Retrofit of reinforced concrete frames with buckling‐restrained braces

Damage to buildings observed in recent earthquakes suggests that many old reinforced concrete structures may be vulnerable to the effects of severe earthquakes. One suitable seismic retrofit solution is the installation of steel braces to increase the strength and ductility of a building. Steel bracings have some compelling advantages such as their comparatively low weight, their suitability for prefabrication, and the possibility of openings for utilities, access, and light. The braces are typically connected to steel frames that are fixed to the concrete structure using post‐installed concrete anchors along the perimeter. However, these framed steel braces are not without some disadvantages such as heavier steel usage and greater difficulties during the installation. Therefore, braces without steel frames appear to be an attractive alternative. In this study, braces were connected to gussets furnished with anchor brackets, which were fixed by means of a few post‐installed concrete anchors. The clear structural system and the increased utilization of the anchors allowed the anchorage to be designed precisely and economically. The use of buckling‐restrained braces (BRBs) provides additional benefits in comparison with conventional braces. BRBs improve the energy dissipation efficiency and allow the limitation of the brace force to be taken up by the highly stressed anchorage. Cyclic loading tests were conducted to investigate the seismic performance of BRBs connected with post‐installed anchors used to retrofit reinforced concrete frames. The tests showed that the proposed design method is feasible and increases strength as well as ductility to an adequate seismic performance level. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

框架式预应力锚固系统分阶段可靠性分析

将框架梁在张拉阶段或工作阶段时纵梁与横梁的破坏、梁的正截面与斜截面的破坏以及锚杆的破坏等主要失效模式视为串联系统,提出了框架预应力锚索的分阶段系统可靠性计算模型。在张拉阶段,将锚索力按照位移协调和静力平衡的原则分配在纵、横梁上,然后按Winkler弹性地基梁模型分别计算单片梁的内力;在工作阶段,将侧向土压力系数视为随机变量,框架梁视为土压力作用下的简支梁来计算其内力。基于各失效模式功能函数之间的相关系数矩阵,导出了预应力锚索框架的系统可靠性计算方法并编制了计算程序。对某工程实例的计算结果表明,预应力锚索框架的失效概率主要由纵梁在工作阶段和张拉阶段的正截面失效概率及锚杆的失效概率三者共同决定,而假设此3种失效模式相互独立的系统失效概率与考虑失效模式相关性的系统失效概率误差为8.1%。     

预应力锚索损伤软化精细有限元模型

预应力锚索作为岩土工程的一种主要加固技术已得到日益广泛的应用,但现有的计算方法难以反映岩体、砂浆、钢绞线相互之间的滑移变形等实际情况,计算结果难以体现实际的加固效果。通过研究接触面的特性引入损伤软化概念,建立了包含钢绞线、砂浆、接触面的损伤软化精细有限元模型,并与现场试验进行了对比分析。该模型优点是精细地描述了钢绞线、砂浆和接触面等结构的力学行为,可以反映接触面力学材料损伤软化的过程,更加精确地反映了锚固段的力学变化过程。试验结果对比显示,两者随着荷载不断加大,锚固段接触面上的剪应力峰值由端口往里转移。当端口处于弹性阶段,峰值在端口,呈指数衰减模式;当端口处出现损伤软化,峰值往里转移。计算分析反映的锚固段应力变化规律与试验基本一致。     

永久振动环境中岩土锚杆适用性的分析和测试

对土介质中的全长注浆锚杆进行了固有特性分析,推导了锚杆固有频率和固有振型的计算公式。考虑对永久震动环境中能否设计永久锚杆缺少经验,对所涉及的列车激励场地做了动力测试和频谱分析,以避免使支护构件的自振频率接近该场地中外界激励的优势频率和介质的一阶卓越频率。研究表明锚杆一阶纵向自振频率、场地卓越频率、列车优势频率分布于不同的频带,列车激励不致造成锚杆的共振。通过这一分析,为进一步认识锚杆支护结构在复杂环境下的适用性问题提供了参考。     

预应力锚杆框架梁的支护力学行为研究

采用实际工程数值模拟,结合现场试验与测试以及变换设计参数进行数值仿真试验等,对预应力锚杆框架梁支护体系加固边坡的力学响应、支护体系与加固坡体之间相互作用的空间力学效应以及支护体系的力学响应对设计参数的敏感性等问题进行了研究。结果表明,预应力锚杆框架梁的支护力学性状表现出张拉和稳定工作两个不同阶段,设计时应主要考虑位于坡脚附近的框架梁与锚杆的内力在稳定工作阶段有所上升的不利影响,锚杆的锚固预应力、锚固角和锚固间距均对支护体系的内力和加固边坡的压缩变形有显著影响。     

基于Hill稳定条件的条形锚板抗拔承载力研究

基于虚功原理的Hill稳定条件可较为明确地判定岩土材料的局部稳定性和整体稳定性：当地基系统的局部二阶功小于0时,材料点局部潜在失稳;当地基的整体二阶功小于0时,地基系统达到极限状态,整体潜在失稳。对ABAQUS进行了二次开发,使Hill稳定条件与有限元法相结合,求解胶结钙质土地基中条形锚板的抗拔承载力。研究结果表明,对于条形锚板在摩擦型岩土材料中的抗拔承载力问题,采用有限元方法结合Hill稳定条件,能较好地预测地基失稳范围和潜在失稳区域,失稳判据明确,易于确定极限荷载,并能较为准确地描述锚板的承载力系数及其随埋深的变化规律。利用有限元法结合Hill稳定条件求解承载力问题的思路和方法是有效和可行的,有明确的物理意义和力学理论基础,应用方便,值得进一步研究、推广并应用于较为复杂的岩土工程问题。     

基于上限法的条形锚板抗拔承载力分析

以极限分析上限理论为基础,利用旋转块体集的组合来构造条形锚板的运动许可速度场。分析了不排水黏土中深埋和浅埋条形锚板的抗拔承载力上限解,研究了锚板在不同埋置倾角和深度条件下的抗拔承载力和破坏面的特性,并将计算结果与已有计算方法进行了对比。分析结果表明：在不排水黏土中深埋条形锚板抗拔承载力与锚板的埋置方位和锚板的粗糙度无关,但完全光滑条件下破坏面扇圆部分的半径只有完全粗糙条件下的一半;在考虑无重土情况下浅埋条形锚板的抗拔承载力系数随锚板埋深比的增大而增大,破坏面也随埋深比的增加而逐渐扩大。所得上限解与已有文献解答较为吻合,而且求解所得破坏面更为直观,能为工程设计提供参考依据。     

强度折减有限元法中锚杆计算模型研究

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,受商用软件中锚杆强度模型的启发而提出了一种适用于强度折减有限元法的锚杆强度模型,并建议了考虑锚杆强度折减的强度折减方法,研制了相应程序。该模型应用于岩坡锚固计算,计算结果说明了模型的有效性;应用于土质边坡稳定性评估计算,结果表明模型方便可行。     

大采高碎裂煤巷软弱围岩控制优化研究

为解决谢桥煤矿1232(3)工作面回风巷道围岩控制的技术难题与经济合理性问题,运用正交实验方法,以巷道两帮与顶底板收敛量为指标,对不同因素不同水平的正交实验数据进行极差分析,得出锚杆直径与间排距为影响回风巷道围岩控制效果的主要敏感因素。同时,选定技术与经济指标,通过分析各关键因素对围岩控制效果的影响情况得出2组局部优化方案,并借助灰色关联分析方法对不同方案进行综合分析和决策,得出最终优化方案。现场实际应用表明,支护参数优化后巷道围岩变形得到有效控制,技术经济效益显著。     

斜坡桥梁桩基础加固优化设计

山区公路建设,由于工程地质条件复杂,上部结构荷载大,传统工法难以很好解决桥梁桩基础大变形问题。利用三维有限元数值模拟,对人工挖孔桩基础的加固方案进行模拟分析与研究,给出了水平位移、沉降量等模拟结果。根据数值模拟的结果,分析了锚杆(索)在加固桩基础中的作用与效果。结果显示,锚杆(索)加固桩基础可以有效减小水平位移和沉降量,大大降低工程投资,且为类似工程优化设计提供了一条很好的思路。