构件进行了受力性能参数分析,系统分析了含钢率、截面高宽比、钢材强度、混凝土强度、系杆间距和截面面积等参数对其轴压性能的影响规律。研究结果表明:十字形PEC柱受力性能良好,其破坏模式主要表现为柱中部混凝土被压碎,钢筋骨架向外发生鼓曲,横向系杆间的型钢翼缘发生波纹状的局部屈曲;极限轴压承载力随截面含钢率、钢材强度、混凝土强度和截面面积的提高而增大,但截面高宽比和系杆间距等对其承载能力影响不大。最后,考虑混凝土约束效应分区,提出了十字形PEC柱轴压承载力简化计算方法,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。研究结果将为十字形PEC柱的设计和应用提供参考。

350km/h高速铁路全封闭声屏障靴型钢柱脚疲劳试验研究

主要研究350km/h高速列车通过全封闭声屏障时产生的脉动风压可能引起的结构疲劳问题。利用MIDAS Civil软件模拟了全封闭声屏障整体在恒载、活载、风荷载以及列车气动力多种荷载组合下的受力性能,并用ANSYS WORKBENCH软件对一榀钢框架进行精细化建模,结果均表明靴型钢柱脚是整体声屏障结构的薄弱环节,存在明显的应力集中现象。设计制作1∶1足尺靴型钢柱脚试件及混凝土台座,在最不利设计荷载工况下对构件进行了400万次疲劳加载试验。试验结果表明,各部件均未发生明显破坏现象,靴型钢柱脚表面及焊缝处未见裂纹产生,钢柱脚、U形螺栓及混凝土台座上各测点各次停机静力加载时的应力-加载级数关系曲线、位移-加载级数曲线和疲劳加载时的动态应力时程曲线变化不大。说明在列车高速运行脉动风压作用下结构的受力特性未发生改变,疲劳性能良好,满足耐久性和安全性的要求。

含屈曲约束连接件的钢框架节点抗震性能研究

基于屈曲约束和损伤控制的思想,提出了一种含屈曲约束连接件的钢框架节点,连接件的一对核心板传递翼缘轴力并平衡梁端弯矩,对核心板设置了由约束板、填充板和梁外伸翼缘组成的屈曲约束系统。对有无设置约束板的两个试件进行了低周往复荷载试验,分析了节点的滞回曲线、骨架曲线、能量耗散和应变分布,考察了约束板对节点滞回性能的影响;采用有限元软件ABAQUS对该节点进行了数值模拟,研究了核心板螺栓和厚度对该节点滞回性能的影响。结果表明:提出的节点可以达到预期的屈曲约束和损伤控制机制,即核心板率先屈服耗能,约束板可防止核心板发生过大的面外屈曲,主体梁柱保持弹性,节点具有稳定的滞回性能和较大的变形能力;核心板上螺栓预紧力决定了核心板是否会滑移,进而影响滞回曲线的饱满程度,核心板厚度主要影响节点刚度、承载力和损伤分布。最后,理论推导了节点的承载力和变形计算公式,给出了节点理论骨架曲线。

联合雨课堂与虚拟仿真技术的测量学教学改革

为了解决测量学课程理论教学形式单调、理论与实践教学脱节、实践教学学时不足的缺陷,通过教学实例分析了在测量学教学中引入雨课堂和虚拟仿真平台开展理论和实践教学的必要性。利用雨课堂丰富理论教学内容,调动学生的积极性,实时获取课堂反馈,同时将虚拟仿真平台引入理论和实践教学,探索虚实结合的混合式教学新模式,打造持续高效的教学体系,提高学生的学习兴趣和实践创新能力。研究结果表明联合雨课堂与虚拟仿真技术的测量学教学改革可以提高理论和实践教学效果。

盾构施工对不同位置地下管线变形的影响模拟试验研究

基于室内盾构模拟试验,研究管隧垂直、斜交和平行工况下盾构开挖对管线变形的影响。以合肥在建地铁为工程背景,主要对管线的沉降、变形和相对转角等规律进行模拟试验研究。研究结果表明,二次扰动更容易使土体产生沉降,对土体中的地下管线的位移影响更大;隧道在开挖过程中沿隧道轴向的管线变形与沿隧道环向的影响范围不同,隧道开挖对地下管线产生的环向变形影响大于轴向变形影响;隧道开挖使管线下方土压力发生变化,中间段管线下方产生荷载临空区域,土压力逐渐减小,两边缘端产生附加应力逐渐增大。研究成果可为盾构施工对地下管线变形影响的预测提供相应的控制破坏依据。

不同轴压比再生混凝土框架柱抗震性能试验研究

文章通过对5个粗骨料取代率为100%再生混凝土框架柱低周反复荷载下的抗震性能试验,研究各试件的破坏形式、滞回特性、延性性能、承载能力,分析轴压比对试件的抗震性能的影响。结果表明:在剪跨比、配箍率、混凝土强度都一致的条件下,随着轴压比的增加,试件的滞回曲线越来越扁平,耗能能力、延性及极限承载力不断下降。再生混凝土框架柱抗震性能的变化规律与普通混凝土柱基本相似,略低于普通混凝土柱构件,因而可以确定再生混凝土框架柱适用于低轴压结构。

基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合稳定性分析

合肥地铁1号线盾构隧道下穿南淝河,施工中存在安全风险。运用FLAC3D进行了隧道盾构开挖过程的模拟,基于破坏接近度(FAI)对盾构隧道开挖过程中的岩土体稳定性进行分析。通过破坏接近度指标能够全面直观地评价隧道周围各区域岩土体的稳定性程度,定量给出损伤区和扰动区的范围。数值模拟结果表明:盾构开挖使隧道周边土体孔隙、水压力较初始值显著降低,导致了隧洞周边水力坡降增大,进而使地下水向隧洞拱顶及两侧流动,这些部位有发生涌水的可能;盾构开挖过程中,岩土体渗流场产生的渗流作用力对应力场分布产生较大的影响,在流固耦合条件下,隧洞周边岩土体FAI显著增大,部分区域已进入损伤区;在掌子面推进的过程中,当掌子面在分析断面前后2个开挖步数范围内时,断面的破坏接近度的分布变化明显,表明该范围内土体稳定状态受开挖扰动影响显著。研究盾构开挖过程中的破坏接近度分布及演化规律对施工中采取相应施工措施具有重要的指导意义。

温度作用后大理岩加-卸荷破裂特性试验研究

文章开展了常温和200℃作用后锦屏大理岩的单轴、常规三轴及三轴卸围压试验,分析了温度作用对大理岩破裂特征及强度的影响规律。研究表明:温度作用对大理岩破坏形式有较大影响,在相同的应力路径下,温度作用后的试件更容易出现张拉破坏特征。单轴试验中,试件均发生剪切和张拉组合破坏,未受温度作用的试件以剪切破坏为主,而温度作用后的试件以张拉破坏为主;在常规三轴试验中,未受温度作用的试件主要是剪切破坏,而温度作用后的试件有单剪、剪切和张拉组合破坏形式;三轴卸围压试验中,未受温度作用的试件有单剪、共轭剪切、剪切和张拉组合破坏等形式,而温度作用后的试件包括单剪、剪切和张拉组合、共轭剪切和张拉组合破坏等形式;常规三轴试验中,温度作用后试件的内摩擦角基本没有变化,而内聚力略有增加;卸围压试验中,温度作用后试件的内摩擦角有所增加,而内聚力则降低;采用Mogi-Coulomb强度准则对温度作用后的大理岩加、卸荷强度的回归效果优于Mohr-Coulomb强度准则。

视摩擦系数变化的滑坡滑距预测模型

鉴于滑坡运动过程受孔隙水压力的影响较显著,为了更合理地进行滑坡滑距的预测,文章在连续块体运动模型的基础上,采用随滑面正应力而变化的视摩擦角来考虑孔隙水压力对滑坡运动过程的影响,提出了一种新的滑坡运动模型,来预测滑坡的最大滑程,并应用该模型模拟了典型灌溉诱发的黄土滑坡——东风滑坡的运动过程,计算结果与实际吻合较好,表明该模型比未考虑孔隙水压力的情况更为精确,具有工程应用价值。

底部设置BRB自复位剪力墙抗震性能和韧性试验研究

提出一种底部设置屈曲约束支撑(BRB)的自复位混凝土剪力墙,提高了剪力墙的自复位能力和耗能能力,同时考虑了耗能构件可更换性。为了研究该自复位混凝土剪力墙的抗震性能和韧性,该文设计制作1片剪力墙试件和2组BRB构件,进行了拟静力试验和更换试验研究,分析了试件的破坏特征、滞回性能、自复位性能和可恢复性能等。试验结果表明:该文提出的自复位墙损伤主要集中在BRB上,其耗能能力较好,具有一定的自复位能力;BRB更换较为方便,更换前后自复位混凝土墙的抗震性能基本保持不变,表明其功能可恢复性较好。