岩石含损伤本构模型和地下爆炸效应研究

通过对岩石变形和破坏机理的深入研究，建立了岩石类材料宏观，细观相结合的含损伤本构模型。并在此基础上开展地下爆炸效应和波传播规律的研究，分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，为提高准确预测地下岩石中强爆炸激发的震震源的能力提供合适的计算方法和理论依据。首先对岩石类脆性材料本构模型和地下爆炸效应的研究进展进行了较为全面，系统在回顾和总结，对现有的各种动态损伤模型进行了比较和评述，并对当前的研究热点及趋势作了讨论，在此基础上，得到了解决本课题理论难点的思路和方法。采用Taylor方法，对Margolin的理论进行改进，考虑了不同应力状态下微裂纹的张开，闭合及裂纹面摩擦对裂纹体材料性质的影响，获得了轴对称应力条件下考虑摩擦的附加应变的各种解析表达式。针对工程需要进行简化，得到了不同应力状态下的有效模量，建立了含微裂纹损伤的本构模型。通过数值计算，研究了不同的应力状态，围压以及微裂纹面上的摩擦对材料力学性能的影响，得出一些有意义的结果和规律。以热力学理论和本构理论为基础，计入了微孔洞和微裂纹对材料力学性能的影响，建立了一种改进的岩石类材料含损伤弹性本构模型，首次从热力学势函数和微裂纹统计平均方法出发，提出了同时考虑微孔洞和微裂纹影响的增量型应力-应变关系，基于实验结果，针对岩石硬化，软化和破坏等不同阶段的细观损伤机理和宏观变形特点，给出了具有不同函数形式的屈服面表达式。采用非相关流动法则，对Rubin模型加以简化并结合Griffith准则，分别建立了岩石类材料的塑性流动律以及微孔洞和微裂纹损伤的演化律，采用建立的含损伤本构模型成功地拟合了花岗岩三轴压缩试验数据，并获得了模型中的材料参数。运用有限差分法研究了脉冲载荷下岩石介质中一维应变波的传播规律，着重分析了本构模型及其参数对一维应变波在岩石类损伤软化介质中演化规律的影响，并通过两种模型（弹塑性模型和含损伤弹塑性模型）的对比分析，提示了岩石类脆性材料中应力波传播的主要特点。基于一维有限差分程序，嵌入改进的动态本构模型，对封闭式地下强爆炸开展数值模拟研究。着重分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，数值计算获得的速度和压力峰值衰减，位移和速度波形、爆炸空腔，震源函数等物理量，与国外地下试验及数值模拟结果十分接近，进一步验证了本构模型的有效性，从而提高了预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力，为空腔解耦研究打下基础，据作者所知，目前，国内这方面的工作尚未见到有类似的研究结果。     

铜基与纸基摩擦材料性能测试对比

铜基摩擦材料与无石棉纸基摩擦材料在相同工况条件下，具有不同的摩擦系数和磨耗率，产生的滑磨功相差也很大。现就相同试验条件下两的测试情况，及主要摩擦性能进行比较。     

基于统计断裂理论的岩石类材料本构模型的研究

以椭圆盘裂纹模型模拟岩石体内的缺陷,基于最弱链环节假设和统计断裂力学理论,推导出多轴应力状态下岩石类材料的损伤模型,并根据应变等价性假说建立了包含损伤的岩石类材料的基本本构关系。导出的损伤模型反映了岩石的破坏与其所受的应力状态、岩石内的裂纹情况、岩石的体积以及岩石的材性参数之间的联系关系。由此关系可得到如下结论:(1)裂纹面之间的摩擦因数越大,岩石的强度就越大;(2)在多轴压应力状态下,由于裂纹面之间存在摩擦,所以围压越大,岩石的强度就越大,且应力-应变关系也由线性变为非线性;(3)岩石类材料的Weibull模量m越大,材料的强度就越低。这些结论都与当前的研究成果相吻合。     

冲击载荷下脆性材料损伤模型的研究进展

脆性材料在冲击载荷下的损伤模型在爆炸模拟、侵彻、高速碰撞等高加载率问题中有着重要应用，然而，用于描述脆性材料在冲击载荷作用下损伤模型的研究却困难重重。困难来自于两个方面：一是脆性材料在冲击载荷下响应的复杂性：二是模拟试验及监测难度较大。对冲击载荷下脆性材料损伤模型近20a来的研究现状和方法进行了总结，讨论所存在的问题及其发展趋势。损伤变量直接决定了所建立损伤模型的层次（宏观、细观、微观）及模型的基本方法，因而，通过损伤变量的不同，对现有的描述脆性材料对冲击载荷力学响应的损伤模型进行分类，并论述了脆性材料在冲击载荷下的损伤理论模型的发展趋势。     

岩石的损伤、黏结和摩擦特性研究

收集文献上多种完好及损伤后岩石的常规三轴压缩强度,研究材料的损伤、黏结和摩擦特性及其对围压与强度之间关系的影响。围压增大使裂隙的摩擦承载能力增大,若达到附近材料或其他弱面承载能力后则不再直接影响试样的强度;材料局部损伤的影响随着围压增大降低,试样承载的主应力差以指数形式趋于极限,即最大剪切力等于材料的真实黏结力。大理岩塑性变形引起局部剪切屈服,但真实黏结力没有降低;加热600℃足够长时间后造成使晶界完全开裂则引起真实黏结力降低。岩石剪切破坏时强度与围压的关系可用指数准则描述;不过,花岗岩在围压20MPa之内可出现沿轴向劈裂破坏而强度随围压线性增加。     

往复荷载作用下配置摩擦型阻尼器钢木混合剪力墙抗侧力性能研究

为研究配置摩擦型阻尼器钢木混合剪力墙的抗侧力性能,首先以4个摩擦型阻尼器研究了阻尼器的静力和动力特性,摩擦型阻尼器由高强螺栓穿过内、外钢板组成,钢板间夹有摩擦材料,包括无石棉有机材料NAO-780和聚四氟乙烯PTFE两种,内钢板设有长圆孔。当阻尼器激发,内、外钢板开始相对滑动耗能,当高强螺栓抵住长圆孔端部,则阻尼器锁定。阻尼器试验结果表明：阻尼器激发力与高强螺栓扭矩成线性正相关。摩擦材料NAO 780在不同加载幅值和频率下摩擦性能稳定。进而,将所研发的摩擦型阻尼器引入钢木混合剪力墙中,通过往复加载试验研究了钢木混合剪力墙的抗侧力性能。试验结果表明：阻尼器激发力越大,试件初始刚度越高,但木剪力墙损伤更严重;阻尼器内钢板长圆孔长度越长,木剪力墙可得到更多保护,但阻尼器锁定推迟,钢框架侧向变形增大。合理设置阻尼器激发力和阻尼器内钢板长圆孔长度可减小钢木混合剪力墙在地震作用下的损伤,使其在大侧移下仍有充足的抗侧能力储备,提高其抗震性能。     

支座摩擦滑移和挡块力学性能退化影响下#br# 桥梁易损性研究

为探究支座摩擦滑移和挡块力学性能退化的共同作用对桥梁墩柱及支座在地震作用中的影响,通过板式橡胶支座往复荷载试验,建立可以考虑摩擦滑移的支座计算模型,并结合挡块模型,对同时考虑支座摩擦滑移和挡块力学性能退化的桥梁进行地震损伤分析。利用易损性曲线的方法对近、远场地震作用下,桥梁墩柱和支座的损伤概率进行分析,结果表明：板式橡胶支座摩擦滑移会降低支座的力学性能;仅考虑支座摩擦滑移而不考虑挡块限位作用时墩柱损伤概率较低,支座的损伤概率较高;当支座摩擦与挡块退化共同作用时,会增加支座的损伤概率,降低墩柱的损伤并且由于挡块力学性能退化的特性,可能造成挡块和梁体的损坏。     

高强摩擦耗能螺栓力学性能研究

针对摩擦型连接高强螺栓试件进行了单调拉伸荷载作用下的材性试验研究,设计了12个试件进行单调拉伸试验,并结合部分有限元模拟,研究摩擦接触面的材料、预紧力的大小对接触面摩擦系数及其离散性的影响。结果表明:摩擦接触面为钢-钢接触时,螺栓预紧力越大,接触面摩擦系数越大;经喷砂处理的接触面在所选接触面材料中的摩擦系数最高,表现出更为优越的摩擦耗能性能;在接触面无处理情况下材料摩擦系数的离散程度略低于其余两种接触面。     

有效应力决定饱和岩土材料抗剪强度的摩擦学解释

有效应力决定了岩土材料的变形和强度，有效应力概念虽然已在岩土工程中广泛应用，但是，对于决定饱和岩土材料抗剪强度的有效应力，其理论解释至今却并不充分且受到质疑。为此，通过文献分析，确定了宏观抗剪强度与粒间摩擦强度之间的正相关关系，并运用摩擦学中的黏着摩擦理论，推导了排水和不排水条件下，粒间接触面黏着结点的生长公式和抗剪强度公式。通过对比分析这两种条件下的应力状态对抗剪强度的作用影响，得到了与 Terzaghi 一致的有效应力表达式，并在此基础上，探讨了有效应力和有效应力原理的基本概念和定义。     

岩体在冲击载荷作用下的各向异性损伤模型及其应用

建立了一个各向异性的损伤模型，用于描述岩土工程中预留岩体在冲击载荷下的损伤演化特征。以二阶张量为损伤变量，推导了依赖于损伤变量的弹性模量表达式，利用一个等价状态，建立损伤岩体的本构关系。为了反映冲击载荷下岩石材料的应变率敏感性，对损伤的门槛值进行粘性调整。研究结果表明，该损伤模型能够模拟岩石材料在冲击载荷下的损伤特征，可以为岩土工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供理论依据。     

An elasto-plastic damage constitutive model with double yield surfaces for saturated soft rock

An elasto-plastic damage constitutive model with double yield surfaces is developed based on irreversible thermodynamics theory and damage mechanics theory. Two kinds of plastic deformation mechanisms, including plastic friction and plastic pore deformation mechanisms, are considered. The plastic friction yield criterion is established by a parabolic open function that incorporates the volumetric deformation effect, and the motion of yield function in stress space is governed by its center position and rotation hardening rule. Meanwhile, a plastic pore yield criterion is established by adopting Gurson's criterion using the proposed friction yield model to determine the matrix deformation of porous materials. A damage variable is defined to describe the development of various microscopic defects. Comparisons between numerical predictions and experimental data of triaxial compression tests are presented with various confining pressure conditions to verify the rationality of the proposed model.     

高烈度地震区农村房屋滑移隔震技术应用探讨与分析

通过汶川和玉树两次地震的震害统计,分析了造成巨大人员伤亡和财产损失的原因,对我国广大农村房屋的抗震设防提出了采用基础滑移隔震技术的建议.基础摩擦滑移隔震技术较为成熟、造价低廉、简单易行,较适用于量大面广的村镇房屋建设.最后,对基础滑移隔震技术进行了探讨与应用前景的展望.     

弯曲型摩擦钢桁架连梁(BFTCB)抗震性能研究

文章提出一种弯曲型摩擦钢桁架连梁(BFTCB),其主要利用位于下弦杆的摩擦装置的滑移代替下弦杆的塑性变形,从而保护钢桁架主体不发生破坏,同时由于摩擦装置具有良好的耗能能力,从而获得稳定的耗能能力。首先通过循环往复加载试验对弯曲型摩擦钢桁架连梁的变形及耗能能力进行研究。试验结果表明:连梁的梁端位移主要集中在摩擦装置的滑移上,弯曲型摩擦钢桁架连梁具有稳定的滞回行为。之后建立准确有效的有限元模型,并利用试验结果进行标定。通过有限元分析对弯曲型摩擦钢桁架连梁的受力机理以及摩擦装置的性能进行详细研究。通过有限元参数分析,研究不同摩擦起滑力、连梁跨高比对其抗震性能的影响,最后给出了弯曲型摩擦钢桁架连梁的承载力计算方法。     

基于桩侧阻力强化效应的嵌岩桩承载力计算

 根据常法向刚度条件下结构面剪切力学特性研究嵌岩桩的荷载传递机制。考虑桩–岩界面胶结作用,提出完整的嵌岩桩桩–岩界面剪切机制,即包括胶结破坏、滑动剪胀及剪切滑移3部分;根据桩–岩界面不同剪切阶段的力学特性,建立完整的桩–岩界面剪切本构方程。基于结构面剪切力学特性,从理论上分析嵌岩桩桩侧阻力强化效应的产生机制。研究结果表明,桩侧阻力增强效应在整个桩侧都有发生,但在桩端附近桩侧最为明显。在机制分析的基础上,提出考虑桩侧阻力强化效应的嵌岩桩竖向承载力理论计算方法,该法计算模式明显有别于传统桩基规范算法。工程算例对比分析结果表明,该方法计算值比桩基规范传统算法计算值更接近于现场实测静载试验结果。这一算法可为嵌岩桩设计与应用提供新的思路。     

Life-cycle cost analysis and life-cycle assessment of the second-generation benchmark building subject to typhoon wind loads in Hong Kong

Tall buildings located in Hong Kong can suffer great damage caused by typhoon hazards throughout their lifetimes. In addition, the effect of wind hazards may be exacerbated due to increases in the typhoon intensity and frequency caused by the climate change effect. Therefore, developing a framework to evaluate and quantify the damage caused by wind hazards on tall buildings from the economic perspective is critical for engineers and building owners in designing a cost-effective tall building. In this study, an economic damage indicator, life-cycle cost, is measured by using a probabilistic method called life-cycle cost analysis (LCCA). Moreover, the building sector is one of the biggest contributors to greenhouse gas (GHG) emissions, and the environmental impact that may be generated in intervention activities after wind-induced damage occurs is analyzed. An environmental impact indicator, embodied carbon emission, is quantified by employing another probabilistic method called life-cycle assessment (LCA). Therefore, an integrated methodology combining the LCCA and LCA is proposed to evaluate potential damage costs and environmental impact caused by typhoon hazards on tall buildings.     

深层开挖条件下自平衡试桩法上段桩承载力损失简化计算方法

针对在深层开挖条件下进行自平衡法试桩时,通过采取有效措施消除开挖段的侧摩阻力影响后,由于深层覆土开挖卸荷导致工程桩桩周土体围压减小,从而导致荷载箱上段桩抗拔承载力降低这一问题,通过借鉴目前在抗拔桩方面已有的相关分析方法、负摩阻力、基底附加应力以及相关土力学基础理论,提出了基于 Mindlin 解的简化分析方法以及负摩阻力-附加应力法两种简化分析方法,并以北京某地铁车站中间柱下桩为例,分别估算深层开挖土体卸荷引起的上段桩承载力的损失值。两种方法所得出的估算值存在较大差异,对其原因进行了初步分析。两种简化分析方法的合理性及准确性还有待于进一步完善和实践验证。     

3层基准建筑非线性地震反应的智能控制

近年来,智能驱动材料、控制装置和智能控制算法的研究和发展为土木工程的抗震控制开辟了新的天地。笔者设计制作了一款新型的压电变摩擦阻尼器,并将其作为控制装置,提出了能有效抑制强烈地震激励下高层建筑结构非线性反应的模糊控制算法,并建立了量化因子、比例因子与结构响应之间的关系。对受控的3层基准建筑结构进行了非线性地震反应的数值仿真分析,并与其它的控制策略进行比较。结果表明,采用模糊控制算法,能有效抑制建筑结构的非线性地震反应,减少地震对建筑结构的破坏。     

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

Micro-fibre and ultra-micro-fibre cloths, their physical characteristics, cleaning effect, abrasion on surfaces, friction, and wear resistance

The properties of 12 micro-fibre cloths and two ultra-micro-fibre cloths were studied and compared with conventional cleaning methods. The cloths made from micro-fibre and ultra-micro-fibre had very good cleaning effect. Scrubbing Plexiglas caused pitting and scratch marks on the Plexiglas surface with the largest damage being caused in dry condition. All the cloths tested were wear resistant. Most of the cloths showed high friction against the surfaces in damp condition. Micro- and ultra-micro-fibre cloths are good alternatives to conventional methods for cleaning interior surfaces. Furthermore, good cleaning results can be achieved without any use of polluting cleaning chemicals.