混凝土框架结构内力测量传感器研制

研制了一种可用于混凝土结构试验中测量柱底截面轴向力、剪力和弯矩的内力测量传感器。该传感器主要由加载板、基座、4根竖向测力杆和2根水平测力杆组成。使用时,柱底截面的内力通过加载板传递给6根测力杆,根据6根测力杆的结果,通过力平衡方程可以计算实际加载的轴向力、剪力和弯矩的大小。对该传感器进行了4种工况下的标定试验。结果表明,传感器的测量误差满足框架结构内力测量精度要求。将该传感器应用到单层两跨的钢筋混凝土框架推覆试验中,获得了整个试验过程中构件的内力时程。     

模拟盾构掘进过程中的刀盘受力研究

为了探索盾构掘进机刀盘的掘进机理和刀具受力特点,依据实际土压平衡盾构机的基本结构,按比例缩小设计了模拟盾构刀盘掘进实验装置,并在不变刀具外形的前提下,研制了刀具与传感一体化的刀具传感器.该装置既可测量刀盘轴向推力、扭矩也可测量刀具切削阻力.实验证明了所研制的刀具传感器的有效性,具有挖掘和监测挖掘时的切削阻力双重功能,且解决了切刀中多个力耦合问题,能够分别测量切刀的切削力和轴向阻力.实验结果显示刀具的切削阻力和轴向阻力随所在位置半径增大而增大,且两者基本成线性关系.     

考虑地基水平摩阻的Winkler地基上板模型解析

在Winkler地基模型基础上，采用板与地基之间的水平摩阻应力正比于板与地基接触点间水平位移假设，推演了包含板弯曲和轴向拉压效应的非线性地基板微分方程；应用摄动法分析竖向集中力作用下，板与地基水平摩阻应力对板内力（弯曲力、轴向力和剪应力）、位移（挠度、水平位移）的影响规律，实证了板与地基水平摩阻应力对板剪应力的非线性影响可以忽略不计，从而得到了轴对称条件下计入地基水平摩阻的Winkler地基上薄板的线性微分方程．随后通过汉克尔变换得到了轴对称无限大板的解析解，以及包含四项复宗量贝塞尔函数的轴对称圆形板的解析解，给出了板内力、位移的计算式；最后，通过算例分析了板与地基间水平摩阻状况对板挠度、截面弯矩的影响规律．结果表明：地基板挠度与弯矩随着板与地基间水平摩阻的增大而减少；当地基板水平摩阻参数大于0.01时，地基水平摩阻力对板挠度和弯矩影响有可能超过2%，应予考虑；无限大板作用圆形均布荷载时，水平摩阻的存在最大可使板最大挠度（即荷载圆中心点处挠度）下降约50%，板最大截面弯矩（即荷载圆中心点处弯矩）下降约70%.     

海底防沉板-桩复合基础竖向受力变形特性研究

为了研究海底防沉板-桩复合基础在竖向荷载作用下的受力变形特性,以我国南海某200m水深项目为研究对象,将防沉板-桩复合基础简化为防沉板加角桩的形式,利用FLAC3D数值模拟软件建立了防沉板-桩复合基础数值计算模型。研究了海底防沉板-桩复合基础在竖向荷载作用下海床土体、防沉板、桩身的受力变形特性,并对不同竖向荷载作用下海床土体沉降、防沉板弯矩、桩身位移、桩身弯矩进行了对比分析。研究表明:防沉板的正负弯矩最大值分别出现在防沉板中部和防沉板与桩顶端的连接处,荷载越大,对防沉板的影响越大,桩在防沉板-桩复合基础中的作用越大;荷载越大,桩身产生的水平位移越大,其倾斜程度也越大;竖向荷载较小时,桩身同时出现正负弯矩,竖向荷载较大时,桩身只有正弯矩或只有负弯矩;复合基础的破坏容易发生在防沉板与桩身顶端的连接处。研究内容和计算结果可为防沉板-桩复合基础的设计提供合理可靠的理论依据。     

正交各向异性圆柱壳与平板连接处边缘应力分析

根据各向异性薄壳理论对承压圆柱壳与平板连接结构进行了力学分析,获得了圆柱壳连接处的剪力、弯矩、应力解,计算了各向异性弹性模量比对结构连接处的剪力、弯矩以及沿筒体纵向应力分布的影响,并与各向同性的结果进行了对比。结果表明:剪力和弯矩均随着各项异性弹性模量比的增大而增大;各项异性弹性模量与各项同性的情况相比对结构部位的应力影响显著;合理利用材料各向异性性能,可以降低承压结构连接部位的应力水平。研究结果为带有平板封头正交各向异性承压圆柱壳设计提供了参考。     

采用包络-准则法优化考虑瞬态传热的薄板结构

刚度和强度是薄板结构的两个主要性能。在瞬态传热过程中,考虑热-力耦合,随时间和空间变化的非均匀温度场在结构中会引起热变形和热应力,温度场随时间变化的规律和空间分布依赖于板的厚度变化,进而影响板的刚度和强度。因此,考虑瞬态传热的薄板优化问题具有更强的非线性,更加难以求解。本文给出一种包络-准则方法处理这类结构优化问题。首先,针对外力荷载,进行一个结构柔顺性的优化设计;以这一设计为基础,通过瞬态热-力耦合分析及优化准则,计算多个时刻的优化设计变量并取其包络,对上述优化结果进行迭代修正,以消除瞬态温度场作用下较高的局部应力。优化算例表明,该方法对于考虑瞬态传热薄板优化问题有效。     

支护条件下软岩隧道小型拱形塌腔围岩变形分析

以小型拱形塌方为研究对象,考虑支护条件,对自重应力场作用下软岩隧道小型拱形塌方腔体周边围岩及支护结构的变形受力进行了深入研究。结果表明:塌方腔体围岩水平位移增加值不均匀,拱顶处接近于0,垂直位移增加值相对均匀,两者最大值均位于塌腔与隧道断面交界点;距洞壁越近,水平位移和垂直位移越大;围岩应力释放程度不同,不同测线水平应力变化规律差异较大,垂直应力随距洞壁距离增加而不断增加,最终趋于稳定;塌方后支护结构的局部轴力变大,剪应力也较正常情况增加,表明支护结构受力明显增加,如处治不及时则可能发生二次塌方。提出应用锚杆进行塌方处治的方案,得出锚杆发挥了良好的加固围岩作用,围岩变形得到了有效控制。     

循环荷载作用下饱和粘土中的有效应力原理的实验研究

有效应力原理是土力学中的经典理论,在土动力学中,有效应力原理的应用基本上是沿用土静力学中的方法,即通过建立合理的孔压模式,利用有效应力原理对土体的破坏进行分析。但是通过动三轴试验发现,在动三轴不固结不排水试验中,整个试验过程中孔压不发生变化,土体强度却发生了明显的衰减。这种现象利用有效应力原理无法得到合理的解释。针对这种现象,本文建议引入损伤变量D,作为反映土体结构变化的参数,对有效应力原理进行修正。经过修正后的有效应力原理反映了在循环荷载作用下,循环扰动造成的结构损伤对有效应力的影响,可以合理地解释动力作用下土体中孔压和有效应力相互转换,以及土体强度衰减的原因。     

基于非局部理论的分数阶黏弹性场地地震放大效应分析

基于非局部理论和分数阶导数理论,研究上覆黏弹性场地土的地震放大效应。利用Eringen非局部理论考虑土体颗粒尺度等非局部效应的影响,通过分数阶黏弹性本构模型刻画场地土的应力应变本构关系,建立基于非局部理论的分数阶黏弹性场地土的振动微分方程;考虑分数阶导数的性质和黏弹性场地土的边界条件,得到了简谐地震波作用下黏弹性场地土的位移和剪切应力的解析解,并在频率域内给出了位移放大系数和应力放大系数的表达式;最后通过数值算例分析了非局部效应、分数阶导数的阶数和土体黏性参数等对黏弹性场地地震放大效应的影响。数值分析结果表明,在低频时位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线存在波动,高频时逐渐趋于稳定;非局部效应对场地土位移放大系数的影响与频率有关,对应力放大系数的影响较大,在研究场地土振动效应时有必要考虑土体非局部效应的影响;分数阶导数的阶数越小,位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线波动越大;场地土的力学性质对场地土的振动效应的影响较大;上覆场地土的黏性对位移放大系数的影响与频率有关,高频时,土体黏性越大,位移放大系数越大;越接近基岩,土体的应力放大系数越大,且土体深度对应力放大系数的影响越大。     

高速水流下旋流消能泄洪洞衬砌应力与破坏特征

旋流消能泄洪洞在高速水流作用下旋流拖曳力实用化计算方法和旋流拖曳力作用下衬砌应力与破坏特征对评价旋流消能泄洪洞结构优化设计以及衬砌结构的安全性至关重要。本文以边界层理论为基础,利用奥地利岩土工程分析系统FINAL,对泄洪洞在拖曳力和局部负压作用下的局部安全稳定性问题进行了多种工况下的三维非线性有限元分析。首次从结构应力角度研究了因高速水流产生的拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞衬砌应力分布与破坏特征的影响;分析了旋流消能泄洪洞运行过程中产生拖曳力的大小与分布,得到了旋流消能高速水流拖曳力实用化计算方法,并用于分析拖曳力大小、方向、泄洪洞运行过程中负压出现的部位和大小。详细分析了流速为25m/s、30m/s、35m/s时拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞关键洞段衬砌的应力、变形与破坏区的影响。结果表明:旋流拖曳力对衬砌应力、旋流段衬砌破坏区大小、深度影响显著,在设计过程中需要对影响显著部位进行必要的加固强化处理;局部负压对衬砌影响较小,可以忽略。分析成果已应用于公伯峡水电站旋流消能泄洪洞设计、施工。     

双曲冷却塔塔筒水平地震响应分析

为明确冷却塔在水平地震下的内力环向分布特征及内在原因,同时探究不同地震波时程与规范反应谱所得内力差异的原因,以某大型双曲冷却塔为例,在动力特性分析的基础上,通过反应谱方法和时程方法的水平地震响应计算及对比分析,对上述两个问题进行了研究。研究表明:由于仅侧弯振型对水平地震有贡献,而塔筒的侧弯振型和实际响应均表现为整体侧倾并伴随微弱的截面“流动”变形,这也使塔筒各内力的环向分布分别呈现正弦、余弦分布特征;其整体侧倾可类比于悬臂杆结构,塔筒子午向轴力FY、子午向弯矩MY、剪力FXY和扭矩MXY的环向分布可借助悬臂杆侧倾时截面正应力和剪应力分布来解释;而截面“流动”变形则决定了环向轴力FX和环向弯矩MX的环向分布;整体侧移显著而截面变形极小也使FY和FXY的幅值在塔筒中下部明显大于FX;由于冷却塔第1阶侧弯振型在水平地震响应中往往起绝对主导作用,因此可先对所选地震波计算得到其反应谱,对比第1阶侧弯振型周期对应的水平地震影响系数α值,即可初步推断不同时程及规范反应谱方法所得结果的大小关系。     

工艺过程对固体氧化物燃料电池材料力学性能的影响

固体氧化物燃料电池在生产过程中采用不同的加工手段,加工过程会产生一定的损伤,同时材料烧结过程产生比较大的残余应力,这些因素都会影响电池的使用寿命和完整性.本文通过实验测试,研究了不同加工过程对材料性能的影响,其中包括直接冲剪,激光切割以及切割后研磨等方法,并测试了这些加工手段对应的试件的强度.结果显示,直接冲剪法造成性能的分散性比较大,激光切割的性能较好,而研磨加工法对材料的性能影响最小;受残余应力或各层有效应力的作用,单层阳极材料的强度要高于双层电池结构材料的强度;利用弯曲法测试了半电池结构中的残余应力和不同薄膜对应的厚度残余应力,测试的结果和热弹性力学计算结果进行了对比.由于在高温时阳极材料有应力松弛现象,计算得出的残余应力高于实验测试结果.     

深基坑桩锚与土钉墙联合支护的数值模拟

目前工程界桩锚与土钉墙联合支护设计采用的是土钉墙与桩锚分开单独设计的思路。根据单独设计思路和桩锚与土钉墙联合支护基坑工程实际情况分别建立单独土钉墙数值模拟、单独桩锚数值模拟与联合支护数值模拟模型。通过不同设计方法的数值模拟与对比分析,得到以下结论:联合支护数值模拟同时考虑了上部土钉墙与下部桩锚支护结构,模拟过程与实际施工过程相符,结果较为合理;与联合支护模拟结果相比,单独土钉墙模拟得到的土钉内力,坡顶水平位移、坡顶沉降均较小,以此为设计依据使土钉墙偏于不安全;单独桩锚模拟与联合支护模拟相比则高估了锚杆拉力、桩顶沉降、桩身最大弯矩,使设计有些保守。     

考虑海底接触的钢悬链式立管触地点动力响应以及疲劳损伤分析

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触地点处的动力响应以及疲劳损伤特性进行了分析。分析结果表明,SCR触地点的垂向位移、弯矩、等效应力以及疲劳损伤均随着浮体垂荡运动幅度的增加而呈上升趋势。SCR触地点的垂向位移随着土体吸力系数的增大由高幅低频响应转变为低幅高频响应。SCR触地点的疲劳损伤随着海床刚度的增加呈现先稳定再增加再稳定的趋势。     

Flexure analysis of circular elastic layers bonded between rigid plates

An elastic layer of circular cross-section which is bonded between rigid plates and subjected to pure bending moment is analyzed through a theoretical approach. Based on two kinematic assumptions, the governing equations for the two horizontal displacement functions are established from the equilibrium equations. The horizontal displacements are then solved by satisfying the stress boundary conditions in the elastic layer. Through these solved displacements, the vertical stress in the elastic layer, the shear stress on the bonding surfaces, and the tilting stiffness of the bonded layer are derived in closed-forms and are also compared with the results of finite element analysis.     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

在注浆加固工程中, 为了避免空间变异性导致的支护结构受力过大而失稳, 提出合理的注浆加固体刚度及强度预测方法十分必要. 本文利用分形理论描述颗粒土类型的隧道围岩的孔隙特征, 基于迂曲度经验公式建立了地层体孔隙率和面孔隙率的转换关系. 以体孔隙率为变量, 结合Mori-Tanaka方法, 提出新的注浆加固体的宏观刚度预测方法. 利用能量法求解连通孔隙不同屈曲半波分布形态下的临界载荷作为加固体的单轴抗压强度, 从而建立了新的注浆加固体的强度预测理论模型. 以玉京山隧道为工程算例, 将本文方法在FLAC3D中进行二次开发, 通过对不同的地层单元随机生成孔隙率, 并利用本文方法计算并赋予地层单元不同的物理力学性质, 实现了围岩空间变异性的模拟, 数值模拟和现场监测得到的隧道洞身水平收敛的最大绝对误差仅为8 mm. 数值模拟结果表明, 对玉京山隧道回填区域进行注浆加固可以降低50%~90%的围岩位移, 极大地降低围岩不良区域对应的支护结构弯矩, 降低支护结构扭矩至0, 并将支护结构变形控制在10 mm以内, 但注浆加固难以改变灰岩和回填体之间的载荷分配规律.      

DEM simulation of soil-tool interaction under extraterrestrial environmental effects

In contrast to terrestrial environment, the harsh lunar environment conditions include lower gravity acceleration, ultra-high vacuum and high (low) temperature in the daytime (night-time). This paper focuses on the effects of those mentioned features on soil cutting tests, a simplified excavation test, to reduce the risk of lunar excavation missions. Soil behavior and blade performance were analyzed under different environmental conditions. The results show that: (1) the cutting resistance and the energy consumption increase linearly with the gravity. The bending moment has a bigger increasing rate in low gravity fields due to a decreasing moment arm; (2) the cutting resistance, energy consumption and bending moment increase significantly because of the raised soil strength on the lunar environment, especially in low gravity fields. Under the lunar environment, the proportions of cutting resistance, bending moment and energy consumption due to the effect of the van der Waals forces are significant. Thus, they should be taken into consideration when planning excavations on the Moon. Therefore, considering that the maximum frictional force between the excavator and the lunar surface is proportional to the gravity acceleration, the same excavator that works efficiently on the Earth may not be able to work properly on the Moon.     

端部受斜冲击的刚塑性悬臂梁的双铰模型

斜冲击载荷作用在刚塑性悬臂梁的端部,引起作用在梁横截面处的弯矩以及轴力;在发生塑性变形截面处,弯矩及轴力满足交互作用屈服条件。广义应力在移行铰的邻域不违背屈服条件,屈服函数可在移行铰的背面取极大值,移行铰处的剪切力不必为零。如果悬臂梁足够长,在响应的初始阶段移行铰处非零的剪力会在梁上引起多铰变形。通过对双铰模型与单铰模型的比较发现,双铰模型计算的结果与单铰模型计算的结果很接近,单铰模型作为一个近似模型具有一定的合理性。