轴对称解析解对马蹄形隧道衬砌水压力及渗透量适用性研究

为简化马蹄形隧道衬砌水压力及渗透量的计算方法,基于轴对称解析解与等效周长法,求得不同衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度的衬砌水压力与渗透量,并与FLAC3D数值模拟同等条件下相应工况的衬砌水压力与渗透量进行对比.研究表明:轴对称解析解简化马蹄形断面计算隧道衬砌水压力及渗透量的结果与数值模拟结果误差为7.7%,可以将其应用于工程中;3种工况下,最不利位置均位于拱腰;衬砌渗透系数减小与衬砌厚度增大,衬砌安全系数均在增大,而注浆半径的增大对衬砌安全系数无明显影响;衬砌渗透系数减小,衬砌水压力增大,渗透量减小,注浆半径增大与衬砌厚度增大,衬砌水压力与渗透量均减小.     

洪水顺流作用下行驶车辆稳定性的模型试验研究

对洪水中部分淹没状态下的行驶车辆进行受力分析,基于河流动力学中泥沙起动原理,推导出行驶车辆失稳时的临界车速公式;采用模型试验测得在不同水流条件下的临界车速,并率定公式中相关参数;利用模型相似关系及公式分别估算汽车在不同水流条件下的临界车速;最后用公式模拟出行驶车辆失稳临界曲线。研究结果表明:达到同一临界车速状况下,水深较小时流速较大;同一流速下,临界车速随水深的增大而增大;同一水深下,临界车速随流速的增大而增大;临界车速与流速的比值随水深增大而增大。     

火灾下隧道衬砌混凝土细观损伤演化

为了客观地反映火灾下衬砌混凝土高温损伤的本质,需要考虑混凝土结构特性的不均匀性.结合细观损伤力学,建立混凝土热力耦合作用下衬砌混凝土细观损伤过程的数值模型,该模型考虑了隧道衬砌结构顶部的受力状态,可以研究隧道衬砌混凝土在火灾过程中的力学行为与损伤过程.研究结果表明,火灾对隧道衬砌混凝土的力学性质和损伤演化过程影响显著,界面的力学特性决定宏观强度的差异;基于强度等效理论,隧道衬砌混凝土在RABT火灾荷载下的累积等效烧损深度呈曲线变化;细观数值模拟下损伤单元比例与等效烧损深度存在较好的线性关系.     

跨断层隧道衬砌变形规律及损伤机理研究

陆地交通的直线化趋势使得跨断层隧道不可避免,该类工程是隧道衬砌发生变形破坏的主要事故区间。断层破碎带的基本参数宽度、倾角对于判别断层错动影响下隧道稳定性具有重要的意义。以现场监测与数值模拟相结合的手段,探索了断层错动对跨断层隧道的影响及破坏特征。以地处西部地震多发带、地震基本裂度为Ⅷ度的隧道为工程背景,基于现场实测数据,对断层宽度20 m、倾角70°,以及断层宽度8 m、倾角65°的跨断层隧道变形及破坏机理进行分析。进一步运用ABAQUS数值模拟探索了不同断层宽度(10、20、40 m)和倾角(65°、75°、85°)的断层错动对跨断层隧道的变形及破坏影响特性,揭示了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应力、应变、位移的影响机制。结果表明:断层错动影响下,隧道衬砌位移、应变、最大主应力受断层宽度的影响较小,受断层倾角的影响较大。断层宽度、倾角的变化对跨断层隧道衬砌位移的变化影响较小,隧道拱顶、拱腰、拱底的位移变化趋势大致相同。围岩结构面粗糙度的增加会减小隧道位移值的变化,但对位移变化趋势的影响较小。跨断层隧道衬砌应变的变化范围受断层宽度、倾角影响较小;随着断层宽度的增加、倾角的减小,隧道衬砌的应变逐渐增大。通过分析不同断层宽度、倾角组合下隧道衬砌应力特征,发现断层宽度越小,倾角越大;衬砌最大主应力受影响范围越小,隧道衬砌越危险。研究结果有望对跨断层隧道的施工建设提供参考与指导。     

氮液滴在气流中的破碎和碰撞模拟

为揭示喷雾冷却中雾场氮液滴的行为,基于流体体积法(VOF)建立氮液滴的碰撞模型,对氮液滴在高速气流下的不同碰撞过程进行数值模拟,研究碰撞过程中液滴形态及气隙压力的变化情况.设定相同与不同液滴尺寸的液滴碰撞,以及对心与偏心液滴碰撞等4种不同条件,分析在各种碰撞条件下,碰撞初始条件改变对于液滴形态与后续液滴大小的影响.数值计算结果表明:高速气流下液滴发生碰撞时,其破碎形态主要由气流速度决定,而碰撞参数B主要决定液滴拉伸形成韧性带的方向;液滴接触时形成的气体间隙,其压力呈现先增大后减小的趋势;与对心碰撞过程相比,偏心碰撞时气隙压力会更快释放;相同尺寸对心碰撞的后续液滴分离情况最差,这是由于韧性带沿着气流方向,导致液膜没有明显破碎,对于后续液滴蒸发不利.     

地铁列车碰撞非线性动力学特性分析

基于现有的多自由度非线性动力学振动模型,通过MATLAB数值模拟方法,研究了在不同碰撞速度下,六车编组列车的连挂冲击特性.结果表明:车辆连挂碰撞时,随着碰撞速度的增加,距离碰撞分界面越近,缓冲器阻尼消耗的能量、缓冲器最大行程增大率越大;不同位置的车辆可以配置不同容量的缓冲器.     

连续梁与行驶车辆耦合振动分析

为了分析公路桥梁与车辆之间的相互作用,提出了四自由度1/2车辆模型相对于不平整桥面耦合振动分析方法.根据GB/T 7031-1986建议的公路路面功率谱密度的拟合表达式,求得了不同等级桥面的不平度值,并作为1/2车辆垂向动力学模型的输入激励,基于数值仿真分析,分别对不同等级桥面的连续梁桥进行了控制截面的挠度动力响应计算,得到了相应挠度冲击系数随桥面等级及车速变化规律.结果表明:桥梁挠度冲击系数随车速增加呈先增大后减小趋势;随着公路桥面等级变差,冲击系数呈非线性增大,桥面等级及车速是影响车辆动力作用的显著因素.     

考虑衬砌变形与接头特征的盾构隧道纵向刚度

针对盾构隧道纵向刚度计算未考虑衬砌差异变形、接头特征及错缝拼装增强效应,定义考虑错缝拼装作用的横向刚度有效率,提出衬砌差异变形系数与接头等效刚度修正系数.推导盾构隧道纵向等效刚度计算式并结合数值法开展算例分析,探讨纵向等效刚度对不同修正系数的敏感性.研究表明：衬砌结构承载时,水平变形较竖向变形小15%,假定两方向变形相同存在不足;利用实际接头和等效螺栓环计算管片环缝张开量相差17.6%,接头等效为螺栓环存在不容忽视的误差;衬砌错缝拼装使横向刚度提高了17.5%,对隧道纵向刚度影响显著;盾构隧道纵向刚度计算中,考虑衬砌差异变形、接头特征及横向刚度与否对应的等效刚度相差14.3%,对隧道纵向结构特性产生了明显的影响;隧道纵向刚度随着衬砌差异变形的增大近似线性减小,且随接头等效刚度修正值和横向刚度同向线性变化.     

活动断层下城市地铁隧道变形破坏与损伤

依托某跨断层隧道工程,建立断层-隧道-围岩的精细化三维数值模型,考虑实际盾构施工中的注浆压力、顶推力、注浆时效硬化和材料的非线性行为。通过数值模型分析盾构隧道穿越不同宽度、倾角、倾向的断层破碎带时的变形机制、力学特性及损伤演化,利用控制变量法分别改变断层的宽度、倾角和倾向来研究单一变量的影响。研究结果表明：隧道拱顶的变形和损伤面积与断层宽度的增加呈现正相关,随着断层宽度的增加拱顶挤压现象更加明显,但当断层宽度增加至一定限值时,衬砌拱顶将脱离围岩向洞内凹陷,拱顶的应力呈现先增大后减小的趋势;随着断层倾角的增加,衬砌拱顶向洞内收敛量先增后减小,初始损伤位置与断层倾角相关;断层倾向增加使隧道的损伤范围和程度不断减小,环向应力集中受断层倾向影响较明显,随断层倾向的增加,雷达应力图由“X”逐渐转变为“十”字形。在隧道选址阶段,应尽量让隧道正交穿越断层且在穿越较宽的断层时提前采取预加固措施来保证隧道的安全稳定性。     

局部荷载作用下软土盾构隧道纵向沉降数值分析

基于摩尔-库伦准则,建立隧道衬砌与土体相互作用的三维有限元模型,模拟了软土盾构隧道下卧土层性能和隧道上方局部荷载对隧道沉降的影响,揭示了隧道的纵向变形规律.结果表明:隧道纵向沉降最大值与软土夹层弹性模量、纵向长度以及均布荷载集度呈线性关系;隧道沉降值随均布荷载作用长度和宽度增加而增大.     

基于增量动力分析的隧洞结构抗震性能评估

近年来随着地震灾害的频繁发生,强震区的地下结构屡屡遭受破坏。长大隧洞作为中国实施西部大开发战略的重要基础工程,其抗震安全问题尤为突出。通过引入增量动力分析（IDA）,结合地震易损性分析方法,提出基于损伤系数指标的隧洞结构抗震性能评估方法。该方法以震后衬砌结构特征部位的损伤系数为性能参数,以地震峰值加速度为强度参数,并建议了适用于隧洞结构抗震安全评价的5级震害划分标准和4级抗震性能水平。针对某隧道工程实例,通过大量非线性动力时程计算,得到了各抗震性能水平下衬砌结构特征部位的地震易损性曲线,进而分析了不同抗震设防水准下衬砌结构发生破坏的概率。结果表明：在8度多遇地震作用下,衬砌结构基本无破坏;在8度设防地震作用下,拱腰处于基本完好状态的概率为87.6%,处于轻微破坏状态的概率为10.72%;在8度罕遇地震作用下,拱腰处于轻微破坏状态的概率为68.7%,处于中等破坏状态的概率为20.8%。在横向和竖向地震动输入下,衬砌结构特征部位的抗震性能由小到大依次为拱腰、拱肩、拱脚、顶拱和仰拱,拱腰、拱肩和拱脚为抗震设计的薄弱部位。该方法较好地考虑了地震动的随机性,可为隧洞结构抗震安全评价提供一种有效思路,研究成果也能为隧洞结构的抗震减震设计提供参考。     

双洞错距隧道洞口段地震动力响应数值模拟分析

为深入了解隧道在地震过程中的破坏机理及其洞口段的动力响应规律,以具有间距和错距的实际隧道为原型,建立数值计算模型并进行了计算分析.计算结果表明:1)对于双洞错距隧道,隧道洞口段衬砌横断面的相对位移、最大Mises应力和加速度幅值受地震荷载激振方向的影响较大.即使在同一方向地震荷载作用下,左、右洞洞口段的动态响应仍有较大区别,而隧道洞身段的动态响应相近.2)当地震荷载在某一方向或其他组合方向上施加后,衬砌上将同时存在空间上任意方向的加速度矢量,且衬砌加速度幅值在洞口处具有放大现象.     

水工隧洞混凝土衬砌地震动响应过程分析

地震作用下水工隧洞混凝土衬砌结构的动态响应是工程设计和安全评估的重要内容,而建立科学合理的混凝土动力本构模型以及内水与衬砌动力耦合作用分析方法是衬砌结构抗震研究的关键环节。基于应变空间静力损伤本构的基本思路,对三维应力状态下混凝土静态拉、压损伤变量进行定义和求解;在此基础上,考虑静、动态荷载作用下混凝土本构关系曲线的相似性特点,建立了适宜编程的混凝土动态损伤本构模型。基于单相固体介质和流体介质动力分析的显式有限元法,结合耦合界面的边界条件,建立了水工隧洞内水与衬砌耦合作用的动力显式有限元分析模型,该方法可以直接进行逐步积分,无需联立方程组求解,大大简化了计算过程,可以方便地用于分析多种介质的波动传播问题。针对某水电站引水隧洞工程进行了实例分析,计算结果表明：1)各部位混凝土衬砌处于同步震动状态,但腰拱部位位移明显小于顶拱和底拱部位;2)地震作用下混凝土衬砌迅速进入损伤开裂状态,腰拱部位衬砌应力增加明显,损伤破坏严重;3)开裂破坏区由腰拱逐渐向两端扩展,与内水直接作用的内层衬砌结构是抗震设计的薄弱环节。该模型能够合理地反映水工隧洞混凝土衬砌的地震动响应特性,并为水工隧洞抗震设计提供了一种有效的分析方法。     

汽车碰撞散落物广义运动理论模型

为建立符合交通事故再现实际应用误差小的汽车碰撞散落物模型,根据现代接触动力学理论建立了散落物与地面接触碰撞后发生弹跳、滑动和边滚边滑运动的判别条件,结合散落物的材料性能,建立了汽车碰撞散落物广义运动理论模型。利用汽车碰撞模拟试验装置对模型的有效性进行了验证。结果表明,汽车碰撞散落物广义运动行为理论模型计算值与试验值的相对误差小于7%。该模型弥补了以往模型的不足,应用更为具体化和精确,拓展了汽车碰撞散落物在交通事故再现中的应用。     

Study of vehicle accident reconstruction based on the information of the tire marks

The tire mark is the important legacy information left at the accident scene. Based on the vehicle collision dynamics model, this study provided an optimized algorithm with vehicle final location and other related information for the tire marks. When the tire marks simulation results fit the real one well, the state of vehicle can be understood as the real state in the accident. Based on above, the vehicle velocity and direction are decided. According to the velocity and direction of the vehicle, the complete accident process can be simulated. With the help of the Pc-Crash software, the method has been applied in typical collision accident cases analysis. The reconstruction results will provide the scientific and numerical references for vehicle collision accidents analyzing and appraising.     

盾构隧道衬砌变形中接头转动影响分析

为研究盾构隧道衬砌收敛变形中纵缝接头的影响,引入接头转动引起的收敛变形占衬砌总收敛变形的比值作为纵缝接头对衬砌变形影响的评价指标。基于接头初始装配角以及接头间的几何递推关系,提出一种用于计算盾构隧道纵缝接头转动产生收敛变形量的简易算法。首先,通过与多尺度混合分析结果对比验证所提出简易算法的有效性。然后,应用该方法对足尺管片试验结果以及三维精细化数值模拟结果中通/错缝拼装、接头位置、衬砌纵向力大小、重复加卸荷等因素对纵缝接头在隧道收敛变形影响的变化规律开展研究。结果表明：通缝拼装下,接头转动引起的收敛变形在管片总变形中占主导地位,而错缝拼装可以显著降低纵缝接头在衬砌收敛变形中的影响;接头越靠近弯矩最大处,接头转动对整体收敛变形的影响越大;纵向力的增加提高了管片的整体性,故接头转动引起的收敛变形占比随着纵向力的增加而减小;加荷后卸荷,由于管片自身弹性变形可恢复而接头转动无法恢复,卸荷阶段纵缝接头的影响增大。上述研究结果可为实际工程中的管片结构设计及隧道健康状态评价提供参考依据。     

基于FLUENT的架空天然气管道泄漏数值模拟

建立了天然气管道在空旷地面发生泄漏的三维模型,对高速泄漏区域进行了网格细化。利用 CFD商业软件 FLUENT 6.3对泄漏过程进行模拟,考察了大气风速、泄漏初速度和泄漏口形状（圆形和菱形）对泄漏的影响。模拟结果表明,风速对天然气泄漏喷射射流角度有较大影响,扩散范围随扩散高度而增大;泄漏初速度对天然气喷射高度有较大影响,扩散高度随泄漏初速度的加快而变高;圆形泄漏口的硫化氢泄漏范围最宽。研究结果对加深长输天然气管道泄漏扩散规律的认识、事故的预防具有一定的意义。     

偏压大跨小净距公路隧道施工力学行为

为分析偏压大跨小净距隧道施工力学行为,采用FLAC3D有限差分数值模拟软件,针对偏压大跨小净距隧道在施工过程中的应力应变变化规律和施工方法比对、选择,开展现场监测数据对比论证与数值模拟计算分析。研究结果表明:由于偏压的影响,左线隧道的沉降、应力和受力均要大于右线隧道;开挖完成后左右线隧道拱顶和拱腰处的主应力会大幅度增加,造成隧道衬砌结构的剪应力也随之增大,同时也增大了两隧道间夹岩的主应力和剪应力,最终两隧道拱腰处应力集中明显;相比于左线隧道,右线隧道的开挖对左线隧道的弯矩影响更大,尤其是左线靠近右线隧道一侧拱腰的弯矩。其结果能够为偏压大跨小净距公路隧道的设计和施工提供了科学依据。     

运动参数对回转体倾斜入水流场特性影响

为分析回转体低速倾斜入水过程中入水空泡形态及流体动力特性演化规律,基于Fluent流体计算平台,并利用动网格技术,针对小型回转体以不同入水速度和入水角度的倾斜入水过程开展数值仿真研究.数值仿真结果与试验结果良好一致性,证明了文中数值仿真方法的正确性与有效性.基于该数值仿真方法,针对不同入水速度和不同入水角度回转体低速倾斜入水过程流场特性进行分析.数值计算结果表明:在距离自由液面相同位置处,回转体倾斜入水产生所产生的入水空泡,其直径随着入水速度的增加而小幅增大,随着入水角度的增加而减小;入水速度对流场中压力分布规律有较大影响,在同一入水深度处不同入水速度回转体入水过程中流场的最大压力随着入水速度的增加而增大;入水角度对回转体附近流域的最大压力影响较小,但最小压力随着回转体入水角度的增加而增大;不同入水角度回转体,母线压力峰值位置随着入水角度的增加而逐渐向母线右端点偏移,但其值差别较小;不同入水速度回转体其阻力系数峰值差别不大,不同入水角度阻力系数峰值随着入水角度的增加而增大,但稳定后的阻力系数值随着入水速度的增加而减小.