基于变形加固理论的结构稳定和加固分析

 对结构稳定的概念和评判标准进行论述,指出以塑性余能作为结构稳定评判标准的内在含义。基于非平衡态热力学的约束平衡概念,提出变形加固理论,采用超出屈服面的不平衡力对失稳结构的力学行为进行分析。采用Drucker-Prager屈服准则,利用塑性余能作为评价标准,同时与理论解、ABAQUS和TFINE的求解结果对比,对柱体和均质边坡的稳定性进行分析。基于重力坝模型,研究网格尺寸对塑性余能计算的影响。采用和不平衡力大小相等、方向相反的加固力,对柱体和条形基础在加固前后的承载力进行分析,并和理论解进行对比。计算结果表明,塑性余能是塑性应变在整体结构上的标量范数,是结构偏离稳定状态的距离。可以作为结构稳定性的评价指标,而基于不平衡力的加固计算可以同时确定给定结构安全度下的加固区域和加固力大小,由此确定的加固方式的加固效率是很高的,指导加固设计是很有效的。     

岩体变形加固理论及非平衡态弹塑性力学

完善了基于不平衡力的变形加固理论,建立起严格的理论基础。指出对于给定的外荷载,结构的工作区域可能是弹性区、稳定弹塑性区或非稳定弹塑性区,结构在非稳定弹塑性区需要加固力维持稳定。经典弹塑性理论只适用于弹性区和稳定弹塑性区,变形加固理论的理论基础是非平衡态弹塑性力学,它是经典弹塑性理论的增量延拓,适用于非稳定弹塑性区。结构在非稳定弹塑性区服从最小塑性余能原理,该原理要求在给定外荷载的情况下,结构自承力最大化而加固力最小化,该理论为新奥法施工技术提供了严格的理论依据。指出潘家铮最大最小原理就是最小塑性余能原理在结构极限状态的特例和推论。最后给出了变形加固理论在溪洛渡高拱坝建基面优化设计上的应用。     

膨胀岩湿度应力场本构模型二次开发研究

为合理反映膨胀岩湿度应力场对围岩变形与次生应力状态的影响,首先,根据增量理论和膨胀变形机制,建立膨胀岩湿度应力场弹塑性本构模型,并推导其差分格式。其次,基于FLAC3D提供的二次开发程序接口,实现本构模型的二次开发,给出该模型的程序流程图和代码编写中的关键问题。最后,结合工程实例,将湿度应力场模型与传统的莫尔–库仑模型对比研究,验证自定义本构模型的正确性,研究表明所开发的湿度应力场本构模型能更好地反映膨胀力对巷道围岩变形与次生应力状态的影响。     

端部铰接初弯曲构件弹塑性本构关系研究

提出"弧长不变量准则",建立了初弯曲构件中点挠度与杆弦长的关键关系式,从而建立了初弯曲构件应力-杆长的弹塑性本构关系。根据曲杆本构关系,研究了初弯曲和长细比对初弯曲构件极限承载力的影响,研究了初弯曲对六角星桁架弹塑性屈曲荷载的影响。研究表明,建立的曲杆弹塑性本构关系可有效描述初弯曲构件的力学特性,适用于初弯曲构件结构的弹塑性屈曲分析。     

球面网壳阶跃荷载作用动力稳定性

分析不同跨度和矢跨比的单层球面网壳,当材料本构关系为弹性和弹塑性,考虑阻尼影响与忽略阻尼,分别计算结构的动力稳定临界力,得到动静比的分布规律。分析材料非线性、阻尼、初始几何缺陷、初始静荷载等因素对结构动力稳定性的影响。提出估算结构动力稳定临界力的简化计算公式。     

基于非线性动力分析的隧洞稳定性评价

随着地下洞室工程建设的增多,在复杂地质条件及动力条件下的地下洞室的稳定性受到越来越多的重视,其抗震稳定性及加固设计成为保证工程安全运行的重要课题。基于变形加固理论和过应力概念,提出采用塑性余能范数及不平衡力时程评价结构整体稳定性及局部失稳的分析理论。基于三维非线性有限元动力分析,提出适用于地下工程结构抗震稳定性评价的分析方法,并在三维非线性有限元程序TFINE中实现。地下工程结构稳定性的最危险状态通过塑性余能范数时程曲线来确定。通过不平衡力大小及分布的时程变化来确定容易破坏的部位,同时也可以为支护设计提供指导。对隧洞模型的应力位移反应做了分析,并将屈服区与不平衡力分布进行对比,并分析有、无衬砌对结构稳定性的影响。计算结果表明,不平衡力可以直观地表示结构的局部失稳情况,比采用位移、应力和围岩屈服区评价隧洞围岩稳定性更为准确、有效,塑性余能范数可以定量评价隧洞围岩的整体稳定性及围岩衬砌效果。     

大跨径刚构桥底板崩裂破坏分析

考虑了实际施工中钢束定位偏差和折线施工引起的径向力增大,对等效径向力经典计算公式进行了修正。并在此基础上,根据混凝土的弹塑性损伤本构关系,对比分析了径向力增大对底板应力在张拉前后的影响。研究结果表明,施工中引起的径向力增大会导致底板应力分层,使全界面受压底板产生局部破坏性拉应力。底板破坏后截面应力重新分布,计算所得应力分布能较好地吻合现场检测结果。后期加固应考虑应力重分布,同时对箱室底板内侧、腹板内侧也要进行加固。     

白鹤滩拱坝扩大基础加固效果研究

扩大基础被认为是适应白鹤滩高拱坝左岸不利地质条件的重要结构形式,目前对其量化的加固效果评价方法的研究尚不明确。建立白鹤滩拱坝基础系统的三维有限元模型,在对基础构造进行精细模拟的基础上,针对扩大基础进行弹塑性有限元分析,并提出基于变形加固理论的加固效果评价方法。结果表明,正常工况下,扩大基础能提高拱坝整体刚度,提升坝体变形的对称性,并改善坝建基面附近岩体的应力状态。不平衡力和塑性余能范数作为评价指标对比表明,扩大基础能明显减少坝体、坝踵和坝趾范围的不平衡力,减小坝体屈服区,工程各部分余能范数均有所降低,扩大基础对拱坝局部坝踵、坝趾区域及拱坝整体稳定性的加固作用明显。验证了加固措施的必要性,有助于对深化扩大基础加固机制的理解,对高拱坝设计及实际工程具有重要借鉴意义。     

凯威特型板片空间结构在阶跃荷载作用下动力稳定性分析

利用有限元软件ANSYS,分析不同跨度、不同矢跨比下凯威特型板片空间结构的动力稳定性。分别计算构件材料本构模型为弹性和弹塑性下的动静比;研究竖向初始几何缺陷对结构的影响,从而得到影响系数。最终根据动静比和初始缺陷的影响提出结构动力稳定临界力的简化计算公式。     

高拱坝与坝肩开挖边坡的相互作用研究

我国西南地区特殊的地质构造,以及水利枢纽的高拱坝、高边坡特点,使得边坡和坝体的相互作用问题在该地区尤为突出.在弹塑性理论的基础上,提出以塑性余能范数为指标的结构稳定分析方法;指出在一定荷载作用下,弹塑性结构在失稳情况下,总是趋向于塑性余能范数最小的状态.如果塑性余能范数等于0,则表明存在同时满足平衡条件和屈服条件的协调应力场,结构稳定;如果塑性余能范数大于0,则表明不存在同时满足平衡条件和屈服条件的应力场,结构失稳.同时,基于大荷载步长下的弹塑性本构积分算法,进行岩体结构的非线性有限元分析.以锦屏一级拱坝左岸坝肩开挖边坡为对象,计算分析边坡与拱坝的相互作用.结果表明,在一定程度上拱坝拱端推力对边坡的整体稳定是有利的;边坡降强在超过1.5倍以后才会对拱坝的受力性态和整体稳定产生影响.     

拱坝建基面开挖过程中不平衡力变化及处理效果研究

300 m级高拱坝建基面开挖造成的岩体卸荷松弛对高拱坝的整体稳定性影响巨大。白鹤滩拱坝左岸建基面开挖至628 m高程时也出现了卸荷松弛、结构面错动等现象。基于变形加固理论,提出了使用不平衡力作为坝基岩体松弛卸荷的定量判据,阐释了不平衡力分析岩体开裂与坝基卸荷时效松弛的理论基础,通过试验和数值模拟的对比说明了不平衡力应用于卸荷松弛判据的准确性。使用三维非线性有限元程序TFINE,对白鹤滩拱坝原始地形和开挖过程进行精细模拟,分析了开挖过程中建基面基础(尤其是结构面)的卸荷松弛演变过程。分别对无基础处理、预留保护层和施加锚索情况下的开挖卸荷松弛进行了研究分析。模拟结果表明,在开挖到630 m高程时,在结构面交汇处和坡面出露段附近结构面的不平衡力与屈服区出现集中情况,这与观测到的建基面卸荷松弛以及结构面出现错动裂缝等现象符合;继续开挖过程中,LS331、LS3318不平衡力较大,相对比较危险。另外,坝体底部的陡坎开挖成型时,陡坎底部的不平衡力增加较明显,需减缓陡坎坡度。预留保护层和建基面锚固对控制松弛卸荷作用较小。     

板柱边节点抗震性能研究

钢筋混凝土板柱结构在水平作用和竖向荷载的共同作用下,节点除了要传递竖向剪力外,还要传递不平衡弯矩,特别是对于板柱边节点,即使不存在水平作用,由于不对称,在自身重力作用下也会产生不平衡弯矩。目前对板柱节点的研究多数集中在内柱节点连接区,边柱节点连接区的研究则很少。本文在板柱边节点中应用一种抗冲切钢筋的新形式,抗冲切锚栓,来研究配置抗冲切钢筋的板柱边节点的抗震性能,共进行了3个在自重和不平衡弯矩共同作用下的板柱边节点试件的试验研究以及有限元分析,得到以下主要结论：配置抗冲切锚栓可以显著提高板柱边节点的承载能力、变形能力以及抗震性能;完成的2个配置抗冲切锚栓的板柱边节点的变形能力满足中国现行规范要求,耗能性能与一般梁柱节点接近,试件达到了中等延性水平。     

三排微型桩内力分布的数值模拟

该文将强度折减法与有限差分程序FLAC~(3D)相结合,对同一排内均匀布置且具有纵向联系梁的桩心配筋微型桩进行数值分析。在利用实体单元和理想弹塑性本构模型模拟桩体得出加桩边坡的稳定系数后,采用可以直接得到弯矩和剪力等内力的结构单元Pile对桩体进行模拟,Beam单元模拟连系梁,得到了三排微型桩在破坏前不同滑坡推力下的内力分布规律。桩体受最大弯矩与剪力均位于滑带处,滑坡推力较小时第一排桩所受弯矩和剪力最大,第二排其次,第三排最小;滑坡推力较大、接近破坏时最大弯矩分配为第一排最大,第三排其次,第二排最小,剪力为第一排和第三排较大,第二排最小。     

CEPAO—an automatic program for rigid-plastic and elastic-plastic analysis and optimization of frame structures

The computer program CEPAO handles the plastic design and analysis of plane frame structures. Classical finite element techniques combined with linear programming are used. In the plastic limit analysis, the program gives the collapsed load, the distribution of the bending moments, the normal forces, the shear forces, and the collapsed mechanisms of structures with proportional loading. Concerning stable design, the program finds the practical discrete profiles existing in Euronorm or American norm of different elements of the structure with minimum weight. The force distributions and the mechanism of the optimum state are given. The different stability conditions proposed by the European Convention for Constructional Steelwork (ECCS) are verified a posteriori to obtain, finally, a safe structure. From the fact that the European Convention recommends a limitation of elasto-plastic deflections, a step-by-step program is combined with the optimization procedure to obtain an elasto-plastic analysis of the stable structure.The program may also consider the analysis and design of frame structures under variable loadings. Efficient linear programming formulations are adopted in such a way that all necessary information, such as residual stresses, plastic deformations and optimum mechanisms, are obtained directly in the output.CEPAO may also design concrete reinforced structures (optimal limit design) where full redistribution of moments serviceability and rotation capacity of critical sections are taken into account.     

交错桁架结构体系的空间二阶弹塑性全过程分析

本文基于非线性连续介质力学理论和内力屈服面塑性流动理论,推导出计算交错桁架结构体系极限承载力的二阶弹塑性刚度方程。该方法在刚度方程的构造中考虑了单元轴力、剪力、弯矩、扭矩以及结构剪切变形的影响,并在塑性铰处考虑了内力之间的相互影响。算例分析表明本文方法具有良好的计算精度。     

Effect of soil-reinforcement interaction coefficient on reinforcement tension distribution of reinforced slopes

This paper examines the effect of the mobilized reinforcement tension within reinforced soil slope at a different level of soil-geosynthetic interaction. The mobilized reinforcement tension is assumed, in most design methods for the internal stability of reinforced slopes, to be equal to mobilized soil forces computed using a limit equilibrium method. However, comparison with the reinforcement tension force measured in the field has shown that this approach is conservative. This paper examines the effects of the soil-reinforcement interaction coefficient on the tensile redistribution of geosynthetics. The modified process of Bishop Method of slope stability analysis is used to locate the critical slip surface and to calculate the mobilized reinforcement tensile force. The reinforcement forces obtained from field data and on centrifuge model test results for a reinforced slope problem are used to examine the relationship between mobilized reinforcement tensile force and mobilized soil shear strength.     

拉链柱支撑钢框架结构振动台试验研究

为研究拉链柱支撑钢框架结构的抗震性能并对设计方法进行验证,完成了一个3层单跨1∶4缩尺比例的拉链柱支撑钢框架结构模型在24个地震作用工况下的模拟地震作用振动台试验。通过试验,得到了结构的动力特性、层间位移响应、加速度响应以及各结构构件的受力状态等。结果表明,8度多遇及设防烈度地震作用工况下,结构基本未进入塑性,试验模型振动时以第1阶模态振动为主。超9度罕遇地震作用工况下,底层支撑失稳明显,顶层支撑未见失稳。底层受拉支撑的最大轴拉力接近屈服轴力,受压支撑的屈曲后承载力约为支撑稳定承载力的30%,表明由支撑失稳产生的竖向不平衡力按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑的最大屈曲承载力的30%计算是可行的。拉链柱主要通过受拉传递因支撑失稳产生的竖向不平衡力。因变形协调关系,被支撑梁可以承受一定的竖向不平衡力,在拉链柱未屈服的前提下,一般下层被支撑梁承受的竖向不平衡力要高于上层的。总体上,各构件的受力状态及传力路径与设计初衷基本一致,结构体系在模拟地震作用振动台试验中表现出了良好的抗震性能。     

双肢消能摇摆柱受力机理及应用于混凝土框架的减震性能

针对钢筋混凝土框架结构在强震作用下出现薄弱层破坏的问题,提出了能够防止框架结构发生薄弱层破坏的消能减震构件,即双肢消能摇摆柱。在构件层面,通过分析受力机理,提出了双肢消能摇摆柱在侧向荷载作用下的弹性理论分析模型和弹塑性等效分析模型,并采用足尺试验结果及精细有限元分析结果对所提模型进行了验证,表明双肢消能摇摆柱具有良好的滞回耗能及刚度连续特性。在结构体系层面,通过纯混凝土框架与双肢消能摇摆柱 框架的动力弹塑性时程响应结果对比,表明利用双肢消能摇摆柱可较好地减轻混凝土框架结构的最大地震层间位移响应,并抑制混凝土框架结构的层间变形集中,从而防止潜在的地震作用下混凝土框架结构的薄弱层破坏。     

基于有限元的双向偏心受压构件仿真计算分析

通过利用大型有限元计算软件对双向偏心受压的型钢混凝土柱的正面承载力进行计算分析,模拟计算型钢混凝土柱在受到偏心荷载的作用时结构的受力和变形情况,结合相对应的试验结果,对结构的受力进行分析,为今后的偏心受压型钢混凝土柱的研究和设计提供一定的参考。