近断层脉冲型地震作用下高速铁路桥梁-轨道系统响应分析

为了研究在近断层脉冲型地震作用下高速铁路桥梁-轨道系统的动力响应规律,针对高速铁路线上最常用的简支梁形式结构,以某8×32.7 m高速铁路简支箱梁桥为例.建立了考虑简支梁与CRTS Ⅰ型板式无砟轨道之间相互作用的桥梁-轨道模型,讨论了具有破裂前方脉冲、滑冲脉冲、无脉冲型近断层地震动对桥梁-轨道系统的影响及扣件阻力改变时桥梁-轨道系统动力响应的变化.结果表明:三种脉冲类型地震动作用下钢轨的受力和变形规律保持一致,脉冲型地震动较无脉冲型地震动增加了约20%钢轨应力和位移.相对于轨道系统,桥墩对脉冲类型更为敏感,在破裂前方脉冲和滑冲脉冲地震作用下,桥墩的墩顶最大位移比无脉冲地震动分别增大了106.6%和148.6%,墩底弯矩和剪力也有明显增大,在进行高速铁路桥梁抗震设计时应考虑脉冲类型对桥梁结构的影响.扣件纵向阻力从5 kN/组增大到15 kN/组时,墩顶最大位移降低了10%,但钢轨应力和位移峰值约为原来的2倍.

基于欧拉放大和灰度均值差法的桥梁动态响应研究

针对传统接触式传感器获取桥梁结构振动信息的不足,提出了一种基于欧拉影像放大技术和边缘灰度均值差的非接触式测量方法,该方法将摄像机作为全场振动的非接触式虚拟传感器,拍摄桥梁结构在激励后的整体或局部响应影像数据,利用欧拉微动视频放大技术对获取的影像数据进行微小运动放大处理。对处理后的影像数据进行结构局部边界区域灰度均值提取,同时计算该区域内像素的灰度均值差。差值表征了桥梁结构在激励作用下该局部区域的动态响应信号,该值与结构的实际位移存在着一个线性比例关系,通过标定即可获取目标结构时域中的实际位移幅值。该方法在一个模型悬索桥上进行了试验研究,同时对一座在役斜拉桥的现场测试进行了分析研究,结果表明该方法能够实现常规接触式振动传感器的功能,同时相比于传统的摄影测量,本边缘区域均值差法大大提高了信噪比,其精度与传统振动测量方法相比误差区间在(2%~7%)。该方法具体快捷、高效、易于获取等优点(成本低、效率高),同时其测量精度与传统振动测量方法相当,并且为获取结构全息动力特性参数提供了一种测量手段。

混凝土梁中钢筋内部应变差及其与荷载的关系

为了探究钢筋应变梯度大小随着荷载变化而产生的影响,采用理论分析方法研究钢筋混凝土梁截面的应变分布,导出钢筋应变差公式,开展钢筋混凝土梁的有限元分析.分析表明:钢筋上、下缘应变差与截面中性轴处曲率和钢筋直径有关,而曲率与荷载有关.在此基础上,开展了钢筋混凝土梁模型试验研究.分析试验数据发现:在加载过程中,钢筋上、下缘应变差随荷载增大而变大;受压钢筋应变差与荷载之间的关系更清晰;定量上,同一根受压钢筋的上、下缘应变差比率可高达50%.研究结果表明:在测量混凝土结构中钢筋的应变时,需充分考虑钢筋内部应变梯度的影响.

公路隧道改路堑对衬砌结构的安全影响分析

为了研究路堑开挖卸荷对运营隧道衬砌结构的安全影响,以某浅埋小净距隧道拆除改建公路路堑工程为背景,采用Drucker-Prager弹塑性本构模型,基于数值仿真,分析了路堑开挖卸荷下既有运营隧道衬砌结构变形、受力和安全系数的演变规律,提出了路堑开挖施工的安全影响分区。结果表明:受路堑开挖卸荷和围岩弹性抗力作用,隧道整体上浮且两边墙向内挤压,以竖向变形为主,最大位移在拱顶为36.77 mm。衬砌结构受拉区由仰拱向上逐渐扩展到拱顶,埋深20 m时拉应力达3.47 MPa,拱脚易出现应力集中。衬砌结构安全系数波动较大,拱脚位置安全系数最小值为1.91,尤其需加强对两洞拱脚位置的监测。参考规范及衬砌结构各指标计算值,采用计算残留埋深比划分了路堑施工对隧道安全影响的3个分区,并给出各分区施工建议。

隧道静力失稳的加卸载响应比判据及安全系数

为得到隧道的稳定性状态及静力失稳临界点的合理判定方法,将加卸载响应比(LURR)理论引入到隧道受力分析中,解析求解了对称荷载作用下圆形无衬砌隧道的非线性特性及其对应的LURR演化规律,证明了两者的关联性;基于施工及运营隧道不同的荷载特性,提出了基于LURR理论的隧道静力稳定性分析方法,分别分析了施工隧道和运营隧道的稳定性及其LURR变化规律,提出了基于LURR理论的隧道静力失稳判据及其判定机理。研究表明:理论推导得到的隧道变形非线性特性的LURR表达式解析解和有限元解吻合度高;隧道在不同的稳定性阶段,洞周关键点变形的LURR表现出不同的变化规律,根据此变化规律的变化,可划分隧道不同的稳定性阶段;在体系失稳前,隧道局部薄弱区域的LURR增长率会出现异常变化,为隧道失稳前兆判据;基于隧道的极限承载状态,通过各阶段与极限承载阶段的荷载比得到隧道不同阶段的安全系数。提出了隧道静力失稳的LURR判定方法。

单位分数跨集中阻尼弦本征解的结构及其性质

针对斜拉索-阻尼(器)系统,推导出阻尼(器)位于任意单位分数跨时(拉索1/n跨位置)系统超越频率方程的代数形式,根据代数基本定理讨论了系统本征解的结构,并结合4个算例分析解的性质.结果表明:1)本征解可归为n-1个解支.2)对于同一解支,各阶本征值实部(其相反数即单位时间对数衰减率)均相同,各阶本征值虚部(即频率)构成等差数列.3)根据频率随阻尼系数变化的特点,解支可分为三类:第一类解支的频率均依赖于阻尼;第二类解支的频率均不受阻尼影响;第三类解支的频率随阻尼系数的不同,具有第一类解支或第二类解支的特点,即随阻尼系数的增大,频率先随阻尼系数变化,到达某一临界值后为常数.

含石量对土石回填体渗流特性影响的试验研究

西南山区城市浅表多为土石回填体地层,而土石回填体渗流特征的土石级配敏感性规律难以把握。降雨入渗条件下,浅埋隧道及深大基坑开挖多诱发地表沉降及边坡滑塌等灾害。基于现场土石回填体的颗粒级配,通过室内常水头试验对回填体渗透系数的含石量敏感性与细颗粒流失现象进行了研究。发现,土石回填体渗透系数随含石量的增加呈指数形式增长,并于含石量为60%时开始骤增。不良级配下,土石回填体中粗、细颗粒间黏聚性与附着性差是细颗粒流失的主要原因,而细颗粒的流失量随渗流时间的延长呈现由小变大再到平稳的变化过程。实际中可根据地层透水要求合理调整现场土石回填体的块石含量,同时应重点关注高含石量土石回填体的细颗粒土流失问题,以保证施工地层的稳定性。

陡倾斜地层大断面小净距地铁车站暗挖施工力学响应分析

为了降低重庆轨道环线涂山站施工风险,提高施工效率,节约工程造价,以涂山站部分主体隧道和联络通道为对象,建立三维有限元数值模型,辅助现场监控量测,分析洞室群的施工力学响应规律,得到以下主要结论:(1)受陡倾节理的影响车站隧道群受偏压显著,右洞的水平位移明显大于左洞;中夹岩内水平位移为零的位置偏向右洞约4 m;地表沉降变形呈非对称分布,沉降最大值位于右洞拱顶上方;(2)主体隧道开挖引起联络通道竖向变形,占总位移的43.2%;联络通道开挖对主体隧道洞周位移的影响较大,对地表变形的影响较小;(3)主体隧道的底部和拱顶出现局部的拉应力区,与联络通道交叉口处的侧壁应力集中较大。

基于改进分枝-约界法的连续刚构桥失效模式研究

研究目的:准确搜寻连续刚构桥的失效模式,是准确计算连续刚构桥可靠度的核心任务之一。针对连续刚构桥恒载占比较大,淹没了可变荷载效应,使失效模式在搜寻过程中出现遗漏,以及通过删除失效单元不考虑失效单元恒载引起的内力重分布,造成失效模式与结构实际受力性能不符的情况,提出了更全面反应连续刚构桥失效模式的识别方法。研究结论:对全局临界强度分枝-约界法进行改进,将构件本身恒载效应和失效单元重分布的恒载效应从结构构件有效强度中扣除,建立改进后方法的失效模式搜寻路径;利用两跨连续桥梁有限元模型和某连续刚构桥对改进后的全局临界强度分枝-约界法进行验证。结果表明:改进后的方法得到了连续刚构桥的主要失效模式,失效路径与桥梁实际破坏情况相符,且不会遗漏桥梁结构体系的失效模式。

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_(j)/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

U形钢板-混凝土组合梁拼接节点受拉试验研究

空腹夹层板结构的U形钢板-混凝土组合下肋梁采用装配化施工时,将拼接节点设置于跨中位置具有受力明确、施工方便的优点,但拼接节点处的较大拉力也使其成为整个结构的薄弱区域.为研究U形钢板-混凝土组合下肋梁拼接节点的力学性能,设计了5组U形钢板-混凝土组合梁拼接节点足尺试验模型,开展了拉力荷载下的静载试验,通过与有限元模型进行对比分析,明确了拼接节点在拉力作用下的内力分布规律与破坏模式,揭示了栓钉布置形式、混凝土强度、钢筋直径等因素对拼接节点力学性能的影响规律.研究发现:U形钢板-混凝土拼接节点约71%荷载由U形钢板承担,29%荷载由纵向钢筋承担,且拉力作用下节点内力沿试件长度方向分布并不均匀;在极限荷载作用下,组合梁拼接节点的混凝土将发生劈裂破坏,U形钢板最大应力达到屈服强度的95%以上,并与混凝土发生剥离.此外,通过对比分析5组试件的试验结果以及有限元参数化分析结果,发现随着栓钉数量的增加,节点极限承载力提高4%~8%,且U形钢板底板应力随栓钉数量的增加而增加;而提高混凝土强度和增大面筋直径可减小U形钢板的应力,但减小幅度较小.

全装配式自复位防屈曲支撑滞回模型及其性能试验研究

为减小防屈曲支撑的震后残余变形,降低结构的修复难度和成本,该文提出了一种采用组合碟簧实现复位的全装配式自复位防屈曲支撑,该新型支撑通过设置BRB系统承载力和SC系统预压力的比率,可有效控制滞回曲线的特性。文中阐述了该支撑的构造和工作原理,推导了循环加载下的理论滞回模型,并据此设计制作了3个不同组合的全装配式自复位防屈曲支撑,通过拟静力试验分析对比了残余变形和滞回耗能等特性,探讨了自复位效果和破坏模式。试验结果表明:新型全装配式自复位防屈曲支撑滞回曲线有明显的旗帜型特征,滞回性能稳定;组合碟簧自复位系统大幅减小了支撑的残余变形,复位效果明显;理论滞回模型与试验结果基本吻合,是一种十分有效的自复位减震阻尼器。

开槽箱梁设置风障行车风环境模拟、试验与实测

为合理评估桥面风环境以保障行车安全,首先采用CFD方法对设置风障时开槽箱梁桥面行车风环境进行模拟,然后对西堠门大桥主梁节段模型表面局部进行风环境测试,并开展了桥面局部风环境现场实测验证,进一步对桥面风障进行优化比选,分析设置风障条件开槽箱梁桥面风环境特点,采用CFD方法对设置不同风障型式的桥面局部风场进行模拟,分析不同车道位置处风速沿高度的变化规律,量化侧风折减系数随风障类型、高度和透风率的变化规律。结果表明:所采用的CFD数值模拟方法能够准确地模拟桥面风场特性并可再现桥面的局部风速演变趋势,分析误差在3%~9%之间,满足工程应用精度需求;设置风障对桥面风速分布的阻风改善效应显著,各车道风速折减率在30%~50%之间,风障的阻风有效区域与其横杆高宽比、高度、位置及透风率密切相关,其中风障透风率是决定风速折减效果的主要影响因素;除此之外,相较于整体式箱梁,由于开槽部位对来流具有的一定的分流作用,导致开槽断面下游主梁表面风速低于上游。

钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计

两边连接屈曲约束钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等优点;而且在结构中布置灵活,能够减小对框架柱的作用力,避免框架柱过早发生破坏。为确定墙体在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥,提出了钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计方法。设定结构预期的整体破坏模式和目标位移,基于能量平衡原理计算结构的设计基底剪力,采用剪力比将双重抗侧力结构体系离散为钢板剪力墙体系和框架体系并计算设计楼层剪力,进而完成钢板墙的截面设计。按照塑性内力分配机制和钢板墙屈服后的性能,计算框架结构梁、柱的内力需求,完成钢筋混凝土框架的截面设计。分别对5层和10层结构进行基于能量平衡的大震塑性设计,并采用时程分析法对结构进行非线性动力分析,对比研究了两个结构的损伤机制、最大层间位移角、楼层剪力比和残余位移。分析结果表明:所提出的设计方法能够实现结构预期的整体破坏模式,并满足结构大震抗震性能要求。

倾斜软硬地层中错台隧道施工灾害成因分析

针对贵州某在建错台隧道围岩大变形、衬砌开裂等施工灾害问题,通过现场调查和数值模拟,研究倾斜软硬地层中隧道施工力学响应及灾害成因,并提出处治方法。结果表明,隧道开裂破坏的主要地质因素是软硬地层交错及地形变化,其中先行洞拱顶区域的开裂破坏受倾斜软硬地层影响更大,先行洞仰拱区域破坏程度受后行洞施工影响更大;从进洞陡峭区至出洞平坦区,先行洞受力和位移逐渐减小,最大差值分别为4.34 MPa、38.89 mm,先行洞衬砌开裂出现在拱顶左侧、左侧拱腰、仰拱回填位置,后行洞施工会使这三个部位拉应力分别增长29.84%、54.58%、130.61%;大坡度倾斜地层增大了岩层间剪切滑移,这使隧道沿倾斜面整体向右下方偏转,绝对位移过大会引起各部位不均匀变形,造成隧道结构不对称破坏;倾斜软硬地层中隧道施工需注意先行洞基底承载力不足、围岩大变形等问题,采取全断面注浆、施作临时仰拱及钢管树根桩等措施能有效防止开裂破坏。

索拱桁架-单层网壳复合空间结构的结构设计与稳定性分析

索拱桁架-单层柱面网壳结构综合了索拱桁架与单层网壳结构的优点,可减小支座水平推力、减小单层网壳纵向跨度、提高结构的稳定性,从而实现结构更大跨度的跨越。以一拟建198 m跨、且需支承于15 m高单排混凝土柱列的大跨度煤棚钢结构屋盖为工程背景,开展大跨度索拱桁架-单层柱面网壳结构的设计分析工作,对结构的预应力设计值进行优化分析并在此基础上详细分析结构静动力特性,论证借助索拱桁架-单层柱面网壳结构跨越近200 m级跨度的可行性,揭示结构在各种可能荷载工况下的内力及变形分布规律,并利用ANSYS有限元软件计算了结构的线弹性屈曲特征值和考虑材料和几何双重非线性的极限承载力。

材料劣化对钢-混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响

为研究材料劣化对钢-混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响,根据钢筋锈蚀规律、混凝土强度时变规律和钢材腐蚀规律,计算钢筋和钢板失重率、混凝土时变强度,利用ANSYS软件建立劣化梁桥有限元模型,以主梁跨中腹板与下翼缘交接处的焊缝节点为研究对象,首先在AASHTO标准疲劳车作用下,提取不同劣化工况下主梁焊缝节点的应力时程,探讨材料劣化对节点应力的影响;然后基于Miner线性累计损伤理论计算不同劣化年限下的疲劳损伤发展曲线,分析材料劣化对疲劳损伤曲线的影响,探讨车辆通行时桥梁最大应力幅与等效应力循环次数的变化规律;最后定义疲劳损伤比,研究材料劣化对组合梁桥焊接细节疲劳损伤的影响。结果表明:焊缝节点区域的应力易受到材料劣化的影响,焊缝节点的应力值随劣化年限的增加而增大,且越接近加载位置应力值越大;桥梁焊接细节的疲劳损伤发展曲线呈现线性增长趋势,材料劣化会导致疲劳细节的疲劳损伤累积加速,在达到设计基准期时,疲劳损伤值的最大增幅达到7.5倍;最大应力幅对材料劣化更加敏感,疲劳细节产生的最大应力幅增长率呈递增趋势,在100 a劣化工况时,4个节点的应力幅增长率与未劣化时相比分别达到了10.4%,13.6%,8.5%及14.7%,但等效应力循环次数的增长率未呈现明显规律;疲劳损伤比随劣化时长非线性增长,在劣化时间为100 a时,梁桥中4个节点的疲劳损伤比分别为7.0,7.4,6.4以及7.52,且结构劣化程度越大,疲劳损伤比的非线性程度越高。

节理填充物对岩体起裂强度影响规律的试验研究

以水泥、泥浆、石膏三种材料作为填充物制作含单一裂纹的节理岩体试件,进行单轴压缩试验,并通过建立单轴压缩下闭合裂纹起裂强度的解析表达式和开展数值模拟对其进行深入的研究。研究表明:在单轴压缩下,基于摩擦系数理论数值模拟得到的试件起裂强度与室内试验测得的峰值强度基本吻合;填充物摩擦系数越大,节理岩体越难被破坏,且与无填充岩体相比含填充岩体的起裂强度大幅提高;含填充节理试件的峰值强度远大于无填充的节理试件,其中填充水泥的节理试件峰值强度最高,填充泥浆的最低;剪切破坏是泥浆作为填充物的试件的主要破坏形式,而水泥和石膏作为填充物的试件的破坏则是复合型;随着填充物强度的提高,节理岩体的破坏形式将从剪切破坏转变为张拉破坏。