混凝土简支梁在均布荷载作用下的断裂过程区及自振特性

以"段-中川模型"为基础,叠加几种无限大体和半无限大体的弹性力学问题解答,用选点法近似满足边界条件,推导出了均布荷载作用下含断裂过程区混凝土简支梁的应力函数全场解析解;由能量法得到了梁的自振频率,分析了裂缝长度和断裂过程区长度对自振频率的影响;将断裂过程区的长度用节点非线性弹簧表示,采用Ansys软件数值模型模拟了带断裂过程区的混凝土简支梁,得到混凝土简支梁典型截面的应力分布、竖向位移、裂缝张开位移和自振频率。理论计算结果和仿真分析结果吻合较好。     

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。     

软化指数对混凝土断裂过程区尺度的影响

应用Muskhelishvil应力函数全场解,根据幂指数函数描述的混凝土拉应变软化模型导出断裂过程区(FPZ)过程值及临界值的解析表达式,分析了在最大拉应变强度理论下软化指数对FPZ过程值及临界值的影响。结果表明:混凝土FPZ过程值及临界值都随着软化指数的增加而增加,不同泊松比下变化规律相近。     

大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥极限承载力分析

针对大悬臂展翅结构的极限承载能力问题,以某大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥为实际工程背景,建立精细的空间有限元模型进行数值分析。考虑结构几何非线性和材料非线性,研究偏心集中荷载、对称集中荷载、均布荷载3种工况作用下,结构的极限承载能力及裂缝的分布规律。结果表明,对称加载形式的极限承载能力大于非对称加载形式的极限承载能力;非对称荷载作用下,桥梁应力及裂缝分布也具有较大非对称性,且悬臂板根部更加容易出现裂缝,均布荷载作用下,桥梁边跨应力状况劣于中跨。     

列车荷载与水耦合作用下的无砟轨道水力劈裂机理分析

针对高速列车荷载与水耦合作用下无砟轨道水致损伤问题,采用控制体积法推导层间裂纹内动水压力分布解析式,并开展裂纹内动水压力分布特性试验。试验结果与理论分析基本一致。采用有限元软件ANSYS与CFX,分析CRTSⅡ型板式无砟轨道层间裂纹内动水压力特性。结果表明:裂纹内动水压力由流体黏性、荷载特性、裂纹形状综合决定,当裂纹开口量大于2mm时,水的黏性对动水压力的影响可以忽略,此时动水压力与列车速度基本呈二次方关系,与轴重呈线性关系。分别采用最大拉应力准则和复合型断裂判据,分析列车荷载与水耦合作用下裂纹的扩展状态。结果表明:行车速度是影响裂纹扩展的重要因素,随着列车行车速度的增加,裂纹扩展速度明显加快。     

基于离散单元法的道砟循环加载双轴试验研究

为从微观上分析列车循环荷载作用下道砟强度和刚度变化以及塑性变形的发展,用离散单元法模拟其在一次及二次加载条件下的双轴试验,分析2种情况在不同围压下道砟的力学特性并进行比较。结果表明:(1)第一次加载完成后,偏应力-轴向应变曲线表现为弱应变软化型或应变硬化型,其形态主要取决于围压高低;体应变-轴向应变曲线包括剪缩和剪胀2个阶段,剪缩阶段比较短。(2)第二次加载完成后,不同围压的偏应力-轴向应变曲线均为硬化型,道砟整体强度和刚度减小,塑性变形发展迅速;试验过程中,道砟颗粒一直处于剪胀状态。     

桥上长枕埋入式无砟轨道疲劳试验

为了研究客货共线条件下桥上长枕埋入式无砟轨道结构的受力特性与耐久性,基于应力相似原则设计一组纵梁,采用与施工现场相同的材料、工序制作出足尺无砟轨道模型,开展桥上长枕埋入式无砟轨道疲劳试验,得出客货共线条件下长枕埋入式无砟轨道模型的应力、应变与变形的分布规律以及疲劳损伤的发展形态。试验结果表明,长枕埋入式无砟轨道可以较好地适应客货共线条件下的铁路桥梁,在疲劳荷载全过程中,轨道结构整体性良好,应力、应变水平较为稳定,未出现明显的结构破坏与应力重分布现象。在4.5 Hz和12.5～37.5 kN荷载作用下,桥上长枕埋入式无砟轨道整体为受压状态,最大压应力3.3 MPa出现在轨下位置,最大拉应力1.04 MPa出现在桥面板板底位置,门型筋最大拉应力为10.2 MPa。疲劳荷载作用下,长枕与道床板新旧混凝土交界处率先出现裂缝,随后长枕端部出现朝向道床板边缘的延伸裂缝,累计300万次疲劳荷载后,道床板板中出现纵向、横向贯通裂缝。针对长枕埋入式无砟轨道新旧混凝土界面开裂问题,进行界面剂黏结性能对比试验,试验结果表明,硅灰水泥基界面剂可以有效抑制疲劳荷载作用下界面处裂缝开展。     

钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验研究

对6根大比例钢筋混凝土空心梁进行静载和疲劳性能试验研究,每根梁取不同荷载幅度,研究不同疲劳次数下梁受压区混凝土和受拉区的钢筋的应变、梁的跨中挠度以及裂缝发展情况,得到不同的疲劳荷载应力幅作用下钢筋混凝土空心梁的疲劳寿命;根据试验结果拟合得到钢筋混凝土空心梁疲劳荷载作用下的S-N曲线,为由钢筋混凝土空心梁构成的桥梁结构寿命预测提供依据。对钢筋混凝土空心梁疲劳破坏后的钢筋进行静力学性能试验研究,了解钢筋混凝土空心梁疲劳破坏后钢筋力学性能的退化情况。     

双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损特性

针对双块式无砟轨道枕边裂缝水力伤损问题,推导出动荷载作用下枕边裂缝内动水压力分布解析式并建立枕边裂缝扩展计算模型,分析列车运行速度及裂缝几何形态对动水压力与裂缝扩展特性的影响规律.结果表明:随着列车趋近或远离,枕边裂缝内动水压力值呈正负交替状态,当轮对与转向架临近伤损区时,裂缝内动水压力分别达到最大值和最小值;随着裂缝...     

弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析

曲线箱形梁兼具弯梁桥与箱形梁两者的特点,由于曲率的影响,竖向荷载作用下曲线箱梁弯矩与扭矩互相耦合同时存在。根据国内外既有研究成果,对曲线箱形梁空间受力特点及影响因素进行了总结。以60m单跨单箱形截面曲线混凝土简支梁为例,利用有限元软件TDV建立空间板单元模型,分析自重作用下,不同曲线半径下主梁截面正应力及剪应力分布,根据弯曲变形与应变的关系,比较曲线梁桥与直线梁桥正应力横向分布规律,提出用应力增大系数来表征曲线内外侧弧长不同引起的应力变化。研究结果表明,除了受剪力滞后效应影响,曲线箱梁桥截面正应力分布还与内外侧弧长不等引起的应力增大系数有关。     

铁路软岩隧道二次衬砌纵向裂缝成因分析

准(格尔)朔(州)铁路哈镇隧道二次衬砌从内轨顶面至最大开挖跨度处出现连续纵向裂缝。根据现场勘测情况,采用室内试验和数值模拟方法,分析了二次衬砌产生裂缝的原因。开裂段围岩为砂岩夹泥岩条带,遇水易崩解软化,具有一定膨胀性,但仅围岩软化不足以使二次衬砌产生裂缝。围岩软化与膨胀共同作用时二次衬砌结构从内轨顶面至最大开挖跨度处出现拉应力,当膨胀压力超过一定值时二次衬砌结构所受拉应力将大于混凝土极限抗拉强度进而产生裂缝。这一结果与现场二次衬砌开裂情况一致。     

循环荷载作用下饱和软黏土海床的刚度衰减模型研究

在地震和波浪等循环荷载作用下,海床内部产生循环应力、循环应变以及超孔隙水压力累积,可能造成饱和软黏土地基强度和刚度的降低,对桩基础的承载性能产生较大的影响.将反映土体软化特性的参数引入等效黏弹性模型中,建立考虑循环荷载作用下饱和软黏土刚度衰减以及动应力-应变非线性和滞回性的修正模型,基于动三轴试验结果反演获得饱和Kao...     

FRP筋混凝土板裂缝宽度的计算方法

基于FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算公式研究了FRP筋混凝土板裂缝宽度的计算方法,探讨了板与梁结构特征差异对裂缝宽度计算的影响机理。引入平均裂缝间距、截面内力臂系数、FRP筋应变不均匀系数等参数的修正方法,建议取消对有效配筋率下限值的规定。利用该方法对FRP筋混凝土板在不同的有效配筋率和受拉区FRP筋应力影响下的裂缝宽度进行了计算。结果表明:有效配筋率0.01,公式修正前后计算得到的裂缝宽度相对误差均10%。修正后的公式更能合理反映FRP筋混凝土板裂缝宽度的计算结果;公式中受拉区FRP筋应力修正前后得到的裂缝宽度相对误差均3%,其修正结果对构件裂缝宽度变化影响较小。     

考虑荷载横向变位时箱梁剪滞效应的解析解

通过对3种翼板分设不同的纵向位移差函数,并假定纵向位移沿横向分布规律为三次抛物线,计算外力势能时考虑荷载横向作用位置的影响,然后根据能量变分法,分别推导出集中、均布荷载横向变位时简支梁的应力和剪滞系数公式,本文方法计算结果与有限元模型结果吻合良好,验证了本文所作假定和理论推导的正确性。荷载横向变位时剪滞系数沿纵向的变化曲线表明:荷载由腹板顶部向顶板中心移动时,顶板受影响最明显,且由负剪滞效应变为正剪滞效应,腹板则相反;均布荷载作用下,越靠近支点剪滞效应越大,集中力作用下,作用位置局部区域内剪滞效应影响较大,其他区域几乎无影响,荷载作用点由腹板靠近顶板中心时,剪滞影响范围逐渐增大。     

预应力作用下简支箱梁桥的剪力滞效应分析

研究目的:为了研究箱梁桥在预应力作用下的剪力滞效应,以承受预应力作用的简支箱梁为对象,基于能量变分法,结合预应力等效荷载法,建立了直线、折线和曲线布束方式的简支梁在预应力作用下的剪力滞效应解析解。针对算例简支箱梁,研究3种布束方式综合作用下箱梁的剪力滞效应,并和有限元板壳数值解进行对比分析。以高速铁路10种典型标准设计整孔简支箱梁为例,研究直线、折线和曲线布束下跨中部位应力最大点处的剪力滞系数。研究结论:通过研究得出:(1)通过本文解析方法与板壳有限元数值解的对比表明,本文解析方法可以有效计算简支梁在预应力作用下的剪力滞效应;(2)对既有高速铁路简支梁桥,直线布束在跨中引起的剪力滞效应最小、其次为曲线布束、折线布束最大;(3)本研究成果对预应力混凝土箱梁的预应力设计具有理论借鉴意义。     

组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

在车辆荷载和温度作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道由于自密实混凝土层与底座板间产生离缝,发生应力集中和局部变形,对无砟轨道服役状态和使用寿命造成明显影响。基于ABAQUS有限元模型,计算车辆与温度不同荷载组合下,层间离缝横向和纵向发展对无砟轨道结构受力变形的影响,探究伤损演变规律和维修限值。研究结果表明:层间离缝宽度小于1.5m,轨道结构受力和变形的影响很小;离缝发展至两侧钢轨正下方后,轨道结构变形和应力均增大明显;离缝长度大于1.2m,对轨道板出现受拉裂缝和无离缝端上翘;正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵横拉应力以及负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵横拉应力均有叠加放大效应。     

列车荷载-水耦合作用下无砟轨道水平裂纹尖端强度因子有限元计算模型

针对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间裂纹扩展的典型现象,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹尖端强度因子的三维计算模型。依据水压力在裂纹表面作用的特点,基于弹性力学及断裂力学原理,引入双协调方程、Westergaard应力函数,得到应力分量及位移分量。把裂纹表面受到均布水压力引起裂纹尖端强度因子增大的问题,简化为裂纹表面受无数集中力时的叠加而引起裂纹尖端强度因子的增大问题。结果表明,CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹扩展类型为Ⅰ型,依据Ⅰ型裂纹失稳扩展发生在应变能密度因子S最小方向,确定CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹沿着原来的裂纹面扩展。通过ANSYS-Workbench-Fracture Tool平台下裂纹尖端强度因子计算,建立了有限元计算的模型,计算结果合理性通过复合试件拉伸试验得到了验证。     

不同累积概率不平顺状态下轨道板离缝损伤研究

为明晰线弹性模型与非线性损伤塑性模型在无砟轨道不同状态下的适用范围,研究层间离缝纵向扩展过程中轨道板在列车动荷载作用下的损伤萌生扩展规律,基于ABAQUS有限元软件建立CRTSⅠ型板式无砟轨道空间实体模型,以不同累积概率不平顺状态下的扣件支点压力作为荷载激励,分别采用线弹性模型与非线性损伤塑性模型描述轨道板混凝土应力-应变关系,对比分析整体轨道板在2种本构模型下的受力状态,分析其在轨道板-CA砂浆层层间离缝状态下的动力损伤规律。研究结果表明：在轨道结构正常状态下,各累积概率不平顺状态下的轨道板纵、横向拉应力水平较低,可采用线弹性模型简化计算;层间离缝状态下,轨道板上表面将承受较大拉应力而使轨道板受力进入塑性软化阶段,此时可采用非线性损伤塑性模型描述轨道板损伤的萌生、扩展过程。10%～90%累积概率不平顺状态下,轨道板损伤萌生所需离缝纵向长度处于820～890 mm之间,99%累积概率下仅需580 mm。轨道板损伤首先产生于第2组承轨台周围的轨下对应区域,随离缝纵向发展同时向板中与板边扩展直至贯通;轨道不平顺状态越差,轨道板损伤萌生与达到最大拉伸损伤所需离缝纵向长度越小。损伤所产生的塑性...     

列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析

无砟轨道结构轨道板裂缝和结构层间离缝会导致结构性能退化,承载力降低,危及行车安全。基于弹性地基梁—体理论,建立路基上无砟轨道结构有限元模型。在正常状态和轨道板底部存在不同程度离缝状态时,对轨道板在列车竖向荷载下产生裂缝的位置和路径,以及2种状态下轨道板的翘曲位移和翘曲时轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。研究结果表明:无砟轨道板仅在列车竖向荷载作用下不会产生裂缝。当轨道板底纵向全部脱空且横向脱空宽度达到钢轨底面内侧边缘位置时,列车竖向荷载板端加载不会生成裂缝,板中部加载会产生裂缝。裂缝大致沿着轨道板纵向中心线附近开裂,在板端斜向板两侧边缘发展,预裂缝能够有效阻断裂缝的扩展路径。     

空心板梁桥预应力张拉有限元分析

针对简支梁板桥中许多空心梁板在运营中产生裂缝的问题,以正在施工的桥梁中应用的16 m跨预应力空心板梁构件为研究对象,通过试验检测和采用有限元分析软件建立三维实体模型,来了解预应力施加过程中构件内分布筋的受力和混凝土沿纵向和横向的受力情况。计算模型中运用了等效荷载法和预应力束降温法两种预应力施加方式。最后将有限元计算的结果与试验结果做了对比分析。分析结果说明,板梁的有限元计算能够对该结构在预应力张拉阶段的内部应力应变特性做准确的描述,计算结果所表达出的应力分布特征可用作解释此类构件端部的底板和侧面出现裂缝的原因。