基于非线性破坏准则和强度折减法的浅埋隧道安全系数上限解

隧道工程中常用的安全系数是一种评估隧道稳定性的有效指标。为了研究非线性破坏准则下浅埋隧道的稳定性,基于已有的直线型多块体破坏机制,采用切线法将非线性破坏准则引入上限定理的能耗计算,结合强度折减法,构建了极限状态下隧道安全系数的目标函数。采用序列二次优化迭代法对此目标函数进行优化,得到了浅埋隧道整体安全系数的上限解,并对不同参数作用下浅埋隧道安全系数的变化规律进行了研究。研究结果表明:非线性系数m对隧道安全系数和极限状态下隧道破坏面的影响十分显著。当其他参数一定时,安全系数随非线性系数m的增大而减小。极限状态下隧道破坏面随m的增大向外扩展,潜在破坏范围增大。     

砂土中水平条形锚板竖向拉拔承载力统一计算方法研究

水平锚板竖向拉拔承载机理与承载力计算方法的研究目前存在人为区分浅埋、深埋,但界定标准又极不统一的问题。该文通过总结水平条形锚板竖向拉拔承载机理,提出了可描述极限拉拔下锚周土体滑动面随埋深比连续演化的对数螺旋线形态函数,建立了无需区分浅埋、深埋的极限承载统一力学模型。根据锚板埋深、滑动面交点与锚板距离和滑动面上切线为竖直线时对应点到锚板距离三者的大小关系,分3种情况开展极限平衡分析,推导出水平条形锚板竖向拉拔极限承载力计算统一理论解。结果表明:新的力学模型很好地反映了锚周土体滑动面随埋深比的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋。应用9种方法对5个试验案例(松砂、密砂)进行对比计算分析,统一理论解法排名第2,显示出具有较强的适应性。     

球面网壳最不利几何缺陷的凸集和概率模型

该文提出了一种使用凸集模型确定单层球面网壳最不利初始几何缺陷的有效方法。初始几何缺陷的模拟使用前N阶线性屈曲模态的线性组合,其大小为随机变量,在N维欧氏空间中的椭球集合上变化,结构的非线性屈曲极限承载力表示为这些随机变量的函数,该文方法可以替代计算昂贵的概率方法研究缺陷敏感性结构。通过蒙特卡罗方法验证了凸集模型所得结果的正确性,该文计算采用ANSYS参数化设计语言二次开发实现。     

均布载荷作用下简支圆板塑性极限载荷的解析解

该文建立了受均布载荷作用简支圆板运动许可应变场,并首次以EA(等面积)屈服准则进行了塑性极限分析,获得了极限载荷的解析解。该解为圆板半径a、圆板厚度h以及屈服强度的函数。与Tresca、TSS以及Mises解比较表明,Tresca屈服准则预测极限载荷的下限,TSS屈服准则预测极限载荷的上限,EA和Mises屈服准则预测的极限载荷恰居二者中间,且EA解几乎与Mises解重合。此外,该文还讨论了挠度与相对位置r/a之间的变化关系。     

孔隙水压力作用下盾构隧道开挖面支护力上限研究

基于极限分析上限定理和空间离散技术,构建了适用于在饱和土体中掘进的盾构隧道开挖面上限破坏机制。在此基础上,将孔隙水压力做的功率作为一个外力功率引入上限定理的虚功率方程,通过优化计算,得到了孔隙水压力作用下盾构隧道开挖面支护力的上限解。为了证明上限解的有效性,基于数值模拟技术计算了孔隙水压力作用下隧道开挖面极限支护力的数值解,并将得到的数值解和上限解进行了对比分析,结果表明,上限解和数值解非常接近。最后,分析了参数变化对开挖面支护力和破坏面的影响,分析结果表明:孔隙水压力对支护力上限解影响明显而对开挖面破坏范围的影响不大。     

基于Winkler地基Timoshenko梁理论的十字交叉条形基础节点荷载分配分析

考虑十字交叉条形基础截面剪切变形影响,利用Winkler地基Timoshenko梁无限长梁在集中力、集中力偶作用下的变形和内力关系,推导了带悬挑的半无限长梁的集中力、集中力偶作用下的悬挑系数计算公式。当条形基础抗剪刚度趋于无穷大时可退化成不考虑剪切变形影响的Euler梁理论结果,因此该文公式是一种通用公式。剪切变形对集中力的悬挑系数影响大、对集中力偶的悬挑系数影响小。对于节点较密、截面尺寸较大、对变形敏感的十字交叉条形基础,应该考虑截面的剪切变形影响。根据静力平衡条件和变形协调条件,建立了可同时考虑截面剪切变形和节点集中力、集中力偶作用的带悬挑十字交叉条形基础的节点荷载分配的统一公式。算例结果显示:虽然节点处作用的集中力偶较小,但其可以改变竖向荷载在节点x、y两方向上的分配,力偶数值越大,影响越明显。考虑条形基础截面剪切变形影响后,计算的节点荷载分配更均匀。     

土质边坡的单元失效概率与失效模式研究

土质边坡系统失效概率与土体抗剪强度参数以及地下水位息息相关，在传统边坡可靠度分析中一般只考虑了土体抗剪强度参数的变异性，忽略了地下水位随机性带来的影响。该文将有限元离散技术、上限法理论、相关非高斯随机场模拟方法以及随机规划理论结合起来研究随机地下水位作用下考虑参数空间变异性的边坡系统失效概率。采用有限单元离散边坡土体，将边坡地下水位作为随机变量并考虑土体抗剪参数的空间变异性，基于塑性极限分析上限法构建边坡可靠度分析的随机规划模型；采用基于蒙特卡洛的迭代方法进行求解，得到边坡稳定性系数和速度场；根据边坡中单元的失效信息首次采用AP聚类分析方法来估算边坡的系统失效概率，发展了边坡系统可靠度分析理论。对一个经典的边坡算例进行了系统分析并与极限平衡分析方法、有限元方法结果进行对比，结果表明：随机地下水位作用下考虑参数空间变异性时，边坡存在多种失效模式，AP聚类分析方法可以根据失效单元的位置信息识别出边坡所有失效模式以及对应的失效概率；基于Matlab编制了高效的上限法并行程序，大大提高了计算效率。     

船舶搁浅于台型礁石中的等效板厚法研究

给定油船双层底结构在具有较大接触面的台型障碍物上发生滑移的搁浅场景,利用等效板厚法对该过程的搁浅性能进行研究。Paik提出的等效板厚计算公式中,扶强材影响系数k是衡量扶强材的作用的重要参数。该文对扶强材影响系数k取值进行了全面深入的研究。通过有限元数值仿真技术进行研究,选取一个油轮舱段的双层底结构为研究对象,并建立了两个有限元模型:含有扶强材的模型与采用等效板厚法简化后的模型。利用数值仿真计算结果对比研究,确定了不同撞深和礁石角度条件下系数k的取值。研究成果为扶强材影响系数取值提供了计算依据,提高了等效板厚法分析船舶的搁浅性能的预报精度。     

基于三维能量屈服准则的新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算方法

已有新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度的计算方法分为考虑正应力和不考虑正应力2类,两类方法不仅存在理论依据不充分的问题,而且计算精度也有待提高,能够考虑正应力以及正应力为0的统一计算公式还未见报道。根据剪切试验破坏特征、机理,分析新老混凝土无锚筋结合面破坏机构,基于三维能量屈服准则、虚功原理和塑性极限分析理论,详细推导新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度理论计算公式。引入考虑正应力和粗糙度的综合影响系数,基于已有剪切试验数据并借助三维曲线拟合技术对理论公式进行修正,得到新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算公式。采用不同方法对27个新老混凝土无锚筋结合面压(拉)剪复合受力试验试件以及30个新老混凝土无锚筋结合面纯剪试验试件进行抗剪强度计算,对比分析结果表明:统一计算方法理论依据充分、计算简便,既可用于压(拉)剪复合受力构件,也可应用于纯剪受力构件;对于压(拉)剪复合受力试验试件,该文方法计算值与试验值的偏差率大都在±15%以内,统一计算公式的计算精度高于已有考虑正应力的计算方法;对于纯剪试验试件,该文方法计算值的偏差率大都在±20%以内,除计算低强度混凝土试件偏差率较大之外,统一计算公式的计算精度明显高于已有不考虑正应力的计算方法。     

基于钢筋应变差的混凝土双向板极限状态分析方法

为了合理确定混凝土双向板荷载-变形关系及极限状态,该文进行了一足尺混凝土双向板承载力试验研究,观察试验板裂缝开展及破坏模式,对荷载-变形关系、钢筋应变和板角约束力进行了测量。在此基础上,基于塑性铰线理论,考虑受拉薄膜效应,提出钢筋应变差概念、钢筋和混凝土应变破坏准则,结合板块内力平衡方程和弯矩平衡方程,建立混凝土双向板荷载-变形关系和极限荷载计算方法。同时,结合板壳有限元理论,编程计算混凝土板荷载-变形关系,分析薄膜效应机理及钢筋应变,并用于验证该文理论方法的合理性。最后,将该文理论方法计算结果与国内外试验结果以及其他理论结果进行对比。结果表明:与试验结果和其他理论计算结果相比,该文理论方法原理简单,计算容易,精度满足要求,可用于确定混凝土双向板的极限状态。     

无砟轨道端刺结构纵向位移的解析算法及应用

考虑高速铁路纵连板式无砟轨道底座板、摩擦板、端刺结构及路基土体的相互作用关系,深入分析了端刺顶部水平力的传递机理,借鉴水平荷载及弯矩共同作用下单桩承载力及变形的计算公式,推导出适用于计算端刺结构纵向受力与变形的解析算法。该方法中,底座板与摩擦板间“两布”滑动层的摩擦力假定为均匀分布,摩擦板和端刺间传递纵向力和弯矩且满足变形协调条件,路基土体对端刺侧面均匀支撑。解析算法的计算结果和基于有限元软件ANSYS 所建立的空间耦合模型具有较好的一致性,说明该文提出的解析算法正确可靠,可实现纵连板式无砟轨道端刺结构纵向位移的快速准确计算。端刺结构计算结果表明:随着大端刺深度、宽度及小端刺数量的不断增加,端刺纵向位移会不断减小,有利于减小底座板的纵向位移及土体的压缩变形。     

TC4钛合金板厚度对其撞击失效特性影响研究

为了揭示TC4钛合金板抗撞击性能与失效模式随厚度的变化规律及机理,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立平头弹撞击不同厚度靶板的模型,对弹体撞击不同厚度靶板进行计算。通过对比数值仿真与撞击实验结果,验证仿真模型的有效性。研究结果表明,靶板的主要失效模式、耗能机制、弹道极限随其厚度增加会发生改变,靶板厚度存在对应的转折值。对于TC4钛合金薄板,当靶板厚度比较小时,靶板拉伸撕裂破坏占主导作用。但是,当靶板厚度比较大时,靶板主要失效模式是局部剪切破坏。当靶板厚度小于4 mm、大于8 mm时,弹道极限速度随靶板厚度的增加而增加;当厚度为4~8 mm时,弹道极速度变化不明显。     

基于非线性破坏准则超前支护桩加固高切坡的静动稳定分析

Baker提出非线性破坏准则是一种广义的岩土体强度准则,常规的M-C强度准则、格里菲斯强度准则以及Hoek-Brown强度准则均为其特例。该文应用Baker非线性破坏准则,研究了高切坡稳定性判识、超前支护桩加固以及加固高切坡的地震屈服加速度和永久位移计算的极限分析方法。根据上限定理进行推导,分别建立了安全系数以及屈服加...     

多集中质量离散固支弹性板基波频率解析

针对含集中质量的离散固支弹性板基波频率的求解问题,采用小挠度弹性板变形理论与Rayleigh-Ritz能量法,建立含多集中质量弹性板的振动能量方程及其模态方程。结合弹性板的离散点固支边界条件,完成离散固支弹性板的基波振型函数的解析描述,并利用能量极值法,完成随着集中质量大小与位置变化的离散固支弹性板基波振型函数插值系数及其基波频率的解析。以不含集中质量离散固支弹性板为特例求解,与有限元分析计算结果相比对,验证求解离散固支弹性板基波频率方法的可行性。此外,以含两个集中质量的矩形弹性板为计算实例,完成了集中质量大小以及位置变化的基波振型函数插值系数k及其振型函数、基波频率f的曲面描述与分析。上述解析分析方法可为工程电路板PCB的动态设计提供了可行的理论分析方法。     

双向受压船体板极限承载能力简易分析方法

采用简易高效的方法分析双向受压船体板极限承载能力,探讨焊接残余变形、残余应力的影响,并根据试验测试结果给出了焊接残余变形容限。计算结果与弹塑性非线性有限元法和试验值进行了比较。最后讨论了腐蚀对船体板极限承载能力的影响。     

圆锥形零件冲压成形皱曲破裂成形极限的变化规律性

由外皱曲模型给出外不皱曲判据,依据它可计算出防外皱曲最小压边力的大小,作为防外皱曲的极限判据.由内皱曲模型给出内不皱曲判据,依据它可计算出防内皱曲最小压边力的大小,作为防内皱曲的极限判据.由破裂模型给出不破裂判据,依据它可计算出最大压边力的大小,作为防破裂的极限判据.结合上述外不皱曲判据、内不皱曲判据和不破裂判据,给出圆锥形零件冲压成形的成形判据和圆锥形零件冲压成形皱曲破裂成形极限的变化规律性.它们是材料参数M(n,r,σb,K,E)、设计参数D(D0,δ0,m,Kd,rd)和过程参数P(fb,fd,fα,η)的函数.     

大跨度桥梁箱梁的三分力系数识别研究

该文针对高雷诺数风洞试验研究结果,分别对加拿大国家试验中心NRCC 试验和昂船洲大桥试验建模计算。使用标准k-ε 双方程湍流模型结合边界层网格建模,计算得到的三分力系数与试验数据吻合良好。分析了雷诺数、来流湍流强度、中央开槽宽度对桥梁断面三分力系数的影响。研究结果表明,雷诺数效应和开槽宽度对阻力系数存在影响,但对升力系数与升力矩系数影响很小,来流湍流强度对三分力系数影响均不明显。     

MY准则解析受均布载荷简支斜板极限载荷

为了得到斜板极限载荷的解析解,用平均屈服(MY)准则,对受均布载荷的简支金属斜板进行了塑性极限分析.首次获得MY准则下斜板极限载荷的解析解,该解是斜板几何参数长l1,宽l2以及长宽夹角θ的函数.研究表明:随着θ的增大,极限载荷先增大而后减小;斜板面积增加,极限载荷减小.得到了菱形、矩形和方形板的解析解,并将方形板的解析解与Tresca、Mises以及TSS提供的极限载荷进行比较,对比表明:方板的极限载荷与边长成反比关系,Tresca屈服准则提供极限载荷的下限,TSS屈服准则提供上限,MY准则预测结果恰居二者中间,且最靠近Mises解.     

高强度钢焊接方形截面轴心受压构件的局部和整体相关屈曲

钢结构设计规范GB 50017-2003规定箱形截面轴心受压构件板件宽厚比不应超过40√235/f_y,但实际工程中板件宽厚比达到120,远远超过此值。该文采用ANSYS有限元软件建立模型分析了高强度钢(名义屈服强度为460MPa)宽厚比超限的焊接箱形截面轴心受压构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷(整体、局部初弯曲)和残余应力,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,采用曲线a 代替规范GB 50017-2003中规定的曲线b,用直接强度法对这些构件进行计算,并将计算结果和有限元模拟结果相比较。针对误差较大的压杆,提出修正的直接强度法。研究表明:该文有限元模型能够很好地模拟高强度钢焊接箱形截面轴心受压构件非线性屈曲的性能;对板件宽厚比B/T≥45的轴心受压构件,有限元计算结果和直接强度法计算结果吻合较好,而对B/T<45者,二者相差较大;提出的修正直接强度法和试验结果吻合很好。     

岩石三维强度准则的研究

结合非线性统一强度理论与Hoek-Brown强度准则,以Hoek-Brown强度准则构建子午面上的强度曲线,以非线性统一强度理论构建偏平面上的强度曲线,通过应力空间变化方法将子午面上强度曲线与偏平面上强度曲线进行结合,从而建立一种新的岩石三维强度准则。建立的强度准则在子午面上为非线性,考虑岩石材料的静水压力效应;在偏平面上强度线涵盖了从上限Drucker-Prager圆到下限Matsuoka-Nakai曲线之间的所有区域,可较好模拟岩石材料的中间主应力效应。强度面光滑、外凸,可用于建立岩石的屈服函数。强度准则共有3个材料参数m_t、σ_c、m_i,各参数可通过岩石试验数据确定且具有明确的物理意义。另外,该文提出一种m_t的近似求解公式,总的参数可退化为σ_c和m_i,与Hoek-Brown准则基本参数一致,可由岩石常规三轴压缩试验按Hoek-Brown提出的回归公式确定。与国内外学者已开展的岩石材料三轴试验结果进行对比,建立的强度准则与试验数据吻合良好,可合理描述岩石材料的非线性强度特性。其次,通过引入地质强度指标GSI,建立的强度准则可应用于较为完整的岩体（GSI>25）,对于较为破碎岩体（GSI<25）需做进一步的研究。