被动柔性防护网结构足尺冲击试验研究

为研究被动柔性防护网结构的落石防护性能,设计2组防护能级为750 k J的柔性被动防护网结构,进行足尺冲击试验研究。模型1为按照现有标准所选型得到的系统配置;模型2为改进后的柔性被动防护网结构。试验结果表明:模型1无法拦截750 k J落石的冲击,系统崩溃;模型2成功地拦截了落石,且冲击后模型2的各主要组成构件等均未发生破坏,仅需要对耗能元件进行更换,即可继续投入使用。通过对高速视频的解构,对各部分组成构件的运动和受力特征进行详细分析,明确系统的三阶段工作历程,并分析系统失效的关键因素,同时,对实测的钢丝绳拉力时程进行对比分析。研究结果为今后柔性被动防护网结构的设计提供了理论基础。     

山区桥梁柔性防护棚洞抗冲击性能研究

我国西部山区崩塌落石灾害频发，柔性棚洞是一种常见的被动防护措施，凭借结构轻巧、安装方便等特点，适用于桥梁结构的落石防护。为研究桥梁钢结构柔性防护棚洞在落石冲击下的响应，本文运用LS-DYNA显式动力学分析软件对落石冲击桥梁柔性防护棚洞进行仿真模拟，分析不同冲击速度、不同冲击位置等对柔性棚洞以及桥梁结构冲击响应的影响，得到棚洞结构中高强钢丝网、钢拱圈和钢横梁3种主要构件及T梁结构本身在冲击作用下的响应规律。研究结果表明：落石冲击柔性防护棚洞结构的不同位置，产生的冲击响应均随着落石速度的增加而增大；其中落石冲击防护网时桥梁受到的冲击效应最小，在防护网未被冲破的情况下不会对桥梁结构造成太大损伤；而落石直接冲击钢拱圈时桥梁受到的冲击效应最大，钢基座下方混凝土在较低能级冲击下就会破坏。另外还对多落石冲击工况进行初步尝试，为桥梁落石防护的工程设计提供参考依据。     

复杂地形下的危岩落石被动防护网三维防护效果评估研究

为评估复杂地形下被动防护网的落石防护效果，利用无人机摄影测量方法，获取复杂地形的坡表形态并生成数字模型。基于RocPro3D模拟不同条件下的落石运动轨迹并评估防护网性能，对比二维与三维落石模拟结果中防护网性能的差异。计算结果表明：被动防护网缺陷的主要表现形式为防护高度不足、防护范围不足以及其他防护网缺陷引起的自身防护能力未完全发挥；被动防护系统最优防护效果表现为按照防护网布设位置，自上而下，防护网拦截率及作用在防护网上的冲击能量逐级降低；针对复杂地形下的被动防护体系评估，三维分析比二维分析的结果更加全面，更具参考价值。研究成果为被动防护网评估提供更多思路。     

落石冲击作用下柔性棚洞结构灵敏度分析

研究目的:柔性棚洞是一种拦截边坡落石的被动防护结构,凭借施工方便、经济环保等特点广泛运用于落石灾害防护领域,但是目前没有规范指导柔性棚洞结构进行设计.本文基于能量法建立落石冲击柔性棚洞结构失效模型等三个模型,采用Sobol'全局灵敏度分析法得到柔性棚洞结构参数一阶、全局灵敏度,提出柔性棚洞结构优化设计思路.研究结论:(...     

兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石分析及防护设计

根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况,利用rockfall软件,建立危岩落石运动模型,分析落石的运动特征,实现危岩落石可视化,结合落石运动轨迹、落点分布情况、冲击能量、冲击力、弹跳高度、位移偏移量等研究成果,提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施。结果表明:在坡面坡积层和明洞回填土缓冲和消耗作用下,接长明洞和主被动防护网相结合的方法可有效防护危岩落石,降低落石冲击风险,保证洞口的安全。可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全     

“两隧夹一桥”段落高铁落石脉冲式碰撞防护方案研究

我国建成高铁主要分布在平原区,"十三五"规划中部分高铁位于山区,山区危岩落石多,需加强落石防护。受山区陡峭地形限制,以往的隧道明洞接长防落石方案已经不能满足使用要求,目前没有特别适合的防护方案,陡峭山区的落石防护成了制约我国高铁发展的瓶颈。针对陡峭地形特征建立工程模型,对落石轨迹模拟分析,落石最大速度和动能计算研究,提出适宜防护方案和缓冲层方案,研究结论:(1)落石能量宜分级化,对设防目标分级处理,才能使防护结构进一步精确化;(2)基于落石的脉冲力特性,柔性结构承受脉冲力荷载有天然优势,且柔性结构质量轻,引起下部增加的工程数量小,落石防护方案宜向柔性结构方向靠近;(3)落石防护应与主、被动防护网结合,主要是对漏过主、被动防护网后的"漏网之石"进行二次防护为主,对防护任务分层处理,明确各处防护结构的防护目标。     

隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

为了解决山区高速铁路隧道洞口的落石问题,结合工程实例建立柔性棚洞数值模型,模拟了落石冲击过程,从能量、变形、应力3方面对柔性棚洞防护结构可靠性进行了分析。结果表明:柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截,受落石冲击柔性棚洞防护结构没有出现支撑绳和环形网破断。与传统的钢筋混凝土棚洞相比,柔性棚洞在结构受力、施工速度、环保、经济性等方面均有显著优势,适用于隧道洞口落石防护,尤其是快速抢修抢建工程。     

橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构落石冲击力学响应研究

采用以橡胶为原料的废弃轮胎作为垫层材料,利用有限元软件建立落石冲击棚洞结构模型,研究落石冲击速度、橡胶缓冲垫层厚度对棚洞结构最大等效应力、结构动能、节点位移等的影响。结果表明:在竖向落石冲击作用下,棚洞结构中间跨的横梁端部为受力不利位置;落石的冲击速度越高、橡胶缓冲垫层越厚,橡胶垫层的缓冲作用越显著;在冲击荷载作用下,棚洞结构横梁下部会承受较大的拉应力,应加强横梁底部的钢筋布置。     

半刚性防护系统试验与多跨模型数值分析

为研究半刚性防护系统的抗落石冲击能力,开展了2组足尺落石冲击试验,研究了该系统的变形特征和传力机理,明确了其两阶段传力工作状态。基于LS-DYNA进行落石冲击整体系统的全过程模拟,对试验和数值仿真结果的钢绞线内力、特征点位移、钢柱应力进行对比,二者吻合较好,验证了计算模型的正确性。在此基础上,开展了5、7、9、15跨模型的数值分析。计算结果表明:7跨模型为最不利工况,落石位移、钢绞线拉力较大;当采用3跨模型作为等代模型时,落石位移宜增大5%,直接承受冲击的钢绞线内力宜增大20%,未直接承受冲击的钢绞线内力宜增大15%;引入钢绞线拉力衰减系数,直接承受落石冲击的钢绞线拉力衰减最多,越靠近钢柱自由端,其拉力衰减越少;随着跨数增加,边跨的边界效应逐渐降低,端柱的屈曲和应力集中现象得以缓解,7跨以上模型端柱不再屈曲,并对比了系统中主要构件的耗能分布以及系统的性能曲线。研究结果为半刚性防护系统的设计提供了理论基础。     

铁路客运专线与公路并行区段柔性防护预留变形空间的研究

为保证高速列车的行车安全,必须建立防止异物入侵的安全防范体系。在铁路客运专线与公路并行区段采用柔性防护时,必须预留一定的变形空间,以保证受到异物冲击后的柔性防护网不侵入铁路建筑限界。通过有限元仿真计算和现场性能试验,准确把握柔性防护网在规定的冲击能量作用下的最大变形数据。仿真和试验结果表明:柔性防护网的最大变形量随着冲击能量的增大而增大,最大变形距离达1.8 m以上。建议设置在铁路客运专线与公路并行区段之间的柔性防护网,其垂直冲击能量设计标准取为:一般区段9.3×104J,加强区段1.7×105J;且柔性防护网预留变形空间的宽度以不小于2.0 m为宜。     

耗能防撞装置在桥墩基底摇摆隔震中的性能研究

在桩基础桥墩基底摇摆隔震中,提出1种增加柔性耗能防撞装置设计方案.当罕遇地震发生时,桥墩在与基础分离处发生摇摆,与设计的防撞装置发生碰撞,延长了系统的撞击时间,使撞击力下降.利用多个钢绳柔性防撞圈同期作用的动态有限元方法,建立适当模型,并对防护围刚度分3种情况进行讨论.发现在撞击防撞装置的过程中,前期为部分防撞圈发挥作用,后期为全部防撞圈发挥作用,并且“同期作用历时”越短越好.分析结果表明,降低防撞构件的初始刚度,可延迟最大撞击时间,同时可减小最大的撞击压力.     

泥石流作用下桥墩的动力响应分析

由于部分山区桥梁跨越发育冲沟,会受到泥石流的冲击作用,基于桥梁构件能力保护原则,对泥石流作用下桥梁动力响应分析的研究就显得尤为重要。应用有限元动态接触方法对碰撞过程进行数值模拟,选取某高速公路30 m实心T墩建立三维实体有限元模型,分析其在泥石流作用下的动力响应情况。研究表明,在泥石流冲击作用下,块石与桥墩接触区及下部构件连接处应力较大,墩顶位移随上部荷载压力增大而不断减小,即设计应考虑分别提高桥墩的承载能力及其构件连接处的变形能力。     

采用铅芯隔震橡胶支座的连续梁桥地震能量反应分析

基于多自由度桥梁体系地震能量反应方程,以一座铅芯橡胶支座隔震连续梁桥为例,选取5条具有代表性的地震波利用有限元的方法对全桥进行非线性动力时程分析,研究地震动峰值加速度、支座铅芯屈服力和屈服后刚度对桥梁结构地震能量反应的影响。分析结果表明:地震动峰值加速度对桥梁结构地震能量反应的影响较大,但对支座耗能比及阻尼耗能比的影响较小;支座铅芯屈服力及屈服后刚度对桥梁结构地震能量反应的影响较大,铅芯屈服力及屈服后刚度越大,支座耗能比越小,阻尼耗能比越大,反之亦然。增大支座铅芯屈服力及屈服后刚度不利于支座的滞回耗能,因此,在保证强度及位移要求的前提下应尽量采用铅芯屈服力及屈服后刚度较低的铅芯隔震橡胶支座。     

薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应

利用有限元软件ABAQUS分析了钢和铝合金薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应。在相同的参数条件和初边值条件下,通过与相关文献的数值结果对比验证了所取参数的正确性和可靠性。讨论了不同碰撞速度,不同质量比,不同边界条件对平均作用力,塑性铰的形状和个数的影响。数值实验表明,随着碰撞速度的提高,平均作用力会相应增大,撞击薄壁结构的刚性质量块和薄壁结构的质量比对平均作用力没有影响。薄壁结构吸收的能量和薄壁结构本身的几何特性和材料特性将决定变形后塑性铰的个数。     

基于谱分解法的自锚式悬索桥桥梁风致抖振计算分析

自锚式悬索桥是一种大跨度柔性结构体系,该桥型经受脉动风作用时容易发生较大的抖振响应,对于该种桥型进行风致抖振的研究探讨具有较强的实际意义。以自锚式悬索桥武汉汉江六桥为工程实例,进行风致抖振分析。具体分析流程为:通过计算流体力学软件对桥梁进行气动分析,得到桥梁抗风分析方程中的重要参数静力三分力系数。通过对桥址处风场资料的分析,采用规范规定的风谱密度函数,利用谱分解法将脉动风谱转换成脉动风时程,同时结合准定常气动理论将风时程转换成风力时程实现气动力的时域化。利用有限元软件建立桥梁的空间模型并分析自锚式悬索桥动力特性。通过自编数值程序和有限软件的结合将风力时程加载在桥梁模型上,实现桥梁在时程风力作用下抖振响应的数值模拟。其计算结果表明:该桥在风致抖振作用下性能良好,结构具有良好的气动性。结合计算流体力学软件、数值分析软件、有限元软件的桥梁抗风计算方法和模式,可以在其他自锚式悬索桥风致抖振计算中参考使用。     

拱肋内倾角对钢管混凝土提篮拱桥车桥动力响应的影响

为考虑拱肋内倾角对大跨度钢管混凝土拱桥的动力特性及车辆走形性的影响,以某主跨为240 m的钢管混凝土提篮拱桥为例,运用结构动力学以及有限元原理,分别建立了3种不同内倾角度(7.5°,8.5°,9.5°)下的桥梁动力分析模型和车辆模型,由动力学势能不变值原理"与形成矩阵的"对号入座"法则建立空间振动方程,并对3种情况下的车桥耦合空间响应进行了计算分析。研究结果表明:桥梁横向自振频率随拱肋内倾角的增加而明显增大;竖向自振振动频率随内倾角度的增大而减小;列车通过桥梁时,不同内倾角度下拱顶竖向位移和加速度的变化很小,而横向位移、横向加速度均随着内倾角度的增大而减小;车辆的动力响应对内倾角的变化不敏感。     

高强轻质混凝土框架的抗震性能研究及在铁路旅客站房上的应用

在对高强轻质混凝土和普通混凝土力学特性对比分析的基础上,以某铁路旅客站房为例,运用SAP2000有限元软件,对C40、LC40两种材料的混凝土框架进行动力特性和地震作用反应谱对比分析。首次进行1∶5比例的两层两跨高强轻质混凝土框架模型的缩尺试验,对框架的破坏机制、延性及恢复力特性进行数据收集和分析,其研究结论表明:高强轻质混凝土框架具有良好的滞回特性和耗能能力,可满足地震区抗震性能的要求。     

多弹性体接触问题的数值算法

提出一种新的求解带摩擦的接触问题的数值算法,即拟高斯迭代法。它对法向接触力和切向接触力进行交替迭代,并利用高斯迭代法求解法向接触力,利用分块高斯迭代法求解切向接触力。同其它的数值算法相比,该算法保留了关于接触力的柔度矩阵的稀疏性和对称性,利用矩阵乘向量可以分步进行的技巧,该算法只需存储关于接触力的柔度矩阵的下三角形矩阵的非零元和对角矩阵。根据可能接触边界的分布特点,将区域分解成不同的子区域,引进拉格朗日乘子表示接触力,保证了各子区域的网格剖分和位移求解是完全独立的。基于上述算法和有限元程序自动生成系统开发了相应的求解带摩擦接触问题的软件,数值实验表明,程序是正确的,算法是高效的。     

高速铁路钢箱拱桥动力特性及模型简化研究——以南广高铁西江特大桥为例

为了提高该钢拱桥动力特性的数值模拟精度和效率,针对目前复杂变截面结构普遍处理方法的弊端,自主编写开发出一款截面特性精确求解程序。以肇庆西江特大钢拱桥为工程背景,结合ANSYS软件分析研究该钢拱桥全桥模型和两种桥面系简化模型的自振特性,对该桥在地震波作用下的结构响应进行分析。研究结果表明:(1)采用提出的方法建立的模型的自振特性更接近实测值;(2)提出的模型简化理论在提高效率的同时可以保证分析精度;(3)全桥结构在三向埃尔森特罗地震波作用下除桥面跨中位置外没有发生较大位移变形。     

3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。