海洋环境中复合桩基水平方向波浪荷载研究

为研究承台淹没深度及波浪入射角对桩-承台复合基础水平方向波浪荷载的影响,以平潭海峡公铁两用大桥某复合基础为研究对象,通过求解RANS方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes equation）和k-ε湍流模型,借助FLOW-3D软件建立了波浪与复合基础相互作用的三维数值模型.研究了承台淹没深度及波浪入射角对复合基础水平方向波浪荷载的影响,并给出了不同波浪入射角下复合基础水平方向波浪荷载幅值随承台淹没深度的变化曲线.研究结果表明:承台位于波峰与波谷之间时,复合基础所受波浪荷载较大,承台淹没深度为1倍承台高度时波浪荷载达到峰值;当波浪入射角定义为承台长轴线与波浪传播方向之间夹角时,复合基础所受波浪荷载随着波浪入射角增大,当波浪入射角达到90°时,波浪荷载最大,其值约为波浪入射角为0°时的1.4倍左右.      

Calculation Method of Wave Forces on Large Round-Ended Caisson Foundation

This paper presents an analytical formula for estimating the longitudinal wave forces on a large roundended caisson foundation. The establishment of the formula is based on the superposition of the theoretical formula of wave forces on a large circular cylinder and the empirical formula of wave forces on a large rectangular cylinder. With the formula transformed into an inertial force form, a specific inertia coefficient with an exact expression is extracted from the formula. The numerical calculations of the wave forces on round-ended cylinders are carried out by the boundary-element method. The undetermined coefficients in the expression of the inertial coefficient are determined by the numerical results. It is obvious that the numerical values can be well expressed by the computation values from the established formula. By a model experiment carried out in laboratory wave flume, the correctness of the analytical formula is further verified by the measured wave forces on a test model of a round-ended bridge caisson foundation. The comparison shows that the experimental forces can be approximately estimated by this simple calculation method.     

路堤下复合地基素混凝土桩受力特征和破坏机理

为了合理分析软土地区路堤下素混凝土桩复合地基的稳定性,基于离心模型试验和仿真分析,研究了不同桩间距条件下路堤下素混凝土桩复合地基桩体的受力特征,引入桩体破坏逐一退出机制,分析了桩体破坏模式. 结果表明:在路堤自重和列车荷载作用下,路堤下复合地基素混凝土桩受力特征和破坏模式具有显著的桩间距效应,当桩间距分别增大至4倍和6倍桩径时,最靠近坡脚的第1列与第1、2列素混凝土桩分别产生了断桩破坏;在桩间距不变的条件下,随着上部荷载的增大,素混凝土桩最大弯矩和剪力均逐渐增大;施加列车荷载后,桩体最大弯矩和剪力往路基坡脚方向呈逐渐增大的规律,桩间距由3倍增大至6倍桩径时,靠近坡脚的桩体最大弯矩由172.9 kN?m增大至601.0 kN?m,大于桩体标定极限弯矩值,剪力由89.4 kN增大至249.1 kN,小于桩体标定极限剪力值,表明离心模型试验中素混凝土桩产生弯曲破坏而不是剪切、受压和受拉破坏,最靠近坡脚的桩最先发生弯曲破坏,随后往路基中心方向呈逐一弯曲破坏模式.      

微型桩水平承载特性的现场试验与有限元数值分析

为使水平承载微型桩在工程中得到充分合理的应用,通过现场静载试验和有限元数值分析,对微型桩的水平承载特性进行了研究。现场载荷试验对比了不同桩长、不同抗弯刚度微型桩的水平承载特性;数值分析探讨了桩径、桩身模量等主要因素对微型桩水平承载特性的影响。研究认为,通过合理选择微型桩桩长、桩径以及桩身插设钢管等措施,可以提高水平承载微型桩的承载能力。     

独柱墩T形刚构桥地震反应分析

针对目前城市桥梁通常采用的独柱墩连续梁桥的受力和结构设计存在的问题和缺陷,提出了2跨T形刚构桥梁结构形式,并对2种桥梁结构形式在构造和抗震性能方面的特点进行了对比.在构造方面,与连续粱桥相比,独柱墩T形刚构桥通过墩梁固结节省了支座,简化了伸缩缝的构造,增加了桥梁的横向稳定性,减小了横梁的受力.利用反应谱方法,推导了墩底固结等截面情况下T形刚构和连续粱桥简化模型的地震力和桥墩弯矩的解析表达式,并给出了不同周期范围内的2种体系地震反应的比较结果.采用桥梁的整体有限元模型,考虑桩土相互作用,对实桥进行了地震反应分析.研究结果表明,T形刚构采用墩梁固结能够显著降低地震力作用下桥墩和桩基的弯矩,提高了桥粱的抗震能力,简化了抗震构造.     

船舶救助艇释放运动建模与仿真

采用Kane方法建立了救助艇释放运动模型，考虑了救助艇、柔性吊臂、吊索及船舶之间耦合运动；采用集中质量法建立了吊臂模型，根据弹性应变能函数及耗散函数计算了吊臂的内力；将救助艇和船舶之间的碰撞分为压缩和恢复2个阶段，分别根据赫兹接触理论和永久凹坑的接触力模型计算碰撞力；将吊臂模型与基于伯努利-欧拉梁理论的模型对比，稳定状态的吊臂形状基本一致；将救助艇释放运动模型与现有方法对比，进行了横浪条件下救助艇释放仿真试验与救助艇轨迹在水平和竖直方向的误差分析。分析结果表明:在波高为3 m，波长为245 m时，本文方法的平均绝对误差分别为0.11和0.12 m，现有方法的平均绝对误差分别为0.54和0.34 m；在波高为2 m，波长为60 m时，本文方法的平均绝对误差分别为0.09和0.14 m，现有方法的平均绝对误差分别为1.72和0.31 m；本文方法平均绝对误差均低于现有方法，可见本文方法提高了横浪条件下救助艇释放运动的计算精度；与碰撞试验对比，水平和竖直方向加速度峰值的相对误差分别约为0.5%和60.0%，水平方向加速度的峰值具有较高精确度，可见救助艇释放运动模型可用于辅助分析碰撞试验；根据救助艇释放运动模型，横浪条件下，为避免发生碰撞，4级海况时，救助艇与船舷初始距离最小为2.0倍艇宽，5级海况时，救助艇与船舷初始距离最小为2.5倍艇宽。      

基于傅汝德-克雷洛夫力非线性法的规则波浪中船舶运动数学模型

为准确预报规则波浪中船舶的运动, 提出基于四叉树划分的自适应网格法, 以生成船舶瞬时湿表面, 在船舶瞬时湿表面上计算傅汝德-克雷洛夫(F-K)力与静恢复力; 对于与波面相交的面元, 由于F-K力在波面处剧烈波动, 采用四叉树划分法进一步细分面元; 基于线性理论, 采用瞬时自由面格林函数在船舶平均湿表面上计算扰动力; 为避免瞬时自由面格林函数在自由液面处剧烈波动产生严重数值误差, 舍去扰动势所满足边界积分方程中的水线项, 并对迎浪前进速度为傅汝德数0.2的WigleyⅠ型船舶进行数值计算。计算结果表明: 对低于瞬时波面以下的船体部分, F-K力非线性法所需面元数更少, 为细网格法的1/4~1/8;除不规则频率外, 舍去与未舍去水线项所得水动力系数与试验值的相对误差分别小于33.4%、54.8%, 因此, 舍去水线项所得水动力系数更接近试验结果; 当入射波波幅为0.018 m, 波长与船长比为1.25时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低3.2%、17.0%, 波长与船长比为2.00时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低6.7%、13.5%, 可见, 采用F-K力非线性法能够准确地仿真规则波浪中船舶的运动。      

基于LES的跨海桥梁施工期围堰波流力数值模拟

跨海大桥基础施工可能面临水深、浪大和流急等恶劣海况,波流力甚至可能成为围堰施工的主要控制荷载. 为研究跨海桥梁施工期围堰波流力,采用垂向多层σ坐标变换模型追踪三维波流自由液面,添加浸没边界法（IBM）处理不规则结构物界面,建立了基于LES的三维波流与结构物相互作用的数值模型,利用所建立并验证的三维数值模型模拟不同长宽比的矩形围堰与斜向波流的相互作用. 分析结果表明:所建立的三维数值模型能够较好地模拟矩形结构波流力;长宽比为1.0时,由于结构的对称性,波流入射角对围堰总波流力影响很小,增幅均在5%以内;随着长宽比的增加,波流入射角对围堰总波流力的影响增大;如长宽比为2.0时,波流沿纵桥向入射时（90°）结构的总波流力约为沿横桥向入射时（0°）总波流力的2.48倍. 与纯波情况相比,矩形围堰波流力普遍比纯波力偏大,但入射角对结构纯波力或波流力的影响系数较为接近.      

横向变刚度复合地基在高速公路软基处理中的应用

依托某高速公路桥头段工程,建立变刚度复合地基有限元模型,在验证模型正确性的基础上,针对变桩距方案进行横向沉降、水平位移、剪应力计算和分析;对变桩长、变模量与变桩距方案进行综合比选,建议采用变桩距方案来实现复合地基调平设计,该方案可有效控制路堤横向差异沉降,同时文章对横向变刚度复合地基在拓宽工程中的应用问题进行了探讨.     

桩-土-断层耦合作用下桥梁桩基竖向承载特性

基于海南铺前大桥, 采用室内模型试验与数值仿真, 分析了断层-桩-岩土相互作用时桥梁桩基的距离效应与承载特性。研究结果表明: 在模型试验中, 对于直径为6.3 cm, 长度为60 cm的桩基, 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 承载力增幅为26.7%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 承载力增幅仅为3.8%, 断层与桩基水平距离对桩基承载力影响度降至6.5%, 可以忽略; 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 桩身30 cm处桩侧阻力增大了0.059 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了44.5%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 桩侧阻力增大了0.029 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了8.3%。在数值仿真中, 在桩基直径为1.5 m, 长度为30 m, 覆盖层厚度为10 m的工况下, 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 承载力增幅由11.0%减小到6.5%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 承载力增幅减小到4.9%;当断层与桩基水平距离由7.5 m减小到1.5 m时, 桩身轴力沿桩长方向减小趋势逐渐变缓, 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 桩身16 m处桩侧阻力增大了1.90 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了28.0%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 桩侧阻力增大了0.33 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了5.0%。模型试验与数值仿真结果均表明, 在5倍桩径范围内, 桩基竖向承载特性受断层与桩基水平距离的影响较大; 超出5倍桩径后, 水平距离的影响较小, 甚至可以忽略; 断层与桩基水平距离对承载力、桩侧阻力的影响度与桩侧阻力占比的仿真值均减小较快, 在水平距离为5倍桩径时, 较模型试验值分别降低了2.2%、6.0%、0.174, 结果较理想化, 可用作工程参考。      

高速铁路CFG桩网复合结构设计参数分析

采用数值分析方法,依托京沪高速铁路徐沪段CFG(Cement Fly-ash Gravel)桩复合地基处理方法,分析了有无桩帽、不同桩长、不同桩间距等设计参数的桩网结构在高速列车荷载作用下对路基高度4.15 m的地基动力响应的影响,为高速铁路CFG桩复合地基的设计提供理论依据。结果表明,地基面(碎石垫层以下)动位移与有无桩帽、桩长、桩间距有关。无桩帽比有桩帽的位移大7.8%;随着桩长增加30%,70%,120%时,地基面最大动位移分别减小10.4%,19.6%,25.9%。随着桩间距增加0.8,2,2.5D(D为桩径)时,地基面最大动位移分别增加8%,12.4%,23.4%。地基面动应力的大小与有无桩帽、桩间距有关;在持力层相同的情况下,与桩长基本无关。在该文地质条件下,桩土动分担比与地基面桩、桩间土处的动位移呈正比。     

多孔介质海床对单桩所受波浪力的影响分析

为研究多孔介质海床的波浪衰减作用及单桩所受波浪力的变化规律,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制多孔介质内部流体流动,运用流体体积法追踪自由液面,建立波浪-多孔介质海床-单桩相互作用三维数值分析模型. 首先,基于波浪与多孔介质海床相互作用过程,研究了多孔介质海床对波浪传播的衰减作用;其次,分析了相同波浪条件下多孔介质海床及刚性海床时单桩所受波浪力的数值变化,突出了考虑海床多孔特性的必要性;最后,采用单一变量控制法,进一步研究了单桩所受波浪力数值随海床多孔特性参数的变化规律. 研究结果表明,海床多孔特性对波浪传播具有明显的衰减作用;给定的波浪参数和多孔介质海床条件下,单桩所受波浪力最大值比刚性海床情况提高约35%,若忽略海床多孔特性结构物会因低估波浪力数值而造成安全隐患;另外,结构物所受波浪力与海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度及双层海床分布厚度及每层孔隙率密切相关. 其中,波浪力最大值随着海床颗粒直径的增加而递减,随着孔隙率的增大先增加后降低,且孔隙率会影响波浪力随海床厚度变化的趋势.      

花岗岩残积土边坡水平拱高竖向变化规律

边坡抗滑桩土拱高度决定了桩及桩间措施的受力分配。本文研究土拱高度沿桩长方向的变化,为边坡抗滑桩及桩间措施的精细化设计提供理论基础。首先采用数值模拟技术,研究土拱高度沿桩深方向的变化规律;继而结合理论分析,建立桩间土拱的力学模型,并提出可考虑埋置深度的桩间土拱高度计算方法。研究结果表明,土拱高度在桩顶及以下不同深度处变化明显,滑面以上桩顶以下4.5m范围内有土拱,滑面以下可不考虑土拱影响。      

防爬吸能装置的碰撞动力学性能

为了研究列车碰撞时爬车失稳响应的影响因素,建立了一种考虑防爬装置间动态耦合关系的防爬吸能装置二维碰撞动力学模型,提出了一种针对防爬齿接触的几何搜索算法, 讨论了基于能量守恒定律的吸能装置纵向阻抗力的获取方法,导出了考虑塑性大变形和动态因素影响的防爬吸能装置阻抗力/力矩表达式.在此基础上,利用编制的计算程序对该装置的动力学性能进行了算例分析.分析结果表明:两防爬齿间的啮合程度与防爬齿本身绝对最大转动角度和防爬齿间的相对最大转动角度密切相关;减小吸能装置的纵向阻抗力和吸能长度,以及增加防爬装置的弯曲刚度均能减小防爬齿的绝对最大转动角度;防爬齿的相对最大转动角度随吸能长度的增加而增加,随防爬装置弯曲刚度的增加呈现先增加后减小的趋势,但与防爬吸能装置纵向阻抗力的变化关系不明显;该计算方法比传统有限元方法在计算时间方面缩短了10%.      

Numerical Investigation of Ultrasonic Guided Wave Dynamics in Piezoelectric Composite Plates for Establishing Structural Self-Sensing

This article presents a numerical investigation of guided wave generation, propagation, interaction with damage, and reception in piezoelectric composite plates for the purpose of establishing structural self-awareness.This approach employs piezoelectric composite materials as both load bearing structure and sensing elements.Finite element modal analysis of a plate cell with Bloch-Floquet boundary condition(BFBC) is performed to understand the wave propagation characteristics in piezoelectric composite plates. A comparative study is carried out between a standard composite plate and a piezoelectric composite plate to highlight the influence of piezoelectricity on guided wave dispersion relations. Subsequently, a transient dynamic coupled-field finite element model is constructed to simulate the procedure of guided wave generation, propagation, interaction with damage, and reception in a piezoelectric composite plate. Active sensing array is designed to capture the structural response containing the damage information. Three engineering scenarios, including a pristine case, a one-damage-location case and a two-damage-location case, are considered to demonstrate the ultrasonic sensing capability of the piezoelectric composite system. Finally, time-reversal method is utilized to locate and image the damage zones. This research shows that piezoelectric composite material possesses great potential to establish structural self-awareness, if it serves both as the load bearing and structural sensing components.     

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中,盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位,针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征,提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型,然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载,获取隧道最不利区域边界力,最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上,分析纵向接头细部构造受力特征;并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时,盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主,而纵向激励时,则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主;在纵向张开量最大的局部区域,不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况,该局部区域都处于受拉状态,两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响;当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时,最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位,最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.      

波浪荷载作用下各向异性海床瞬态液化研究

为探究各向异性海床在波浪作用下的瞬态液化问题,采用有限元法求解RANS （reynolds averaged navier-stokes）方程及k-ε湍流模型进行数值造波,通过求解Biot多孔弹性方程获得海床瞬态响应,进而建立了波浪-各向异性海床耦合作用的二维数值仿真模型. 在完成对新建模型的验证后,基于此模型系统地研究了波浪及海床特性对各向异性海床瞬态液化的影响. 研究结果表明:海床瞬态液化深度随波高、周期增大而增大,随海床饱和度增大而减小;当海床垂向渗透系数在一定范围内时,海床最大液化深度随垂向渗透系数增大而减小,超出该范围时,海床垂向渗透系数对海床最大液化深度的影响不明显;海床瞬态液化深度对水平方向渗透系数的改变不敏感.      

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.      

参数变化对多元复合地基承载力发挥系数的影响

结合室内模型试验和理论研究成果,考虑土的弹塑性和桩、土接触的高度非线性行为,建立了比较合理的多元复合地基数值模型;通过改变设计参数(主桩桩径、次桩桩径、次桩桩长、主桩模量、次桩模量、褥垫层厚度、褥垫层模量),对多元复合地基承载力发挥系数作了较系统的研究,得出了有利于多元复合地基工程设计及理论研究的一些结论.     

旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的现场试验

依托含易液化粉土夹层软基加固实体工程,采用现场试验的方法研究了旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的适用性和加固效果;通过钻孔取芯和静载试验测量分析了旋喷搅拌桩在含易液化粉土夹层软基中的成桩质量和桩芯强度;监测了路堤荷载下旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基典型断面的施工期间及工后的地表沉降、深层水平位移、桩体荷载分担比、...