爆炸下考虑钢梁翼缘变形的改进单自由度法

为解决爆炸下结构产生较大局部变形时采用等效单自由度方法计算结构整体位移会出现较大误差甚至错误的问题,在单自由度理论基础上,以工字型钢梁为研究对象,通过分析翼缘局部变形对钢梁整体位移的影响规律后,基于提出的钢梁截面简化变形模型对其弯曲抗力函数进行改进,提出钢梁抗爆分析的改进单自由度方法。通过有限元软件ABAQUS数值模拟不同爆炸工况下钢梁的动态位移响应与破坏特征,并与单自由度模型及改进单自由度模型的计算结果进行对比,研究了不同计算模型下钢梁的位移及破坏差异。结果表明：与有限元模拟结果相比,钢梁翼缘局部变形越大,单自由度模型计算结果偏小越严重,而改进单自由度模型计算结果较好,可以更好地适用于钢梁抗爆分析的位移简化计算。     

Minimum safe thickness of rock plug in karst tunnel according to upper bound theorem

High pressure and water-bearing caverns ahead of a karst tunnel face tend to cause geological disasters, such as water and mud bursts. So, the determination of safe thickness of the reserved rock plug is a key technical problem to be solved for karst tunnel construction. Based on the Hoek-Brown nonlinear failure criterion, the minimum safe thickness of rock plug was investigated in the light of the limit analysis theory. On the basis of the proposed failure mode, the expression of the minimum thickness for rock plug was obtained by means of upper bound theorem in combination with variational principle. The calculation results show the influence of each parameter on safe thickness and reveal the damage range of rock plug. The proposed method is verified by comparing the results with those of the drain cavern of Maluqing Tunnel. The research shows that with the increase of compressive strength and tensile strength as well as constant A of Hoek-Brown criterion, the safe thickness decreases, whereas with the increase of cavern pressure, tunnel diameter, and constant B from Hoek-Brown criterion, the safe thickness increases. Besides, the tensile strength, or constants A and B affect the shear failure angle of rock plug structure, but other parameters do not. In conclusion, the proposed method can predict the minimum safe thickness of rock plug, and is useful for water burst study and prevention measures of tunnels constructed in high-risk karst regions.     

穿越断层隧道纵向地震响应规律解析解

隧道穿越断层区域在地震中易受到严重破坏,是隧道抗震设防的重点控制区域。针对现有设计方法很少考虑隧道穿越断层的现状,基于穿越断层隧道地震响应特点,将隧道沿纵向简化为三段位于不同地层条件的黏弹性地基上的剪切梁,推导了地震动下穿越断层隧道纵向地震稳态响应的解析表达式,建立了面向工程设计的穿越断层隧道纵向抗震简化分析方法。首先,采用Kelvin黏弹性地基上的剪切梁模拟衬砌节段,基于格林函数法、拉普拉斯正逆变换和留数法推导衬砌节段在荷载激励下沿纵向的响应。其次再结合衬砌连续性条件获得穿越断层隧道纵向响应解析解。然后通过与数值分析结果的对比分析,验证了该方法的有效性和可行性。最后采用该解析方法进行了敏感性参数分析,探究了边界条件、结构刚度、断层破碎带性质、地基阻尼等关键因素对穿越断层隧道结构地震响应的影响规律：（1）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应,但同时会显著增大衬砌上的内力响应值;（2）加固断层围岩可减小衬砌在地震动作用下的位移响应,也使衬砌的内力响应减小,并能减小断层对隧道沿纵向地震响应的影响范围;（3）阻尼的存在使衬砌的振动沿隧道纵向出现异步性,加载波的频率越高,隧道衬砌振动的异步性越明显。该解析方法能够快速计算得到穿越断层隧道的地震响应,可为相关隧道工程的抗减震设计提供参考。     

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率, 针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法. 以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法. 分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量. 结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

数控气压式柔性加载模型试验系统的研制及应用

地质力学模型试验中针对地应力的模拟,往往采用液压千斤顶刚性加载的方式,该加载方式具有以下不足:1)使得模型边界的位移同步一致,而模型应力则呈现非线性分布状态,与实际工程的地应力状态不符。2)无法应用于不同形状的洞室内,无法对含内压地下洞室(如隧洞内水压力、石油储备库油压等)进行有效模拟,因此成为制约有压洞室模拟的一个关键性难题。因此,有必要研制准确模拟洞腔内外压力的柔性加载装置。作者根据气压加载灵活的特性,设计研制了一套数控气压式柔性加载模型试验系统,有效实现了模型试验洞腔内的气压式柔性加载以及加载过程的自动化、数字化和可视化。通过气压式柔性加载控制系统能更真实地揭示深部软岩地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩储气库地质力学模型试验中,有效模拟了注采气压变化对盐岩地下洞腔的稳定性影响,获得了在不同注采气速率及不同气压条件下洞室收敛变形规律。试验表明,该实验系统可应用于有压洞室模型试验内压的有效模拟,具有广阔应用前景。     

考虑地基变形连续的基坑开挖诱发邻近盾构隧道位移预测

从工程实际出发,建立考虑基坑坑底及侧壁卸荷作用的基坑开挖引起的附加荷载计算模型;基于Mindlin解给出由基坑开挖所引起的邻近隧道处的竖向附加荷载;引入能考虑隧道任意埋深效应的修正基床反力系数, 将既有隧道简化为搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁,进而提出基坑开挖下邻近既有隧道响应的简化计算方法. 所提方法能考虑隧道埋深效应以及地基剪切效应,与工程实际更为接近. 通过与三维有限元以及2组已发表工程实测数据的对比,验证所提简化计算方法的合理性与适用性. 针对地基弹性模量、地基剪切模量、隧道纵向等效抗弯刚度、隧道-基坑夹角、隧道埋深、隧道-基坑间距以及基坑几何形状等主要参数对隧道纵向位移的影响进行系统分析. 结果表明：隧道与基坑平行工况下的隧道最大位移是垂直工况下的1.60倍;提高隧道纵向抗弯刚度可以有效减小隧道的最大位移,但这种“削弱作用”会随隧道-基坑间距的增大而减小;随着隧道埋深、隧道-基坑间距的增大,隧道最大位移呈非线性递减规律;基坑的“长开挖”会影响隧道的位移和隧道隆起范围,而“短开挖”则主要影响隧道的位移. 研究成果可以为较为合理地预测既有盾构隧道在邻近基坑开挖下的响应规律提供理论支持.     

考虑隧道剪切效应的隧道下穿对既有盾构隧道的纵向影响

将既有隧道简化为能考虑隧道剪切效应的Timoshenko梁,提出在隧道开挖作用下既有隧道纵向响应的解析解答.通过两阶段分析法,分析隧道开挖过程中既有隧道的变形及内力响应.基于修正的Loganathan和Polous地层位移理论,预测新旧隧道成任意夹角情况下隧道开挖引起的自由土体沉降分布;把隧道开挖引起的自由土体沉降施加于既有隧道之上,并基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的既有隧道纵向变形微分平衡方程;通过有限差分法求得在自由土体沉降作用下既有隧道纵向变形及内力数值解答.收集2个已发表工程实测数据,并与所提方法和Euler-Bernoulli法得到的计算结果进行对比.通过对比分析发现,实测结果与两者计算结果有良好的一致性;相对于所提方法,基于Euler-Bernoulli梁的计算结果明显高估了隧道的弯矩、剪力及接头张开量;所提方法能有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步得到隧道开挖作用下的既有隧道错台量.研究成果可为合理预测隧道开挖对既有隧道影响提供一定的理论支持.     

软岩地下洞库施工的水土耦合有限元模拟

为了解决饱和软岩地下洞库开挖稳定数值模拟分析中的2项关键问题：合适的本构模型和超孔隙水压对岩体受力变形的影响,基于软岩的类超固结土性质,将下负荷面理论应用于修正剑桥模型,推导出适用于研究软岩地层开挖数值模拟的简易本构模型,并通过三轴试验结果与数值模拟结果相比较验证新本构模型的适用性;然后通过某一实际软岩地下洞库开挖工程的数值模拟,对比分析水土耦合和水土非耦合方法得到的数值模拟结果与现场实测结果间的符合程度.结果表明,新提出的所需参数较少的简易软岩本构模型能较好地模拟岩体在开挖过程中的受力变形特征,同时发现采用水土耦合算法模拟饱和软岩地下洞室开挖能够很好地模拟实际开挖过程中围岩的受力与变形情况.     

细长地下结构地震响应分析

文章根据细长地下结构的地震响应特点和实例,对响应位移法进行了探讨.该方法把结构简化为弹性地基连续梁,忽略惯性力的影响,地震产生的周边土位移作为地基变形作用于结构.响应位移法把地基土与结构的动力相互作用问题简化为一系列的静力计算问题.     

基于DE-BP模型隧道围岩的动态分级

针对隧道施工期间的围岩分级问题,根据地质超前预报获得围岩分级指标,提出了基于DE-BP模型的隧道围岩分级方法,并结合VTK技术、三维地质建模方法及数据库技术编写隧道围岩分级软件,将此方法应用于板石隧道的围岩分级中,进行围岩等级可视化显示与施工方案的调整.结果表明:DE-BP模型的均方差明显小于BP神经网络,分级精度显著提高;DE-BP模型围岩分级结果与勘查设计等级基本相同,验证了该模型的合理性,更加适用于隧道围岩动态分级.     

西安地铁盾构隧道穿越地裂缝带的适应性与应对措施

盾构能否通过地裂缝是西安地铁建设中的难题,结构的适应性与应对措施是关键。以西安市唯一的市域环线——地铁8号线为工程背景,基于现场调查、资料收集、InSAR监测及有限元数值模拟,讨论了西安地裂缝活动趋势与地铁沿线地裂缝的活动性分级,分析了不同管片拼装方式和断面尺寸的盾构隧道在地裂缝场地的适应性,提出了盾构隧道穿越地裂缝带的二次衬砌与暗梁、钢管片、注浆加固、手孔局部加固等应对措施,并验证了其有效性。结果表明:在地裂缝活动性弱的Ⅳ级场地可采用盾构隧道,错缝拼装优于通缝拼装,且盾构最优直径D=6.2 m; 盾构隧道的纵向设防长度为距地裂缝带0.75D～1.50D的范围,并与隧道穿越地裂缝带的角度有关。研究结果可为地铁盾构隧道穿越地裂缝带结构设计与病害防治提供科学指导。     

流线型箱梁气动外形的数值优化

为改善基于风洞试验的桥梁断面气动外形优化方法所固有的人力物力耗费、搜索范围有限等缺点,提出了一套基于数值计算和数学策略的主梁气动外形优化方法。选取断面下腹板倾角和梁高作为设计变量,以计算流体力学(CFD)模拟和颤振时域法作为数值计算手段替代风洞试验,将试验设计、蚁群混合遗传算法与Kriging代理模型作为协同数学策略替代试错法,探索优化了苏通长江大桥流线型箱梁断面颤振性能最佳的参数匹配方案。结果显示,设计域内最优断面颤振临界风速比原型断面提高8%,下腹板倾角相比梁高对颤振性能影响更大,且存在交互作用。主梁断面气动外形数值优化方法能够较好地取代风洞试验进行外形寻优,研究对以后大跨度桥梁断面选型具有借鉴意义。     

浅埋偏压隧道开挖数值模拟及稳定性研究

浅埋偏压会对隧道围岩稳定和支护结构产生很大影响,开挖过程中极易发生垮塌。利用FLAC3D 程序对烟海高速公路解家河隧道穿越浅埋偏压洞段采用的施工过程进行仿真分析,得到解家河隧道在采用不同开挖工序时各阶段围岩及支护结构的变形和应力变化情况。结合现场监测断面的量测成果,经过数据整理和计算得到解家河隧道浅埋偏压洞段围岩及支护的受力特征,对隧道围岩稳定性进行分析判断。所得结论为解家河隧道顺利施工提供了可靠依据,可为具有类似地质、地形情况的隧道设计和施工提供技术参考。     

小净距隧道坍塌堆积岩层段受力变形分析研究(研究生论坛)

在坍塌堆积围岩中修建小净距隧道经常会遇到掌子面塌方和中间岩柱失稳等问题。结合雷公浦小净距隧道的工程实践,在出口坍塌堆积岩层段对地表沉降、拱顶下沉、洞内周边收敛、中间岩柱位移、锚杆轴力、围岩压力和钢拱架应力等进行了现场监测,并选取K70+520断面进行数值模拟研究。监测及数值模拟结果表明:在坍塌堆积围岩条件下采用3台阶法进洞存在稳定性问题,类似工程建议采用预留核心土法,可有效提高工作面的稳定性;后行洞开挖对先行洞的受力和稳定性影响较大;整个中岩柱处于扰动状态,锚杆的锚固力没有得到较好的发挥,拱顶和拱腰部位容易出现应力集中。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供借鉴。     

Numerical evaluation of new Austrian tunneling method excavation sequences: A case study

The main aspects that require attention in tunnel design in terms of safety and economy are the precise estimation of probable ground conditions and ground behavior during construction. The variation in rock mass behavior due to tunnel excavation sequence plays an important role during the construction stage.The purpose of this research is to numerically evaluate the effect of excavation sequence on the ground behavior for the Lowari tunnel project, Pakistan. For the tunnel stability, the ground behavior observed during the actual partial face excavation sequence is compared with the top heading and bench excavation sequence. For this purpose, the intact rock parameters are used along with the characterization of rock mass joints related parameters to provide input for numerical modelling via FLAC 2D. The in-situ stresses for the numerical modelling are obtained using empirical equations. From the comparison of the two excavation sequences, it was observed that the actual excavation sequence used for Lowari tunnel construction utilized more support than the top heading and bench method. However, the actual excavation sequence provided good results in terms of stability.     

弹性SDOF体系输入能量谱的设计表达式

合理的地震动设计输入能量谱是推动能量法走向工程应用的重要基础。选取3种场地条件下259条地震动记录,针对弹性单自由度体系（Single Degree of Freedom）的输入能量进行研究。采用归一化方法,将输入能量谱表征为输入能量谱峰值（E_lmax）与归一化输入能量谱的乘积;根据相关性分析,提出输入能量谱峰值的影响参数及估算方法;基于3种场地条件下归一化输入能量谱特征,通过拟合建立三段式归一化输入能量谱,提出阻尼比为0.05时,弹性SDOF体系设计输入能量谱的计算方法,并验证了该方法的可行性。     

基于ANSYS的调压室三维非线性仿真分析

采用ANSYS有限元软件对构皮滩水电站阻抗式调压井的围岩和衬砌结构进行了三维非线性仿真分析.用生死单元模拟开挖过程,解决了反向加载法计算时材料进入塑性区后引起的矛盾,地应力的模拟采用了初始地应力文件分区施加的方法,解决了由于自重在计算过程中带来的位移难以处理的问题,计算中考虑了洞室周围的断层所带来的影响,得到了围岩、调压井衬砌和阻抗板的受力特性,并对衬砌的支撑杆结构进行了优化,得到了合理的支撑杆布置方案.可为同类工程的设计提供参考.     

Improvement for design of beam structures in large vibrating screen considering bending and random vibration

Demand for large vibrating screen is huge in the mineral processing industry. As bending and random vibration are not considered in a traditional design method for beam structures of a large vibrating screen, fatigue damage occurs frequently to affect the screening performance. This work aims to conduct a systematic mechanics analysis of the beam structures and improve the design method. Total motion of a beam structure in screening process can be decomposed into the traditional followed rigid translation(FRT), bending vibration(BV) and axial linear-distributed random rigid translation(ALRRT) excited by the side-plates. When treated as a generalized single-degree-of-freedom(SDOF) elastic system analytically, the BV can be solved by the Rayleigh's method. Stochastic analysis for random process is conducted for the detailed ALRRT calculation. Expressions for the mechanics property, namely, the shearing force and bending-moment with respect to BV and ALRRT, are derived, respectively. Experimental and numerical investigations demonstrate that the largest BV exists at the beam center and can be nearly ignored in comparison with the FRT during a simplified engineering design. With the BV and FRT considered, the mechanics property accords well with the practical situation with the maximum error of 6.33%, which is less than that obtained by traditional method.     

基于性能的屈曲约束支撑与黏滞阻尼器组合减震结构设计方法

基于结构自振周期及阻尼比变化对结构地震作用的影响规律,推导屈曲约束支撑(BRB)与黏滞阻尼器(VD)组合减震结构单自由度体系位移降低率及地震剪力降低率计算公式,绘制组合减震结构在目标位移降低率及目标剪力降低率下的减震性能曲线,提出基于性能的组合消能减震设计方法,采用工程算例验证该设计方法的有效性,并提出组合减震设计方法...     

岩壁吊车梁硐室围岩力学参数反分析研究

建立漫湾电站二期地下主厂房岩壁吊车梁硐室的三维有限元计算模型,对硐室围岩的力学参数和吊车荷载进行正交组合后,计算出各种组合情况下的围岩位移,对参数敏感性进行分析.把敏感性参数组合时计算出的位移值,作为BP神经网络训练的样本空间对模型进行训练,把监测值输入训练后的模型中反算出围岩力学参数,最后输入参数进行变形验算.即把三维有限元分析方法和神经网络方法联合应用,通过正分析-反分析-正分析的分析方法,计算出围岩的力学参数.对理论分析的结果和实际结果进行比较,证明了所采用的分析方法和分析模型是正确可行的,能为设计人员有效解决实际工程中的力学参数的准确取值问题,提供一种分析方法.