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.      

既有结构时变可靠度预测模型及计算方法研究

在复杂环境与荷载作用下,桥梁的抗力会随着时间的推移而退化,可靠性降低,导致桥梁提前破坏,这关系到桥梁耐久性、适用性和安全性问题。准确评估桥梁的安全状况,为桥梁管养部门在维护、维修和修复等方面及时提出合理建议措施,意义重大。文章首先建立了Gamma随机过程抗力退化模型与泊松（Poisson）随机过程荷载模型。在此基础上,基于抗力和荷载效应相互独立的基本假定,使用条件概率公式,严格得到了结构失效概率计算表达式,并提出了一种改进的时变可靠度Monte Carlo计算方法,最后用Matlab语言编制了相应计算程序。作为一个应用算例,利用文章所建立的双随机过程模型和可靠度计算方法,分析了某现钢筋混凝土T型梁桥服役20 a的抗力可靠度衰减规律。与传统的时变可靠度计算方法相比,本文方法不但可行、有效,而且效率高。另外,以腐蚀机制下的桥梁抗力退化模型为例,预测得到桥梁在后30 a时的失效概率以及可靠指标。     

落石冲击下单压式拱形明洞的力学响应

为进一步了解结构受力情况,为明洞结构设计提供依据,采用动力有限元方法,对客运专线双线单压式拱形明洞落石冲击下结构力学响应进行了研究.首先,以竖直下落冲击为基本工况,从落石与洞顶回填土的相互作用及运动轨迹入手,分析了结构的应力、应变、应变率、位移、速度、加速度等作用效应响应;其次,根据落石、回填土及结构间能量的转化与传递规律,结合结构及基底应力响应,阐述了回填土和混凝土填充材料对落石冲击的缓冲和对结构的保护作用机理,以及边墙形式对基底及仰拱受力的影响;最后进行了45°斜向冲击响应分析并与基本工况进行了对比.研究结果表明:所设计的明洞结构可以承受竖向700 k J的落石冲击能量,拱顶、拱肩及墙身内侧和耳墙墙址等部位是相对受力不利位置,回填方式和直墙式拱墙形式有待进一步研究优化;冲击引起的结构应变率响应介于1×10~(-3)~1×10~(-2)s~(-1),与地震引起的响应范围相同;在本研究工况下,45°斜向冲击作用效应总体上小于竖直冲击.     

圬工拱桥承载力可靠度分析

针对拱式桥结构体系中的主要受力构件 拱肋进行分析,借鉴拱桥设计中的"五点重合法"确定研究截面,并对该截面进行不利布载.对每一种荷载布置型式,采用荷载增量法进行拱桥结构失效模式的寻找和截面抗力的计算.给出其承载力可靠度功能函数,推导功能函数中结构抗力和作用效应概率模型,并利用改进的一次二阶矩法计算圬工拱桥承载力可靠度指标评估值.最后给出实桥验证算例.     

基于可靠度理论的铁路隧道洞门极限状态设计方法

针对铁路隧道洞门结构稳定性极限状态功能函数具有非线性及其参数具有随机性的特点,提出了基于可靠度理论的铁路隧道洞门结构设计方法.通过分析铁路隧道洞门的极限状态,建立了其极限状态方程.基于可靠度理论,以时速140 km/h的单线电气化铁路隧道端墙式洞门可靠指标计算为例,根据采用同样方法对3种设计时速共16种形式、22种类别隧道洞门的可靠指标计算结果,确定各极限状态下的目标可靠指标,建立极限状态设计式,求解并优化抗力分项系数.研究结果表明:铁路隧道洞门主要有抗裂、抗压、倾覆、滑动和地基承载力不足5种极限状态;极限状态方程中基本随机变量的统计特征是铁路隧道洞门可靠度设计是否准确的关键,可靠指标的确定是洞门结构极限状态设计的核心;建立的极限状态设计方法可直接用于铁路隧道洞门结构设计.      

圬工拱桥承载力可靠度分析

针对拱式桥结构体系中的主要受力构件．拱肋进行分析，借鉴拱桥设计中的“五点重合法”确定研究截面，并对该截面进行不利布载．对每一种荷载布置型式，采用荷载增量法进行拱桥结构失效模式的寻找和截面抗力的计算．给出其承载力可靠度功能函数，推导功能函数中结构抗力和作用效应概率模型，并利用改进的一次二阶矩法计算圬工拱桥承载力可靠度指标评估值．最后给出实桥验证算例。     

既有刚架混凝土拱桥时变可靠性分析

为了研究抗力衰减函数系数、荷载横向分布系数和荷载增长系数对服役期间的刚架混凝土拱桥可靠度的影响,将抗力衰减函数系数、荷载横向分布系数和荷载增长系数视为随机变量,对结构的可靠性进行了分析.结果表明荷载横向分布系数和荷载增长系数对结构可靠性的影响较大,抗力按不同的规律衰减导致结构的可靠指标降低趋势表现出不同的规律,因此应根据结构的实际服役环境来确定抗力的衰减规律,从而利用可靠指标的变化规律对结构制定合理、经济的养护维修及加固方案.     

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.     

基于弹性模量缩减法的随机极限承载力分析

为确定工程结构的随机极限承载力,结合弹性模量调整策略和摄动随机有限元法,提出一种基于弹性模量缩减法的随机极限承载力分析方法.首先利用摄动随机有限元法计算结构的随机响应量和单元可靠指标,并定义单元可靠指标均匀度和基准可靠指标,进而论证随机极限分析的比例加载条件及随机响应量的比例关系;然后通过有策略地缩减低可靠度单元的弹性模量,以模拟结构的失效演化历程,形成一系列静力容许应力场,进而根据塑性极限分析理论确定结构的失效模式及其对应的随机极限承载力.算例分析结果表明,该方法通常只需要迭代15步左右即可收敛,与蒙特卡洛法（抽样50万次）的相对误差在0.5%以内.      

既有钢筋混凝土梁时变可靠度计算模型

分析了目前既有结构时变可靠度计算理论和现行规范计算公式,考虑混凝土损伤和钢筋锈蚀以及材料强度随时间劣化的情况,建立了既有钢筋混凝土梁(单筋矩形截面、双筋矩形截面和T形截面)的时变抗力计算模型,给出了既有钢筋混凝土梁的时变可靠度指标,并通过工程实例对既有钢筋混凝土梁进行了加固前计算分析.结果表明:实例结构动态可靠度指标为1.56,承载能力属于d级,这与现行可靠性鉴定标准的评级相吻合,因此,计算模型合理可靠.     

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.      

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.     

弹性反力方向对隧道衬砌可靠指标值的影响分析

使用荷载-结构模式进行隧道衬砌可靠度分析时，一般用弹性支承链杆来代替围岩与隧道衬砌结构的共同作用。对单线电气化铁路隧道衬砌标准设计图按相同设计参数，但将弹性支承链杆分别按水平和法线方向进行可靠度分析比较，其结果说明弹性抗力方向对隧道衬砌可靠度有显著的影响。     

考虑可靠指标与评估准则统一的在役桥梁剩余使用寿命预测

应用结构可靠度基本理论和方法，对在役桥梁剩余使用寿命预测进行研究．在已有研究成果的基础上，考虑可靠指标与评估准则在时间区域上的统一，提出在役桥梁使用寿命评估准则和基于当量可靠指标的剩余使用寿命分析方法，分析在役桥梁剩余使用寿命取值原则，并针对主要承重构件，建立动态可靠度计算的抗力和荷载效应模型，给出了实桥分析算例．     

基于支持向量机的桁架桥可靠度评估

针对桁架桥结构极限状态方程一般难以显式表达的特点,提出基于支持向量机的桁架桥可靠度评估方法。通过抽样,采用桁架桥有限元计算,利用支持向量机的非线性映射和泛化能力,建立随机变量与结构响应之间的函数关系,模拟结构极限状态方程,采用优化算法计算桁架桥可靠指标。研究表明:该方法对于评估桁架桥可靠度具有较高的计算精度,但随车辆荷载随机变量的离散性增加,桁架桥的失效概率显著增大。     

隧道衬砌结构可靠指标计算方法的研究

本文采用有限元－响应面法及Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ模拟获得衬砌结构内力的特征参数，并以此为基础，利用五种结构可靠度分析法计算明洞与隧道衬砌结构可靠指标，经对比得出Ｔｒｙｍ法求出的隧道衬砌结构可靠指标最小，为今后进一步寻求隧道结构设计安全系数与可靠指标之间的对应关系奠定基础。     

钢管混凝土纯弯构件可靠度分析

直接将影响抗力及荷载效应不定性的各变量视为基本变量,应用可靠度最优化方法,对<钢管混凝土结构技术规程>DBJ13-51-2003中钢管混凝土纯弯构件的承载力公式进行了可靠度分析,并且研究了不同混凝土标号、钢号、荷载组合、荷载效应比以及含钢率等变异因素对钢管混凝土纯弯构件可靠度的影响.     

预应力混凝土梁超载能力分析

为了验证利用有限元法分析预应力混凝土梁极限承载能力的准确性,对T形预应力混凝土模型梁进行了极限承载力加载破坏试验,采用ANSYS有限元程序,建立了T梁的分离式有限元模型,分析了模型梁从加载到破坏全过程的受力和变形。发现利用实验与有限元法得到T梁的荷载-挠度曲线与荷载-应变曲线的变化趋势一致,并呈现良好的非线性,但是通过荷载试验得到T梁的超载能力为9.07 kN.m,按照有限元分析得到的超载能力为12.48 kN.m,偏差较大,原因是分析模型偏于理想化。分析结果表明:利用有限元法在总体上能够有效地模拟钢筋混凝土梁受力全过程中各个量的非线性变化,对超载能力的求解是可行的。     

预应力碳纤维加固RC梁的可靠度分析

目前,加固后桥梁结构的安全分析主要采用有限元等确定性分析方法,没有考虑变量的变异性.在已有研究的基础上,建立了预应力碳纤维加固RC梁的极限状态方程;运用改进的重要抽样法,对预应力碳纤维加固结构进行了可靠指标计算.计算结果表明:该算法能较好地提高解的精度;通过参数敏感性影响分析可知,抗力设计变量中,h0的均值和fy的变异系数对结构可靠度的影响最为显著,同时,可靠度指标还随着CFRP的弹性模量和截面面积的均值的增大而增大.