车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制. 分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.       

盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

利用有限元计算软件ABAQUS建立了环向复合管片与环向斜螺栓接头的三维实体模型; 考虑复合管片材料的非线性, 采用弹塑性本构模型, 分析了环向斜螺栓接头在常温下的力学特性; 根据HC升温曲线, 分析了接头模型的传热特性, 研究了复合管片衬砌和环向斜螺栓接头在火灾下的温度分布规律。分析结果表明: 采用高强螺栓能够有效减小接头张开量, 增大接头刚度; 在采用高强螺栓的情况下, 斜螺栓最大轴应力易在初始阶段达到屈服, 屈服后接头弯矩和轴力的增大对斜螺栓的应力影响并不大, 但对斜螺栓变形影响较大, 当接头负弯矩从7 kN·m增加到122 kN·m, 接头轴力从368kN增加到734 kN时, 斜螺栓最大应变增加1.6倍, 当接头正弯矩从53 kN·m增加到182 kN·m, 接头轴力从903kN增加到1 056 kN时, 斜螺栓最大应变增加5.9倍; 常温下接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布, 除接缝外其他部位斜螺栓的轴应力基本相等, 约为400MPa, 接缝处轴应力绝对值最大值可达700 MPa; 火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的温度最高, 80 min时即可达到1 000 ℃, 接缝处混凝土在100min后达到稳定温度, 螺母处混凝土在150 min后达到稳定温度, 稳定温度均为1 000 ℃左右。      

撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓失效及参数分析

为了研究高速列车脱轨撞击盾构隧道时接头螺栓参数对螺栓失效和管片的影响. 基于ABAQUS有限元软件,建立了盾构隧道管片衬砌分块拼装式模型,利用时速200 km/h列车12.5° 斜向撞击荷载曲线,通过设置接触面单元和具有抗拉、抗剪、抗弯3种刚度组合的连接单元,近似模拟了盾构隧道接缝混凝土接触效应和螺栓连接效应,开展了不同螺栓直径和不同螺栓强度级别下管片接头螺栓的失效研究. 研究结果表明:在列车撞击荷载作用下,接头螺栓主要发生拉伸失效和剪切失效两种失效状态,失效后螺栓拉力和剪力降低为0,并且螺栓失效一般是相对列车行进方向相继出现的;拉伸失效通常出现在被撞块后端纵向螺栓,而被撞块环向螺栓和前端纵向螺栓一般发生剪切失效;各螺栓发生失效的时间随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓直径的增大有所延后;不同螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在6 cm左右,提高接头螺栓的强度级别和增大螺栓直径,将减小被撞块管片最终位移较大值区域面积以及最终位移极大值的数值,但管片最终位移极大值数值的减幅在10%以内,说明改变螺栓参数无法明显减小管片最终位移.      

采用纵向等效连续化模型的盾构隧道纵向抗震分析

用与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元来模拟隧道结构的特性,建立盾构隧道纵向等效连续化模型,通过理论解析计算得到盾构隧道的等效拉压刚度和等效弯曲刚度。以软土地层中的盾构隧道为例,考虑地震裂度分别为7度和8度时,正弦位移行波在0°和45°方向上入射,采用反应变位法和动力有限元法,分别得到了隧道纵向上的最大拉、压力和弯矩以及螺栓和管片的受力、变形和接头螺栓的最大张开量。     

煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果

为研究盾构斜井管片衬砌与可压缩层联合支护体系中可压缩层参数对管片衬砌力学性能的影响,以神华新街台格庙矿区主斜井工程为依托,建立考虑管片衬砌与可压缩层之间接触效应和管片整环刚度折减效应的数值计算模型,分析有无可压缩层、不同可压缩层刚度及厚度等因素下管片衬砌内力和变形的分布规律和变化情况;采用相似模型试验对上述问题进行了进一步研究,并对有无可压缩层时管片的极限承载力和破坏形式进行了探讨.研究结果表明:可压缩层刚度越大,管片所受围岩压力越大且分布越不均匀,同时使得管片弯矩减小,轴力增大,当可压缩层模量与围岩模量之比在0.1~0.5之间变化时更为明显;随着可压缩层厚度的增大,管片所受围岩压力依次按不均匀、均匀、不均匀的趋势变化,当可压缩层厚度与管片厚度之比为1.7时围岩压力最小,管片轴力则随可压缩层厚度的增大而减小;可压缩层存在与否对管片变形影响甚微,通过自身的挤密吸收围岩压力且促使应力重分布,从而减小并均匀化传递至管片上的荷载,使得管片内力随外荷载的增长更平缓,量值更小且分布更均匀,并使管片的极限承载力提高了40%;有无可压缩层时管片破坏均经历椭变、椭变加剧、裂缝出现和扩展、失稳破坏的过程,且有可压缩层时管片的破坏更严重.      

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响，基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程，选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况，开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验，从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同，其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力；封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大，管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%；封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显，易出现较大的纵缝张开，而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小，仅为前者的53.3%，且连接螺栓受力减小了54.4%；封顶块位于拱腰时，管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小，管片内部主筋更早进入受拉状态；封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大，在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

盾构千斤顶不良顶推作用下地铁管片衬砌开裂特性

为指导地铁区间隧道施工盾构掘进控制和管片衬砌防裂设计,建立考虑接头-管片的盾构隧道装配式衬砌结构数值模型,基于混凝土弥散开裂本构模型,研究直线段管片衬砌在千斤顶轴向倾斜以及千斤顶端面侧移两种不良顶推作用下管片衬砌的开裂特性.研究结果表明：在上述2种不良顶推力下,顶推导致的管片衬砌裂缝主要分为封顶块螺栓孔裂缝、手孔纵向裂缝和管片环面纵向裂缝3类;当千斤顶出现轴向倾斜致裂时,拱顶封顶块环向螺栓孔处的裂缝宽度最大,且当轴向倾斜角度达到3°时,3类裂缝宽度均已超过施工的允许值;当千斤顶端面侧移致裂时,衬砌环面及封顶块环向螺栓孔位置处的宽度最大,其中端面整体向下侧移是最为不利的情况;管片衬砌开裂将导致裂缝位置处钢筋应力增大,相同开裂位置处的钢筋应力-裂缝宽度关系基本不受顶推力倾斜角度变化的影响,裂缝的宽度与钢筋的应力呈正相关关系.盾构施工时,应严格控制盾构掘进不良顶推作用,对容易产生裂缝的位置建议加强配筋以控制裂缝的发生.     

列车撞击荷载的有限元数值分析

为获得列车脱轨撞击荷载,分析列车撞击时盾构隧道的动力响应,建立了列车编组的三维撞击有限元模型,探讨了不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下列车近似撞击力时程曲线,分析了列车撞击力最大值和撞击时间与列车撞击速度和角度的关系,并将典型撞击荷载用于分析不同厚度二次衬砌管片衬砌的动力响应.结果表明:列车编组数量一定时,列车斜向撞击力最大值随撞击速度和撞击角度增大而增大;当撞击角度增大到7.5后,撞击力作用时间随撞击速度增大而延长;根据列车撞击力最大值出现时刻不同,可将撞击力时程曲线划分为2类特征曲线,其中第1类特征曲线(撞击瞬间撞击力达到最大)总体上符合高斯多峰拟合公式,可用10个参数近似拟合.二次衬砌厚度增大能有效减小管片衬砌应力、速度、加速度等动力响应以及拉、压损伤区域.      

岩溶地区水库库底封堵新型坝体应力分析

为适应岩溶地区地形地貌条件,提出水库库底拱结构封堵的新型坝体形式,有必要对对新型坝体结构形式进行优化设计。采用三维有限元分析方法,研究了拱顶角度、拱端厚度及封拱温度等不同因素条件下的拱体在正常蓄水位、淤沙荷载和温度应力作用下的应力变形。结果表明:拱体拉应力区域主要分布于长轴两端,适当增加拱端厚度有利于减小拉应力;通过适当增大拱顶角度可以改善拱体的受力情况,且随角度增加,拱体最大拉应力和压应力先减小后增大,在53.27°～60°范围内可取得最优拱顶角;拱结构拉应力随着封拱温度的增加而增加,建议按照9℃设计封拱施工。     

软土地基中不同设计参数的CFG桩内力分析

为了分析CFG桩在软土地基中的应用效果，以某软弱填方路基为研究对象，利用Midas有限元软件分析了软土地基加固中CFG桩的内力变化规律。研究结果表明：桩的轴力（弯矩）由中心桩到边桩逐渐减小（增大），当桩径为0.4 m，桩距为1.6 m时桩的轴力和弯矩分别为561 kN和66 kN·m；当桩径（桩间距）相同时，桩土应力比随着桩间距（桩径）的增大而增大（减小），桩径0.4 m、桩间距2.4 m时桩土应力比最大为51；当桩径为0.6 m、桩间距为2.4 m时，桩的荷载分担比最大为63.04%，研究成果可为工程应用提供参考。     

层间接触条件下黏弹性铺装层力学分析

为了分析黏弹性铺装层在层间接触条件下的应力情况,以简支箱梁桥为例建立了有限元分析模型,通过水平冲击荷载加载,分析了在不同沥青层厚度、不同黏结层厚度以及不同接触黏聚力下铺装层的力学响应。结果表明:在层间接触条件下,铺装层横向位置应力最大值出现在荷载区域边缘,最小值则出现在荷载区域中心;增加沥青层厚度会增大沥青层纵向拉应力,但是能改善路面失稳型车辙的出现;增加黏结层厚度会减小铺装层纵横拉应力,但是对铺装层其它应力以及变形影响较小;沥青层与黏结层间接触黏聚力的改变对应力影响较小,当黏聚力大于0.01 MPa时,各层受力均保持不变。     

多孔混凝土基层缩缝处沥青面层温度应力分析

为研究多孔混凝土基层上覆沥青面层的受力状态,建立了沥青路面三维有限元模型.引入横观各向同性弹性本构关系模型实现沥青路面结构层间接触状态的数值模拟.利用有限元方法计算了多孔混凝土基层缩缝处沥青面层的温度应力.结果表明:降温时,面层模量的变化对面层的拉应力和剪应力影响较大.计算点A的拉应力随着面层模量的增大而减小,计算点B的拉应力随着面层模量的增大而增大.计算点A和计算点B的剪应力随面层模量的增大而明显增大.     

不锈钢构件高强度螺栓连接节点承压性能的影响因素

应用有限元软件ANSYS对不锈钢构件螺栓盖板连接节点承压性能的影响因素进行了有限元分析,并将欧洲规范与文献中试验数据进行了对比.计算结果表明：不锈钢构件螺栓抗剪连接的承压承载力随板厚、螺栓直径及端距的增大而增大,当螺栓直径和端距增加到一定数值,则承压承载力的提高逐渐减弱.     

组合梁斜拉桥索梁锚固区桥面板斜向开裂机理与配筋设计方法

为揭示组合梁斜拉桥在悬拼施工时,索梁锚固区斜向裂缝的开裂机理,从实际受力状态出发,分析了该区域桥面板剪应力和正应力的分布特点,并结合应力莫尔圆理论给出了裂缝成因及其形态特征;基于相关规范及桁架模型,提出了斜向配筋和L形配筋设计的抗裂措施;通过台州湾跨海大桥实例分析,验证了锚固区桥面板的应力分布特点与配筋方法的有效性。研究结果表明:悬拼施工时,锚固区桥面板的面内剪应力主要由拉索索力的竖向分力和水平分力提供,纵、横桥向正应力主要由吊重荷载引起的斜拉桥整体弯矩、拉索索力增加引起的局部负弯矩和局部承压提供;纵桥向正应力的增加是引起索梁锚固区主拉应力变大的主要原因,当主拉应力大于混凝土抗拉强度时,桥面板存在较大的斜向开裂风险;考虑到局部承压的作用,裂缝一般首先出现在索梁锚固点附近的桥面板顶部;当逐渐远离锚固区时,局部负弯矩及局部承压影响减小,桥面板顶板正应力减小,主拉应力减小,裂缝的发展方向与纵桥向夹角逐渐减小,同时,桥面板底板正应力由压应力变成拉应力,主拉应力增大,裂缝产生贯通的可能性增大;基于混凝土板斜向开裂的桁架模型,对索梁锚固区配置L形抗裂钢筋,顶板最大主拉应力降低了1.26 MPa,其中,纵桥向正应力最大可减小0.91 MPa,面内剪应力可减小0.50 MPa,即配置抗裂钢筋能够达到一定的抗弯和抗剪的效果。      

基于三维非连续几何模型的盾构施工模拟

以苏州地铁一号线工程为研究背景,建立考虑管片分块、连接螺栓及施工过程各因素的三维非连续几何模型,对盾构法施工过程进行仿真模拟.论述了盾构开挖系统模型的几何非线性方程组的推导过程,盾构顶进推力及注浆材料性质的计算方法.模拟计算结果显示：盾构管片内外侧表面大部分区域处于受压状态,拱顶与拱底部位及靠近连接螺栓的部分区域处于受拉状态;受盾构顶推力作用,盾构开挖面前方土体有一个典型的隆起区域,地表最大隆起值为2.5 mm,出现在盾构开挖面前方8.5 m处;盾构开挖面后方土体沿隧道纵向的沉降受注浆材料影响随时间变化,并逐渐趋于稳定;在盾构法施工中,各管片连接处的土体受施工影响明显,土体塑性区范围较大.     

32m预应力混凝土箱梁锚固端局部应力分析

为了解决在铁路简支箱梁后张法预应力张拉过程中,位于锚穴及检查孔槽口倒角处出现裂缝的问题,建立了该桥的三维有限元精细化模型,对该桥进行了锚固端局部应力精细化分析,通过参数化数值分析得出:当槽口半径R由0.25m增大至0.75m时,锚穴及检查孔槽口倒角处混凝土的拉应力显著降低、局部拉应力区域明显减小,从而从构造上改善了锚穴与槽口倒角处的应力集中现象,并对已经开裂的箱梁提出了补救措施,获得了良好的工程效益,防止了后续制梁张拉过程中出现类似裂缝,研究方法与所得结论对同类工程具有参考价值.     

螺纹深度和螺距对螺纹连接强度影响的有限元分析

螺纹连接是机械工业常用的零件连接方式,其强度对于保证零件连接关系的可靠性有着重大影响。为研究螺纹连接强度的影响因素,建立了3种不同螺纹深度和3种不同螺距以及3种不同载荷下的螺栓-螺母螺纹连接的有限元模型。从螺纹牙根部应力和螺栓轴向变形两方面分析了螺纹深度、螺距和载荷对螺纹连接强度的影响。结果表明,螺纹牙根部应力与螺纹深度、螺距皆成反比关系,而其与轴向变形均跟载荷成正比关系,为提高螺纹连接强度提供了一定的理论基础。     

预应力混凝土曲线梁桥受力性能参数化分析研究

结合曲线梁桥实际工程,运用大型通用有限元分析软件ANSYS提供的参数化设计语言,对一座跨径布置为3×30 m,桥宽为12 m的预应力混凝土曲线梁桥在不同曲率半径R以及边中跨径比L1/L2条件下进行了受力性能分析。研究结果表明:随着曲率半径的减小,曲线桥会在支墩主梁处产生扭矩值,且不断增大,另外建议当R/L≥10倍时可以近似按照直线桥进行受力分析;设置合理的边中跨径比不仅可以平衡边跨与中跨的内力分布,亦能有效地调节曲线梁桥支墩处的扭矩分布。     

管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响

针对大直径盾构隧道分块数多、厚度与外径比值偏小的设计特点,采用相似模型试验研究了管片厚度对大直径盾构隧道结构受力及变形的影响。结果表明:增大管片厚度能够有效减小超载工况下管片的收敛变形,但随着管片厚度的增大,增加相同的管片厚度对减小收敛变形的作用逐渐减弱;管片厚度增大,可减轻拱顶和拱底部位的混凝土开裂问题,但隧道截面受力状态会由小偏心向大偏心转变,过大的管片厚度并不利于隧道结构受力;管片厚度的增加,对隧道两侧拱腰位置的内力影响最显著,拱顶和拱底次之,对其它部位内力影响并不明显。     

钢框架梁柱端板连接腹板开孔型节点的受力特性

对梁柱端板连接标准型和腹板开孔型节点进行了非线性有限元分析,研究了腹板开孔参数对节点区应力分布、屈服时应力应变发展变化及节点的弹性极限承载力的影响,对不同开孔尺寸节点的力学性能进行了分析比较,探讨了端板厚度、螺栓、开孔参数对端板上应力分布的影响．结果表明,梁柱端板连接腹板开孔型节点的细部构造对其受力影响较大,采用合理的细部构造形式有利于降低应力集中．改善节点的应力分布,使之受力均匀合理．