泥石流柔性防护系统耦合作用数值模拟*

柔性防护系统近年来被广泛应用于交通沿线地质灾害的防治,但目前的相关研究主要集中在落石冲击作用下的力学响应,而遭受泥石流冲击作用的相关研究较少。泥石流与柔性防护系统的相互作用包括泥石流运动和柔性防护系统冲击大变形两个复杂的力学过程,目前尚无有效的耦合计算方法。为此,基于 LS-DYNA 程序,采用 ALE 方法,利用 Drucker-Prager 模型模拟泥石流的运动,并通过流固耦合算法,建立了考虑泥石流与柔性防护系统相互作用耦合计算方法。通过与既有野外足尺试验数据对比,包括泥石流流经沟槽不同位置时的速度、流深以及柔性防护系统钢丝绳内力、变形,验证了耦合计算方法的有效性。在此基础上,进一步研究了泥石流冲击作用下,冲击能量的平衡转换关系,结果表明：柔性防护系统消耗的能量占泥石流冲击总动能的比例不到 25%,将近 60% 冲击能量转换为泥石流内能,这进一步说明了采用耦合方法进行泥石流柔性防护系统分析与设计的必要性。     

一种新型废旧轮胎组合拦石结构的试验研究

提出了一种由废旧轮胎组成的拦石结构,该结构用钢丝绳将废旧轮胎进行合理的绑扎,使轮胎与轮胎之间紧密连接,然后将该结构绑扎在用废旧钢轨或钢筋混凝土制作而成的柱子上面.当拦石结构受到落石冲击时,利用废旧轮胎的弹塑性变形吸收冲击能量.为了考察这种由废旧轮胎组成的拦石结构的防护效果,设计了试验模型,采用20 kg的砝码模拟落石,...     

用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

采用分布式混合试验系统模拟四层钢结构框架在强震下的倒塌行为。变形集中的首层作为试验对象,而上部结构作为数值子结构。各子结构通过协调器满足界面上的平衡和协调条件,并被协调器的输入输出接口封装起来。采用柔性的试验方案,可以在当前有限控制精度的限制下,灵活地处理边界条件。试验结果与日本E-D efense振动台足尺试验结果进行了对比,得到了类似的倒塌机制,证明混合试验有能力进行结构倒塌模拟,而误差主要来自于模型简化。     

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。     

基于Rockfall数值模拟的边坡落石防护网修复加固方案研究∗

某水电站尾水支洞边坡多次发生落石灾害,原被动防护网已发生局部破损,严重威胁着尾水支洞施工期和运行期的安全,需对原防护网进行修复加固。由于山体陡峭、地貌复杂,人工调查无法确定落石源,采用高精度无人机航摄初步排查出四处可疑危险源区域,利用Rockfall 软件进行落石轨迹模拟计算,通过对比分析计算成果与观测到的落石落点位置与威胁区域分布情况,反分析确定了两处落石源。在此基础上,根据落石源的落石运动特征,复核分析了原防护能力不足的原因,发现原防护网的能级和高度不足是导致落石灾害发生的主要原因。通过提高防护网的能级和高度,提出了原位修复和增高加固两种方案。研究结果表明：两种方案均能有效减小落石威胁区域面积、降低落石率、改善运动特征参数。其中增高加固方案的防护效果更加显著,落石被全部拦截,落石弹跳高度和动能的最大值分别降低了69.64%、66.02%。对被动防护网破损部位的修复加固,综合考虑现场实际情况与落石模拟计算成果进行修复方案设计更为科学合理。研究成果可为该工程的落石防护方案提供科学依据,为类似工程设计与落石分析提供参考。     

混凝土与钢筋混凝土结构抗火抗冲击研究评述

火灾高温和爆炸冲击荷载会对工程结构造成严重的破坏,二者通常相伴发生,对工程结构产生的破坏更为剧烈。从混凝土材料和钢筋混凝土构件两个层面,分别综述了火灾高温与爆炸冲击荷载单独及联合作用对混凝土与钢筋混凝土结构影响的物理试验、理论分析与数值模拟方面的研究进展,发现现有研究工作的特点为:火灾高温/爆炸冲击单独作用研究多,耦合或联合作用研究少;试验研究工作多,理论分析与数值模拟工作少;宏观均质数值模型多,微/细观非均质数值模型少。建议今后开展火灾高温与冲击荷载联合作用下混凝土材料及钢筋混凝土构件物理试验研究,建立钢筋混凝土构件全过程响应研究的多尺度分析理论与数值模型,揭示钢筋混凝土构件的损伤破坏机理,为灾后损伤评估及安全加固提供基本理论。     

格宾-柔性网泥石流组合拦阻结构模型试验研究*

引用新型的柔性拦阻网和格宾结构被认为是泥石流治理工程的新趋势。基于泥石流模型试验,设置了一道格宾和一道柔性网,组成了格宾-柔性网组合结构,通过分析拦阻结构迎水面的冲击力和被拦阻物源的级配组成,结果表明:(1)泥石流格宾-柔性网组合的拦阻效果明显,既具有快速排水的优点,也具有将固体物质拦截的特点;(2)拦阻结构的孔隙率对被拦截物源的粒径有分选作用,根据不同的泥石流类型,可以调整拦挡结构的孔隙率,以达到最好的拦挡效果;(3)拦阻结构底部受力比较大,冲击力从底部向上逐渐减小。第一道拦阻结构(柔性网)上不同位置处的冲击力相差最大,第二道拦阻结构(格宾)不同位置冲击力相差较小。     

地下拱结构抗爆研究进展与展望

防护工程在战时能有效抵御打击并保存有生力量,历来是国家防御和威慑力量的重要组成部分。与地上防护工程相比,构筑在岩土介质中的地下防护工程具有更强的防护能力。然而,随着科学技术的发展,高技术武器和精确制导武器的命中精度、侵彻深度和毁伤能力不断增强,对地下防护工程构成严重威胁。拱结构具有优异的力学性能,在地下防护工程中应用十分广泛,研究地下拱结构的抗爆性能对地下防护工程建设与发展具有重要意义。地下拱结构的抗爆问题涉及岩土介质中的爆炸冲击效应、岩土介质与拱结构的相互作用以及拱结构的动力响应与破坏机理等复杂的研究内容。国内外学者通过试验、数值仿真和理论分析等方法对爆炸荷载作用下地下拱结构的动力响应开展了较为系统的研究,取得了丰富的科研成果。从地下拱结构抗爆试验、数值模拟研究以及抗爆动力学理论三个方面讨论了地下拱结构抗爆研究进展,结合研究现状,指出未来应结合地下防护工程向深埋地、大跨度发展的趋势,加强地下拱结构原型和大比例模型结构抗爆试验、精细化数值模拟分析以及兼顾精度与实用的计算方法研究。     

落石冲击下多种类型土壤缓冲性能研究

针对现有研究对落石灾害中不同类型土壤中落石的最大冲击力和冲击力变化规律偏差较大的情况,对落石在四种土壤中的冲击力进行研究。通过试验验证SPH-FEM方法在冲击力方面的适用性。采用SPH-FEM模型分析落石在四种土壤中的最大冲击力、冲击力时程曲线规律和在砂土中的冲击力时程曲线公式。分析结果表明:SPH-FEM数值模型能够准确用于研究落石在土层中的最大冲击力和冲击力时程曲线。四种土壤的缓冲性能顺序为砂土、黏土、壤土和黄棕壤。研究得到落石在四种土壤中的最大冲击力与落体直径、冲击速度的关系曲线以及在砂土中的冲击力时程曲线公式。     

基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达80.02%;落石高度与重量共同变化时,当落石重量较小,落石冲击力随着落石高度增加后的变化幅度较小,反之较大,最大值较最小值的增大幅度达182.10%;棚洞顶板倾角和落石重量共同变化时,落石重量比棚洞顶板倾角对落石冲击力的影响大,增大幅度达48.99%。然后基于正交试验分析发现落石重量是影响落石冲击力最重要的因素,其次为落石高度,最后为棚洞顶板倾角。最后通过回归分析获得了棚洞落石冲击力计算公式,并通过方差分析证明了棚洞落石冲击力计算公式与各因素间的回归关系高度显著,因此该公式可用于落石棚洞设计时冲击力的计算。     

钢筋混凝土框架的多尺度抗火混合模拟∗

针对整体结构火灾试验费用高昂、传统构件试验无法反映整体结构性能、全实体单元模型抗火计算效率不高等问题,基于 ABAQUS 软件,建立钢筋混凝土传统单柱、全实体单元平面框架、多尺度平面框架、多尺度空间框架、 混合模拟平面框架 5 种模型,进行了基于底层中柱受火工况下整体结构的抗火性能对比分析,研究了不同建模方式的计算效率、约束对耐火极限的影响、混合模拟与常规数值模拟的差异,结论证实：缺少约束条件下的传统单柱的耐火极限相对整体结构偏低;多尺度模型相对全实体建模其计算效率提高 80% 左右;多尺度空间模型相对多尺度平面模型约束效应更强,在保持相同承载力的情况下变形相对更小;混合模拟模型与多尺度平面模型相比其力学性能具有较强相似性,证实采用多尺度混合模拟能够较好地反映整体结构的抗火性能,同时兼顾了计算效率和计算精度的统一。     

粗粒料湿化变形数值模拟研究

粗粒料湿化变形特性对土石坝静力稳定有着显著影响。目前开展的三轴试验和直剪试验研究,一般只能进行干样和饱和样的试验,而对于非饱和情况研究较少。基于粗粒料不同围压下湿化变形试验研究成果开展数值模拟研究,结果表明:湿化变形的影响可以通过改变细观剪切模量和细观摩擦系数来实现;随着颗粒破碎随饱和度和围压的增加,湿化后粗粒料的强度低、内聚力降低,但摩擦角变化不大。     

卷边PEC柱-钢梁(BRS)端板连接组合框架中间层抗倒塌机理数值模拟

为研究卷边PEC柱-钢梁组合框架中间层抗倒塌机理,以采用端板预拉对穿螺栓连接的新型卷边钢板组合截面PEC柱(弱轴)-钢梁(BRS)组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行水平低周往复荷载下倒塌机理的数值模拟。基于计算数据,对比分析试件承载力、抗侧刚度、连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点传力机理和破坏机构等抗震性能。结果显示:试件具有较大的承载能力和初始抗侧刚度;卷边PEC框架柱平均分担层间水平剪力,层间变形表现为剪切型变形模式;预拉对穿螺栓实现了部分自复位功效,而梁截面削弱满足了连接的转动能力和结构耗散地震能的需求;试件最终破坏模式为梁端削弱截面处出现塑性铰而使结构形成塑性机构,相应连接转角和试件中间层层间剪切角均超过中震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好抗震延性和抗倒塌性能。     

高速铁路沥青混凝土防水结构界面安全性分析∗

为了研究高速铁路无砟轨道底座板混凝土与全断面沥青混凝土封闭结构层之间抗滑移能力能否满足高速铁路行车安全,通过现场试验以及大型通用有限元分析软件ABAQUS对该界面进行对比分析。试验结果表明:现场试验最大剪切荷载为35 kPa,仿真计算结果最大剪切荷载为37 kPa,两者数值基本相同,且现场试验与仿真模拟的剪应力-位移曲线整体趋势一致。得到了满足高速铁路行车安全的结论,且为高速铁路全断面沥青混凝土防水结构设计提供了理论依据。     

S210线轻钢结构滚石防护棚洞动力响应与优化研究

以2013年芦山7.0级地震生命通道S210线滚石灾害防治为背景,在崩塌滚石灾害特征调查和研究的基础上,根据S210线应急抢险的需求,提出一种新型轻钢结构滚石防护棚洞技术:采用钢板和槽钢为主骨架,双层钢板夹EPS材料为顶板,并将顶板设为20°~25°以提高抗冲击能力。通过动力有限元数值模拟,开展滚石冲击荷载下轻钢结构棚洞动力响应机理与优化设计研究。计算结果表明:轻钢结构棚洞具有较强的抗滚石冲击能力,能承受1 500 k J滚石冲击能量,且施工方便快捷,不影响正常交通,是S210线应急保通较为理想的滚石防护措施。目前轻钢结构棚洞已在S210线滚石危险区段投入使用,效果显著,对确保震后S210线畅通和灾后重建发挥了重要作用,也可在类似山区公路滚石灾害防治中推广应用。     

飞射物撞击LNG储罐穹顶的试验与数值仿真分析

为了研究大型LNG储罐穹顶在飞射物撞击作用下的破坏形态,获取关键损伤量,选取大型LNG储罐穹顶顶端最薄弱部位制备了局部壳体试件,以LNG接收站区常用Φ101.6 mm(4in)NPS法兰的冲击能量为参照,分15个工况进行了相关试验和数值仿真研究。研究表明,不同撞击能量下LNG储罐穹顶的破坏形式主要有,冲击成坑、冲击震裂、冲击剥落屈曲、冲击侵彻屈曲、冲击贯穿屈曲。基于AUTODYN建立数值仿真模型,可以较好模拟飞射物撞击靶体的损伤发展过程,形象描述靶体内部的破坏形态,相关结果可以为LNG储罐穹顶的局部损伤评估和防护设计提供参考。     

双向水平地震作用下复杂地铁车站振动台模型试验的方案研究

采用数值模拟和振动台试验相结合的方法,完成了悬挂式层状多向剪切变形模型箱装置的制作,开展了模型箱自振特性的测试和模型材料物理性质测试,探讨了试验相似比的确定、地基和复杂地铁车站结构模型的制备方法、复杂地铁车站结构合理规模的确定、振动台输入地震动的选取及其加载方式、动态数据采集系统和传感器的选择与布置等问题,为顺利开展双向水平地震作用下复杂地铁车站振动台模型试验奠定了基础。     

带洞口加强肋复合墙体抗剪承载力研究∗

对2榀1/2比例带洞口(开门洞、开窗洞)加强肋复合墙体进行低周反复荷载作用下的伪静力试验,分析带洞口墙体的受力性能;在试验研究的基础上,针对洞口大小等影响加强肋复合墙体抗剪承载力的主要因素,建立墙体的非线性有限元模型进行分析;结合配筋砌体结构、框架结构、密肋复合墙体结构等相关试验资料,分析带洞口加强肋复合墙体的抗剪机理,提出带洞口加强肋复合墙体抗剪承载力计算公式,并给出公式的适用条件。试验结果表明带门洞墙体和带窗洞墙体均有着良好的抗倒塌能力和变形能力;数值模拟结果表明带门洞墙体的抗剪承载力随门洞的增大呈线性递减关系,带窗洞墙体的抗剪承载力随窗洞的增大呈二次函数递减关系;当带窗洞墙体洞口率高于17.1%时,应在窗洞两侧设置加强肋柱,以弥补洞口引起的抗剪承载力削弱;计算结果与试验结果对比表明,公式有较好的计算精度,满足工程设计需要。     

阜新五龙矿深部冲击地压ANSYS有限元数值模拟

基于AN SY S有限元分析软件,重点对辽宁阜新五龙矿深部冲击地压进行了数值模拟研究,根据实际开采条件建立了AN SY S有限元模型,通过模拟开采311工作面得到了推采距离为100、200、300及400 m时的顶底板Y向应力等值线图,指出顶板Y向应力大小是判断冲击地压是否发生的重要因素,当开采100 m和400 m时工作面迎头位置产生高应力集中区,极易发生冲击地压事故。数值模拟结果表明:阜新五龙矿属于煤体压缩型冲击地压,同时伴有火成岩墙侵入影响。AN SY S有限元数值模拟对深部矿井开采具有一定指导意义。     

大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能研究∗

为了研究大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能,选取鱼山大桥37#桩开展了自平衡试桩试验,并利用数值模拟软件ABAQUS对实际工况进行模拟,在验证了数值模型正确性的基础上对模型施加桩顶竖向荷载,分析了其桩身轴力与钢管应力传递规律,并通过改变变截面位置参数建立不同工况模型,分析了变截面位置对桩基竖向承载性能的影响。研究结果表明:自平衡试桩试验Q-s曲线没有突变较为平缓,经计算该桩单桩承载力为120 056kN,为单桩设计桩顶最大竖向荷载38 212 kN的3.14倍,桩基足够安全;数值模拟结果与实测较为吻合,数值模拟方法以及参数选取得当;变截面位置以上桩身轴力减小较缓,变截面处桩身轴力存在突变,变截面以下桩身轴力减小较快,桩端有端阻力存在,钢管处于弹性变形阶段并未屈服;变截面位置以上桩段越长桩基抵抗竖向变形能力越强,但生产实际中应考虑材料用量以达到最优。