动荷载作用下基坑支护结构动力响应研究

应用Midas/GTS数值分析软件对车辆动荷载作用下基坑支护体系的动力响应进行了模拟分析。通过调整车速和车辆行驶位置系统地分析了不同车速行驶动荷载作用下基坑支护结构的内力及位移变化情况。研究发现,基坑桩锚支护体系中锚杆轴力随车速提升呈先增大后减小的规律,支护桩整体结构在车速动荷载影响下与锚杆轴力呈相同变化趋势,汽车在一定行驶速度范围内,随着车速的提升支护桩位移逐渐增大,达到波动峰值后位移变小;车辆距离基坑边线的行驶位置与桩锚支护结构受力变化呈非线性关系,距离越近影响变化越明显。结合具体工程实例,通过对现场监测数据分析并与数值模拟结果进行对比,结果表明,数值模拟与现场监测得到的基坑支护体系内力及位移变化规律一致,数值模拟技术工程指导效果显著。     

多层框架结构弹性和弹塑性动力响应比较分析

结构在静荷载作用下,考虑材料塑性变形所得到的结构某点的位移响应大于不考虑塑性变形(即认为结构为完全弹性)所得到的位移响应。通过基于LSDYNA程序的计算分析发现,相同的结论并不适用于结构在动力荷载作用下的响应。进入弹塑性阶段后,可以认为结构的动力响应受两个因素影响:(1)刚度降低引起结构振动特性的改变;(2)塑性变形引起的位移增长。这两个因素的影响程度决定了结构在动力荷载作用下由弹性阶段过渡到塑性阶段后的各种响应的改变。     

防撞梁在超高车辆撞击铁路桥梁中的防撞性能研究

作为交通运输工程中不可或缺的一部分,铁路桥梁在生命线及基础设施系统中发挥着重要的作用,一旦被超高车辆撞击,将会造成难以估计的生命及财产损失。提出4个不同配置（横梁、支撑）防撞梁,作为一种缓冲机制安装于桥梁可能发生撞击的主梁底部区域,并通过1:5缩尺模型对防撞梁的防撞性能及工作原理进行研究,并提出基于数值模拟的简化分析方法,实验结果表明:4个防撞梁对于降低桥梁在冲击荷载下的动力响应均有很好效果,能够有效降低桥梁结构在冲击荷载下的动力响应,塑性变形折减至50%,变形能力较好的防撞梁防撞性能更好,此外,基于数值模拟的简化分析方法是有效的。     

青藏铁路高温多年冻土区列车行驶路基长期永久变形数值模拟研究

基于动三轴试验建立的冻结、融化状态青藏铁路粉质黏土的累积塑性应变模型,考虑路基土体动应力的作用,二次开发适用于青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基长期永久变形的蠕变法则,并在既有的黏弹塑性本构模型将其引入,计算列车荷载作用下青藏铁路路基的永久变形。分析结果显示：（1）列车荷载作用下距离路基顶面不同埋深土体的累积动力永久应变随着等效振次的增加而增加,并且先期的增长速度较快,最终趋于稳定,长期沉降在路基中心处最大,最终在路基距离轨道最远处几乎为零;（2）随着列车速度的增加,路基中心永久变形逐渐增大;（3）随着列车轴重的增加,路基中心永久变形逐渐增大,并且随着埋深的增加,列车轴重对路基永久变形的影响逐渐变小;（4）随着冻结深度的增加,路基表面累积塑性变形呈降低趋势;随着融化深度的增加,路基表面累积永久变形增加。     

青藏高原多年冻土地区铁路路基工程动力稳定性分析

科学合理地分析铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理,对于多年冻土区路基工程稳定性预测有着重要的指导意义,同时对于在青藏高原多年冻土地区建设高坝大库等重要水利工程的动力稳定性分析也具有重要的借鉴作用。通过选取青藏铁路北麓河段典型块石路基结构开展机车通过实时强震动测试,获得了机车通过时的实时加速度数据。在现场测试的基础上,基于有限元分析软件, 运用二维非线性动力响应分析方法对多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下动力传递特性、位移响应特性和应力应变特性进行了数值模拟分析,并通过对比分析素土路基的动力响应特征,科学分析青藏铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理。研究结果表明,块石层的铺设可以有效限制机车荷载产生的加速度向路基深处传递,减小机车振动对路基结构的影响,有助于保护冻土路基的稳定性;块石层的铺设可以较好地减小机车荷载作用下路基的沉降变形,在相同机车荷载作用下块石结构路基的最大沉降量仅为0.9 mm,而素土路基的最大沉降量可达1.9 mm;块石层的铺设可以改变机车荷载作用下路基内部的应力应变状态,使得路基内部最大主应力增大,而最大剪应变幅值、范围均减小。     

考虑土-结构动力相互作用的车-桥系统动力响应分析

基于多源粘弹性人工边界,利用有限元软件ABAQUS建立了动力荷载作用下的路基-桥梁-车辆整体数值分析模型,分别计算动力荷载作用下车速、土-结构动力相互作用(SSI)因素对车-桥系统的影响规律。结果表明:对车桥系统来说,考虑土-结构相互作用时桥梁结构和车辆的竖向动力响应都较忽略时有显著的增大;桥梁的各参考点的竖向动力响应随着列车速度的增大而增大,但车速对桥梁的动力响应影响要大于土-结构动力相互作用的影响;地震使得车桥系统的动力响应明显的增大,同时地震作用下桥梁的参考点上竖向位移、速度的最大值出现时刻和只有列车荷载作用下出现时刻也不同。     

地震-列车移动荷载耦合作用下高铁路基振动特性研究

基于轨道结构-路基-地基动力相互作用理论,建立考虑地震-列车移动荷载耦合输入的轨道结构-路基-地基动力学模型,研究高速铁路路基及轨道在耦合荷载作用下的振动响应问题。通过编制DLOAD子程序并与ABAQUS有限元计算程序联立,实现地震荷载与列车移动荷载耦合作用的施加,以高速铁路桩承式路基及自由式路基为研究对象,对地震-列车移动荷载耦合作用下两种路基系统的动力响应进行数值计算并比较两者的振动响应差异。结果表明,耦合荷载对桩承式路基动力响应影响显著,该荷载作用下桩承式路基会发生共振现象,使得桩承式路基中轨道和路基振动位移幅值均大于自由式路基的振动位移幅值;桩承式路基不会影响路基系统的振动频率,但会改变路基系统的振动大小,桩承式路基中轨道X方向加速度、路肩边及路基坡脚处的竖向加速度分别减小6.2%、50%、28.6%。     

交通荷载作用红层填料道路沉降细观模拟

为研究G6京藏高速兰州—海石湾段红层路基填料导致的沉降问题,建立二自由度路基路面耦合离散元模型。通过迭代运算,得到各层材料的细观参数,编写Fish函数,用冲击荷载及半正弦荷载模拟交通荷载作用,在此基础上分析荷载作用下路基路面各层颗粒的位移和应力时程曲线。研究表明：基层与红层填料交界面处出现位移分层现象,基层受水平拉应力作用,是裂缝发展的高风险区,在公路运营过程中应定期重点监测该区域裂缝的发生。PFC模型实现了路基土体及路面结构层在离散元软件中协同变形的耦合,为不良路基地区道路的病害问题及沉降变形计算提供研究思路,为该地区后续的路基病害整治奠定理论基础。     

小净距隧道扩建爆破动力响应数值模拟方法研究

以国内首次施工的大帽山四车道公路隧道扩建爆破震动控制为研究背景，介绍了爆破数值模拟分析中爆破荷载的计算原理和施加方法。从炸药直接起爆的角度，采用流固耦合多物质单元技术，利用LS-DYNA3D软件建立了扩建隧道爆破荷载作用下邻近运营隧道动力响应的数值计算模型。通过爆腔半径数值模拟结果与经验公式计算结果的比较，得到围岩的合理破坏应变值；对数值模拟计算结果的影响因素进行分析，结果表明材料采用理想弹塑性模型较硬化弹塑性模型的计算结果偏大；由现场实测数据拟合的经验公式验证数值模拟方法的可靠性。可为大断面小净距隧道施工及类似问题的解决提供参考。     

近地空中爆炸作用下钢框架结构冲击响应

采用多物质欧拉与拉格朗日耦合算法,对框架结构和混凝土地面采用Lagrange单元、空气和炸药采用多物质ALE单元,建立流固耦合有限元模型,对一个五层的钢框架结构在近地爆炸作用下冲击压力波的传播过程、结构冲击响应和变形以及破坏过程进行了数值模拟.数值模拟分析结果表明,拉格朗日-欧拉耦合算法较好地模拟了爆炸冲击波在介质中的传播和作用在结构上的爆炸荷载效应.在爆炸近区,空气爆炸冲击波的衰减速率快;爆炸产生强烈的冲击波首先使钢框架结构正面的柱和梁柱节点区产生很大的塑性变形,钢框架柱在发生爆炸的瞬间失去承载能力,最终导致建筑物整体倒塌.考虑结构变形和流体荷载间的相互影响可以较真实地模拟结构在爆炸荷载作用下的连续倒塌过程,为研究结构在爆炸荷载作用下的连续倒塌提供了有效手段.     

巴准重载铁路高路堤边坡稳定性分析

针对巴准重载铁路高路堤,采用三维非线性有限元方法,建立了可考虑重载列车振动荷载作用的高路堤边坡稳定性分析的数值模型。通过引入强度折减系数法,分析了未加固和应用土工格栅加固的高路堤边坡的稳定性,据此考察了格栅长度与间距、边坡高度及路基上部荷载等因素对高路堤边坡稳定性的影响效应。数值模型中,路基土体采用莫尔—库伦弹塑性本构模拟,土工格栅选用线弹性本构模拟;通过计算ZK标准活载及等效土柱高度,换算得到路基上部荷载。研究表明：加固重载铁路高路堤时,土工格栅的应用限制了高路堤边坡的侧向滑动,有效地提高了高路堤边坡的稳定性;格栅增长、路堤高度降低能够提高高路堤边坡的稳定性,而格栅间距增大、路基上部荷载增加将降低高路堤边坡的稳定性。     

无砟轨道路基列车动载激励及动力响应三维数值模拟

针对高速铁路列车荷载激励输入特性及无砟轨道路基在动载作用下的动力响应问题,建立了轨道—路基三维有限元数值模型,确立了单元结构类型、路基本构模型及结构材料参数的选取方法及依据。根据列车荷载分布特点及其激励输入特性,采用2车厢8轮对车辆离散模型,通过Fourier变换获得了相邻车厢两个转向架通过轨道时轨下扣件点的反力时程曲线,在此基础上利用实测数据验证了模型的合理性和适用性。以运行速度300 km/h,轴重为170 kN的高速列车为例,分别计算CRTSⅡ型板式无砟轨道路基及双块式无砟轨道路基的竖向动应力、竖向动位移及动加速度,揭示上述响应规律与轨道路基结构之间的相关性。     

基于爆破荷载等效施加方法的振动波形预测与古建筑安全评估

隧道爆破开挖产生的振动对邻近的古建筑有着不容忽视的安全影响,为研究爆破振动波的传播规律以及预测地面振动效应和分析临近古建筑结构的安全性,以拉卜楞隧道为依托,采用现场实测结合数值模拟分析的方法,预测爆破荷载作用下拉卜楞寺的动力响应。结果表明：(1)随着单响总药量的增加,质点振动速度增大,衰减比也随之增大,说明高频振动衰减快,低频振动衰减慢;(2)通过理论计算将爆破荷载等效施加在弹性边界或隧道开挖轮廓面上,动力模拟结果表明在大于40 m的中远区两者振速变化规律趋于一致,故将荷载施加在开挖轮廓面上是合理的;(3)爆破地震波自由界面处体波经过反射形成沿表面传播的Rayleigh波,结合数值模拟山体内部地震波的传播规律发现,经反射叠加山体内部形成复杂的振动区;(4)当地震波到达拉卜楞寺最近点时,径向振速峰值为0.000 672 cm/s,垂向振速峰值为0.000 448 cm/s,合成振速峰值为0.000 807 cm/s,远小于古建筑安全振动控制标准。     

气候变暖下青藏高原冻土路基地温场演化规律研究

冻土物理力学特性与温度密切相关,气候变暖背景下冻土路基地温场的分布和演化规律不仅会影响到路基的静力稳定性,还会影响到其在地震、车辆等动力荷载作用下的响应特征与稳定性。为此,基于现场实测路基坡面温度,系统开展气候变暖背景下青藏高原典型(东西、南北、45°)走向条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟研究。结果表明,阴阳坡侧浅层土体冻结指数差异较融化指数差异更为显著,东西走向下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,而融化指数约为阳坡的0.83。阴阳坡侧路基本体及活动层季节冻融过程存在明显不同步,东西走向条件下阴坡冻结期(融化期)可较阳坡侧长(短)约1个月。路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定的抬升,而阳坡仅南北走向有抬升。此后,在气候变暖及沥青路面吸热效应下,路基人为上限不断下降,最大速率可达20cm/a,且逐步出现融化夹层,其中阳坡融化夹层厚度普遍大于阴坡,差值最大可达2.5m。路基本体季节冻融过程的不同步、人为上限埋深及冻土地温分布的不对称性应在未来青藏高原冻土路基静力、动力稳定性设计和研究中予以考虑。     

基于OpenSees的砂土本构模型对比研究

饱和砂土液化是由地震引起的一种最常见的工程地质现象,也是造成重大地震灾害的主要原因之一。由于成因的复杂性和所造成灾害的严重性,饱和砂土液化一直是土动力学和岩土地震工程研究领域的重要课题。针对饱和砂土液化问题,基于开源地震工程数值计算平台OpenSees,对材料库中的4种砂土本构模型进行数值计算。采用二维u-p单元模拟土颗粒位移和孔隙水压力,分析和对比4种模型在循环动力荷载作用下的加速度、超孔隙水压力、位移、剪应力-剪应变和平均有效应力路径方面的响应结果。研究结果表明:(1)砂土对输入加速度表现出一定的放大效应,对于不同的模型,该放大效应存在一些差异;(2) Stress Density模型在循环动力荷载作用下易产生永久变形;(3)在循环动力荷载作用下,PDMY模型和CycLiqCPSP模型的强度逐渐降低,直到完全消失;(4) Stress Density模型和Manzari Dafalias模型在循环动力荷载下表现出明显的剪胀效应。研究成果对砂土液化的数值模拟问题具有重要的理论价值,可为饱和砂土的液化模拟和砂土本构模型的选取提供参考。     

桩承式高速铁路路基的地震反应特性研究

桩承式路基在我国高铁路基中广泛应用,因此,论文建立地震荷载作用下轨道-路基-地基三维数值计算模型,研究地震荷载作用下桩承式路基的地震反应特性,分析桩径、桩长、桩间距、桩身弹性模量等计算参数对路基地震反应的影响,并与自由式路基的地震反应对比。自由式路基地震反应特性表明,地震荷载作用下水平x方向钢轨振动位移幅值最大,是z方向的5倍,路基坡脚处振动位移幅值是基床表层的25.2倍,轨道、路基频谱曲线主频单一,且主频范围为2.5～7.5 Hz;与自由式路基相比,桩承式路基对轨道水平方向位移幅值、加速度幅值有增大作用,但减小了轨道竖向位移幅值、加速度幅值;对路基各结构层位移幅值、加速度幅值都有明显减小作用。综合考虑,桩承式路基抗震性能最佳桩径为0.8 m,最佳桩长为8～10 m,最佳桩间距为2 m,最佳桩弹性模量为20 GPa。     

嵩岳寺塔地震响应及最不利受力状态分析

采用数值模拟方法对嵩岳寺塔在多遇、设防和罕遇地震作用下的地震响应及最不利受力状态进行了分析,为后续结构安全动态监测提供了基础数据。分析结果表明:质量和刚度关于中轴面呈对称分布,塔身结构整体性较好。地震作用下,结构呈现一阶弯曲变形,没有表现出明显的鞭梢效应。1层塔身的变形最为严重,是结构的薄弱环节。罕遇地震作用下,上部塔身开始进入弹塑性状态,其他情况下仍处于弹性状态。结构承压性能较好,但门洞顶部的水平抗拉承载力存在一定不足,7层以下塔身外侧的竖向抗拉承载力存在一定不足,12层以下塔身中轴面附近的抗剪承载力存在一定不足,且门洞顶部受剪最严重。     

核电厂进水口直立式翼墙结构地基三维地震响应分析

以某核电站海域工程进水口直立翼墙为背景,运用FLAC~(3D)有限差分程序对直立式翼墙结构在地震作用时的动力响应进行模拟,结合PL-Finn液化后大变形本构模型,研究翼墙结构在动力荷载作用下的动力响应规律。从结构的位移时程、结构变形、超孔压比、液化区域等方面定量评价翼墙护岸结构的安全性。分析结果表明:砂土液化后发生流动使结构出现规律性残余变形,且随地震强度增加而变大。由地震惯性力和砂土液化共同引起的水平和竖向变形,在SL1作用下翼墙结构顶部水平残余变形0.05 m,竖向残余变形为0.07 m。在SL2作用下翼墙结构顶部水平残余变形0.26 m,竖向残余变形为0.16 m;与基底输入地震动相比,在翼墙结构顶部水平和竖直加速度放大4～5倍,且越靠近翼墙顶部处加速度呈现出明显放大效应。     

移动荷载对桥梁动力响应的影响研究——以开裂预应力混凝土简支梁为例

混凝土桥梁在工作过程中会产生裂缝,为分析移动荷载对开裂混凝土桥梁结构刚度的影响,对开裂梁动力响应进行分析。建立简支T梁桥有限元模型,并将移动荷载施加至有限元模型中。根据简支T梁桥破坏横向分布位置和强度的不同,研究不同工况下各梁荷载横向分布及不同移动速度对裂缝扩展宽度的影响。结果表明,数值模拟结果能较好地验证计算模型的准确性;在较大的移动荷载作用下,混凝土开裂,导致结构刚度减小、位移增大;随着移动荷载和速度的增加,开裂时间增加,结构刚度降低,持续时间增加,位移增大,使结构响应呈现明显非线性。     

软土地铁车站中柱在强震作用下的响应研究

将汶川地震时获得的地震波作为输入波,利用FLAC^3D软件对软土典型地铁车站中柱进行强震响应的三维数值模拟。土体采用D—P本构模型,车站结构采用弹性模型,并选用瑞利阻尼和Hardin／Drnevich模型的滞后阻尼来实现土在循环动荷载下的滞回和非线性。计算结果包括中柱的相对变形、轴力、剪力、弯矩及车站中柱的加速度响应规律。结果表明：下层中柱是地铁车站受地震波作用时最为薄弱的构件,并且中柱的破坏系水平向地震波和竖直向地震波共同作用的结果。