海底管道最大允许悬跨长度计算

海底悬跨管道在自身重量、内部流体重量、外部环境荷载作用下,将可能发生静力破坏及动力破坏。海底管道悬跨管段的长度是决定管道静力破坏与动力破坏的关键因素,因此确定了海底管道最大允许悬跨长度,就能够避免管道因悬跨长度过大而发生破坏。本文把避免出现涡激振动作为控制条件,提出了管道在顺流向振动下的最大允许悬跨长度公式,推导了不同边界条件下的管道自振频率公式,计算了管道在垂直流向振动下的最大允许悬跨长度。结果表明,支撑情况对管道最大允许跨长有很大的影响,在固端约束条件下的最大允许悬跨长度比简支约束下的长度大。     

防撞栏对大跨轨道交通桥梁气动性及行车性的影响研究

为考察防撞护栏对桥梁涡振等风致灾害、车桥气动力和车辆走行性的影响,以大跨度轨道交通桥梁为工程背景,基于计算流体力学的方法,研究了防撞护栏对主梁的涡激振动性能、桥面风场分布以及车桥组合气动力特性的影响。采用自主研发的桥梁科研分析软件BANSYS,分析了防撞护栏对风—车—桥耦合振动性能的影响。研究表明:防撞护栏会明显改变桥梁与车辆气动力系数,降低桥面上方的等效风速,增大桥梁跨中位移响应。但防撞护栏对主梁涡振性能及车辆响应的影响较小。     

沪宁城际铁路高架桥段CRH动车组运行引起的地面振动现场测试与分析

对沪宁城际铁路CRH动车组运行引起的高架桥段地面振动竖向速度和加速度进行了现场测试,分析了地面振动特征及其传播的衰减规律。结果表明:CRH动车组运行引起的地面振动主频在70Hz以下,属于低频振动;地面振动峰值速度和加速度随着离高架桥距离的增大而减小,20m以内地面振动衰减幅度较大;地面振动峰值随列车时速的提高而增大,车厢数量对地面振动峰值和主频成分的影响不明显;CRH动车组运行引起的地面振动对一般性建筑物影响不大,列车时速为300km左右时,地面振动速度超过办公室等公共建筑的允许值,列车时速为200km左右时,地面振动速度超过居民住宅的允许值;与其他高速铁路的地面振动实测值相比,沪宁城际铁路CRH动车组运行引起的高架桥段地面振动强度相对较低。     

砂土含水率对DAS振幅响应影响的试验研究∗

利用分布式声波传感（DAS）技术和地下通讯光纤网进行周界安防（入侵）监控、管道泄漏监测、交通状况评估等是城市安全动态监测的新方向。为探究DAS 监测过程中暗光纤周围岩土介质含水率变化对DAS 振幅响应特性的影响,设计了小球撞击圆盘与小球直接撞击砂土面二种激振方式下五种质量含水率0%、5%、10%、15% 和20%砂土的DAS 振幅响应试验。试验结果表明：（1）小球自由下落撞击砂土面激发的振动信号和传感光纤圆环布设可提高DAS 信噪比,试验装置可靠性高、试验结果重复性好;（2）受砂土似黏聚力和声波传播衰减两个因素共同影响,DAS 信号振幅随砂土含水率变化存在一个临界含水率。当砂土含水率小于临界含水率时,DAS 信号振幅随含水率增大而减小,而当砂土含水率大于临界含水率时,DAS 信号振幅随含水率增大而增大;（3）因砂土似黏聚力作用和小球撞击时能量转化的差异,小球与砂土的接触形式对DAS 振幅响应有显著影响。研究结果为城市地下工程安全动态DAS 精细监测提供理论依据。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

推移式土质滑坡下输气管道力学响应及路由优化分析

为分析土质滑坡下管土作用对横穿敷设的输气管道所带来的影响,探讨滑坡影响区内管道路由选取,本文基于光滑粒子流体动力学与有限单元耦合法(SPH-FEM),构建滑坡下管道受力分析模型,从设计角度出发,综合考虑管道敷设位置,探讨管道壁厚、埋深等因素影响,分析土体大变形下管道受力变形特征。结果表明：针对推移式滑坡,管道敷设于滑体内时,位于滑体前缘处管道所产生的应力、位移较小,而后缘处管道更易发生损坏,当提高管道壁厚时,可有效提高管道承载能力,但对于埋深的增加,管道有效屈服应变呈现先增加而后减小的趋势;管道敷设于滑体外时,位于滑坡前缘管道产生应力小于后缘处管道,且呈现出不同应力状态,均满足运行安全,同时壁厚的增加可降低管道应力。所得结论可为设计阶段滑坡区管道路由优化提供建议,具有一定的工程意义与应用价值。     

注浆微型钢管桩体轴向承载特性的试验研究∗

针对注浆微型钢管桩用于桩基工程时的承载与变形性能的研究相对较少,借助室内试验研究钢管直径d和壁厚t、桩体长H、浆体水灰比、钢管表面布孔直径r和间距s等因素对微型钢管桩轴向承载、变形和破坏模式的影响.结果 表明:钢管直径和壁厚是影响微型钢管桩轴向极限荷载的主要因素,随着钢管直径和壁厚增加,极限荷载近似呈线性增加,破坏模式由脆性破坏向延性破坏发展;增加桩长或注浆体水灰比,极限荷载呈减少趋势;当钢管直径与桩径之比增至0.59≤d/D≤0.72时,试验桩长、注浆水灰比和钢管表面布孔形式对轴向极限荷载的影响较小;进而基于桩体轴向承载特性及钢管受力与应变分析,提出了合理桩径比值为0.59≤d/D≤0.72,并提出了微型钢管桩轴向极限荷载计算公式.     

近断层地震动下预制拼装桥墩桥梁结构碰撞响应分析∗

为研究近断层地震下预制拼装桥墩桥梁结构的碰撞响应及影响碰撞的参数,基于 OpenSees 有限元分析软件,建立一座五跨预制拼装桥墩桥梁分析模型,选取 8 组近断层脉冲型地震动对桥梁进行非线性动力时程分析;探究了碰撞效应对桥梁地震响应的影响及节段数目、节段长度、初始预应力、接缝刚度等参数对桥梁碰撞效应的影响。结果表明：桥梁碰撞效应可以减小桥梁震时最大位移和震后残余位移,碰撞效应可以减小下部预制拼装桥墩地震中预应力筋的最大预应力、接缝最大竖向压力,但不能改变接缝水平剪力的大小;碰撞主要发生于桥梁中部伸缩缝处,中部伸缩缝碰撞力和碰撞次数均明显大于两侧边伸缩缝;增加预制拼装桥墩的节段数目可以减小桥梁的震时最大位移,但会增大桥梁的碰撞力和碰撞次数,其中 6 个节段时主梁中缝、左边缝和右边缝最大碰撞力比 3 个节段时分别增大约 38.8%、36.5% 和 33.3%;初始预应力的大小对桥梁碰撞效应影响较小;引入的系数 δ 可以有效控制桥墩干接缝的刚度,δ 增大时桥墩接缝刚度增大,接缝张开量减小,桥墩接缝耗能能力增强,桥梁碰撞力减小。     

垂直撞击下混凝土框架结构振动响应及其影响因素分析

采用ABAQUS有限元分析软件建立了三层三跨混凝土框架结构,研究了撞击位置、撞击质量和初始撞击速度对框架结构动力响应的影响。研究结果表明:撞击力峰值受初始撞击速度影响最大,其次是撞击质量,而撞击位置影响最小;梁跨中最大挠度和最终挠度受初始撞击速度的影响较大,而撞击位置和撞击质量对其影响较小;当撞击力作用于同层边跨梁时,相邻梁柱节点混凝土拉伸损伤较为严重,而当撞击力作用于同层中跨梁时,整个框架梁柱节点混凝土拉伸损伤相对较轻,但损伤分布相对较广;随着撞击质量和初始撞击速度的增大,整个框架结构损伤越来越严重,框架梁和梁柱节点是主要耗能部位。     

横向通过滑坡输油气管道应变响应分析

输油气管道通过山区时不可避免地会受到滑坡灾害的威胁。为了分析管道在滑坡作用下的应变响应特点,利用ANSYS有限元分析软件建立了管道横向通过滑坡的模型,并考虑了管道与土体的相互作用。在此基础上,通过算例分析了管道轴向应变的分布特点,并分析了滑坡宽度、管道壁厚以及管道埋深对管道轴向应变的影响规律。结果表明:(1)横向滑坡作用下,管道轴向应变有沿滑坡作用中心位置呈对称分布的特点;(2)在滑坡作用中心位置、滑动区与非滑动区交界处附近的管道将会产生最大的轴向应变,是管道最为危险的截面;(3)适当增加管道壁厚和减小管道埋深可以达到降低管道应变的目的。     

高速铁路隔振沟隔振效果的现场测试与分析

对沪宁城际铁路高架桥段旁一条为农业灌溉而挖的沟渠在CRH动车组运行时引起的地面振动隔振效果进行了测试与分析。结果表明:随着列车车速的降低,引起的地面竖向振动速度峰值变小、地面竖向振动主频变高;沟渠对地面振动具有低通滤波作用;车速越慢,隔振效果越好,但沟前地面振动变大的现象也越明显;当沟的长度远大于列车长度时,列车车厢数量对沟的隔振效果影响不大。建议修建铁路时,加强与当地居民及农业部门的协调,对沟的长度、深度、宽度以及离轨道的距离进行合理的设计,使沟渠除了满足农业灌溉的需要外,也能起到很好的隔振效果。     

深季节冻土区列车行驶路基振动数值模拟研究

分析大庆深季节冻土区铁路路基的冬季现场加速度监测结果,获得了列车经过时铁路路基冻结地表振动加速度的时程特性及其衰减规律,并运用动力有限元方法进行了动力响应分析。研究结果表明:①随着列车行驶速度的增大,路基振动加速度亦增大,且重载货车振动响应大于高速客车;②列车行驶引起的路基振动加速度幅值,随着距线路中心距离的增加而迅速衰减;③应用有限元方法分析列车行驶路基振动特性是可行的。本文为研究深季节冻土区铁路路基振动特性提供了一种分析方法,对加深了解深季节冻土区铁路路基振动特性具有重要意义。     

轴向中空壁管抗冲击性能试验研究与数值分析∗

轴向中空壁管作为一种新型结构壁管,几何构型简单、空间利用率高、且能量耗散性好,近年来在市政工程中得到广泛应用。为研究轴向中空壁管在低速冲击作用下的力学响应和耗能特性,设计了 20 个试验工况,以落锤冲击试验模拟施工过程中受到的落石冲击和机械撞击作用,基于量纲分析法提出冲击力峰值的计算方法,通过有限元软件 ABAQUS 对试验结果进行验证,并根据有限元计算结果分析管道在低速冲击作用下的变形特性和损伤机理。研究表明：数值分析结果与试验结果吻合较好,冲击力时程曲线趋势基本一致,冲击力峰值误差在 5% 以内。 轴向中空壁管具有良好的抗冲击性能,其双壁中空结构具有较好的能量耗散性,落锤与管道接触瞬间会产生较大的冲击力,12.9 kg 的落锤从 2 m 处自由下落冲击管道可产生 15.28 kN 的冲击力。对比 20 个试验工况的冲击力峰值试验值与计算值,误差均较小,最大误差为 5.8%,即冲击力峰值计算方法准确性较高。随着落锤高度和质量的增加,冲击力峰值增大,损伤区域和凹痕深度也随之增大,最大塑性应变由外壁内侧转移到外壁与加劲肋的连接处, 呈现出外壁损伤和加劲肋损伤两种损伤模式。提出的冲击力峰值计算方法和管道塑性损伤规律可以为施工过程中轴向中空壁管在落石冲击和机械撞击作用下的安全评价提供理论依据。     

含软弱夹层场地中埋地管道的地震反应特性研究∗

为了研究含软弱夹层场地中埋地管道的地震反应特性,基于管土接触模型,运用ADINA软件,采用非线性分析,研究埋深、厚度和倾角等因素对含软弱夹层场地中埋地管道地震反应的影响规律。结果表明：软弱夹层各因素对埋地管道地震动力响应产生影响不同,一定厚度和埋深条件下,软弱夹层具有隔震作用,当软弱夹层的存在增大其场地不均匀程度,则会对埋地管道地震动响应具有非常不利的影响;管道有效应力和位移随着软弱夹层厚度的增大而减小,当厚度达到一定值时,软弱夹层起到一定的缓冲作用;管道有效应力和位移随着软弱夹层埋深的增大而减小,但影响程度小于夹层厚度所产生的;软弱夹层因倾角变大增大了场地不均匀程度,导致管道有效应力和位移变大。     

SH波入射时软弱夹层的减震特性及影响因素分析

在弹性介质假定和忽略反射波影响的条件下,从透射波振幅和能量的角度,研究了SH波入射时入射角与波阻比对软弱夹层减震特性的影响。通过非线性弹塑性动力计算,探讨了软弱夹层的埋深与层厚对其减震特性的影响。研究结果表明,随着入射角的增大,透过软弱夹层进入上部普通层的波的振幅和能量先缓慢增大至与入射波相同,然后快速减小至0,整体上小于入射波;存在最不利入射角,它是波速比与密度比的函数,当SH波以此角度入射时,夹层的底面和顶面均不存在反射波,入射波全部透过夹层;软弱夹层与普通层的波阻比越小,透过夹层进入普通层的波的振幅和能量越低,夹层的减震效果越好,但此时夹层自身的震动也越剧烈。随着入射波波长的增加,软弱夹层发挥减震作用所需的临界埋深增大,且埋深在0.2倍普通层剪切波波长左右时,减震效果达到最佳;软弱夹层的减震效果并不随着层厚增加单调变化。     

黄土边坡动力响应分析

运用有限差分软件FLAC3D,建立了某一黄土边坡三维模型,首先对其在地震作用下的动力响应规律进行了总结,然后探讨了地震动参数对黄土边坡动力响应的影响。结果表明:黄土边坡对地震波存在垂直放大和临空面放大作用;当输入地震波振幅或频率增加时,坡面监测点加速度放大系数随坡高增加呈"增加→衰减→增加"的三段形态;速度放大系数随坡高的增大而增大,并在坡顶达到最大值;位移放大系数随振幅和频率的增加而增加;地震持时对加速度、速度峰值的影响不大,但坡体位移随持时的增加而显著增加。强震作用下的最大剪应变增量区域的位置和形状表明,黄土边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳破坏。研究结果有助于进一步揭示黄土边坡在地震作用下的失稳机制,为黄土地区边坡抗震设计与防灾减灾提供参考。     

混凝土核心筒的有限元模拟及若干参数的影响分析

运用ABAQUS分析软件,建立水平荷载作用下的钢筋混凝土核心筒有限元模型,进行非线性分析,并将分析结果与大比例试件的试验结果对比,对所采用的有限元模型加以验证。在此基础上,进行改变钢筋混凝土核心筒轴压比、高宽比和筒壁厚度的受力过程模拟分析,研究这些参数对筒体性能的影响。结果表明:随着轴压比的增大,筒体的破坏由受拉向受压破坏转变,筒体最大水平承载力经历先增加后减小的变化,延性变差;随着高宽比的增大,筒体破坏形态由剪切向弯曲破坏转变,延性增加,整体弯曲作用更加明显,最大底部剪力减小;随着壁厚的增大,试件破坏由截面压屈失稳向墙肢底部受弯破坏转变,墙肢破坏区域沿高度方向发展,耗能能力更强,承载力明显增大,变形能力显著增加。     

下部结构对大跨空间枢纽结构地震响应的放大效应分析∗

大跨空间枢纽结构是重要的城市生命线工程,地震作用下一旦发生破坏将造成巨大的社会影响。与传统大跨空间结构不同,大跨空间枢纽结构除上部屋盖结构外,还建有刚度较大的下部结构,整体结构形式复杂。因此针对大跨空间枢纽结构的特点,选取了典型的大跨空间网架枢纽结构和管桁架枢纽结构,采用有限元软件ABAQUS分析了下部结构对大跨空间枢纽结构地震响应的影响规律及机理。结果表明,相比仅考虑屋盖结构,考虑下部结构时大跨空间枢纽结构自振频率相比仅考虑屋盖结构时明显降低,结构前十阶自振频率最大相差约20.2%。此外,考虑下部结构会使大跨空间枢纽结构屋盖的动力响应明显增大,屋盖节点的三向加速度响应相比仅考虑屋盖结构时增大约15.8%～248.6%,节点三向相对位移响应增大约3.8%～453.1%,杆件应力增大约0.1%～125.1%,因此在设计时有必要对大跨空间枢纽结构进行整体结构计算分析。     

基于整体效能的不等跨半刚性连接钢框架梁柱子结构抗倒塌设计∗

不等跨半刚性连接钢框架梁柱子结构在连续倒塌工况下短跨节点由于变形较大而率先发生破坏,结构整体的承载力将快速下降,长跨因失去短跨支持,效能得不到充分发挥。基于增大短跨节点变形能力以提升长跨效能利用的设计理念,针对顶底角钢腹板双角钢半刚性连接节点,探究增加短跨顶底角钢厚度、改变短跨梁翼缘螺栓孔形式等对子结构长短跨抗力机制发展的影响,并通过引入协同工作系数,定量说明长跨效能的发挥程度。结果表明,短跨顶底角钢厚度的增加使得短跨梁机制和悬链线机制提供的抗力明显增大,由于长短跨的协同工作,长跨梁机制和悬链线机制得到进一步发挥;在短跨梁翼缘开设长圆孔,使短跨节点具备更大的变形能力,其倒塌抗力得到提升。针对短跨栓孔长度和顶底角钢厚度的设计可使不等跨梁柱子结构的整体效能得到充分发挥,实现了长短跨协同抵抗外载的理想状态。     

横向滑坡作用下管道裂纹力学影响因素分析∗

地质灾害和管体缺陷是油气管道安全运行的两大风险,山体滑坡是长输油气管道常见的一种地质灾害,裂纹是管道运行中难以发现却时有发生的管体缺陷之一。当穿越滑坡区的管道遭遇管体裂纹时,多重载荷的作用可能导致管体裂纹加剧甚至断裂失效。基于极限分析设计准则,研究了相关因素对滑坡区管道轴向裂纹的影响,采用有限元法,分析了滑坡宽度、滑坡位移、裂纹位置、裂纹深度比、裂纹形状比以及管道内压对裂纹J积分的影响。结果表明:滑坡宽度越大,J积分越小,滑坡位移越大,J积分越大;裂纹处于12点位置时,其J积分值最大,即轴向裂纹垂直于滑坡面时最危险;裂纹深度比和管道内压的增加均会导致J积分最大值呈指数增加,而裂纹形状比的增加会导致J积分最大值呈线性减小,J积分均在裂纹最深处取得最大值;较大的裂纹深度比会导致裂纹沿深度方向的扩展速度远大于沿长度方向,而较大的裂纹形状比会导致裂纹沿长度方向的扩展速度高于沿深度方向。