土遗址楠竹锚固界面传力过程研究

竹木锚固技术近年来被广泛应用于土遗址文物加固保护中,但其锚固界面传力机理尚不明确,严重制约着锚固技术的科学化、规模化应用.相关研究成果已经证实了合理的锚固界面粘结-滑移模型对锚固系统性能预测的重要性,本文在此基础上以楠竹-改性泥浆-夯土锚固系统为例,基于考虑完全脱粘现象的三线型粘结-滑移模型开展了锚固界面传力全过程研究.首先将锚固界面传力全过程分为6个连续阶段,分别对各阶段对应的界面应力、应变分布与演化过程进行理论解析,推导了锚杆轴向变形、界面滑移量、界面剪应力、界面剪应变等参数的封闭解,同时给出了极限锚固力与有效锚固长度的计算方法.在此基础上,通过识别载荷-位移曲线特征点对粘结-滑移模型参数进行了标定.最后采用两个土遗址原位拉拔试验对理论解析模型的合理性进行了对比验证,同时着重分析了锚固长度与锚杆轴向刚度两个因素对锚固性能的影响规律.本文提出的解析模型对存在完全脱粘现象的锚固界面传力过程分析具有广泛适用性,能够为土遗址锚固工程设计提供参考与指导.      

砂土串囊式充气锚杆承载力的研究

在砂土地层中,串囊式充气锚杆的研究还比较少,其承载特性及受力机理尚不明确。本文基于莫尔-库仑模型和Vesic圆孔扩张理论法,分别对圆柱体、球体、组合体、椭球体假设下的串囊式充气锚杆的扩大段进行计算分析。并将计算结果与试验得到的实测值进行对比。结果表明:四种形状假设中椭球体的形状假设理论值与实测值的误差最小,仅为8.35%。通过拟合试验数据,并引入与端阻力和侧摩阻力有关的两个系数对承载力公式进行修正,得到了抗拔承载力的经验公式。     

基于ANN的碳纤维楠竹锚杆锚固力预测研究

为减小对文物本体的破坏,本文基于新疆某土遗址加固保护中碳纤维楠竹锚杆锚固力原位测试试验,考虑锚杆直径、长度、倾斜角以及灌浆体强度、孔径、碳纤维缠绕间距等锚固力影响因素,利用人工神经网络(artificial neural network, ANN) 的误差反向传播(back propagation, BP) 算法及MATLAB 人工神经网络工具箱,建立了锚固力预测的智能模型;并以原位测试所得的数据为学习样本和检验样本,验证了该方法的适用性和可行性. 将训练好的网络模型进行扩展计算,基于L₂₅(5⁶) 正交表试验理论分析了锚固力对各影响因素的敏感性,为同类加固工程的实际应用提供参考依据.     

考虑钢板剥离影响的加固混凝土梁抗剪承载力研究

通过对U形钢板的作用分析，提出钢板剥离对U形钢板加固混凝土梁的抗剪承载力有影响，对规范中的抗剪承载力计算式，应引入考虑钢板剥离影响的修正系数K，系数K是关于粘贴强度的函数。通过两组共14个粘贴U形钢板加固混凝土梁的有限元模型的数值仿真，并对分析结果进行数值拟合，推导了系数K的具体计算式，提出了考虑钢板剥离影响的加固混凝土梁的抗剪承载力计算式。最后通过4根梁实体模型的剪切破坏试验，验证了所提出计算式的合理性。     

PS溶液渗透对非饱和土的增强效应研究

特定模数硅酸钾溶液(PS)已广泛的用于我国西北干旱地区土遗址加固保护工程中,并且取得了显著的效果。但是PS对潮湿地区遗址土加固效果,目前尚缺乏成熟的理论和实验验证。本文从室内试验的资料出发,研究PS对潮湿地区土遗址非饱和土的增强效应。本次研究土样取自位于潮湿环境中的浙江杭州良渚土遗址(3000 B C.),在实验室内对高含水量(13％ ~25％)的重塑土样进行了PS渗透加固。通过研究对比加固前后重塑土样的固结特性和抗剪强度,发现 PS对潮湿地区遗址土也有一定的加固效果。加固效果随初始饱和度的不同而不同,但初始含水量达25%的土在PS作用下仍可能得到增强。经PS渗透的土样不仅提高了初始固结性能和抗剪强度,而且加固土样而且呈现出一定的弹脆性特征,呈现出塑脆性转化,表明PS渗透可能产生对土初始结构的稳固作用。这一探索研究将为扩大PS在土遗址加固保护工程的应用提供一定的理论支持。     

砂土中锚板抗拔性能试验研究

运用自行研制开发的试验装置和数据采集系统,对锚板在砂土中的抗拔性能进行了试验研究。分析了锚板在松砂和密砂两种情况下抗拔力和位移的关系曲线特征,研究了不同埋深率下抗拔力和破坏系数的变化规律,并根据抗拔力与破坏系数随埋深率的变化趋势得到了松砂和密砂状态下的临界埋深率。试验结果表明,密度对砂土中锚板的抗拔性能有非常大的影响,增加砂土的密实度可以大幅度提高锚板的抗拔承载力并显著减小锚板的位移变形。增加锚板的埋置深度同样也可以大幅提高锚板的抗拔承载力,但抗拔承载力的增加幅度受临界埋深率的限制,临界埋深率随密度增加有增大的趋势。该试验结果可为锚板上拔预测模型的建立及设计提供参考依据。     

环境因素对PS加固土遗址效果的影响

通过PS加固的高昌故城遗址土样崩解试验,耐风蚀的风洞模拟试验,冻融破坏,温差破坏,干湿破坏对力学强度影响等试验,模拟古丝绸之路特殊的自然环境对土遗址的影响,研究PS保护加固土遗址的效果。结果表明,经PS加固以后,样品的初始崩解时间延长,崩解速度大幅降低,抗风蚀能力提高10倍,抗冻融能力也有所增强。在高温养护下力学得到强度提高,干湿循环降低了样品的强度,但表现出良好的加固效果。试验证明PS可以有效地降低环境因素对干旱区土遗址的破坏,起到明显的加固保护效果。     

理想弹塑性锚杆拉拔理论分析

假定拉拔时锚固体与周围岩土体之间的剪切位移荷载传递符合理想弹塑性模型,推导出锚杆抗拔力的解析算式．根据埋设于淤泥质土层中锚杆的拉拔破坏性试验数据,采用该公式计算锚杆抗拔力,并与实测值对比,两者较为吻合．     

西北干旱区土建筑遗址加固概述

西北干旱区土建筑遗址很多, 有些还是世界文化遗产。由于风蚀风化作用强烈, 西北干旱区大批的土建筑遗址已破坏严重, 因而开展土建遗址加固研究十分必要。钾水玻璃 (PS)是一种水溶性的无机胶结加固材料, 本文全面详尽地总结了PS加固土建筑遗址技术, 就加固机理作了初步探讨。认识到PS是西北干旱地区土遗址加固的一种有效方法, 可达到较理想的加固效果。     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究

通过对8根矩形截面钢筋混凝土梁的静力加载试验,研究了抗弯和抗剪两种加固方式对钢筋混凝土梁的破坏形态和力学性能的影响,对比分析了碳纤维加固率、试验梁的状态、混凝土强度对加固效果的影响。结果表明：经碳纤维抗弯哥口抗剪加固后加圉梁相应的力学性能指标值明显提高;混凝土裂缝扩展得到了有效延缓,加固效果明显;抗弯加固后可显著提高混凝土梁的承载力和延性,但提高程度并不与加固率成正比;预裂粱抗弯加固后承载力和延性得到提高,但与其相同加固参数的梁相比,其承载力和延性有所降低;抗剪加固时混凝土强度越高,加固后混凝土梁的承载力和变形能力提高幅度越大,其中混凝土梁的变形能力受混凝土强度的影响较大。最后,对加固梁的极限承载力进行了理论分析与计算,建立了实用的理论计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

土遗址楠竹锚固界面力学行为与传力机理研究

楠竹锚固技术是处理纵向裂隙引起的大型土遗址稳定问题的重要手段,但此类锚固系统传力机理尚不明确,成为制约其科学化、规模化应用的瓶颈。通过现场拉拔试验研究锚固界面力学行为,将识别出的完全脱粘现象通过摩擦段后的零剪应力段进行表征,建立适用于此类锚固界面的修正三线型粘结-滑移模型。在此基础上,提出基于ANSYS中非线性弹簧单元的锚固界面力学行为数值模拟方法,系统研究锚固系统传力机理。最后,通过与试验结果的对比验证了该模拟方法的可靠性。结果表明：锚杆/浆体界面的滑移失效是锚固系统破坏的主要原因,此类界面微段的受力过程可分为弹性、软化、摩擦和完全脱粘四个阶段,随荷载增加锚固界面高应力区逐渐由加载端向锚固端转移,界面进入完全脱粘阶段后剪应力趋近于零,极限锚固力和有效锚固长度均存在临界值;第一锚固界面传递至第二锚固界面的剪应力非常有限,遗址土体应力处于较低水平。研究结果能够为基于“安全第一,最小干预”原则的土遗址文物锚固优化设计提供参考。     

Stress intensification in cracked shank of tightened bolt

Defects or cracks in the shank of bolts can degrade their load carrying capacity. The ways with which loading and residual stress intensify the crack border stress field can be reflected through the stress intensity factor quantity as defined in the linear elastic fracture mechanics theory. Use is made of the stiffness derivative method where quarter-point singular finite elements are used in the numerical calculation. Improved accuracy is achieved by considering the displacements not only of the main nodes but also of those quarter-point nodes in plane normal and adjacent to the crack.Numerical results are obtained for a semi-elliptical shaped crack in the bolt shank owing to tension, bending, residual stress and stress caused by tightening of the bolt. Maximum value of the Mode I stress intensity factor K_a due to tension or bending could prevail either at the deepest point on the crack border or at the root of the shank where the crack border terminates depending on the aspect ratio of the ellipse. In general, K₁ at the deepest point of crack penetration is larger than that at the free surface for tension and bending for a fixed crack depth with reference to the bolt diameter. Tightening of the bolt tends to increase K₁ at the free surface if the crack depth is small. The opposite is obtained for deeper cracks. Assumed residual stress effect obtained from experimental data is found to have negligible influence on the stress intensity factor when compared with that arising from tensile load.     

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.      

岩体灌浆锚杆的非局部摩擦分析

本文对Oden等提出的非局部摩擦模型进行了修正，得到了修正后的非局部摩擦模型，并应用于岩土工程问题。文中利用Mindlin问题的位移解导出了岩体灌浆锚杆沿杆体表面所受的剪应力的弹性解,对岩体灌浆锚杆进行非局部摩擦分析，在简化的情况下，得到了在修正后的非局部摩擦模型下的岩体灌浆锚杆侧剪应力的积分形式，再用Maple程序求解，将其所得的结果与局部摩擦(库仑摩擦)模型下的侧剪应力进行比较，结果表明是合理有效的。     

干旱区土遗址病害的分类研究

我国西北干旱区分布大量的土遗址,在分析干旱区土遗址病害的基础上,建立了按病害成因、病害表现形式和形成机理分类的土遗址病害3级分类体系和定义。将土遗址的病害分为两大类即自然破坏和人为破坏。自然破坏有5个亚类14个病害表现形式,包括片状剥蚀:雨蚀剥离病害、风蚀剥离病害和裂隙剥离病害;淘蚀:酥碱、风力淘蚀和流水淘蚀;裂隙(缝):卸荷裂隙、构造缝、变形裂隙、建筑工艺裂缝;冲沟:裂隙型冲沟和径流型冲沟;生物破坏:动物病害和植物病害。人为破坏有两种即历史破坏和近现代破坏。     

全长粘结式锚杆的非局部摩擦分析

本文对Oden等提出的非局部摩擦模型进行了修正,得到了修正后的非局部摩擦模型.并应用于全长粘结式锚杆问题.文中利用Mindlin问题的位移解导出的全长粘结式锚杆沿杆体表面所受的剪应力的弹性解,对全长粘结式锚杆进行非局部摩擦分析,得到了在修正后的非局部摩擦模型下的全长粘结式锚杆的侧剪应力.文中修正的非局部摩擦模型下的全长粘结式锚杆的剪应力分布规律与试验得到的结果以及局部摩擦模型(库仑模型)下的计算结果进行了对比,结果表明修正的非局部摩擦模型下的计算结果与实验更符合.因此在描述此锚杆剪应力时,非局部摩擦模型比局部摩擦模型(库仑模型)更接近的实际.     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该 形式下构件的寿命评估需求．针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连 接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接 件的疲劳寿命．结果表明：(1) 裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该 位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2) 基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT (Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于± 2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3) 在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距 孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预 紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大     

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

在螺栓连接结构中,为保证连接的可靠性,必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构,因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系(即扭矩系数),以施加合适的装配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究,测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明,高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小,数据离散性也小;无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小,但数据离散性大;有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小,数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数,以及螺栓连接中要注意的问题,为设计和施工单位提供参考。     

Scaling of size/time/temperature — Part 2: Progressive damage in uniaxial compressive specimen

This work is concerned with predicting the fatigue failure initiation of a wing/fuselage bolt assembly. Accounted for in the analysis are both the influence of energy dissipation and damage accumulation as the structure is subjected to repeated cyclic loading. Results involving the location and number of cycles to initiate a fatigue crack 10⁻² in. are obtained. They agreed both qualitatively and quantitatively with the experimental findings. Also discussed is the influence of pre-torque in the bolt which tends to decrease the number of cycles to fatique crack initiation. Fatigue life may be extended by altering the load path so as to decrease the accumulation of energy near the site of failure initiation. This can be accomplished without major modification of the design. The methodology that makes use of the strain energy density criterion can be used to optimize the fatigue strength of other structural sub-assemblies by appropriate combination of material and geometry for specified load conditions.