落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究

为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1∶30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋势进行了分析,最后利用结构变形、弯矩及轴力图,对落石冲击下有回填土拱形明洞结构受力模式进行了总结. 研究结果表明:拱顶部位力学响应最显著,拱肩次之,拱腰及仰拱最小;结构受力形态可描述为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式;与静力学分析隧道或明洞衬砌结构的荷载-结构模式不同,现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对拱顶结构进行安全检算的方法并不适用于落石冲击工况;回填土厚度的增大有利于结构拱顶、拱肩及仰拱结构的受力,但对拱腰部位影响复杂,在设计时需结合落石规模、边墙形式及回填方式等进行具体分析.      

落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计

为完善拱形明洞结构可靠性设计方法,利用模型试验、数值模拟及理论分析等,结合现场实际,开展了落石冲击下无回填土拱形明洞破坏特征及失效模式、极限承载力、落石冲击荷载及极限状态表达式等的研究.首先,根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征,将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构,利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算,得到结构极限承载力即抗力;其次,将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力,通过回归分析,得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式;再次,将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程,利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标,通过与目标可靠指标的比较,进行结构可靠度设计与优化;最后,利用所建立的结构可靠度设计方法,对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算.研究结果表明:当落石高度为5~15 m、落石重量为1~2 k N时,原设计明洞结构可靠指标可达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后,落石高度为5~20 m、落石重量为1~2 k N范围时的结构可靠指标可达到5.4以上.     

落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计王玉锁，徐铭，王涛，王志龙，何俊男，周良

为提供一种结构可靠度设计方法，根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征，将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构，利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算，得到结构极限承载力即抗力.将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力，通过回归分析，得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式.将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程，利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标，通过与目标可靠指标的比较，进行结构可靠度设计与优化.利用所建立的结构可靠度设计方法，对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算，结果表明，当落石高度为5-15 m、落石重量为1-2 kN时，原设计明洞结构可靠指标能达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后，落石高度为5-20m、落石重量为1-2kN范围时的结构可靠指标能达到5. 4以上.     

不同土层参数对砖石排水拱涵受力影响

为研究不同土层参数对城镇砖石排水拱涵受力特性的影响,依托红旗渠项目试验段建立有限元模型,分析了地基土层的承载力和泊松比、结构外侧土层的含水量和泊松比及覆土层厚度对砖石拱涵结构受力的影响。研究结果表明：随着地基土层承载力的增大,拱趾内侧压应力增大,拱顶内侧拉应力、拱圈变形及拱圈受拉区域均减小。随着结构外侧土层含水量的增大,拱顶内侧拉应力、拱趾内侧压应力、侧墙底部内侧压应力、拱顶竖向变形及拱圈受拉区域均增大,且结构外侧土层含水量为10%～20%时,含水量变化对拱涵受力及拱圈变形影响较大。随着地基土层或结构外侧土层泊松比增大,拱顶内侧拉应力、拱趾内侧压应力、侧墙底部内侧压应力及拱圈变形均减小。随着覆土层厚度增加,拱顶内侧拉应力、拱趾内侧压应力、侧墙底部内侧压应力及拱顶竖向变形均呈线性递增趋势,且拱圈受拉区域增大。且结论均与红旗渠试验段现场检测结果较吻合,该研究成果可为地下拱涵结构检测鉴定提供参考。     

多落石冲击被动柔性防护体系的动力响应分析

应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对被动柔性防护体系在落石冲击作用下的变形和能量进行研究,采用ANSYS/LS-DYNA的显式分析方法,模拟了多块落石在不同运动模式下,其冲击荷载对被动柔性防护体系的动力响应,根据时程曲线,对比分析了多块落石在不同运动模式下的位移、冲击力、能量变化规律.分析结果表明:随着落石初始冲击动能的增加,防护网达到最大位移所需时间总体呈现减少趋势,且冲击时间在0.11～0.14 s之间;落石的最大冲击荷载出现在0.04～0.07 s,且随初始动能增加逐渐增大;在落石冲击过程中,被动柔性防护结构发生能量耗散,其中钢丝绳网在落石为滚动状态下的能量大于落石为弹跳状态下的能量,且钢柱在落石为滚动状态下的最大峰值能量大于落石在弹跳状态下的最大峰值能量;在钢丝绳网被冲破时落石在滚动状态下钢柱的能量发生急剧增大.     

落石冲击荷载下车厢顶棚结构动力响应

以国产25型客车为原型,将落石简化为刚性球体,车厢视为弹塑性材料,基于非线性有限元分析软件LS-DYNA,从落石冲击位置下方节点的位移及速度响应、落石冲击坑、落石冲击力等角度出发,对比分析了不同冲击角度对车厢顶棚结构动力响应的影响.结果表明:起始冲击区域的垂向位移和垂向速度响应随冲击角度的增大而减小;落石冲击坑的形状和位置有相应的变化规律;落石冲击力与冲击角度呈负相关,主要表现在法向方向.该结论可为今后列车结构在落石冲击作用下的安全设计提供参考.     

落石冲击力评定的离散元颗粒流数值模拟

为使落石冲击力评定更合理、有效,以离散元模型(DEM)为理论基础,利用颗粒流(PFC)单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力,分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律.将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计算方法所得结果进行比较,结果表明:落石冲击力与落石高度及重力均呈明显的线性关系,落石冲击力随落石高度线性变化幅度与落石重力有关,而落石冲击力随落石重力线性变化幅度与回填土厚度有关;回填土厚度为0.6 m时的冲击力比无回填土时减小50%~60%,回填土厚度大于2.0 m时,缓冲幅度趋于稳定,说明回填土厚度有一个合理范围,超出时,结构总荷载会增大;离散元颗粒流数值模拟方法通过阻尼设置来模拟空气在落石下落过程中产生的作用,使得在评定大体积落石从较高高度下落时产生的冲击力更加合理.      

拱脚变位对覆土波纹钢板拱桥受力性能的影响

结合内蒙某实际桥梁参数,利用有限元软件建立了考虑土与波纹钢板相互作用的二维平面应变模型,通过对模型施加强制位移,计算分析了10种不同拱脚变位工况下结构的受力和变形的变化规律.拱脚发生水平位移时对结构受力性能的影响比拱脚发生竖向沉降时大,拱脚水平位移造成结构位移增大,拱圈应力由受压转为受拉;拱脚不均匀沉降对结构的影响较均匀沉降大;特别是拱脚同时发生不对称的竖向和水平位移使结构位移显著增加,拱圈两侧拉压应力数值都明显增大.拱脚变位还会造成拱脚反力变化,特别是不均匀拱脚变位时会出现反力方向变号.尽管覆土波纹钢板拱桥变形适应能力较强,但在设计和施工中也应采取措施,避免和减小基础的变位.     

关于小孔松弛法测定焊接残余应力的测量精度的探讨

为了提高小孔松弛法的灵敏度,就应使电阻应变计尽可能地靠近孔的边缘。然而,愈是靠近孔的边缘,其压缩塑性应变也就愈大,愈不利于提高测量精度。本文对使用0°、45°、90°应变花(3×2×3-45°型),钻φ3×3的平底盲孔,进行了较深人的研究。我们发现,由于钻削所引起的压缩塑性应变量是不容忽视的;不同的钻孔方法所引起的钻削塑性应变也不同。我们认为,对低碳钢而言,钻削塑性应变最小的钻孔方法是,先用φ2的麻花钻头,钻孔深为3mm,然后再用中φ3的鍵槽铣刀,加工出合乎尺寸要求的φ3×3平底盲孔。平均应变量为-123该数值应当从实測的释放应变量中除去。本文列出了修正残余应力分布的例子,从理论上或实践上看都是合理的。另外,还对小孔松弛法中常用的单片法和应变花法进行了对比。试验结果表明,採用单片法测定板条结构中的纵向焊接残余应力是足够精确的。应变花法适于测定复杂应力场的残餘应力分布,但其计算工作量十分繁杂。     

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。     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

棚洞施工过程分析及应用

以吉林省东部山区傍山隧道为研究对象,采用大型有限元软件ANSYS对棚洞的施工过程进行模拟,采用DP屈服准则进行弹塑性分析,利用单元的生死属性来模拟边坡的开挖、棚洞的施做以及土体回填的过程。分析了棚洞结构变形及应力状态,指出了棚洞施工过程中应注意的问题,并对棚洞结构和回填土的坡率进行了优化。计算结果显示,半拱斜柱式棚洞要比半拱直柱式棚洞在结构上更为合理,而且不同回填土坡率对棚洞结构的受力产生较大的影响,计算结果对该棚洞的设计提供了依据。     

连拱隧道二衬结构受力优化设计

连拱隧道由于其中墙结构型式的不同,其二衬结构型式也各不相同。为了准确反映不同中墙型式的二衬结构受力特性,建立平面有限元"荷载-结构"模型,对不同中墙连拱隧道的二衬结构受力特性进行了分析,明确了整体式中墙与二衬开裂的原因,并提出了连拱隧道合理的衬砌结构型式及不同二衬结构的设计要点。     

斜交空心板梁极限承载力数值模拟分析及计算方法研究

采用三维实体单元建立斜交角度分别为15°、30°、45°的斜交空心板梁模型,进行考虑材料非线性的极限承载力数值模拟计算,通过模拟计算得出各种斜交角度空心板梁从承受荷载直至最终破坏的整个受力过程中的荷载-位移曲线、板梁中预应力筋的荷载-应力曲线。分析表明,不论斜交角度如何,斜交空心板梁的受力过程都可划分为预加力反拱及弹性受力、混凝土开裂及带裂缝工作、预应力钢筋屈服、受压区混凝土压碎破坏等4个阶段。通过计算对比发现,在对称荷载和非对称荷载作用下,各种角度的斜交空心板的极限荷载、截面的破坏形态存在一定的差别。以数值模拟计算的结果为依据,总结修正斜交空心板截面强度计算公式,以便工程设计参考使用。     

波纹钢箱涵二维有限元力学性能分析

目前,波纹钢箱涵结构在我国的研究和应用较少。结合某工程实际,采用有限元方法,分析波纹钢箱涵结构在施工回填阶段的力学性能,并讨论了不同拱上填土高度和不同荷载作用位置对波纹钢箱涵变形、应力及内力的影响。结果表明,箱涵涵侧对称回填土体对结构影响较小,但拱顶填土可能会引起较大的结构响应;拱上覆土的增加有利于削减活载对于结构的影响;荷载最不利作用位置位于结构的跨中处。     

大跨覆土波纹钢板拱桥结构加强措施研究

由于结构承受回填土压力,随着跨度增加,覆土波纹钢板拱桥的内力增幅较大,有必要对波纹板拱圈采取结构加强措施.基于跨径为16m的圆弧拱桥,采用混凝土复合加强肋方案对拱圈进行加强,分别建立了未加强、拱脚部位加强、沿拱圈环向加强和沿拱圈与横向的双方向加强等4种考虑土结相互作用的三维有限元模型,计算和对比分析了4种情况下结构的受力和变形特点.结果表明,覆土波纹钢板圆弧拱桥应力分布不均匀,对受力最大部位的拱脚采取局部加强措施能够显著改善结构的受力性能;环向加强措施改善了结构受力性能,但结构整体性较差;双向加强措施的改善效果明显,且有利于提高结构的整体性.     

复杂裂隙岩体力学损伤特性与破坏机理分析

针对不同节理状态的岩体受力复杂、力学损伤特性评估困难等问题,采用室内准确预设节理制备试件,模拟不同条件的力学损伤试验,并进行了应力-应变特性、弹性模量和破坏机理分析。结果表明:节理最不利倾角为45°,节理数量越多、贯通度越长、夹层厚度越大,岩体强度越低; 0°和90°倾角节理岩体主要是剪切破坏,其余为复合张-剪破坏,破坏过程存在应力积累和集中释放现象。     

复合套拱在某隧道洞口段的应用及力学性能分析

为全面掌握偏压隧道洞口段复合式套拱的力学性能,通过对林屋隧道进口洞口段的复合套拱的桩底应力、桩身应力、钢架应力及拱顶下沉等进行了监控量测,并对监测结果进行分析。结果表明:在偏压地形情况下,复合套拱桩基底应力分布不均匀,极易造成基底不均匀沉降;偏压隧道洞口段复合套拱受力情况复杂,桩身底部易产生拉应力,拱肩、拱顶部位易产生较大压应力,不利于整体稳定性;复合套拱的两侧边桩对于提高隧道洞口整体稳定性有极大作用。     

主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

为探明高地应力场主应力方向对软岩隧道围岩稳定性的影响规律,采用自主研发的"隧道三维应力场模拟试验系统"开展了大型三维地质力学模型试验,研究了最大水平主应力与隧道轴线平行和垂直两种工况下软岩隧道的围岩稳定性.研究结果表明:最大水平主应力与隧道轴线平行时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.221 m和-0.454 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.478、0.361、0.416 MPa和0.261 MPa;最大水平主应力与隧道轴线垂直时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.309 m和-0.548 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.579、0.652、0.593 MPa和0.327 MPa;两种工况下,围岩压力的最小值均出现在仰拱处、最大值均出现在墙脚处,围岩的径向应变增量均为拉应变增量,切向应变增量均为压应变增量,说明隧道开挖导致洞周围岩径向应力减小、切向应力集中.      

大跨径拱桥异性截面拱肋拱顶局部段力学行为分析

为探究大跨径异性截面钢拱桥局部段受力行为,以某450 m主跨中承式异性拱为工程背景,使用有限元软件建立了梁-壳混合有限元模型,分析了拱顶局部段在恒载+活载和恒载+活载+风荷载2种工况下的力学特征.计算结果表明:2种工况下,拱肋顶部箱梁整体纵桥向应力及主要板件Von Mises应力均处于较低水平,除板件连接位置外,应力分...