循环荷载作用下软土中吸力锚承载力拟静力有限元分析

建议了一种利用软土不排水循环强度，评价静荷载与循环荷载共同作用下软土中吸力锚承载力的拟静力弹塑性有限元方法。该方法首先依据软土的不排水静强度，通过弹塑性有限元计算，确定平均系泊荷载作用下土体单元的八面体平均剪应力，再据此确定与一定循环破坏次数对应的土单元循环强度；然后，按土单元循环强度再次通过弹塑性有限元计算，确定锚系泊点沿系泊方向的荷载位移曲线；最终由荷载位移曲线、按位移破坏标准确定锚的循环承载力。这一方法的特点是考虑了平均系泊荷载对软土循环强度、进而对静荷载与循环荷载共同作用下锚承载力的影响。为说明这一方法的可行性，进行了不同锚径、不同长径比、不同平均荷载、不同摩擦系数、不同加载方向、不同破坏模式条件下的软土中吸力锚循环承载力模型试验。利用拟静力有限元方法对模型试验结果进行了预测，预测结果比试验结果偏小，平均偏小不超过10%。模型试验结果还表明，软土中锚的归一化循环承载力随循环破坏次数的变化只取决于归一化平均荷载，可以忽略加载方向、锚的直径、锚外壁摩擦系数对归一化循环承载力变化关系的影响。若归一化平均荷载为0.5，当循环破坏次数为1000时，对于竖向破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的75%；对于水平破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的80%，这与已有的离心模型试验结果基本一致。     

加载方向对张紧式吸力锚极限承载力的影响分析

利用真空预压法在模型试验土池内制备了软黏土层,选择不同加载方向,进行力控制下张紧式吸力锚极限承载力模型试验,分析了加载方向对其破坏模式以及极限承载力的影响。结果表明,对于最佳系泊点受倾斜荷载作用的吸力锚,当加载方向从 40 °变化至 20 °时,尽管锚的水平位移和承载力明显增加,但锚始终表现为竖向拔出的破坏模式,且锚底以下土层的反向承载力是影响其极限承载力的关键因素。按照模型试验条件,分别通过塑性极限上限分析与极限平衡分析预测锚的极限承载力并与试验结果进行比较,发现如果将锚底的反向承载力系数取为常数,预测结果不能反映加载方向的变化对极限承载力的影响。因此,为了客观预测锚的极限承载力,依据模型试验结果,提出了一种反映加载方向对锚底反向承载力影响的修正关系。     

黏土中深水吸力锚基础承载特性有限元分析

基于ABAQUS软件平台,通过建立黏土中吸力锚基础三维有限元模型,研究系泊点位置、系泊方向及锚固深度对吸力锚极限承载力的影响。通过有限元计算发现,系泊点位置不同,吸力锚在黏土中的破坏模式也不同,即有可能发生前倾式、后仰式及平动式3种不同的破坏模式。当系泊点位于最优系泊点位置时,吸力锚将发生平动破坏,对应的极限承载力最大。系泊方向角越小,被动区土体水平抗力分量越大,锚极限承载力越大,锚极限承载力与系泊方向角基本成线性递减关系。锚极限承载力随锚固深度(长径比)的增大而逐渐增长,当长径较小时,承载力增长较快,但当长径比增加到一定程度后,极限承载力增长逐渐趋缓。通过对有限元计算结果的最小二乘拟合,分别给出锚极限承载力随系泊点位置、系泊方向及锚固深度变化的函数关系式。     

竖向循环荷载下软黏土地基管桩累积沉降特性

高速公路、高速铁路桩承式路堤中桩的累积沉降发展规律对路基沉降控制具有重要意义。通过在浙江湖州软黏土地基中对2根29.5m长预应力混凝土管桩进行竖向循环加载现场试验,研究不同静荷载与循环荷载组合作用下管桩的极限承载力及累积沉降特性。试验发现,长期循环荷载下桩顶累积沉降发展可分为3类：快速稳定型、渐进发展型、急剧破坏型。当循环荷载比(CLR,循环荷载幅值与极限承载力之比)不超过0.2时,桩顶累积沉降趋于稳定,不受振次影响;当0.20.5时,桩顶累积沉降随振次急剧增加,在半对数坐标中呈刺入破坏。分析静荷载与循环荷载水平对桩顶累积沉降的影响,最后为工程设计提供建议。     

竖向下压循环荷载作用下单桩承载力及累积沉降特性模型试验研究

竖向循环荷载作用下,单桩的承载力及变形特性均不同于静荷载情况。利用浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统开展了单桩基础竖向下压循环荷载作用下的大比例模型试验,获得了不同侧/端阻比下桩基的循环承载力及桩顶循环累积沉降。试验发现:存在一最小循环荷载比,当循环荷载比小于该值时,桩顶不会发生循环累积沉降;一定循环次数内桩顶循环累积沉降基本与循环次数成正比,且循环累积沉降与循环次数的比值近似与桩顶循环荷载比呈线性关系。通过给定单桩循环破坏标准,绘出了模型桩的循环承载力曲线,发现侧/端阻比较大的桩基更易发生桩顶循环累积沉降;通过拟合桩顶无量纲沉降,可预测桩基循环累积沉降的发展。最后提出了长期循环荷载作用下单桩基础的工程设计方法。     

高陡斜坡区基桩水平承载特性模型试验研究

凭经验建造的高陡斜坡区桥梁基桩因水平作用引起病害的情况越来越多。为此,以红顶特大桥为原型,设计一套加载装置和试验方案,考虑基桩位于边坡中的位置与受力形式2个因素,对基桩水平承载特性进行水平静载与轴–横向组合加载模型试验研究并分别得到桩顶位移,水平荷载与相对位置及竖向荷载的拟合关系。结果表明,水平循环荷载作用下,桩顶水平位移与桩身弯矩均随荷载及其循环作用次数的增大而增大;水平荷载作用下,基桩水平极限承载力与其所在位置距坡脚的水平距离呈反比,即基桩越靠近坡脚线,其水平极限承载力越大,同时桩顶水平位移、桩身弯矩则越小;水平与竖向同时加载对基桩水平极限承载力的影响,与预加竖向荷载是否达到基桩竖向变形稳定荷载临界值有关,竖向荷载小于该临界值时,可提高基桩水平极限承载力,竖向荷载大于该临界值时,会降低基桩水平极限承载力。     

水平-竖向-扭转荷载下吸力沉箱基础承载特性数值研究

海上风机吸力沉箱基础承受结构自重及环境因素引起的竖向、水平、扭转荷载,处于复合加载状态。以位于饱和黏土地基上长径比为0.25～1.0的单桶沉箱基础为对象,ABAQUS为计算工具,研究沉箱基础的承载特性,并考虑沉箱与地基土的摩擦接触作用。首先分析沉箱基础在单一的竖向荷载、水平荷载及扭转荷载作用下的极限承载力,并给出沉箱基础在这些荷载组合下的破坏包络面,其中倾覆力矩通过施加偏心水平荷载实现。结果表明,沉箱基础的竖向承载力可用改进的经典承载力公式计算,而水平承载力系数在给定的接触条件下随沉箱长径比增加而减少,扭转承载力与理论预测结果非常吻合;扭转荷载对沉箱的竖向承载力影响较大,但对水平承载力影响较小;不同扭转荷载下的V-H包络面可用椭圆曲线拟合。     

偏心荷载下双层饱和黏土地基承载特性

在海洋与近海工程中,海洋建筑物地基受到水平荷载、竖向荷载和弯矩荷载的共同作用,地基土体非均质成层分布。因而,复合加载模式下层状地基的极限承载力与破坏机理研究是海洋工程设计的关键问题。针对竖向荷载(V)和弯矩荷载(M)共同作用下双层饱和黏土地基的极限承载力与破坏机理进行有限元分析。土体采用理想弹塑性模型,屈服准则为Mohr-Coulomb准则;基础与地基间假定切向完全黏结、竖向可分离。通过有限元计算,得到双层地基在V-M荷载空间的破坏(极限)荷载包络线,归纳得出地基的破坏模式。计算结果表明,双层地基的破坏包络线随着上层土体的厚度与基础宽度比值、上下土层的抗剪强度指标比值的增大而不断扩大,最终达到一个稳定值;在V-M复合加载条件下,地基可能发生深层整体剪切破坏或浅层局部剪切破坏。     

水平循环荷载下箱形截面钢柱滞回性能数值模拟分析

通过精细有限元模型模拟了箱形截面钢柱在不同轴压作用下承受水平循环荷载下的滞回性能。以加载角度0°,15°,30°,45°及轴压比0.2和0.4为参数共进行了8组试验模拟。模拟结果表明:加载角度虽然对最大承载力无较大影响,但会由于截面转角对局部破坏的限制作用而提高模型的耗能能力及延性;轴压比由0.2提高到0.4时,会降低模型的最大承载力、耗能能力和延性。     

竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究

采用二阶弹塑性有限单元法对竖向荷载和水平荷载共同作用下的圆形截面两铰抛物线钢管拱的平面内稳定承载力进行研究。考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和长细比等因素对钢管拱平面内力稳定承载力的影响。结果表明：残余应力对其竖向承载力影响很小;初始几何缺陷会显著降低中等长细比钢管拱的承载力;矢跨比和长细比是影响钢管拱承载力的重要因素,但拱的竖向承载力并不随矢跨比和长细比的均匀变化而变化。研究竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢管拱达到平面内极限状态时的N-M相关关系,并拟合两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系统一表达式。提出了竖向荷载为全跨均布和半跨均布荷载,同时考虑水平方向荷载作用的两铰抛物线钢拱平面内整体稳定承载力设计建议,可供相关设计问题参考应用。     

受静载和循环荷载作用的基础下加筋挡墙工作性能分析

 基于受静载和循环荷载作用的基础下加筋挡墙模型试验,综合对比分析了基础位置、荷载大小、频率和循环次数等因素对加筋挡墙力学与变形性能的影响。试验结果表明：(1) 以基础极限承载力为标准,确定基础最佳偏移距离为0.3H(墙高);(2) 基础沉降和挡墙水平位移随荷载、频率和循环次数的增加而增加,当基础受静载且达到极限承载力前,沉降与墙高比均小于2%,挡墙水平位移与墙高比均小于1%;当基础受循环荷载时,增加循环荷载水平和频率使初始阶段基础沉降和挡墙水平位移增加明显,但随循环次数增加而变形收敛;(3) 紧邻基础下方的筋材应变显著高于其他层,且循环荷载水平越高,循环次数增多时筋材应变增幅显著;(4) 静载时挡墙破坏随基础偏移距离增加而由初始顶层面板被挤出,逐渐过渡到破坏面沿基础边缘并向挡墙深部发展的剪切破坏为主;当基础受循环荷载且频率较小时,顶层面板以挤出变形为主,增加荷载水平和频率,挡墙以中部面板挤出破坏为主。     

软土地基单桶基础循环承载力研究

在不固结不排水条件下对软粘土进行了大量循环三轴试验。通过分析试验结果,阐明了软粘土在静、动荷载共同作用下的破坏遵循Mises屈服准则。因此,可以依据Mises屈服准则和循环三轴试验结果确定一般应力状态下土单元的循环强度。建议了一种依据土单元循环强度评价地基循环承载力的方法,该方法考虑土单元的静应力对其循环强度进而对地基循环承载力的影响。利用这一方法分析了软土地基上单桶基础的循环承载力。结果表明,单桶基础的竖直和水平循环承载力取决于所受到的静荷载大小。当静荷载是静承载力的0.3倍时,竖向循环承载力达到最大,为竖向静承载力的0.43倍;当静荷载是静承载力的0.5倍时,水平循环承载力达到最大,为水平静承载力的0.79倍。     

挤密效应对砂土中水平受荷桩承载特性的影响

砂土中的挤土桩在实际工程中广泛应用,部分挤土桩长期遭受风荷载、波浪荷载等水平循环荷载的作用,而挤土桩对桩周土体的挤密效应会对桩身水平承载力产生较大影响。通过开、闭口桩的室内模型试验,研究分析了砂土初始相对密度、桩径、长径比等因素对挤土桩单调和循环承载特性的影响。结果表明,在不同密实度砂土中,开口桩水平承载力总体上弱于闭口桩。桩径、长径比和土体相对密度都会对开口桩、闭口桩之间承载力的差值造成较大的影响。循环荷载作用下,松砂中不同桩径和埋深的开口桩、闭口桩的水平承载力都随着加载周期的增加而增大,而在中密砂中,随着循环次数的增加,循环加载后承载力增加的幅度较松砂中的减少,甚至出现下降。     

焊接箱形截面梁抗震性能影响因素研究

为考察板件宽厚比对焊接箱形截面梁抗震性能的影响,对中国、美国、日本和欧洲的钢结构设计标准中的相关规定进行了比较,结果表明各国规范对于梁板件宽厚比限值的规定总体上具有较好的一致性。采用钢材循环加载本构,建立了多尺度非线性有限元计算模型。提出了刚性竖杆 箱形梁加载方式,模拟水平地震、重力荷载与轴向压力对箱形截面框架梁的作用。有限元分析结果表明,在设计常用的板件宽厚比范围内,箱形截面梁的弹性屈曲荷载均显著高于其屈服荷载。在水平往复荷载作用下,随着板件宽厚比减小,箱形截面梁极限变形角与延性系数随之增大,抗弯刚度降低速率变缓,塑性耗能能力显著增强。当满足一级抗震宽厚比要求时,焊接箱形截面梁的梁端截面转角约为1/30。承受轴压作用时梁刚度退化很快,变形能力减弱。当轴压比不大于0.2、满足一级抗震宽厚比要求时,梁端截面转角约为1/50。跨高比对梁承载力影响不大,但变形能力可以大幅度提高。横向荷载对梁抗震性能的影响显著,随着静载比（重力荷载代表值与屈服弯矩之比）增大,骨架曲线逐渐发生平移,抗弯刚度降低,耗能性能减弱。当地震弯矩与静力弯矩方向相同时,箱形截面梁承载力显著降低,静载比0.8时极限变形角可减小约50%;当地震弯矩与静力弯矩方向相反时,梁虽然承载力稍有提高,但极限变形角略有减小。     

分散型钢混凝土组合柱抗震性能试验研究

为研究分散型钢混凝土组合柱(ISRCC)的抗震性能,分析组合柱中分散布置的型钢和混凝土之间的协同工作情况,对4个ISRCC柱进行偏心率为10%和15%的低周往复加载试验。与传统低周往复加载试验相比,试验中按预定路径同时施加竖向荷载和水平荷载。分析了ISRCC柱在低周往复荷载作用下的承载力、延性、破坏形态、裂缝分布和刚度退化等。试验结果表明：所有ISRCC柱均为小偏心压弯破坏,试件整体性较好;在偏心率15%以内,屈服荷载前各试件满足平截面假定,能够有效发挥型钢和混凝土的组合作用;ISRCC柱压弯承载力的试验值与ACI 318-2014、EN 1994-1-1和YB 9082-2006《钢骨混凝土结构技术规程》等规范中的承载力计算结果吻合较好,验证了现有规范中普通钢骨混凝土（SRC）柱压弯承载力的计算方法对偏心率15%以内的ISRCC柱的适用性;试件的极限位移角为1/88~1/65,满足我国规范对罕遇地震作用下框架-核心筒结构弹塑性层间位移角的要求,具有较好的变形能力。     

双层钢板混凝土组合剪力墙滞回性能研究

为研究双层钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能,对4个剪跨比为2.5的组合剪力墙试件进行了拟静力加载试验;通过改变约束拉杆和加劲肋的间距,研究其在往复水平荷载作用下的破坏机理、滞回性能;选用地震分析软件OpenSees建立了双层钢板混凝土组合剪力墙的纤维模型,进行了低周反复荷载作用下的非线性分析。结果表明:该种剪力墙的破坏形态为墙底部截面钢板被压曲,核心混凝土被压碎的弯曲型破坏;在轴压比相同条件下,设置加劲肋试件的抗震性能优于设置约束拉杆的试件,且随着约束拉杆和加劲肋间距的减小,试件的变形能力增加,表现出较好的耗能能力;纤维模型计算得到的抗弯承载力、延性系数与试验值之间误差较小,纤维模型能较好地模拟剪力墙的抗震性能;随着轴压比的增大,剪力墙的极限承载力有所提高,而变形能力有明显的下降;随着混凝土强度的增加,剪力墙的承载力提高,变形能力减小;随着钢板厚度的增加,剪力墙的承载力和变形能力都明显增加。     

基于微观断裂机制的XK型相贯节点极限承载力分析

采用基于微观断裂机制的空穴扩张模型（VGM）和应力修正应变模型（SMCS）对XK型相贯节点进行断裂预测,分析了有限元模型中考虑焊缝构型与否对断裂预测结果的影响。通过与试验结果的对比,证明了合理考虑焊缝构型在相贯节点断裂预测中的重要性,验证了VGM模型用于预测相贯节点在单调荷载作用下延性断裂的适用性。分析了XK型相贯节点在腹杆轴力作用下的破坏模式和极限承载力。结果表明,XK型相贯节点可能在受拉腹杆与弦杆之间的焊缝处发生断裂,这种破坏模式属于强度破坏,节点极限承载力应取该断裂荷载|XK型相贯节点也可能在受压腹杆与弦杆相交处因过大的塑性变形而破坏,此时,节点极限承载力应取荷载-弦杆变形曲线的峰值荷载。XK型相贯节点的破坏模式与节点几何构造和腹杆受力状态有关。