Numerical investigation of arching mechanism to underground excavation in jointed rock mass

In this paper, the discontinuous deformation analysis (DDA) is applied to numerically investigate the formation of pressure arch and the stabilization mechanism of rock bolts for underground excavation in laminated rock mass. A global pressure arch with elevated stress is observed sustaining the weight of the overburden and providing the natural shield over the opening. Below the pressure arch is a loosened zone, where a group of local voussoir beam arches are formed to transfer the weight of each layer to the abutments. Detailed parametric studies regarding the in-situ stress ratio, joint friction angle, overburden depth and dip angle of strata are conducted and their influences on the formation of global pressure arch and local voussoir beam arches are identified and discussed. Based on the observed phenomena, the corresponding reinforcement scheme is proposed and the effectiveness and stabilization mechanism are examined.     

悬伸梁和双跨连续梁的整体稳定承载力试验研究

为了研究悬伸梁和双跨连续梁在集中荷载作用下的整体稳定性能,对两种单轴对称截面形式(上翼缘加强、下翼缘加强)、两种悬伸长度(1200mm、1600mm)共计5根悬伸梁,以及一种单轴对称截面形式(上翼缘加强)、三种相邻跨度之比(1∶0.48、1∶0.64、1∶1)共3根双跨连续梁进行了试验研究。在进行破坏试验前,对悬伸梁进行了三种荷载作用位置的弹性试验,对连续梁进行了三种加载比例的弹性试验,并利用Southwell法确定了临界荷载。试验研究结果表明:当最大弯矩出现在悬伸梁的简支跨且上翼缘受压时,上翼缘加强构件稳定承载力明显高于同尺寸的下翼缘加强构件;悬伸长度为1600mm的构件承载力明显高于悬伸长度为1200mm的构件承载力;荷载作用在简支梁段跨中时构件稳定承载力最低,荷载作用点离中间支座越近构件稳定承载力越高。双跨连续梁中,在等比例加载时,相邻跨度之比越大,构件稳定承载力越高。此外,对试验进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究

通过锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验,分析了主筋锈蚀与混凝土梁疲劳性能的关系。疲劳试验包括1根钢筋未锈蚀的对比梁和8根钢筋锈蚀率介于4%～12%的试验梁。试验结果表明锈蚀钢筋混凝土梁的刚度在疲劳过程中表现出“下降—平稳—上升”三阶段特性。由于钢筋混凝土梁中钢筋的不均匀锈蚀,钢筋表面产生明显的坑蚀,锈蚀梁的疲劳破坏在应力幅最大且表面有坑蚀的钢筋截面发生。随着主筋锈蚀率的增加,梁的疲劳寿命急剧缩短,其破坏形式为受拉钢筋脆性断裂,破坏前没有预兆。振动测试表明,梁的基本频率并不是随疲劳损伤积累而单调下降,实测基本频率不能可靠地预报锈蚀钢筋的疲劳断裂破坏。同时,在相同疲劳循环次数下,随疲劳应力幅的增大,钢筋锈蚀的性能逐渐由软钢向硬钢转变。     

桂林市南洲大桥组合梁徐变效应分析

钢—混凝土组合梁是由两种性质不同的材料结合所组成的一个整体,由于混凝土的徐变受到钢梁的约束,必然会使组合梁截面产生应力重分布及内力重分布,这种重分布会对组合梁的长期变形产生影响。本文采用有限元软件MIDAS对桂林市南洲大桥组合梁进行了徐变计算。徐变对组合梁应力的影响随时间的增长逐渐递增,但徐变影响速度逐渐减慢;钢梁上缘...     

Distortional theory of thin-walled beams

The classic thin-walled beam theory for open and closed cross-sections is generalized to include one distortional mode of deformation. Distortional cross-section parameters are introduced and the new orthogonality conditions for uncoupling of the axial displacement modes are given. A normalization technique for the distortional modes leads to unique distortional cross-section properties. The theoretical formulations for torsion and distortion are nearly similar and result in nearly identical equilibrium equations. However, for closed single- or multi-cell cross-sections the torsional and distortional shear flows may couple. A study of the order of magnitude of the governing torsional and distortional parameters shows the difference between open and closed cross-sections and the related solution types. The difference in the order of magnitude of the governing cross-section parameters also leads to approximate solution techniques. In the examples, section three cross-sections are used to illustrate variations of the theoretical parameters.     

焊接栓钉型钢混凝土梁抗扭性能试验研究

为研究焊接栓钉型钢混凝土（SRC）梁的抗扭性能,设计了一套加载装置,完成9个试件的纯扭加载试验（其中焊接栓钉SRC试件7个,非焊接栓钉SRC和普通钢筋混凝土对比试件各1个）,考虑了栓钉位置、长度、直径和间距4个变化参数。通过试验,观察试件的受力破坏过程及形态,获取裂缝分布情况、扭矩-扭率曲线、开裂扭矩和极限扭矩等数据,分析各变化参数对其受力性能的影响规律。结果表明：纯扭作用下,SRC梁试件表面出现螺旋状裂缝而破坏,焊接栓钉试件较普通SRC试件,其螺旋裂缝细而密、承载力更高、延性更好;栓钉焊接在型钢腹板较焊接在翼缘更有利于提高抗扭性能;栓钉长度和直径对其受扭性能有一定影响,适当增大长度和直径能提高其抗扭承载力;最后提出改进叠加法的计算公式,计算值与试验值吻合良好。     

负弯矩作用下钢-混凝土组合梁受力性能试验研究

通过8根跨度为3.0m和4.2m的钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下的受力性能试验,研究了端部弯矩、跨度、H形钢的腹板高厚比、抗剪连接栓钉数量、设置横向加劲肋等因素对组合梁失稳破坏模式、受弯承载力及转动能力的影响。试验结果表明：对两端部作用数值相等的负弯矩工况,组合梁发生畸变失稳,其受弯承载力小于组合梁全截面塑性弯矩,转动能力偏小,而对其他接近实际结构的负弯矩工况,组合梁发生局部失稳或局部与畸变耦合失稳,其受弯承载力大于组合梁全截面塑性弯矩,转动能力较大;随着腹板高厚比减小或者在腹板上设置横向加劲肋,组合梁的受弯承载力和转动能力都有明显提高。     

钢-混凝土组合梁考虑界面滑移的振动模态试验研究

为研究钢与混凝土的界面滑移效应对钢 混凝土组合梁基本动力性能的影响程度和规律,进行了5根跨度3.8m的简支钢 混凝土组合梁的静载和振动模态试验,其中4根采用抗剪栓钉,剪力连接度分别为0.6、0.7、1.0和1.4,另1根采用能提供刚性抗剪连接的开孔钢板连接件。试验结果表明：在静载作用下,随剪力连接度的提高,组合梁的界面滑移减小,抗弯刚度显著增加。竖弯模态试验中,剪力连接度小于等于1.0的3根梁,其前4阶竖向弯曲模态频率与采用开孔钢板抗剪连接件的试验梁相比均有减小,最小减幅为9.8%,最大减幅达26%;剪力连接度为1.4的梁较开孔钢板连接件的试验梁,基频减小了6.1%,第2~4阶自振频率减小幅度均在10%以上,与连接度为0.6的梁相比,其基频增大了13.2%;试验梁的模态阻尼比随着剪力连接度的增大而减小。扭转模态试验中,各阶扭转模态频率差异程度在7%以内,变化规律不明显。由此可见,钢与混凝土板的界面滑移效应对组合梁竖向弯曲自振频率的影响不容忽视,在设计计算中须予以考虑。试验结果可为工程动力分析提供参考。     

基于隔时复压试验的静压桩优化设计方法

桩的承载力随时间变化的现象称为承载力时间效应,现有设计方法没有全面考虑此方面的影响。利用静力压桩机方便移机的特点,对桩进行复压使其产生一定的贯入度,以确定任意时刻的广义极限承载力,称之为隔时复压试验,其特点是以减少后期沉降和提高承载力为目的的复压方法。珠海、太原隔时复压试验的结果显示,承载力增长趋势是明显的。将隔时复压的结果与广泛采用的Skov和Denver的承载力增长经验关系式对比,发现两者的相关性显著,并得到了时效系数的分布范围。通过较短时间内的隔时复压结果,确定长期承载力增长规律,并运用到静压桩的优化设计中,同时采用复压调节系数和安全系数对结果进行修正,以提高设计方法的准确性。详细介绍了优化设计的思路,并以太原某工程为例证明了此方法的可行性。此设计方法对降低施工难度、缩短工期、节约成本、保证设计的可靠度都具有重要意义。     

配置500MPa钢筋混凝土梁长期荷载裂缝宽度试验研究

为了研究500MPa钢筋受弯构件在长期荷载作用下的裂缝宽度发展规律,对8根配置500MPa钢筋的T形截面简支梁进行了在长期荷载下的裂缝宽度试验,观测了裂缝的长期发展过程,分析了各变化参数对裂缝宽度的影响,并与同条件下配置335MPa钢筋试件的长期裂缝宽度进行了对比。试验结果表明：配置500MPa钢筋试件的裂缝形态以及裂缝分布特点与配置335MPa级钢筋试件基本相同,但长期裂缝宽度明显加宽,而在正常使用状态下,配置500MPa钢筋试件的裂缝间距实测值以及具有95%保证率下梁的长期裂缝宽度均小于GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》的计算值;对比试验表明：在受压区配置纵向受力钢筋能够有效抑制受压区混凝土的徐变,在一定程度上抑制裂缝宽度发展。此外,尽管具有不同工作应力的钢筋试件中的裂缝宽度不同,但随时间发展裂缝宽度的变化趋势没有明显区别;根据试验结果,给出了长期裂缝宽度扩大系数τl建议值。图9表6参15     

钢纤维混凝土替代构造配筋混凝土梁受弯性能试验研究

为提高以裂缝为主要控制目标的大面积构造配筋混凝土受弯结构的抗裂性能,探讨钢纤维混凝土在此类结构中的应用,进行了16根三分点正向对称集中荷载作用下无筋足尺钢纤维混凝土梁替代构造配筋混凝土梁的弯曲抗裂性能试验,分析了钢纤维体积率、钢种和布筋位置等对试件受弯性能的影响。研究结果表明,钢纤维体积率0.5%的钢纤维混凝土梁的抗裂性能、限裂性能和承载力均优于截面中部配筋混凝土梁;钢纤维体积率(1.0～1.5)%的钢纤维混凝土梁的抗裂性能和限裂性能均明显优于截面双筋混凝土梁;钢纤维体积率(1.5～2.0)%的钢纤维混凝土梁除抗裂性能和限裂性能外,其承载力也优于截面双筋混凝土梁。因此,对于大型水利和土木工程中以抗裂或限裂为主要控制条件的受弯构件,可用钢纤维混凝土替代构造配筋混凝土。     

高强钢筋轻骨料混凝土梁短期裂缝试验研究

进行了10根配置400MPa和500MPa高强纵筋的陶粒轻骨料混凝土梁受弯性能试验,获得了10组裂缝间距和39组短期裂缝宽度数据,并收集了国内外27根高强钢筋轻骨料混凝土梁的裂缝试验数据。采用以上数据,分析了钢筋轻骨料混凝土梁的裂缝特征,并评估了JGJ 12—2006《轻骨料混凝土结构技术规程》中裂缝计算公式的适用性。结果表明,JGJ 12—2006的短期裂缝特征值计算方法仍适用于高强钢筋轻骨料混凝土梁,但按其公式计算的平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度与试验值有一定偏差,二者之比的均值为0.992、1.276和1.037,因此建议对JGJ 12—2006中公式的部分参数进行修正。通过对试验数据的回归分析,得到了梁侧面受拉纵筋中心处裂缝宽度的修正计算式,以及梁侧面受拉钢筋中心处与受拉边缘裂缝宽度的换算关系式,建议公式计算得到的裂缝宽度和试验值吻合较好。     

配置高强钢筋的后张有黏结预应力梁短期裂缝试验研究

进行了29根配置500MPa级钢筋的后张有黏结预应力混凝土梁的受弯性能试验,获得了29组裂缝间距和96组短期裂缝宽度数据;收集了国内外29根后张有黏结预应力梁的裂缝试验数据。采用以上试验数据,分析了后张有黏结预应力混凝土梁的短期裂缝特征,并评估了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中裂缝计算公式的适用性。研究结果表明：规范GB 50010—2010的短期裂缝计算方法仍适用于配置高强钢筋的后张有黏结预应力梁,按其公式计算的平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度较试验值普遍偏大,二者之比的均值分别为1.086、1.313和1.263。因此,建议对GB 50010—2010规范公式部分参数进行修正,并建议将计算裂缝宽度明确为梁侧面最外排受拉钢筋中心处、钢筋应力取为最外排受拉钢筋的应力。通过参数回归分析,得到裂缝宽度的修正计算公式,并提出梁侧面最外排受拉钢筋中心处与受拉边缘、预应力筋中心处的裂缝宽度的换算关系式,建议公式的计算值和试验值符合较好。     

A comparative study of continuous steel-concrete composite beams prestressed with external tendons: Experimental investigation

A comparative study of prestressed continuous steel-concrete composite beams is carried out based on an experimental investigation. Four full-scale continuous composite beams were tested, among which two were two-span beams and two were three-span beams. One of the two-span beams was a conventional non-prestressed composite beam, and the other was a composite beam prestressed with external tendons in both the positive and negative moment regions. One of the three-span composite beams was non-prestressed, and the other was prestressed only in the negative moment regions with external high-strength tendons. The cracking behaviors, distortional lateral and local buckling as well as the load carrying capacity of the beams were investigated experimentally. Full plasticity was developed at the mid-span section of each beam; however, the maximum moments attained at the internal supports were governed by local buckling, which is related to the slenderness of the composite section. It is found that in hogging moment regions, the ultimate moment resistance of a composite beam prestressed with external tendons is governed by either distortional lateral buckling or local buckling, or an interactive mode composed of distortional lateral and local buckling. The results show that exerting prestressing on a continuous composite beam with external tendons increases the degree of the internal force and moment redistribution in the beam. A design proposal based on moment redistribution to evaluate the load carrying capacity of continuous composite beams with external tendons is proposed.     

Size effect in RC deep beams: Experimental investigation and STM verification

An experimental program consisting of three groups of 11 specimens is carried out to investigate the possible causes of size effect, typically represented by a reduction in shear strength with an increase in the height of deep beams. It is well-known that deep beams behave very differently from shallow beams as arch action rather than flexure dominates the behaviour, after diagonal cracking has occurred. However, causes of size effect in deep beams remain unresolved. It is postulated that the factors influencing the strength of a compression member, i.e. the strut geometry and boundary conditions, govern the size effect. The experimental program provides experimental evidence for the hypotheses from strut-and-tie models. By properly configuring the loading and support plate dimensions, size effect in ultimate shear strength is significantly mitigated, even for beams with high h/b ratios and plain concrete web. Evenly-distributed web reinforcement is found to mitigate the size effect to some extent. Effects of out-of-plane actions on beam strength are also investigated and discussed. The modified STM incorporating the causes of size effect outperforms several other methods in accurately and consistently predicting the ultimate shear strengths.     

剪切连接件分段布置时组合梁滑移计算

为了尽量减小组合梁界面滑移,提出在不增加剪切连接件数量的情况下,剪切连接件采用分段均匀布置方式。基于弹性理论的分析方法,分段建立组合梁单元体力学模型,推导了组合梁界面滑移的计算公式,并得出了工程中常见4种荷载作用下,剪切连接件分段均匀布置时简支组合梁界面滑移的解析解。通过实例对连接件均匀和分段布置2种情况下组合梁滑移进行了对比计算分析。结果表明,连接件分段布置方法可有效减小组合梁界面滑移,从而减小由于滑移引起的组合梁附加挠度和混凝土板的裂缝,提高结构的耐久性。     

窄梁和宽扁梁的设计分析

通过对模拟结构中采用宽扁梁和窄梁分别进行设计计算,比较其计算结果并分析造成宽扁梁弊端的主要原因,提出在结构设计中应尽量采用传统窄梁,避免设计宽扁梁。     

CFRP筋混凝土梁挠度性能试验研究与全过程分析

通过4根CFRP筋混凝土梁在单调荷载下的试验研究,对CFRP筋混凝土梁挠度进行较为系统的研究.并在试验分析的基础上,提出了一种接近于实际的CFRP筋混凝土梁挠度的全过程分析方法,与试验结果对比,吻合良好,可为相关工程实践提供依据.     

钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究

对两种组合梁形式:主梁式试件(压型钢板肋平行于钢梁)和次梁式试件(压型钢板肋垂直于钢梁)分别进行了抗火试验。试验中量测了试验炉火升温过程,试件的温度和跨中挠度。通过对试验结果的分析发现:由于混凝土板有明显的阻热作用,组合梁中的混凝土板升温较慢,钢梁升温较快,导致钢梁截面温度分布不均匀;由于高温和外力共同作用下,在梁端发生混凝土抗剪破坏,而栓钉由于受到混凝土的保护,温度较低,栓钉仍能正常发挥抗剪连接作用;跨中挠度达到梁跨的1/30后,变形快速增大,随之在跨中形成一条横向贯穿混凝土楼板的主压溃裂缝,产生塑性铰并形成机构,使简支组合梁产生不适于继续承载的变形,达到破坏。     

体外预应力混凝土简支梁剪切性能试验研究

为了研究节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能,采用剪跨比、配箍率、接缝类型、体内外预应力筋配比等参数进行了13根整体式和14根节段式(胶接缝和干接缝)体外预应力混凝土简支模型梁试验。描述了模型梁箍筋应力、体外预应力筋应力、挠度随荷载变化规律,以及破坏裂缝形成过程和破坏形态;分析了剪跨比、体内外预应力筋配比、接缝位置和数量及类型对梁剪切性能的影响。研究表明,节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能和整体式梁有很大差异,接缝决定着剪切破坏形态与破坏裂缝的形成、较大削弱了梁的抗剪承载力、明显增大了破坏裂缝的宽度和梁体破坏时的变形;配置体内预应力筋能有效改善体外预应力混凝土梁的剪切性能;整体式体外预应力混凝土梁的剪切性能和一般预应力混凝土梁也有一些差异。