近场地震作用下库区深水钢筋混凝土高墩地震易损性分析∗

为研究近场地震作用下库区深水钢筋混凝土高墩的概率损伤特性,以90 m高的矩形空心薄壁钢筋混凝土深水高墩为研究对象,综合考虑桥墩设计参数和近场地震动的随机性,基于OpenSees软件建立深水高墩有限元模型,开展不同水深的7种工况(水深:0、15、30、45、60、75、90 m)下,顺桥向和横桥向近场地震激励的增量动力非线性分析。以截面临界曲率值为损伤指标,研究深水高墩的易损性。结果表明:各工况下,轻微损伤、中等损伤和严重损伤阶段的损伤概率均随地震波峰值加速度的增加而增大,并且当峰值加速度达到1.0g时损伤概率达到最大,而完全损伤阶段的损伤概率则在峰值加速度为0.5g时出现峰值点;近场地震顺桥向激励时,墩身中上部和墩底区域均较容易损伤,而横桥向激励时仅墩底区域较容易损伤;当水深超过45 m后,高墩最大损伤概率变化不大且截面曲率概率需求基本一致,45 m水深为深水高墩显著水深。因此,应重点分析水深达到高墩高度一半时深水高墩的损伤情况。     

岩石单轴压缩蠕变损伤本构模型

准确预测岩石蠕变行为对岩石力学与工程的研究具有非常重要的意义。首先对岩石蠕变机理及典型蠕变曲线进行了分析,其次通过在经典岩石蠕变模型如J体模型的基础上引入损伤理论及Kachanov损伤演化定律,进而建立了一个新的岩石蠕变损伤本构模型。第三,对模型参数的确定方法进行了详细的研究。最后,引用其他学者所开展的不同轴压下岩石单轴压缩蠕变试验对该模型的合理性进行了验证。可以发现本文所提出的模型不仅能够很好地预测岩石的稳定蠕变阶段,而且还能预测经典模型所不能反映的岩石加速蠕变变形。结果表明损伤理论能够很好地反映岩石的蠕变破坏机理,为了能够准确模拟岩石蠕变变形全过程,在经典的J体模型中引入损伤因子是很有必要的。     

跨海大桥主墩桩基钢护筒腐蚀损伤识别

跨海大桥主墩桩基施工过程中采用的钢护筒被保留作为桩基的外层,容易受到海洋环境的腐蚀破坏。提出一种基于插值曲率模态指纹库比对的桩基损伤识别方法,为解决测试数据不完备的问题,采用三次样条函数几何插值得到扩展后的桩基振型,然后在扩展振型的基础上采用中心差分计算得到曲率模态指标。以金塘大桥为工程背景,建立索塔-基础多尺度有限元模型,考虑海水腐蚀造成桩基钢护筒局部损失情况,以损失减薄区域的位置、轴向长度、深度为损伤参数,设置多种损伤工况样本,计算并建立基于插值曲率模态的桩基损伤识别指纹库,最后通过指纹库以外损伤工况与库内样本比对的方式,验证损伤识别效果。研究表明,为保证三次样条函数几何插值得到扩展振型对真实振型的拟合精度,至少需要沿桩基均布6个位移插值点。通过指纹库比对,能够准确识别桩基钢护筒减薄区域的位置与轴向长度。     

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱地震损伤模型研究

为研究圆钢管型钢再生混凝土组合柱的地震损伤性能,对11根组合柱试件进行了低周反复荷载试验,分析了再生骨料取代率、轴压比、管径径厚比、型钢配钢率及型钢截面形式等对组合柱地震损伤性能的影响规律;通过数值反演法确定了再生骨料取代率和轴压比影响的组合系数,综合考虑了变形和能量的影响,对Park-Ang损伤模型进行了修正,建立了圆钢管型钢再生混凝土组合柱的地震损伤模型,并验证了损伤模型的有效性。基于试验研究,将组合柱划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌等5个性态水平,结合性态水平对损伤指标进行量化,建立了组合柱在不同抗震性态水平下相应的量化指标、损坏程度和损伤指标区,为抗震性能设计提供参考。     

斜拉桥破损诊断技术的研究

针对钢筋腐蚀、疲劳、预应力松弛和桥梁整体倾斜或变形所引起的斜拉桥局部破损,以使用了15年的永和斜拉桥为研究对象,对斜拉桥破损诊断技术进行了研究,对该桥的破损位置进行了定位,对其破损程度进行了评价.利用有限元分析和现场振动测试结果,对破损前后的模态参数进行分析,提取了对破损状况较敏感的模态曲率作为斜拉桥破损诊断的参数,并从模态参数中选取部分点的分量,导出了可以指示斜拉桥桥面(主梁)大概损伤位置的损伤指标Id,可用以识别出斜拉桥发生破损的区段及破损程度.研究成果为永和斜拉桥的养护维修方案提供了技术支持.     

带裂缝钢筋混凝土梁损伤诊断的振动方法

建立了健康的和带有理想裂缝的钢筋混凝土梁的分离式有限元模型,推导了其中四节点矩形粘结单元的刚度矩阵。利用该模型可以计算它们的振动特性参数,研究其局部损伤与振动特性参数的关系。有限元模型数值仿真计算结果与实际测试结果相吻合。数值仿真计算及实际测试结果均表明:固有频率是进行钢筋混凝土梁裂缝类损伤定性辨识的重要指标;曲率模态振型和应变模态振型是钢筋混凝土梁裂缝类局部损伤的敏感参数,利用它们的模态绝对残差向量可以实现实梁裂缝类损伤的准确定位识别;曲率模态振型和应变模态振型的绝对残差向量范数,与裂缝类损伤的严重程度具有单调性关系,可以基于其进行裂缝类损伤的定量辨识。     

BFRP约束损伤混凝土棱柱体轴压力学性能研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer， BFRP)约束有初始损伤的混凝土棱柱体的轴压力学性能，对37个边长150 mm、高300 mm的混凝土棱柱体进行了轴压试验，其中包括34个BFRP约束混凝土试件和3个素混凝土试件，试验变量为BFRP层数(1、2、3、4和6层)和初始损伤程度(轻微、中等和严重损伤)，试验结果表明：BFRP约束棱柱体的抗压强度和轴向变形能力随FRP约束层数的增加而提高，特别对变形能力的提高更为明显；初始损伤程度对BFRP约束试件的峰值点以及极限点的强度影响较明显，但对极限应变影响较小；当BFRP层数为2层及以下时，BFRP约束棱柱体的应力—应变曲线有明显软化段，当BFRP层数为4层及以上时，应力—应变曲线开始有明显强化段。基于试验结果，提出了考虑初始损伤影响的BFRP约束混凝土棱柱体的强度模型和应变模型，并分别给出了弱约束和强约束下的应力—应变关系模型，模型预测结果与试验结果吻合良好。     

单元模态应变能法在输电铁塔损伤识别中的应用

输电塔结构在灾害中发生倒塌的现象时有发生,故而对输电塔结构进行健康监测具有重要的实际意义。介绍了单元模态应变损伤指数(EMSDI)在结构损伤识别中的表达式,并将其应用于输电铁塔模型试验中。采用单元形函数代替原有模态曲率计算方法,可有效降低计算单元模态应变能的计算误差,从而增加了识别的准确性。在输电铁塔仿真模拟和试验中,对该识别方法的准确性和可靠性进行了验证。实例表明:单元模态应变损伤指数法能够准确地识别出结构的损伤位置,并可在某种程度上反映出损伤程度,可以应用到实际输电塔结构损伤识别中。     

基于铰缝损伤度的空心板桥铰缝损伤识别方法∗

为了对空心板桥铰缝损伤进行损伤识别,根据铰缝受力和变形形式,将铰缝的剪切变形和横向拉压变形加以考虑,建立了一种弹簧铰连杆体系的铰缝计算模型,进而与空心板共同组成空心板桥结构计算模型。基于该结构模型详细叙述了铰缝损伤度的计算方法,并根据铰缝损伤度的大小来进行铰缝工作性能的评估。通过 ANSYS 数值分析和桥梁试验对该方法的准确性和实用性进行了验证。结果表明：该铰缝损伤识别方法能够准确识别数值模拟和实际桥梁的铰缝损伤;而且铰缝内力的计算结果与数值模拟能够很好的吻合;但铰缝损伤度大小与加载位置到损伤铰缝的距离成反比,因此建议加载位置应尽量靠近可能有损伤的铰缝。     

钢桁架连梁耗能性能试验研究及损伤分析

根据两组钢桁架连梁在反复荷载作用下的试验结果,对该新型连梁的破坏形态、滞回性能、耗能能力和累积损伤模型等进行了分析,探讨了钢桁架连梁累积损伤的发展过程和损伤发育规律,通过损伤模型计算的破损结果与试件实际破坏特征对比,讨论了跨高比对连梁损伤发展的影响.结果表明:有交叉腹杆的连梁,跨高比越大,其耗能能力、承载力以及变形均较大,但其损伤发展相对较快.     

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题.以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型.以正弦位移波输入,考察结...     

SMW围护结构的深基坑隆起变形有限元分析

影响基坑基底隆起的因素存在极大的模糊性和随机性,基底隆起变形量的计算是一个复杂的非线性过程,而采用有限元法对基坑基底隆起变形量进行分析是个有效的途径。本文以上海某深基坑为例,基于ABAQU S软件对该基坑基底隆起变形量进行有限元分析。研究表明,基底隆起最大变形量发生在离基坑侧壁约以SMW围护桩入土深度为半径的圆内侧。本文将为基坑隆起问题的定量研究提供有价值的参考。     

软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基工作状态分析

软土场地碎石桩因具备桩体侧向变形大、超孔隙水压力消散慢的问题,导致出现基础沉降大、土体固结排水速度慢等工程病害。路堤下采用加筋碎石桩复合地基是处理软土场地的主流方法。本文采用二维有限元方法,建立考虑路堤填筑过程的软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基数值模型,探讨了加筋碎石桩复合地基承载力的影响因素。基于达西定律和比奥固结理论,分析高地下水位场地条件下加筋体刚度和桩数对加筋碎石桩复合地基工作状态的影响规律。研究表明:增大褥垫层厚度和减小褥垫层模量均能够提高桩土应力比,改善桩顶应力集中的问题。与传统碎石桩相比,高地下水位条件下加筋碎石桩复合地基中超孔隙水压力消散速率快,桩数增加可以有效提高复合地基排水速率。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

不同承台形式斜直交替群桩⁃土⁃结构地震相互作用特性分析∗

为研究不同承台形式斜直交替群桩?土?结构在地震互相作用, 利用FLAC^3D有限差分软件作为研究工具，采用El Centro地震波作为动荷载。分别建立了斜直交替群桩?土?结构的低承台、高承台数值模型。并对地震作用下可液化土体的孔压比变化、桩基的受力与位移、桥墩顶部的位移进行分析研究。研究结果表明：在地震作用下,土层中孔隙水压力分布是自上而下逐渐增大。振动加速度峰值时部分土体由于发生剪胀孔压出现瞬时负值。砂土层中桩基中部区域容易产生液化现象。同一模型中，直桩的最大弯矩小于斜桩的最大弯矩。在低承台模型中，直桩和斜桩的最大水平位移均发生在桩基顶端，直桩的竖向位移沿埋深是一恒值，而斜桩的竖向位移沿埋深是变化的。在高承台模型中，斜桩的水平位移沿埋深不再是单调变化，最大值发生在砂土层中。高承台模型中斜桩和直桩的竖向位移和水平位移均明显大于低承台模型桩体。两个模型的桥墩顶部最大水平位移出现的时刻基本相同。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

能源桩-土体接触力学特征试验装置的研发与应用

研发了能源桩-土界面特性测试仪,在测试仪中安装可控温钢筋混凝土模型桩,在桩周围填充各类土体,模拟不同地基中的能源桩。通过对土体施加一定的恒定竖向荷载模拟不同深度的土层。模型桩中安装有换热管,利用低温恒温水浴,通过循环液控制桩体的温度,模拟能源桩吸热、放热过程。利用铂电阻温度传感器测量桩和土体的温度;利用安装在桩体表面上的微型土压力计测量桩-土界面的法向应力;利用FBG准分布式光纤传感技术测量桩体的周向变形。以砂土地基为例,通过冷热循环试验,准确得到了桩温、土温、桩-土界面的法向应力和桩的周向变形,说明EPSICA可以用于揭示桩-土界面的接触力学特征,为能源桩的热、力学行为研究提供了新的手段。     

非均质土层中单桩水平简谐动力响应特性的数值分析

运用土动力学和结构动力学原理,基于改进的Winkler地基梁模型,同时考虑桩侧土的弱化效应和地基土层的成层非均质性,采用数理方程方法分别求解土与桩的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩侧向简谐动力响应特性分析的计算力学模型和方法,并将所得结果与有限元计算结果进行对比分析,验证了所提出的计算方法的合理性。通过对影响单桩水平简谐动力响应特性的各相关参数进行变动参数分析,总结出了各影响参数对单桩水平简谐动力响应特性的一般影响规律。