高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

动力扰动下深部巷道围岩的力学响应及控制

为了研究动力扰动下原岩垂直应力、侧压力系数大小,以及扰动峰值强度对深部巷道围岩稳定性的影响,采用有限差分数值计算软件FLAC3D对动力扰动下深部巷道围岩力学响应进行数值分析,并结合冬瓜山矿山深部出矿巷道实际情况及现有支护方案,进行支护设计优化。研究结果表明:在动力扰动作用下,巷道围岩位移和塑性区都随原岩垂直应力、侧压力系数增大而增大;扰动峰值强度≤20 MPa时,巷道围岩位移和塑性区增大幅度较小,扰动峰值强度20MPa时,巷道围岩位移和塑性区大幅度增大。故在较高的扰动强度和静应力作用下,巷道围岩更容易发生失稳破坏。在冬瓜山铜矿出矿巷道现有支护基础上,进行支护优化,得出最佳方案,即喷层厚度为150mm,混凝土强度等级为C20,优化后巷道围岩位移和塑性区大大降低。     

动静载荷下岩石声发射特性的对比研究

为了对比分析静载和动载下岩石声发射特性的区别,在MTS静载实验设备和SHPB冲击实验系统上对四种岩石(硬度大的花岗岩、硬度小的花岗岩、石灰岩、砂岩)进行了声发射加载实验。实验结果表明:岩石在冲击荷载下的声发射持续时间短,且在早期都存在一个波击,其信号能量、强度、绝对能量明显高于其他波击,而静载荷下的具有大值能量、信号强度、绝对能量的波击绝大部分出现在后期岩石的宏观破坏阶段;静荷载下波击的幅值主要分布在40~60d B,冲击荷载下波击的幅值则分布较分散,且大于70 d B的波击所占比例相对于静载荷下的要高。冲击载荷下岩石声发射峰值频率都低于500 k Hz,主要分布在0~100 k Hz、150~200 k Hz、400~450 k Hz之间,而静载荷下岩石声发射信号的峰值频率分布在0~550 k Hz,也有部分波击峰频大于600 k Hz,其中主要分布在以下4个阶段:0~150 k Hz、150~280 k Hz、280~400 k Hz、400~550 k Hz。     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

路堑边坡开挖对邻近既有铁路隧道影响分析

结合工程实际,运用ANSYS有限元数值模拟方法,建立了路堑边坡施工中岩土体开挖和爆破振动对邻近既有铁路隧道结构影响的三维模型,分析并得出了路堑边坡开挖对既有隧道结构应力应变和爆破振动的影响规律。模拟分析表明:1)路堑边坡开挖产生的剪应力是对既有隧道结构影响的最不利因素,既有隧道衬砌结构受到剪应力破坏区域影响时,路堑边坡开挖对既有隧道衬砌产生的应力应变数值影响存在较为明显的突变;2)模型模拟最大段装药量耦合装药结构爆破产生的质点振动数值相对实测数值偏大;3)邻近既有铁路隧道不同间距下最大段药量值可由萨道夫斯基公式和LS-DYNA软件模拟预测数值的平均值确定。     

构造松软煤层钻孔多应力耦合分区失稳机理研究

构造松软煤层瓦斯抽采过程中,钻孔易发生形变、缩径及坍塌等失稳现象,从而造成钻孔及密封失效、抽采阻力增大和抽采瓦斯浓度偏低等问题。针对上述难题,基于原岩应力作用下松软煤层的力学性质及瓦斯赋存条件,分析瓦斯应力对钻孔失稳的动力效应,并通过理论及数值方法对巷道一次采动及钻孔二次采动过程中各采动因素对钻孔周围煤体弹塑性区应力峰值及范围的影响进行研究分析。结果显示:初始应力及采动半径的增大或内聚力及内摩擦角的降低均会不同程度造成应力峰值或弹塑性区域的增大,从而增加钻孔失稳的概率及范围。进而根据钻孔方向上不同应力耦合作用及采动弹塑性区域提出了钻孔分区失稳机理,对构造松软煤层钻孔密封及护孔具有重要指导意义。     

300 m级超高堆石坝心墙砾石土力学特性试验研究

坝体的变形协调控制一直是高堆石坝设计和施工中的核心问题之一.对于300 m级超高堆石坝,由于国内外设计和施工经验较少,且用于300 m级超高堆石坝心墙防渗料的砾石土与一般砾石土力学特性存在较大差异,已有的研究成果尚不能有效指导工程实践.基于此,本文以两河口超高堆石坝心墙砾石土为研究对象,结合室内试验和现场试验结果,研究300 m级超高堆石坝心墙砾石土相关力学特性.结果表明,两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高压实度,其自身抗渗性能较好,可满足工程设计技术要求;通过压缩系数及压缩模量可知,所研究的心墙砾石土为低压缩性土;心墙砾石土峰值强度随围压的增大而增大,峰值摩擦角随围压的增大而减小,所得到的邓肯模型参数可为后续两河口超高堆石坝数值计算提供参考;现场试验表明两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高的承载力和抗剪强度,其渗透系数满足设计技术要求.本文通过相关室内试验及现场试验验证了砾石土作为300 m级超高堆石坝心墙防渗料的可行性及可靠性,研究成果可为300 m级超高堆石坝设计和工程建设提供相关试验及理论依据.     

不同应力路径下花岗岩变形参数劣化试验研究

利用MTS815试验机进行了不同应力路径下花岗岩峰前卸荷试验,研究了全应力-应变曲线、变形破坏特征和变形参数的劣化规律。数据分析表明:相比加载试验,卸荷岩样破坏突然且剧烈,脆性特征显著;卸荷过程中,轴向应变增量较小,侧向应变增量较大,两者相差5~10倍,轴压围压同时卸载时岩样破坏前轴向应变出现负增长;岩样破坏所需的卸荷量受到卸荷路径的影响,卸围压同时增加轴压时仅需要38%的卸荷量,但脆性特征最明显的是同时卸载轴压和围压。试验结果对不同方式下的岩体开挖具有一定参考意义。     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

炎热多雨和突降暴雨气候影响下玄武岩残积土的崩解试验研究

气候环境是影响玄武岩残积土崩解特性的重要因素.为研究高温湿热与突降暴雨气候影响下玄武岩残积土的崩解特征,我们开展了反复干湿循环过程后的大气崩解试验与浸水崩解试验,通过崩解率、崩解速率及崩解物的颗粒组成评价了崩解特性的气候影响控制因素.研究结果表明,高温湿热气候引起的反复干湿交替会破坏颗粒团聚性,增强土的分散性,随着干湿循环次数的增加,崩解率与崩解速率增大,崩解物由粗颗粒为主逐渐转为细颗粒为主,气温越高、气候变化越剧烈,这种影响越显著.突降暴雨气候会引发玄武岩残积土剧烈的崩解现象,随着干湿循环次数的增加,崩解物由碎屑状向泥状过渡,崩解速率增大,崩解程度逐渐增强.研究还发现,除了气候环境影响,施工扰动也会促进崩解的发生,施工中应加强监测气候环境变化对崩解性的影响,必要时需对玄武岩残积土工程进行保湿、防水措施.     

基于LS-SVR小样本容量的爆破振动峰值速度预测研究

针对爆破振动峰值速度在小样本容量统计条件下的准确预测问题,应用最小二乘支持向量机理论,选取最大段药量、总装药量、水平距离、高程差、前排抵抗线、预裂缝穿透率、岩体完整性系数、测点与最小抵抗线方向夹角、炸药爆速等9个影响因子,建立小样本容量统计条件下的爆破振动峰值速度回归预测模型(LS-SVR)。选取23组爆破振动实测数据,其中,前16组为训练样本,后7组用于结果预测,并与基因表达式编程(GEP)模型和模糊神经网络(FNN)的预测结果进行综合对比,得到LS-SVR、GEP和FNN预测模型平均相对误差分别为5.1%、8.7%和11.3%。研究表明:LS-SVR模型的预测结果与实测数据更吻合,拟合性更好。且在小样本容量统计下,LS-SVR模型可以准确地对爆破振动峰值速度进行预测,为类似工程的小样本容量统计预测提供了一定的可行方法。     

基于变形时间效应的高速铁路地基压缩层厚度计算方法

路堤荷载作用下地基变形是高速铁路路基沉降的主要来源,地基有时间效应的变形是引起高速铁路长期服役性能劣化的核心因素,掌握具有变形时间效应的地基土层区域是合理计算地基工后沉降、优化地基加固方案的技术关键.基于分形的无标度特性,确立塑性变形速率随时间的分形关系,揭示了地基土变形随荷载水平呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四种演化状态类别,提出了表征变形速率变化快慢的土体变形状态"分维数判别法";开展了单元结构填土模型和三轴流变试验,获得了中低压缩性粉质黏土的变形状态荷载阈值及其与抗剪强度或极限承载力的比值;基于摩尔-库伦准则,采用强度折减方法,获得了地基土变形状态强度参数,结合地基土中应力,得到了由库伦强度理论表达的变形状态控制方程,明确了地基沿深度具有时间效应变形区域的深度即为基于变形时间效应的地基压缩层厚度.提出的"时间效应法"确定压缩层厚度为进一步完善高速铁路的地基沉降计算提供了理论依据和实验支撑.     

植被护坡的根和土力学作用

植被护坡最基本的功能是植物根系对岩土体的加固能力,借助植物根系的作用可以明显提高边坡土体的抗剪强度,从而增大边坡的稳定性.但由于植物根系在岩土介质中受力的复杂性和多变性,使得其加固能力的计算十分困难,在工程问题中,植被护坡的设计计算仍停留在经验阶段.虽已有人开始分析植物根系与土体间相互作用,但均未就植物根系对边坡表层岩土体的力学加固机制和加固效果进行系统分析.本文着重从植被护坡作用机制和对岩土体的加固效果分析入手,探讨了植被护坡对边坡土体抗剪强度的影响,从而为植物防护设计提供了理论依据.     

沿海高层建筑玻璃幕墙风致应力现场实测研究

沿海地区受台风的影响,高层建筑玻璃幕墙容易发生破坏.目前关于玻璃幕墙抗风性能的各种研究方法都具有一定的局限性.在台风登陆时,受大气压变化、温度变化和暴雨的冲击作用的影响幕墙整体会发生振动和变形,使得幕墙玻璃实际的应变和应力分布情况与模型试验和风洞试验的情况大不相同.本文对厦门沿海某高层建筑的玻璃幕墙进行了现场实测研究,获得了台风登陆过程中幕墙玻璃表面的风压情况及大量风致应力数据,并分析了幕墙玻璃上的风压与应力或应变的关系,总结了应力分布情况.     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

混凝土强度等级对全珊瑚海水钢筋混凝土梁抗剪性能的影响

通过对全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam, CARCB)和普通钢筋混凝土梁(ordinary aggregate reinforced concrete beam, OARCB)进行斜截面抗剪性能试验,研究了混凝土强度等级对CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、挠度-梁长、荷载-最大裂缝宽度的关系,探讨了CARCB抗剪承载力(Vcs)的计算模型.结果表明:随着混凝土强度等级的提高, CARCB正截面开裂荷载(Vcr)、斜截面Vcr和Vcs均逐渐增大.不同混凝土强度等级的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.在C60的CARCB中采用有机新涂层钢筋能有效抑制钢筋锈蚀.最后,综合考虑箍筋锈蚀和高强珊瑚混凝土(coral aggregate concrete, CAC)的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

箍筋约束对小偏心加载下高强RC柱尺寸效应影响分析

旨在揭示箍筋约束作用对高强钢筋混凝土(RC)柱在小偏心(e_0=0.25h_0)受压加载下尺寸效应行为的影响.开展了最大横截面尺寸为800 mm×800 mm的12组几何相似的配箍率为0和0.66%的高强混凝土柱试验,此外,建立了钢筋混凝土柱力学行为分析的细观尺度分析模型,并在模拟与试验结果吻合良好的基础上,补充开展了更大配箍率柱(即:1.2%和2.4%)的数值试验,进而对偏心受压加载下柱的力学行为,包括破坏模式、名义受压应力,应变关系、承载力、名义压缩强度及峰值后软化行为等进行了研究,并对其名义压缩强度的尺寸效应进行了分析,进而揭示箍筋约束作用对小偏心加载高强钢筋混凝土柱破坏行为及尺寸效应影响机制,结果表明:1)小偏心受压加载下高强钢筋混凝土柱名义压缩强度存在明显的尺寸效应;2)Bazant尺寸效应律能够较好地描述钢筋混凝土柱在偏心受压加载下的尺寸效应行为;3)箍筋约束作用能够明显提高钢筋混凝土柱的强度及延性,且会削弱其尺寸效应;4)本文建立的细观数值模型能够很好地表征钢筋混凝土柱力学性能.     

扰动频率对充填体力学响应的影响

稳定的充填体是二步骤矿房开采安全控制的关键。为研究不同动力扰动频率作用下充填体的力学响应,以云南某矿为例,采用FLAC3D软件建立充填体动力稳定性分析的三维数值模型,并对扰动幅值一定时,不同扰动频率下充填体的动力稳定性进行数值模拟计算;从位移场和应力场分析了充填体的破坏方式与破坏区域发展过程,得到不同扰动频率作用下充填体的动力响应规律。研究结果表明:充填体的力学响应与动力扰动频率密切相关,扰动频率的改变对充填体暴露面主应力与位移场的分布及充填体的破坏形式有重大影响。     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.