局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀,导致其钢结构承载力降低,严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。首先,采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷,然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率,下同)为试验参数,对45根局部锈蚀圆CFST短柱试件进行轴压承载力试验;其次,分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响,揭示锈蚀CFST试件破坏机理和承载力退化机制;最后,针对局部锈蚀圆CFST短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。研究结果表明:各试件具有类似的破坏特征,主要呈明显的腰鼓状破坏,且发生在锈蚀区;随着锈蚀钢管体积损失率增大,锈蚀CFST柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低;在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下,就局部锈蚀位置影响而言,中部影响最大;就锈蚀程度表征参数影响而言,锈蚀钢管体积损失率影响最大,面积损失率次之,壁厚损失率最小;本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

全并联AT牵引供电系统雷击故障测距多路径行波算法研究

针对AT变压器和并联结构导致行波传播路径复杂,行波波头性质难以有效识别和行波色散现象,线路频变参数特性导致波速不稳定的问题,提出一种基于多路径行波测距方法。基于上下行电流行波传播的差异性,利用电流相似度识别故障区段。探讨全并联AT牵引网结构对行波传播特性的影响,并对电流、电压行波传播路径进行标定。基于多路径电流、电压行波极性分析,筛选出用于故障测距的多路径行波,以推导出消去波速的测距方程。仿真表明:所提测距方法可以有效识别波头性质,且计算故障距离基本与波速无关,不受牵引网区段长度、结构影响。

高速铁路焊接区轮轨动力学响应及疲劳分析

研究目的:针对不同行车条件下,高速列车通过钢轨焊缝区高频振动及轮轨冲击损伤问题,应用列车系统动力学理论,构建车辆–轨道耦合动力学模型,对钢轨焊接区典型不平顺对轮轨垂向动态响应特征及发生疲劳损伤的可能性进行研究。研究结论:(1)高速列车通过下凹型焊缝的轮轨冲击作用强于上凸型焊缝,通过W型不平顺的轮轨垂向动态作用强于V型不平顺;(2)随着焊缝区不平顺波深的增加或波长的减小,轮轨垂向响应增强,在铁路钢轨养护中,建议以波深0.4 mm及波长0.4 m为焊缝区限值进行打磨养护;(3)结合安定理论,确定钢轨焊缝的疲劳损伤区,横移量大于9.5 mm时,疲劳因子大于零,当横移量达到10.1 mm,上凸型焊接区疲劳因子达到0.041,下凹型焊接区疲劳因子达到0.068,下凹型焊缝更容易产生疲劳裂纹;(4)本研究成果可为高速铁路焊接区裂纹萌生可能性的预测及钢轨养护提供借鉴。

雷击降弓过程中机车受流动态特性研究

针对雷击环境下重载列车降弓燃弧导致的行车安全问题,以实际牵引系统为参考,仿真建立雷电流与降弓运动环境下牵引系统弓网电弧综合模型。基于机车运行与电弧特性两个方面,研究宏观层面功率与高压侧整流侧电流的变化规律,同时分析了弓网电弧动态特性变化,评估雷击下降弓过程对时速73 km/h重载机车受流动态特性的影响。通过仿真对比得出,雷击降弓中的电弧使受电弓电源电压对电缆的寄生电容充电,由于机车高压端设备和受电弓的电感,影响了等效电路的振荡波动和过电压峰值;雷击降弓电弧存在滞后性;输入的雷电电流会引起牵引系统电感电容变化,也会改变电弧形成的等离子体的电容,从而增加电弧的储电能力和电弧电容对电压的敏感性。通过仿真为正确评估雷击环境下牵引系统特性研究提供理论数据,为提高牵引供电系统的安全运行奠定一定的技术基础。

冻融循环作用下危岩体滑移破坏数值优化分析

冻融循环作用是寒区危岩体崩塌失稳的主要诱因,对寒区危岩体滑移破坏的孕灾因素进行数值优化分析尤为重要。首先,基于极限平衡理论,考虑危岩体贯通段结构面冻胀力、未贯通段岩石黏聚力劣化及冻结深度演化,建立冻融循环作用下滑移式危岩体稳定性分析模型;其次,基于岩石冻胀理论,考虑冻结过程中水分迁移推导得到贯通段冻胀力计算方法;再次,将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞,根据圆孔扩张理论和莫尔–库伦屈服准则分析孔隙冻胀破坏过程,构建冻融循环作用下未贯通段岩石黏聚力细观劣化模型;最后,通过改进Stephan经验公式得到未贯通段岩石冻结深度随冻融循环次数演化的计算方法。结合工程算例分析各敏感参数对危岩体稳定性的影响发现:滑移式危岩体稳定性随冻融循环次数的增加呈先快后缓的下降趋势;危岩体稳定性系数与冻结温度呈正相关,相同冻结温度下,危岩体稳定性系数的下降随冻融循环次数增加出现明显的边际递减效应;危岩体稳定性系数与岩屑流失比呈负相关,且岩屑流失比会同时改变稳定性劣化趋势和劣化程度,控制岩屑流失比有利于寒区危岩体的长期稳定性。

容性电流投切合成试验回路设计

在电力系统运行过程中,需频繁投切电容器组来改善负荷的功率因数,减少线路中的无功功率流动,从而达到降低系统电压损耗的目的。实验室多采用合成试验回路考核高压断路器的容性电流投切性能。本文介绍了一种容性电流投切合成试验回路设计及时序控制方案,该试验回路由高频涌流源回路、工频电流源回路以及工频电压源回路三部分组成,利用三相交流电源的相角特性可直接做到合成回路电压源和电流源的相位同步,免去了电流源电容的充放电装置和复杂的相位同步装置,节约成本且操作更加简单可靠。该试验回路可提供满足标准要求的高频涌流、开断电流和恢复电压。

高压动力电缆电磁兼容研究

针对高压动力电缆的电磁辐射导致电子设备误报的故障问题,建立电缆电磁仿真模型研究其空间电磁辐射特性及带缝隙箱体对其的屏蔽效能,进而设计并建立整体电磁防护方案。仿真结果表明:屏蔽箱体缝隙的尺寸和缝隙数数量对动力电缆辐射的屏蔽效能具有重要影响;综合考虑散热等因素对箱体进行整体电磁防护后,制动柜等电力设备的电磁屏蔽效能显著提高,可有效避免电子设备误报故障的发生。

混凝土徐变的Gamma模型参数估计研究

针对长期荷载作用下的混凝土结构,将混凝土徐变量作为表征混凝土结构服役性能的退化指标,采用Gamma随机过程模拟混凝土徐变发展过程的不确定性。当参数c和尺度参数β为随机变量且其先验分布已知时,可利用Bayesian定理,得到c和β的后验分布和估计。作为特例,给出c为定值、β先验分布服从Gamma分布的后验分布和β后验估计值的解析表达式。最后在给定参数b和c的情况下,使用经典矩估计、极大似然估计与Bayesian估计、后验矩估计、后验极大似然估计等5种算法,融合2组混凝土徐变试验数据,对Gamma过程参数进行估计,实现混凝土徐变过程模拟,并以误差平方和最小为准则,将徐变模拟结果进行比较,结果发现Bayesian估计和后验估计法优于经典估计法,尤以Bayesian估计法为最佳。

全并联AT牵引网行波传播特性研究及单端故障测距算法

针对具有特殊结构的全并联AT牵引网在实施有效可靠的单端故障行波测距时存在的问题,根据AT牵引网的线路特点,对其上下行线路进行相模变换解耦,将行波分解为同向模量和反向模量,并结合AT自耦变压器的电磁暂态模型,推导行波同向模量在AT并联连接处的波过程时域表达式,仿真验证解析解的正确性,揭示初始波到浪涌波尾的衰减形状与自耦变压器漏阻抗的关系;分析行波各模量的传播特点,得到反向模量只在故障发生区段内折反射的结论。在此基础上,提出利用反向模量只存在于故障区段内及同向模量通过AT后波尾衰减加剧的现象判定故障区段的方法,对不同区段提出行之有效的单端行波故障测距算法。

钢结构中疲劳裂纹增长概率模型和Bayesian动态预测

疲劳裂纹在桥梁结构中非常普遍,其增长过程是一个随机过程;另外,疲劳裂纹增长会引起桥梁结构性能退化。对桥梁结构性能退化的预测应基于桥梁的现状,结合具体构件的实际监测数据进行更新。首先依据线弹性断裂力学(LEFM)理论和Paris半经验疲劳裂纹扩展速率公式,建立钢结构的疲劳裂纹增长概率模型;然后利用Bayesian更新理论和马尔卡夫链蒙特卡罗模拟,结合试验数据,构建疲劳裂纹增长概率模型随机参数的更新方法,进而实时预测钢构件性能退化轨迹和寿命评估。使用提出的方法结合已有的试验数据进行了模拟仿真试验,结果表明,方法可以实现疲劳裂纹增长模型中随机参数的更新,有效地预测钢结构性能退化轨迹和时变可靠性的变化规律。

不同服役温度下聚氨酯密封材料的摩擦学行为研究

目的探讨高寒/热服役温度(−50~60℃)对聚氨酯材料摩擦学行为的影响。方法以聚氨酯/316L不锈钢为研究对象,采用UMT-3型摩擦磨损试验机,并结合高低温试验装置进行不同服役温度下的摩擦磨损实验。着重分析聚氨酯/316L密封副界面的摩擦系数演变规律、聚氨酯磨损表面形貌及损伤机制等重要特性。结果低温区段(−50~0℃)时,随温度升高,摩擦副界面的摩擦系数由−50℃时的1.08降低至0℃的0.77;聚氨酯的磨损率均在0.5 kg/m以下,抗磨损性能增强;由于微切削作用,发生了微观分子的断裂,导致磨损表面颗粒物较多,−50℃时的磨屑平均尺寸为87.3μm,其主要磨损机制为磨粒磨损。常温(25℃)及高温(60℃)环境则加剧了材料的磨损,磨损率均高于1 kg/m,界面的摩擦系数分别为0.98和0.62。常温环境下,宏观分层剥落起主导作用,表现为疲劳磨损特征;高温时,则因摩擦热导致磨损表面出现轻微的粘着现象,所产生的磨屑因参与磨损而呈现出尺寸偏大(平均386.7μm)的条状结构。另外,材料磨损表面伴随着片状剥离层的脱落,均形成了月牙状凹坑,相同面积下,0℃时的凹坑数量约是60℃时的4倍。结论温度对聚氨酯摩擦磨损性能有显著影响,不同服役温度会使聚氨酯材料呈现出不同的损伤机制。

基于时频谱相似度全并联AT牵引网行波测距方法

针对全并联AT牵引网线路参数不均匀,并由于AT自耦变压器连接上下行而改变线路拓扑结构,使线路电压、电流分布复杂而增加故障定位难度的问题,将行波法运用在牵引网故障测距中。根据故障发生后供电臂首末两端必有一端电流信号奇异性低难以检测的特点,提出一种基于时频谱相似度全并联AT牵引网行波测距方法。首先测量双端电流数据,计算牵引变电所端上下行电流行波的时频谱相似度矩阵识别故障点区段,最后选择与故障点同一区段量测端的电流行波识别反射波、电压行波标定波到时刻。仿真结果表明:该方法提高了检测和标定波头的准确性,测距结果不受过渡电阻、短路类型的影响,误差均在150 m之内,且不存在单端测距识别第2个反射波和双端测距数据对时的问题,并与基于吸上电流比的现场测距结果进行对比和实测数据验证,该方法准确有效且稳定。

基于增量磁导率的钢轨频变阻抗曲线计算

宽频率范围的阻抗值是牵引供电系统进行谐波扰动、短路故障等暂态过程分析的基本参数,由于钢轨是铁磁材料,致使其在暂态过程下的阻抗特性与稳态下表现不同。对此问题展开研究,采用基于增量磁导率的有限元方法计算暂态情况下钢轨的频变阻抗;分析稳态大电流信号下钢轨的磁化特性,以P60钢轨的基本磁化曲线为计算基础,研究瞬态小电流信号下钢轨的局部磁滞曲线,并用增量磁导率表征这一局部磁化特性;将P60钢轨的增量磁导率等磁特性数据纳入到有限元Ansys Maxwell计算模型中,给出暂态情况下钢轨随频率(0~10 MHz)变化的阻抗频变曲线。计算结果表明,暂态情况下形成的增量磁场,使P60钢轨的交流电阻和内电感值与稳态情况下相比,在同一条件下均有所增大,且交流电阻值的差异主要在10 kHz频率以上,内电感值的差异主要在0~5000 Hz频率段。

基于Maxwell分布的砂岩本构模型研究

砂岩具有典型的颗粒结构,其力学参数与内部颗粒间的接触密切相关。由于砂岩内部颗粒接触数量巨大,具有统计分布特征,因此,通过引入颗粒接触强度的统计分布模型建立砂岩的本构理论,可以更好地从细观角度理解砂岩的变形发展。由于前期研究中的统计分布模型多是基于经验而提出的,没有统计学基础。严格的数理统计理论发现,砂岩内部颗粒接触强度符合Maxwell统计分布模型。结合岩石统计损伤理论,构建一种新的砂岩本构模型。该模型将微观颗粒之间胶结键的数量和强度视为影响砂岩宏观强度的主要因素,当断裂破坏的胶结键达到一定数量即可表现为宏观上的整体破坏。利用室内三轴压缩试验,对不同围压作用下砂岩的应力-应变特征进行试验研究,验证所推导的模型的适用性。研究结果表明:该本构模型能很好地反映应变发展的各个阶段,且本构模型参数具有实际的物理意义。从宏观层面,模型所引入的参数反映了岩石的宏观强度和延展性,其中,表示胶结键方向性的参数随围压的增大而线性减小,反映砂岩能量密度的参数随围压的增大呈现抛物线型增大。对岩石损伤与围压的关系的研究表明,围压的增大能有效抑制损伤的发展。

高海拔低气压因素对弓网电弧的影响研究

基于Mayr电弧数学模型,研究高速列车在高原高海拔地区运行中弓网电弧电气参数的改变,对高海拔低气压因素影响弓网电弧特性的作用机理进行建模,分析比较了海拔4000 m以上区域高速列车受电弓和接触网间产生电弧的电气特性,从而为高海拔地区接触网线路参数设计提供参考依据。

饱和砂土状态演化模型试验研究

砂土(颗粒材料)动力流化变形行为通常被认为是不可恢复的颗粒滑动的结果,试验发现砂土动力变形曲线具有三种典型形态:稳定态、过渡态和流化态,但是能够同时描述砂土这三种变形行为的统一本构模型鲜有报道。考虑到砂土变形的连续性,提出了一种连续状态函数用于描述砂土变形过程中其性质的演化特征,基于Maxwell的流变模型,给出了统一的耦合状态演化本构模型。该模型引入了一个关键参数:特征应变γ_(c),用以考虑历史应变对当前状态的影响。通过静三轴和动三轴试验对理论模型进行了验证;利用所提出的模型对试验进行了分析,讨论了偏应力σ_(0)、动载幅值σ_(d)对特征应变γ_(c)、系统初始状态θ_(0)及临界速度V_(c)的影响。研究结果表明:试验结果与理论模型计算结果应变规律基本一致;初始状态会随着静偏应力与动应力的增大而增大,初始状态越大对应的初始应变率越大,颗粒系统变形越快;静偏应力与特征应变呈负线性相关,静偏应力的增大会降低历史应变对当前状态的影响,增大动载幅值特征应变随之增大,说明增大动载幅值会加大历史应变对当前状态的影响;临界速度会随着动应力的增加而降低。

颗粒旋转对颗粒材料系统抗剪强度影响研究

颗粒材料在土木工程中应用广泛,明确颗粒材料系统变形演化状态十分关键。采用离散元方法(DEM)对颗粒材料的直剪试验进行数值模拟,假定剪应变由颗粒自身旋转和滑移共同组成,并结合颗粒材料率态剪切强度理论,研究了颗粒材料系统在剪切过程中的变形状态演化。为研究颗粒旋转对颗粒材料系统抗剪强度的影响,使用PFC3D对球形玻璃珠颗粒系统进行了等速率直剪试验的三维离散元数值模拟,得到了系统中颗粒自身旋转引起的滑移占总滑移的比例参数。结果表明,颗粒旋转是颗粒材料系统在剪切作用下,其内部结构演化的重要部分,由颗粒自身旋转引起的滑移占比不可忽略。通过监测剪切带内颗粒绕Y轴旋转的角度,获得了颗粒旋转的变化规律。在本研究所施加竖向应力范围内,随着竖向应力的增大,颗粒旋转引起的滑移占总滑移的比例减小;随着剪切位移的增大,旋转比例逐渐减小并趋于某一不受竖向应力影响的定值。通过对颗粒材料系统内部旋转演化的数值分析,进一步验证了颗粒材料系统率态剪切强度模型,并给出了确定理论模型关键参数的方法,为分析和确定颗粒材料系统强度提供依据。

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p_(0)=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。