海底管道悬跨段振动特性研究

海底管道悬跨段在复杂的波流作用下,极易因涡激振动而引起管道的损坏甚至破坏。为了避免悬跨管道涡激振动的产生,对影响涡激振动的各种因素进行研究很有必要。以海底管道悬跨段为研究对象,采用流固耦合计算方法研究了外流速度、悬跨长度、管道壁厚以及内流等因素对管道振动特性的影响。结果表明,约化速度满足3.26≤Ur≤8的条件时,管道系统产生明显的锁定现象,能够观察到较大的管道横向位移;随着管跨长度的增大,管道的无量纲振幅增大;随着管道壁厚的增大,管道涡激振动的频率基本不变,振幅逐渐减小;空管道的约化速度约为6.517时其振幅最大,而当管道内有流体存在时,约化速度约为7.966时其振幅最大;输流管道的涡激振动振幅小于空管道的振动振幅。     

被动式自适应悬吊质量摆对大跨空间结构振动控制的研究∗

针对悬吊质量摆在地震作用下动力响应过大而导致的大摆角频率失调问题,提出一种基于弧形支座的被动式自适应悬吊质量摆,以保证其在振动过程中周期保持恒定并应用于大跨空间结构的振动控制。首先推导出在大摆角振动中能使悬吊摆的周期保持恒定的弧形支座的数学方程,接着利用拉格朗日方程原理建立了自适应悬摆— 大跨空间结构耦合体系的运动方程。针对悬吊质量摆仅能控制结构水平振动的缺点进行改进,使其可以同时控制大跨空间结构水平和竖向的动力响应。以一单层网壳结构为例,研究了其在不同的水平和竖向地震作用下的减振效果,并与传统的悬吊摆进行对比。结果表明,改进后的自适应摆对大跨结构水平和竖向地震响应的峰值和均值都有较好的减振效果,减振率最高可达 65%,尤其是大摆角时减振效果明显优于传统的悬吊质量摆。     

振动频率对饱和砂土液化强度的影响

采用"土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪"对饱和砂土进行了一系列动三轴实验,探讨了振动频率对液化强度数值的影响程度。在1.0、1.5固结比和0.05、0.10、1.00 Hz振动频率条件下,针对相对密实度分别为70%、28%的密砂和松砂进行了100、200、300 kPa围压和100 kPa围压条件下的液化强度实验。实验结果表明,饱和密砂和松砂在各种固结条件下,液化强度随着振动频率的增大而增大,相同破坏振次时,各种实验条件下的液化强度与振动频率的关系在双对数坐标上均符合线性关系;振动频率由0.05 Hz变化到1.00 Hz时,液化强度相差达25%以上;动强度指标φd值随振动频率的增大而增大,最大相差12.2%;随着振动频率的增大,砂土达到液化破坏所需的时间明显缩短;振动频率对松砂液化强度的影响比对密砂的影响更为显著。     

基于纤维模型的钢框架连续倒塌抗力机制分析

利用基于纤维模型的梁柱单元建立了框架结构的连续倒塌分析模型。基于Pushdown分析方法,开展了不同破坏工况下的连续倒塌分析,研究局部破坏后剩余结构的连续倒塌抗力机制。分析结果表明,破坏位置不同,剩余结构的抗倒塌机制也不同。在中柱破坏的工况下,剩余结构具备由抗弯机制与悬链线机制提供的抗倒塌承载能力,并且在失效跨内仅有底部第1、第2层梁演化出悬链线效应机制并提供竖向抗倒塌承载力,其余梁体在抗弯机制失效后,未演化出悬链线效应机制。在边柱破坏的工况下,剩余结构仅具备由抗弯机制提供的抗倒塌承载能力,失效跨内梁体均未演化出悬链线效应机制。     

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。     

近断层地震作用下基础隔震层组合限位振动台实验研究

近断层脉冲型地震作用下,基础隔震结构隔震层会产生过大变形,导致隔震支座侧倾失稳,隔震体系破坏。设计制作了3层基础隔震钢框架实验模型和11种U型钢板I型铅棒组合限位器,进行了U型钢板静力加载实验和近断层脉冲型地震作用下基础隔震层软碰撞限位振动台模型实验。实验表明:①静力加载时,U型钢板具有很好的弹性性能;②动力作用下,组合限位器残余变形较小,仍具有良好限位复位能力;③近断层地震作用下,基础隔震层软限位效果良好,同时控制上部结构层间变形在允许范围内。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

非饱和黄土静、动强度及其相关性研究

通过静三轴试验和动扭剪试验研究了非饱和黄土的静、动强度特性,对非饱和土的有效应力计算公式以及动扭剪试验Mohr-Coulomb强度指标的整理进行了讨论,提出了非饱和黄土和饱和黄土的有效应力计算的简化公式。分析了原状黄土和重塑黄土静强度指标随含水量、密度变化的规律,以及动强度指标随含水量、破坏振次变化的规律。研究了黄土静、动强度指标之间的相关性,黄土的静力强度指标与破坏振次为20次时的动力有效强度指标很接近。静、动强度指标之间有很强的相关性,提出了用黄土的静力强度指标推求相应的动力强度指标的经验公式。     

弯曲破坏型钢筋混凝土桥墩地震变形成分及影响因素

钢筋混凝土桥墩拟静力试验表明,弯曲破坏型桥墩墩顶位移主要由弯曲变形、滑移变形成分构成。为进一步探讨地震荷载作用下弯曲破坏型桥墩地震变形成分及其影响因素,首先基于Lehman以及李贵乾的桥墩试件拟静力试验,利用OpenSees平台采用纤维梁柱单元模型附加零长度截面单元对试验滞回曲线和墩顶变形成分进行数值模拟;其次建立原型桥墩数值模型,考虑近断层和远断层地震动进行了非线性动力时程分析,探讨了最大侧移角、位移延性系数等结构反应参数,以及剪跨比、纵筋配筋率等构件特征参数对桥墩地震变形成分的影响。结果表明,墩顶总位移中纵筋粘结滑移成分随最大侧移角和位移延性的增大而增大,随剪跨比和纵筋配筋率的增大而减小。考虑纵筋粘结滑移的数值模型与仅考虑弯曲变形纤维梁柱单元模型相比,将增大桥墩的地震位移反应。     

城市交通枢纽混凝土楼面动力放大系数实测研究

城市交通枢纽混凝土楼面的动力荷载效应不可忽视,现有结构设计规范尚未给出相应规定。以某大型城市公共交通枢纽为研究对象,开展了楼面结构在重载公交车辆作用下多个行车工况的现场测试,获取了不同行车速度下楼面结构的应变、挠度等动力响应,在此基础上计算了楼面结构的动力放大系数。结果表明:结构由动力荷载产生的响应明显大于静力荷载产生的响应;随行车速度的增加,动力放大系数先增大后减小;结构应变响应的动力放大系数比位移响应的动力放大系数取值范围大。研究成果可为大跨混凝土楼面板动力放大系数的取值提供参考。     

约束钢柱火灾下失效过程静力与动力分析对比

为研究受约束钢柱在火灾下的失效全过程响应,以及静力分析方法是否依然适用于临界温度之后的响应分析,建立了柱端受轴向和转动约束的钢柱火灾下简化分析模型,考虑两种不同的工况,分别采用静力和动力分析方法对受火钢柱进行了失效全过程分析。结果显示,根据约束刚度大小以及承受荷载大小的不同,受约束钢柱在火灾下的屈曲后响应可能是拟静力的,也可能伴随显著的动力效应。钢柱温度达到临界温度以前,静力分析、拟静力分析与动力分析结果基本一致。钢柱达到临界温度后的响应,若柱后屈曲响应为拟静力过程,则静力分析与动力分析结果基本一致,若柱后屈曲响应存在明显的动力效应,则静力分析会不收敛,拟静力分析得到的最大柱顶竖向位移会小于动力分析的结果。因此对于钢柱后屈曲响应,静力分析、拟静力分析可能导致偏于不安全的抗火设计。     

导线覆冰大跨越输电塔-线体系动力特性分析

大跨越输电塔-线体系对导线覆冰等环境荷载反应敏感,容易发生动态倒塌破坏。目前对线路覆冰下输电塔的振动问题虽然取得了一定的研究成果,但是线路覆冰下输电塔的动力特性规律尚需进一步研究。本文以实际工程为例,建立了大跨越输电塔-线体系数值分析模型,分析了导线划分精度对输电塔-线体系动力特性的影响,并在此基础上分析了导线覆冰对输电塔-线体系动力特性的影响。研究结果表明:导线划分精度对输电塔振动影响较大;导线覆冰不仅影响输电塔振动频率,而且对输电塔振型也有较大影响,尤其是对输电塔横担的振动影响更大。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

植筋搭接混凝土柱偏心受压性能试验研究

对钢筋混凝土植筋搭接柱在静载作用下的偏心受压破坏进行了探索性的研究。通过试验,得到了试验柱的承载力与锚固长度、跨中弯矩与挠度、荷载与位于搭接段跨中截面受压区混凝土应变等关系曲线。试验结果认为,钢筋混凝土搭接柱在混凝土未被压坏的前提下,发生的钢筋锚固失效主要是锚固强度失效,并确认了植筋试件的薄弱面。另外,试件破坏时的粘结应力随锚固长度的增加逐渐减小。而对FISV360S植筋胶来说,锚固长度的增加能明显地提高试验梁的极限承载力。最后分别提出了临界锚固长度计算公式和试验柱极限承载力计算公式。     

土-地下结构的非线性动力相互作用——理论及应用

基于土-结构动力相互作用理论，阐述了土-地下结构非线性动力相互作用的基本原理及其建模方法。根据这一方法，对1995年日本阪神地震中震害最为严重的大开地铁车站进行了成灾机理有限元数值模拟分析。分析结果表明：在地震动作用下，车站结构顶板与侧墙的交叉部位，和中柱的顶底端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰，使得顶板上覆土的大部分重量传递到由中柱来承担；在由顶板破坏后传来的上覆土重力和地震动在中柱中引起的压应力的共同作用下，中柱发生压曲和弯曲的双重破坏，导致中柱倒塌，进而导致车站顶板塌陷；同时还表明，水平向地震作用仍是造成大开地铁站结构破坏的主要因素。     

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IDA的西安站改东配楼结构地震易损性分析∗

为评估复杂连体结构在地震作用下的抗震性能,通过增量动力分析法对结构整体的抗震性能进行易损性分析。分别将最大层间位移角,扭转角和损伤参数作为 DM 值,获取结构易损性曲线,根据超越概率密度函数得到了各部件和整体结构的易损性矩阵。结果表明：在不同工况的 PGA 输入下,连体结构各部分均能满足抗震规范所规定的 8 度罕遇地震的要求,大跨桁架始终满足抗震性能要求;随着整体结构破坏程度的不断加大,角钢预埋件的破坏随着大跨桁架在强震作用下扭转的增大而逐渐增大,各水准的超越概率均大于其它部分的超越概率,因而大跨桁架支座端的角钢预埋件 1 和 2 是决定连体结构整体抗震性能的关键。     

考虑接头影响的综合管廊标准段地震响应分析∗

地震是造成综合管廊破坏的主要原因之一,综合管廊一旦发生破坏,其产生的后果将比传统埋地管道复杂得多。本文介绍了常见的几种综合管廊接头形式,并对不同的接头形式分别建立有限元模型,选取综合管廊标准段并考虑混凝土塑性损伤模型以及土体本构模型,利用自编程序施加黏弹性人工边界以及等效节点力对不同接头形式下管廊及内部管道进行地震响应分析。结果表明,在不同地震动强度下的最大纵向位移差,整体现浇结构的响应会高于预制拼装结构,且随着地震动强度的增加,响应的差异会进一步增大。两种接头形式下,管廊标准段在地震动作用下的损伤很小,仅在地震动峰值加速度达到0.4g及以上时会发生轻微损伤,不会影响正常使用。同一地震动作用下,小管径的管道应力水平会小于大管径的管道应力水平。同时采用橡胶止水带和预应力钢筋的接头形式会比仅采用橡胶止水带的接头形式更有利于降低廊内管道的应力水平。考虑到采用预应力钢筋连接的预制拼装结构会进一步提高廊内管道的安全水平,因此,在成本允许的情况下,不仅要考虑接头的防水,还应该采用预应力筋对相邻节段连接,进一步提升综合管廊的抗震性能。     

大跨人行过街天桥利用MTMD减振控制的理论分析

大跨人行天桥的自振频率通常比较低,与人行走时的频率接近,因此行人通过天桥时容易产生竖向共振,影响天桥的正常使用。本文研究多重调谐质量阻尼(MTMD)系统对大跨人行过街天桥竖向振动的控制作用,首先建立起天桥-MTMD系统的分析模型,推导出系统的传递函数及动力放大系数的数学表达式,继而分析了TMD的数量、阻尼比和频带宽等参数对结构的动力放大系数的影响,为实际工程结构设计MTMD减振系统时提供参考。以沈阳某大跨人行天桥为例,进行MTMD优化设置后,能有效减小天桥的受迫振动和自由振动,从而将振动控制在人体的舒适度范围之内。     

钢筋混凝土箱型高墩双向拟静力试验研究

随着高墩大跨桥梁的广泛应用,其抗震问题也越来越突出。本文主要考虑轴压比、长细比的影响,进行了6个钢筋混凝土薄壁箱型高墩缩尺模型的双向拟静力试验,以及反复荷载作用下的非线性分析。研究表明:①钢筋混凝土薄壁箱型高墩柱在多维荷载共同作用下,主要发生典型的弯曲破坏,但剪切作用也不容忽视;②墩柱的破坏受到不同方向耦合作用的显著影响,尤其是抗弯刚度小的一侧受到的影响更大,较早就出现开裂,提前进入塑性发展阶段;③非线性有限元计算的滞回曲线、骨架曲线等与试验结果基本吻合;④建立了考虑轴压比、长细比影响的钢筋混凝土薄壁箱型高墩的双向荷载—位移恢复力模型,该模型基本能够反映钢筋混凝土薄壁箱型高墩的抗震性能,可供钢筋混凝土箱型高墩柱及高墩桥梁结构的抗震设计和动力计算参考。