孔洞尺寸效应对岩石单轴压缩力学强度及破坏特征影响试验研究

为了研究孔洞尺寸效应对岩石力学强度的影响,利用岩石伺服压力机对含不同孔洞直径的岩石进行单轴压缩,并通过高速摄像机记录其破坏特征及裂纹扩展过程,从裂纹扩展角度阐述强度弱化机理。研究表明:(1)随着孔洞直径的增大,其抗压强度随之而减小,但降低速率逐渐减小;(2)起裂裂纹类型控制脱落面积,进而影响岩石宏观力学强度;(3)孔洞直径为6 mm、8 mm试样起裂裂纹为反向拉伸裂纹,反向拉伸裂纹扩展很短;孔洞直径为10 mm、12 mm试样起裂裂纹为正向拉伸裂纹,最终贯穿试验边界的均为正向拉伸裂纹。     

隧道衬砌混凝土爆破损伤累积规律试验研究

针对隧道衬砌混凝土爆破振动损伤累积问题,设计混凝土爆破损伤累积试验,对试块进行超声波波速测试并计算损伤值,拟合累积损伤值与爆破循环次数比之间的函数。试验结果表明,爆破振动损伤随着爆破作用次数的增加而持续增加,混凝土爆破振动累积损伤与爆破循环次数比之间存在三次多项式函数关系,爆破振动损伤累积经历了初期缓慢增长、中期快速增长和后期突变增长三个阶段。震动区测点在多次爆破振动荷载作用下,首先引起混凝土内部原生裂纹尖端局部损伤变形,随后微裂纹扩展形成细观裂纹,最后细观裂纹扩展贯通直至形成宏观裂缝,混凝土试块强度大幅度下降,累积损伤进入突变阶段后混凝土在较低损伤值条件下即可发生突然断裂破坏。     

75kg/m钢轨铝热焊接头断裂失效研究

2010年下半年75 kg/m PG4淬火轨铝热焊断裂接头部分出现了同一形式的断裂方式.本文通过宏观断口形貌、断口扫描电镜分析、裂纹源及扩展区域金相观察,以及力学性能测定等手段对断裂接头进行失效分析.分析认为,断裂接头的起裂位置是在轨头下颚与焊筋边缘相交处,通过疲劳裂纹扩展,焊接接头经过一段工作周期后发生脆性断裂.断裂原因主要有PG4淬火轨铝热焊接头硬度的不匹配和焊缝与母材熔合处溢流飞边因素的影响.     

弹塑性疲劳裂纹扩展的应变累积模型

本文通过实验研究指出，弹塑性疲劳裂纹的扩展，是一个裂尖钝化启裂和裂纹稳定扩展交替进行的过程，其扩展机制为能量累积型或应变累积型，在对裂尖弹塑性应力变应分析的基础上，作者建立了疲劳裂纹扩展的应变累积模型，该模型数学表达式具有半理论，半经验性质，能较好地反映弹塑性疲劳裂纹扩展的物理特征。     

铁路货车摇枕断裂疲劳失效分析研究

2004年底在黑龙江某地的维修检查中发现某铁路货车1位摇枕裂断,整个断面均为新断面,无旧痕。在裂纹源附近的断口分别进行扫描电镜和金相观察检验,测试了摇枕材料的常规理化性能指标。结果表明断口面上可见人字状裂纹扩展台阶,由摇枕的底部向上部扩展,断口并无明显疲劳断裂贝纹线特征;裂纹源区铸造缺陷及局部富含大量有害元素,如Pb、Sn、S等;常规理化性能检验结果符合标准要求。综合分析认为,摇枕裂断属于脆性断裂,与多种因素相关,但是裂纹源区铸造缺陷及局部富含大量有害元素应是造成疲劳裂纹萌生和扩展的主要原因。     

含裂纹的双块式无砟轨道道床垂向振动特性分析

基于线弹性断裂力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论,采用有限单元法,建立含道床裂纹的车辆-双块式无砟轨道垂向耦合动力学模型,模型中通过设置奇异等参元来反映三维裂尖应力场、位移场的奇异性,由节点位移外推法得到在列车动荷载作用下道床裂尖的应力强度因子,最后探讨裂纹对道床振动特性的影响。结果表明:在列车动荷载作用下,裂尖附近的应力场强度主要由Ⅰ型应力强度因子控制,裂纹出现张开与闭合的交替状态,裂纹在一次列车动荷载作用下不会发生失稳扩展,但应注意其疲劳扩展导致道床的断裂破坏;裂纹对道床的振动位移和振动加速度影响较小,但对道床的动弯应力和道床下层钢筋的动应力影响明显,会加速道床的疲劳损伤。     

千斤顶推力不均对盾构管片裂纹扩展的影响研究

针对上软下硬复合地层盾构隧道施工阶段千斤顶推力不均造成管片裂损问题,基于扩展有限元理论,运用ABAQUS有限元软件,建立管片三维有限元模型,模拟3种推力不均工况,对裂纹形态特征、扩展规律、扩展路径进行分析,并提出相应的工程改进措施。研究结果表明:管片裂纹多位于最大推力位置,裂纹形态表现为边角部、手孔和螺栓孔附近大范围线状裂纹。千斤顶推力大小、位置与管片裂纹的分布形态直接相关,千斤顶推力越大,最大推力位置越靠近端部,管片裂损区域越大。裂纹扩展呈现台阶式递增的特点,可以分为3个阶段,第三阶段的裂纹扩展最迅速,管片结构出现区域性破坏。通过优化管片结构、控制施工不良荷载与盾构姿态等措施,可减轻盾构施工阶段管片裂损程度。     

LZ50车轴钢的疲劳起裂阈值及强度

应用复型技术和逆序观测法对LZ50车轴钢光滑试样的早期疲劳短裂纹扩展行为进行试验研究.根据有效短裂纹理论,采用当量Ⅰ型主导有效短裂纹的概念描述材料群体疲劳短裂纹萌生、扩展的规律,利用最大微观结构障碍的概念推导该材料的疲劳起裂阈值及疲劳强度.研究结果如下:每个试样的有效短裂纹起源于试样表面的某些铁素体,这些裂纹萌生和扩展过程具有强烈的随机多裂纹特征;由于受最大微观组织障碍的约束,当量Ⅰ型主导有效短裂纹的扩展率具有初期下降和后期上升的特征;疲劳短裂纹的起裂阈值与最低扩展率和最大材料微观组织障碍相关,其值为1.973 76 MPa·m0.5;起裂阈值所对应的疲劳强度具有随表面缺陷当量尺寸的增加而下降的特点,当尺度大于50μm时,疲劳强度低于常规疲劳极限.     

裂纹方向压应力对混凝土断裂过程区尺度的影响

针对平行于裂纹方向作用有压应力的无限大板I型中心裂纹问题,基于Muskhelishvil应力函数得出的裂纹尖端最大拉应力和最大压应力确定了修正的莫尔强度理论的适用条件;推导了裂纹尖端微裂区临界值的解析表达式;采用幂函数模型描述的拉应变软化模型,确定了断裂过程区临界值。结果表明应用修正的莫尔强度理论评估混凝土I型裂纹尖端微裂区和断裂过程区尺度是合理的;微裂区和断裂过程区尺度随平行于裂纹方向压应力作用的增加而增加。     

隧道洞内平面控制网形与数据处理方法实验研究

建立地面实验网,用GNSS测量结果作为参考值,对交叉导线网、横控交叉网、菱形交叉网和中间自由测站点对网等网形进行同步实测,对各种网形就距离定权、距离角度方差估计、常规平差与稳健估计、加入不同精度的陀螺方位等进行测试计算,分析不同方法与处理参数对控制网横向贯通误差的影响。为提高隧道洞内平面控制网的贯通精度及可靠性,应尽量减少旁折光的影响,宜采用交叉导线网或中间自由测站的边角交会网形;有条件时应测量高精度的陀螺方位边,采用边角匹配抗差平差方法处理控制网数据。     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

背后空洞引起高速铁路隧道衬砌裂缝形态的FEM对比分析

衬砌背后空洞和衬砌开裂是威胁高速铁路隧道行车安全的最主要问题。高速铁路隧道衬砌背后空洞不仅是威胁隧道结构安全的重要因素,更是造成衬砌结构开裂最主要的原因。通过基于虚拟裂缝模型的扩展有限元方法(XFEM)和基于弥散裂缝模型的常规有限元分析方法(CFEM)的地层结构模型,对高速铁路隧道衬砌拱肩背后一定范围内空洞引起的衬砌开裂形态进行数值模拟分析,开裂形态表现为拱肩背后空洞近拱顶边缘的二次衬砌内侧开裂,同时初期支护环向贯通开裂。研究表明,扩展有限元法能较好地描述衬砌开裂的走向、长度等开裂形态以及扩展规律等,而ANSYS中的SOLID65单元能实现对衬砌背后空洞引起衬砌开裂范围的定性描述,两者之间相互补充和相互验证能较为准确地描述衬砌开裂的几何信息,进而有助于衬砌结构开裂应力场分析。     

空心车轴不同形状比裂纹应力强度因子的仿真研究

空心车轴在运用中可能会出现意外损伤而诱发表面裂纹。应力强度因子是预测裂纹扩展情况的重要参数。本文分析了空心车轴的运用载荷,根据所测载荷谱,采取有限元方法计算车轴横截面的应力分布情况。采用四分之一20节点等参退化奇异单元模拟裂纹前缘的应力奇异性,建立空心车轴表面裂纹扩展的有限元模型,并对裂纹前缘进行离散,实现正交扩展,得到不同步扩展的裂纹前缘。在此基础上对裂纹前缘不同位置的应力强度因子进行计算分析,得出不同初始形状裂纹前缘扩展中的应力强度因子分布规律。计算结果表明,具有不同初始形状的裂纹,随着裂纹的扩展,裂纹形状将趋于某一形状比范围内。与解析方法计算的结果比较,二者基本吻合。     

岩溶隧道掌子面突水机制及岩墙安全厚度研究

从断裂力学角度分析高压岩溶水作用下裂隙扩展机理,认为自然营造力作用下水力劈裂多属压剪破坏模式。运用断裂力学和水力学理论分析隧道掌子面突水滞后效应和扩径效应,指出:裂纹扩展跳跃性在宏观上表现为隧道掌子面突水的滞后性;掌子面突水通道最终形成需经过多个阶段,其最终尺寸受岩溶水压力、掌子面岩体质量等因素控制。认为隧道掌子面突水是由于开挖扰动降低了水压劈裂的临界水压力造成的。据此观点,建立基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算公式。以宜万线云雾山隧道为例,计算得到岩墙最小安全厚度与施工中普遍采用预留厚度较为一致,说明此方法较为合理,可为类似工程提供参考。     

纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

正交异性板各个构件的选用关系着钢桥面系的安全性及经济性,通过有限元分析软件,建立桥面系板单元模型,对正交异性板多横梁体系纵梁、纵肋高度变化时桥面系各部分受力分析,总结纵梁(肋)高度变化对桥面板、横梁以及横梁与纵梁(肋)相交处挖孔部位受力的影响趋势,得出结论:增加纵梁高度,纵梁自身正应力逐渐增大,U肋正应力逐渐减小;横梁U肋挖孔处主拉应力增大,横肋相应处主拉应力减小,但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度,对横梁整体受力及桥面板影响甚小,可忽略不计,T形纵梁的合理取值范围为横梁高度的0.35~0.4倍;U肋高度过大或者过小,桥面板应力的均匀性均不好,且主拉应力均较大。增大U肋高度,纵梁正应力逐渐减小,U肋自身应力并未成线性变化趋势,而是呈"锯齿"形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小,可忽略不计,U肋的合理高度取值范围为240~280 mm。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

弹簧表面裂纹应力强度因子有限元分析

机车车辆弹簧表面都或多或少存在着一些裂纹,目的是为了定量描述裂纹对弹簧的影响规律。运用有限元分析软件,采用20节点单元、裂纹前缘单元采用1/4节点单元,对弹簧施加不同载荷以及改变裂纹的长度和深度进行求解,从而得到各裂纹前缘的应力强度因子。计算并分析了弹簧表面裂纹深度、长度同应力强度因子之间的关系。     

体外预应力高强混凝土三跨变截面连续梁试验研究

简要介绍了四片体外预应力高强混凝土变截面连续梁的设计与制作过程,由静力测试结果可知,在承载能力极限状态下,连续梁裂缝宽度随预应力比率即PPR取值的增大而增大,其数量随PPR取值减小而增多;普通钢筋可以有效地限制裂缝的发生和发展;体外预应力筋的应力增量与中跨中挠度变化近似成线性关系,可用三折线刚度折减的办法,按弹性理论计算试验梁的挠度及预应力筋的应力增量。