基于冲量定理的滚石对构筑物冲击力计算方法

 滚石灾害在工程施工过程中对施工人员、设备和构筑物具有较大的威胁,因此研究滚石的运动特性及其冲击力显得非常重要。基于刚体运动学原理建立滚石运动特性的计算方法,通过与数值仿真结果对比来验证其合理性,同时滚石的运动参数作为计算其对构筑物冲击力的基础参数。在考虑滚石自转的基础上,基于冲量定理提出滚石冲击力的计算方法,并结合弹性力学理论解决计算中的撞击时间难以确定的问题。利用提出的方法对长河坝环境边坡的滚石运动特性及冲击力进行分析,计算结果表明：滚石运动过程最大弹跳高度可达25 m、最大平动速度和转动速度分别可达到57 m/s及350 rad/s,滚石运动受地形影响较大。结合运动参数分析结果和冲击力计算模型确定滚石对不同部位构筑物的冲击力数值,冲击力计算结果为构筑物位置的选择及灾害防治提供了一定的参考。     

滚石最大冲击力的测试及数值模拟研究

分别采用试验及数值模拟算法获得了落石最大冲击力值,进一步结合特定计算工况,对9种算法结果进行对比分析,结果表明:测试值及数值模拟值与日本算法及瑞士算法结果吻合度较好,Hertz弹性算法明显偏大,澳大利亚算法、杨其新算法、路基算法、隧道手册算法则存在偏小趋势。本研究最终以测试值及杨其新算法为基础,建立了滚石冲击速度(v)及冲击力放大系数(ζ)之间的关系散点图,给出了滚石最大冲击力的计算表达式,并进一步结合测试值及数值模拟值对该算式进行了验证,结果表明:滚石最大冲击力计算式所得结果与测试值及模拟值具备较好的吻合性。     

基于ANN的岩土体热阻系数预测模型研究

为准确预测土体热阻系数,通过室内热探针测试与数据分析,简要分析了含水量、干密度、矿物成分和颗粒形态等因素对土体热传导特性的影响,利用人工神经网络(ANN)技术,建立了计算土体热阻系数的预测模型,并与传统经验关系模型进行对比,明确所提计算模型的可靠性与优越性.结果表明:土体传热性能受众多因素影响,其热阻系数难以准确估算,基于ANN的计算模型可以较好地解决这一问题;以含水量和干密度为输入参数的单个模型适用于特定类型土体,而4个输入参数(含水量、干密度、黏粒含量和石英含量)的广义模型不受此限制,增加相关输入参数可有效保证模型计算结果的精确度;单个模型和广义模型的计算结果与实测结果吻合良好,预测能力均显著优于传统经验关系模型;对于工程性质差异显著、沉积环境复杂的不同类型土体,建议优先选用广义模型来估算其热阻系数.     

滚石冲击荷载作用下土体屈服特性研究

 滚石冲击压力是滚石防护结构设计的重要参数,当不考虑被冲击材料的弹塑性特性时,获得的冲击压力非常大,几乎不能用于工程设计。而实际岩土材料均为弹塑性体,在滚石冲击压力下,会产生很大的塑性变形,为此,必须研究土体的初始屈服压力作为判断土体是否开始进入屈服的条件。以Hertz接触力学为基础,假设土体服从莫尔–库仑屈服准则,研究土体在滚石冲击荷载作用下的初始屈服压力和初始屈服冲击速度。研究结果表明：土体初始屈服冲击速度非常小,其中黏聚力对其有较大影响,而内摩擦角对其影响相对较小。     

基于小波变换的碎石土垫层落石冲击回弹系数试验

针对碎石土体,通过模型试验设计：选取下垫面土体为4种土石比的12种密实度、5种落实高度,采用动态应变仪获取的落石冲击力波,经小波消噪处理,提取出最大冲击力;试验获取相应的变形模量和泊松比。根据Hertz碰撞理论,通过冲击过程能量转化的分析,用回弹系数考虑冲击过程中的能量损失,建立了落石最大冲击力公式。在试验的基础上,通过试验值反算各种土石比在不同密实度下回弹系数的均值和最大值。结果表明：回弹系数随垫层密实度的增加而增大;土石比为4∶6的碎石土垫层的回弹系数高于其它3种土石比垫层,在其密实的状况下极大值可达0.314;而土石比为3∶7的碎石土垫层的回弹系数最小,在其疏松状况下极大值为0.266。所获的细化的碎石土垫层回弹系数与已有的结论趋于一致,能较好地为落石运动路径计算和防治工程设计提供科学依据。     

基于CSC模型的UHPC构件侧向低速冲击分析

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)较普通混凝土具有更优异的强度、韧性和耐久性,广泛应用于桥梁墩柱和建筑承重柱,而上述构件存在车(船)、滚石等侧向低速冲击的潜在威胁,为此,针对UHPC梁/柱构件在侧向冲击下的损伤破坏和动态响应进行数值仿真分析。现有商用模型中广泛采用的混凝土动态本构模型均基于普通混凝土开发,如混凝土损伤(K&C)模型和混凝土连续面帽盖(CSC)模型等。基于作者前期开展的UHPC单轴拉/压、三轴压缩和Hopkinson杆动态拉/压试验,以及已有UHPC双轴等压和静水压试验数据,系统标定了UHPC材料CSC模型的强度面、帽盖、损伤、应变率和硬化参数,给出了一组适用于UHPC的CSC模型参数确定方法。进一步基于LS-DYNA商用有限元分析软件,对已有四组钢管UHPC梁和钢筋UHPC梁/柱构件的落锤冲击试验进行数值模拟,通过对比落锤冲击力、梁/柱动态挠度响应和破坏模式,验证了所提出的CSC模型参数计算方法的适用性和正确性。同时,对冲击过程中刚性落锤与构件之间的作用过程及能量耗散进行了讨论。结果表明：平头落锤冲击下构件经历了惯性抵抗、变形响应、构件回弹和脱离四个阶段;球头落锤冲击构件的惯性抵抗阶段不明显;随着冲击能量的提高,钢管(筋)耗能占比逐渐增大。     

边坡滚石灾害的作用机理与防治措施研究

滚石在山区是种常见的地质灾害，随着山区输电线路工程的建设，山区边坡上部滚石下落对位于边坡中下部的输电线路杆塔危害越来越严重。以110 kV顺谭线97#塔基边坡滚石灾害为实例，以牛顿运动及能量守恒定律作为依据，建立滚石的运动轨迹模型。用R_n与R_t作为计算滚石弹跳的参数，坡面摩擦角作为计算滚石滚动及滑动的参数，通过软件模拟滚石运动距离、速度及动能，进行滚石作用机理分析。遵循以防为主、以治为辅、防与治相结合的原则，对比分析滚石防治的三种措施，并考虑现场的实际条件，采用适宜的防护措施。可为类似工程的设计及施工提供参考。     

基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究

混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表...     

BFRP层合板低速抗冲击性研究

基于Hashin失效准则,运用ABAQUS建立了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)层合板的低速冲击仿真计算模型,对比分析了计算模型与试验所得到的冲击力与冲击能量曲线之间的关系。结果表明:有限元分析与试验结果基本吻合,验证了玄武岩纤维层合板冲击过程数值模型的有效性和准确性。     

侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱力学性能分析

为研究侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的力学性能,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟.综合分析了冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的冲击力曲线和变形特征,同时考察了冲击速度、构件尺寸和钢管壁厚等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响.研究结果表明:随着冲击速度的增加,构件的冲击力峰值和最大变形都有所增加;当构件尺寸一...     

神经网络下能量桩桩基混凝土强度及导热预测

基于神经元网络理论，建立能量桩桩基混凝土抗压强度和导热系数的预测模型，设计16组不同配合比的桩基混凝土进行抗压和导热试验。根据试验结果，以石墨掺量、玄武岩纤维掺量、水胶比、玄武岩纤维长度作为输入参数，分别以混凝土抗压强度、导热系数作为模型的输出参数，建立两个4-9-1的BP神经网络模型。研究结果表明：基于BP神经网络模型的预测与试验结果误差在5%以内，预测精度较高，可以作为能量桩桩基混凝土配合比设计的参考。     

真三轴压缩下砂岩的能量和损伤分析

为了探究真三轴压缩下砂岩的能量和损伤演化规律，利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行真三轴一次加卸载试验和真三轴压缩试验，对真三轴压缩应力–应变演化规律进行研究，探讨三向主应力加、卸载的对岩体的影响，利用图形面积积分法分别计算了真三轴压缩的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度，分析三者随最大主应力卸载水平增加的规律及其相互之间的关系，进一步研究真三轴压缩过程中损伤演化规律，并对冲击地压倾向性判定条件弹性能量指数进行讨论。研究结果表明：真三轴压缩下最大主应力增大，使砂岩内部应力调整，从而引起中、小主应力方向应变变化，从能量角度定义该现象为能量“诱增”；划分了三个方向主应力加、卸载的种类，将加载分为损伤加载(最大主应力加载)与保护加载(中、小主应力加载)；将卸载分为常规卸载(最大主应力卸载)与损伤卸载(中、小主应力卸载)；真三轴压缩下中间主应力方向约束应力较大，使得该方向“诱增”弹性能密度比例高于最小主应力方向“诱增”弹性能比例；真三轴压缩下最大主应力方向应力提升，砂岩的弹性能密度、耗散能密度均与输入能密度之间存在线性函数关系，提出了真三轴压缩的能量分析方法，进一步得到了砂岩的储能极限...     

稀性泥石流冲击力随机分布特征实验研究

泥石流的冲击力具有很强的随机性。为研究泥石流冲击力变化规律、随机分布特征及冲击力与粗颗粒的关系,用云南蒋家沟泥石流原状土开展7组大型稀性泥石流冲击力水槽实验。实验结果表明:(1)泥石流冲击力比例系数随粗颗粒无量纲最大粒径增大而增大,二者之间存在良好指数经验关系;(2)用6种概率密度函数拟合了泥石流冲击力的分布,发现Log-Logistic函数最适合描述冲击力的分布;(3)冲击力分布的Log-Logistic函数的尺度参数?和形状参数s随粗颗粒无量纲最大粒径增大而增大,并得到尺度参数和形状参数与粗颗粒无量纲最大粒径之间的对数经验关系。     

冲击作用下带肋焊接工字钢梁动力响应和损伤研究

为研究冲击作用下焊接工字钢梁的动力响应和损伤，采用有限元软件Abaqus对不带肋和带肋三种构造形式的焊接工字钢梁在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟分析。通过与落锤试验结果对比，验证有限元模型的合理性。建立27个模型对冲击荷载作用下焊接工字钢梁的动力响应和损伤进行研究，分析了冲击质量、冲击速度、构造形式对焊接工字钢梁动力响应的影响，并分析其加速度响应和损伤程度。研究结果表明：随冲击速度增加，同一构造形式的钢梁其冲击力峰值和跨中残余位移增大；冲击质量对钢梁的峰值冲击力影响不大，但对其跨中位移影响明显；对于不同带肋间距的钢梁，其侧向位移和跨中残余位移随加劲肋间距的减小而明显减小；带肋钢梁的侧向位移比无肋钢梁小；带肋钢梁比无肋钢梁更有利于减小其跨中加速度，从而减小惯性力；基于最大位移评估指标建立以冲击质量、冲击速度为主控影响参数的损伤等级评估曲线，根据冲击质量、速度的组合点所在损伤等级评估曲线的位置，可快速判定冲击后焊接工字钢梁的损伤等级。     

冲击地面过程中落石特征参量的理论分析

根据落石与地面碰撞过程中落石加速度、冲击力的曲线特征,利用动量定理推导正面碰撞时法向冲击力的理论计算公式;在假设切向冲击不影响法向冲击的前提下,提出一种新的摩擦力模型,基于该模型推导切向冲击力和切向恢复系数的理论公式。最后研究不同入射速度大小、不同入射角时的碰撞时间、恢复系数和最大冲击力的变化规律,分析结果表明:(1)当入射角一定时,随着入射速度增加,冲击力近似呈线性增加,切向恢复系数逐渐增加,但增加幅度很小,而法向碰撞恢复系数和碰撞时间逐渐减小;(2)当入射速度一定时,随着入射角的增加,法向恢复系数和切向恢复系数均增加,但前者增幅远小于后者,碰撞时间也呈增大趋势,而最大冲击力呈先增加后减小的变化规律;(3)地表覆土厚度与落石半径比值越大,碰撞时间越长,法向恢复系数随之递增,切向恢复系数随之递减,而最大冲击力随之呈上凹型曲线递增。     

新型抗冲击型黏滞阻尼器的力学性能研究#br#

现有特大跨桥梁结构横向减震系统在体系转换过程中会产生巨大的冲击力和刚度突变，针对该问题，研发了一种新型抗冲击型黏滞阻尼器。通过落锤冲击试验，模拟剪力销剪断瞬间产生的冲击力，研究冲击力对阻尼器性能的影响。试验结果表明，研发的阻尼器为速度相关型阻尼器；在冲击力作用瞬间，装置的位移量非常小，具有较大的刚度，可保证结构体系的稳定转换；可根据实际工程的需求调整剪切间隙，满足不同阻尼力的需求。从计算流体力学角度，采用Fluent软件的六自由度运动模型结合动网格技术，能够很好地模拟阻尼器的力学性能。引入速度相关系数、间隙系数和调整系数，反映黏滞液的黏度、剪切间隙等因素对阻尼器力学性能的影响，提出了新型抗冲击型黏滞阻尼器的力学模型，用于指导阻尼器的初步设计。     

网壳结构冲击失效规律分析

为明确何种荷载条件与结构条件下网壳结构的破坏较为严重,即结构最大响应/失效模式与初始条件间的联系,确定网壳结构的冲击失效规律。首先从能量的角度确定结构冲击失效模式与网壳获取的总冲击能量(ETK)之间的良好关系,并通过动能传递系数(φ)建立一次冲击失效情况下ETK与冲击物初动能(E)之间的联系,间接确定了结构最大响应/失效模式与冲击初始条件间的联系。随后提出采用整体倒塌失效系数评估网壳的抗冲击能力,并通过大量参数分析获得冲击方位、矢跨比等初始条件对结构整体倒塌失效的影响规律。     

煤岩冲击倾向性研究

 基于大量试验数据,系统分析煤岩冲击倾向性各种指标的相关数据,并针对现有行业标准中关于煤岩冲击倾向性评价存在的问题,提出将煤的单轴抗压强度作为评价煤层冲击倾向性的新指标,并给出判据;对原煤矿顶板岩层冲击倾向性指标的适用性进行分析,并指出不足,提出并推导出新的基于简支梁模型的顶板岩层冲击倾向性计算公式及其界定指标;分析脆性系数、含水率等与冲击倾向性之间的相关性。研究结果表明,煤的单轴抗压强度可以作为煤层冲击倾向性评价指标;依据简支梁模型确定的弯曲能量指数的计算公式,其计算结果与现场实际情况相吻合。     

滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

超高速弹撞击岩石的地冲击效应等效计算

本文主要研究岩石中超高速撞击与浅埋爆炸的等效转换计算方法。基于超高速动能弹丸撞击岩石的地冲击效应与岩石中浅埋装药爆炸效应的相似性,将表面弹坑作为引起地冲击的震源,根据超高速撞击弹坑与浅埋爆炸弹坑辐射出的地冲击能量相等条件,建立超高速撞击与装药爆炸的地冲击效应的等效关系。通过理论推导,得到超高速撞击效应的等效装药量与无量纲撞击速度的关系,并给出能量换算系数与无量纲撞击速度的简化表达式。依据超高速弹体撞击花岗岩的试验结果,证明等效装药爆炸与超高速撞击的地冲击应力波形十分吻合,验证等效方法的有效性。计算分析表明当弹丸撞击速度足够大(Ma≥1.5)时,可以进行爆炸等效转换,撞击速度不断增大时,等效装药量不断增大,能量换算系数不断增大。根据本文提出的地冲击效应等效计算方法,得到5,10,15马赫撞击速度下不同弹丸质量与最小防护层厚度间的关系曲线。