变形加固理论及高拱坝整体稳定与加固分析

发展和完善了变形加固理论;提出结构失稳的严格定义及其集合逻辑表述,发展了基于塑性余能及其变分的结构稳定性判剧;完善了最小塑性余能原理的证明,指出它是结构平衡条件、变形协调条件和本构关系的集中体现.提出结构整体稳定性可以用结构整体安全度与塑性余能的关系曲线来描述的新思路,并应用于高拱坝整体稳定性评价.结果表明,变形加固理论为评价高拱坝的整体稳定性、坝踵开裂、坝趾锚固、断层加固等高拱坝关键技术问题提供了统一和实用的理论框架和基础.     

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。     

基于变形加固理论的盐岩库群时空演化分析

 针对能源储备盐岩库群长期稳定性评价,将弹–黏弹–黏塑性损伤模型引入到变形加固理论,考虑时效变形和损伤演化,发展考虑时空演化的变形加固理论,建立基于T-?E关系曲线的库群长期稳定性评价和破坏时空演化的关键判据,其中,T为时间,?E为塑性余能。塑性余能是超屈服力的标量范数,其大小表征库群长期稳定的总体演化趋势;超屈服力是非平衡时空演化的内在有效驱动力,明确展现库群时效变形,损伤演化及破坏的部位和模式。研究双储库以及金坛盐矿油气储库群的长期稳定性和破坏时空演化规律。研究表明,考虑时空演化的变形加固理论为储库群长期稳定性评价和破坏时空演化分析提供一套实用而有效的理论和方法。     

钢结构非弹性屈曲分析的新方法

通常而言,很少使用分歧稳定概念评价钢结构临界荷载,这类钢结构具有几何缺陷,并处于横向荷载导致的主弯矩作用下。这些案例中采用了基于极限荷载稳定性概念上的塑性区域和塑性铰分析。然而,这类分析需要大量的计算时间和复杂的理论,不适合实际设计。为此,提出一种弹塑性屈曲分析的新方法,旨在确定钢结构的临界荷载。此方法基于修正分歧稳定概念(运用切线模量方法确定)和柱强度曲线,运用梁柱交互作用公式,提出迭代特征值分析方法,计算主弯矩及轴力。该法的有效性和适用性,通过弹性屈曲分析和精细塑性铰分析进行评估。以具有几何缺陷的简支柱和4层板结构作为分析基准。结果显示:所提议的非弹性屈曲分析适用于评估钢结构的临界荷载和失效模式,可用于钢结构设计中临界荷载的确定。     

实腹圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计理论及方法

拱的平面内稳定极限承载力设计一直没有成熟的规范指导。本文用有限壳单元模型先分析了工形截面两铰圆弧钢拱的平面内弹性屈曲性能,与拱的经典屈曲理论作了对比,指出了必须同时考虑长细比和矢跨比对屈曲荷载的影响。然后分析了两铰圆弧钢拱受静水压力和其它荷载作用下的弹塑性屈曲性能,指出了典型破坏机理为拱两侧1/4跨附近形成塑性铰导致结构失效。利用拱的弹性屈曲荷载定义了拱的正则化长细比,用Perry-Robertson公式的形式,建立了拱的稳定系数与正则化长细比的关系,提出了受静水压力的两铰圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计方法,并用轴力和弯矩的两项相关公式提出了受其它荷载作用下的平面内稳定极限承载力设计方法。     

三维弹塑性有限元计算中的不平衡力研究

研究了弹塑性计算中不平衡力的性质 ,揭示了它和加固力、结构稳定性的密切关系。研究表明 ,对任一迭代步 ,只要施加一个反向不平衡力 (加固力 ) ,结构就是稳定的。可以用总余能范数来衡量弹性试应力场和调整后应力场的偏差 ,弹塑性本构关系要求该总余能范数取最小值 ;不平衡力就是两应力场差值在结点上的集中体现 ,故在总余能范数的意义上 ,按弹塑性本构关系确定的不平衡力或加固力是最小的。弹塑性计算确定的加固力和真解相比偏于安全。拱坝计算实例表明 ,不平衡力分析对分析结构稳定性、指导加固设计有益。     

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.     

基于弹性有限元的虚拟加载上限分析方法

构造连续相容的塑性变形场是MSD法的关键所在,但塑性变形场难以构造并且无普遍适用的构造方法。本文通过弹性有限元实现了虚拟加载上限法,真正解决了MSD类方法变形场构造困难的问题。其可同时获得给定位移下的荷载及相应的速度场,并将传统塑性上限分析中耗时的最优化分析等效为迭代计算。应用弹性有限元虚拟加载上限法分析了二维水平受荷桩、条形基础及条形锚板这3个土力学的经典问题,其获得的荷载–位移曲线和弹塑性有限元分析结果一致,并且其极限承载力逼近公认的塑性解,验证了本文方法分析整个加载过程的有效性。通过分析加载过程中的速度场,发现本文方法都是从同一初始速度场开始随迭代逐渐演化,在极限位移加载量下迭代收敛后获得的速度场和最优塑性破坏机构相似。本文方法可用于研究一些塑性速度场难以构造的复杂问题。     

材料拉压不同模量及理想塑性的圆筒变形分析

建立拉压不同模量理想塑性的厚壁圆筒变形理论,运用不同模量弹塑性理论,推导了Tresca材料圆筒的应力场及位移场的解并给出了σz为中间主应力的条件,提出了模量参数α为控制参数,并分析了不同模量参数对圆筒的变形的影响.结果表明:圆筒的弹性极限承载力,塑性区发展规律,应力场,位移场等均随着模量参数α的变化而变化,因而若采用经典的弹性理论对不同模量材料组成的构件或结构成行设计,必会带来较大的误差.     

基于统一强度理论冻结壁应力场和位移场研究

采用统一强度理论,将冻结壁视为无限长空间轴对称弹塑性厚壁圆筒,对冻结壁进行弹塑性分析,推导了冻结壁的弹性极限荷载、弹塑性径向位移场、应力场和塑性极限荷载.将理论计算结果与文献工程实例实测数据作了比较,结果吻合较好,验证了理论公式的正确性.并进一步分析了塑性极限荷栽Pp与粘聚力c之比,与强度理论参数b、内摩擦角ψ和内、外半径之比re/ri之间的关系.该结果为冻结壁的设计提供了一定的理论依据,对工程设计有一定的参考价值.     

白鹤滩高拱坝坝趾锚固研究

 高拱坝坝趾区域是加固设计的重点关注区域。为了对其锚固进行研究,进一步阐述基于变形加固理论的高拱坝坝趾锚固机制。给出坝趾锚固区域不平衡力的计算方法和坝趾锚固的基准状态。将这一机制应用于白鹤滩高拱坝坝趾锚固数值分析中,得到锚固所需的最小加固力和最优锚固角,并分析坝趾不平衡力分布规律的原因。同时,对白鹤滩高拱坝进行大比例尺(250∶1)下的地质力学模型试验研究。通过对加载过程中的位移、应变和开裂的监测和分析,得出坝趾区域随荷载增加过程的破坏规律。通过对地质力学模型试验与数值分析结果的对比分析表明,两种研究方法的结论是相一致的,白鹤滩高拱坝左岸坝趾较右岸坝趾更为薄弱。研究结果表明,变形加固理论为坝趾锚固分析和评价,提供科学的理论基础和实用的分析方法。     

钢筋混凝土框架结构实际抗震承载力分析

在对结构进行抗震性能评估及基于性能的抗震设计中,需要求出结构的实际抗震承载力。从我国现行抗震规范入手,对钢筋混凝土框架结构的实际抗震承载力进行研究。首先根据现行规范中构件截面抗震承载力设计表达式,由构件内力组合值的各分项系数并考虑内力调整系数,以及非结构构件和构造配筋的影响,初步计算出构件的超强系数λ;然后对具体结构按现行规范算出结构的实际承载力标准值,得到超强系数λ值;再用ETABS软件对结构进行静力弹塑性分析验证。最后得到混凝土框架结构的超强系数最小值为2。     

Numerical study on maximum reinforcement tensile forces in geosynthetic reinforced soil bridge abutments

This paper presents a numerical study of maximum reinforcement tensile forces for geosynthetic reinforced soil (GRS) bridge abutments. The backfill soil was characterized using a nonlinear elasto-plastic constitutive model that incorporates a hyperbolic stress-strain relationship with strain softening behavior and the Mohr-Coulomb failure criterion. The geogrid reinforcement was characterized using a hyperbolic load-strain-time constitutive model. The GRS bridge abutments were numerically constructed in stages, including soil compaction effects, and then loaded in stages to the service load condition (i.e., applied vertical stress?=?200?kPa) and finally to the failure condition (i.e., vertical strain?=?5%). A parametric study was conducted to investigate the effects of geogrid reinforcement, backfill soil, and abutment geometry on reinforcement tensile forces at the service load condition and failure condition. Results indicate that reinforcement vertical spacing and backfill soil friction angle have the most significant effects on magnitudes of maximum tensile forces at the service load condition. The locus of maximum tensile forces at the failure condition was found to be Y-shaped. Geogrid reinforcement parameters have little effect on the Y-shaped locus of the maximum tensile forces when no secondary reinforcement layers are included, backfill soil shear strength parameters have moderate effects, and abutment geometry parameters have significant effects.     

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。     

预应力连续双向板布筋方式及受力性能研究

预应力连续双向板布筋是无粘结预应力混凝土板全新的布筋方式,通过用弹性理论与塑性理论对四边简支预应力混凝土板进行内力分析,从多种布筋方式中选择出了最优方案,即跨中板带集中配筋,分析研究其应力分布状态,解决了预应力板的刚度、抗裂度、稳定性以及合理的强度计算等问题,并推导出了相应的公式,最后通过四边简支钢筋混凝土正方形板的足尺试验验证了理论的正确性。按此方式配筋,可节约钢材50％以上。     

Reinforcement mechanics of passive bolts in conventional tunnelling

According to the conventional pullout tests for passive bolts, a spring–slider model is adopted in this paper to account for the interaction relationship between the bolt and the rock mass. Based on the incremental theory of plasticity and the plane strain axial symmetry assumption, an elasto-plastic ground and bolt responses analyses method is proposed. In addition, the validity of the proposed method is verified by numerical simulations. The reinforcement mechanics of passive bolts in conventional tunnelling is clearly demonstrated via an illustrative case study. Through parameter studies, the influence of the bolt properties on the reinforcement effect is highlighted. The proposed method provides a framework to the elasto-plastic ground response analyses with passive bolts reinforcement. It also permits incorporating other features about the bolt–rock interaction model or other failure criterion of the rock mass in further analyses.     

Zur Statik der Bodenbewehrung

A contribution to the statical analysis of soil reinforcement. Two approaches for the design of nailed cuts are presented in this work. The first approach is based on the comparison between the dissipation of the soil‐nail system at limit state and the work of the external forces. The second approach is based on a homogenisation of the soil‐nail system. By using the theory of mixtures, the required percentage of reinforcement can be calculated. The proposed methods are elucidated with calculation examples.     

水平与竖向地震作用下土工格栅加筋土挡墙动力分析

应用动力弹塑性有限元方法,研究了各种设计参数对土工格栅加筋土挡墙动力响应的影响。应用了可以描述砂性土非线性静动力性能的弹塑性模型模拟填土;采用可以描述土工格栅在反复受载情况下滞回性质的边界面弹塑性模型模拟加筋层;土与结构的相互作用由一种可以描述界面滑移、脱开及闭合的有厚度薄层单元模拟。在有限元分析中同时考虑了水平与竖直两种地震激励。研究内容包括竖向地震影响、加筋长度、加筋层间隔、面板预制混凝土块重量、面板与填土界面摩擦角、预制混凝土块之间摩擦角等对加筋土挡墙变形、加筋层内力等的影响。