Effect of Skin on Finite Element Modeling of Foot and Ankle During Balanced Standing

Experimental measurements of stresses and strains for lower extremity injuries(LEI) are invasive, and therefore, predictions require physiologically accurate 3D finite element(FE) models of the foot and ankle. In previous models, skin is typically neglected. However, experimental studies have shown that skin is much stiffer than soft tissue. In this study, the material sensitivity of skin on foot arch deformation is investigated. A finite element model of the foot is developed, incorporating bones, soft tissue, ligament, articulating surfaces, plantar aponeurosis, skin and plantar plate. Balanced standing is simulated without skin or with three different skin mechanical properties. By including different skin models, the foot static vertical stiffness, navicular displacement and plantar aponeurosis strain change significantly, when compared with the model without skin. The study shows that skin, showing a much stiffer behaviour than soft tissue, should not be neglected in the foot modelling. Further,the plantar plate considered in this model can give merit to modelling injuries such as plantar plate tearing.     

Poly(Dimethylbenzimidazolium) Iodide Assisted Dispersion of Multiwalled Carbon Nanotubes and Their Palladium Nanoparticle Hybrid

Experimental measurements of stresses and strains for lower extremity injuries (LEI) are invasive, and therefore, predictions require physiologically accurate 3D finite element (FE) models of the foot and ankle. In previous models, skin is typically neglected. However, experimental studies have shown that skin is much stiffer than soft tissue. In this study, the material sensitivity of skin on foot arch deformation is investigated. A finite element model of the foot is developed, incorporating bones, soft tissue, ligament, articulating surfaces, plantar aponeurosis, skin and plantar plate. Balanced standing is simulated without skin or with three different skin mechanical properties. By including different skin models, the foot static vertical stiffness, navicular displacement and plantar aponeurosis strain change significantly, when compared with the model without skin. The study shows that skin, showing a much stiffer behaviour than soft tissue, should not be neglected in the foot modelling. Further, the plantar plate considered in this model can give merit to modelling injuries such as plantar plate tearing.     

大跨覆土波纹钢板拱桥结构加强措施研究

由于结构承受回填土压力,随着跨度增加,覆土波纹钢板拱桥的内力增幅较大,有必要对波纹板拱圈采取结构加强措施.基于跨径为16m的圆弧拱桥,采用混凝土复合加强肋方案对拱圈进行加强,分别建立了未加强、拱脚部位加强、沿拱圈环向加强和沿拱圈与横向的双方向加强等4种考虑土结相互作用的三维有限元模型,计算和对比分析了4种情况下结构的受力和变形特点.结果表明,覆土波纹钢板圆弧拱桥应力分布不均匀,对受力最大部位的拱脚采取局部加强措施能够显著改善结构的受力性能;环向加强措施改善了结构受力性能,但结构整体性较差;双向加强措施的改善效果明显,且有利于提高结构的整体性.     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

为探明高地应力场主应力方向对软岩隧道围岩稳定性的影响规律,采用自主研发的"隧道三维应力场模拟试验系统"开展了大型三维地质力学模型试验,研究了最大水平主应力与隧道轴线平行和垂直两种工况下软岩隧道的围岩稳定性.研究结果表明:最大水平主应力与隧道轴线平行时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.221 m和-0.454 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.478、0.361、0.416 MPa和0.261 MPa;最大水平主应力与隧道轴线垂直时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.309 m和-0.548 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.579、0.652、0.593 MPa和0.327 MPa;两种工况下,围岩压力的最小值均出现在仰拱处、最大值均出现在墙脚处,围岩的径向应变增量均为拉应变增量,切向应变增量均为压应变增量,说明隧道开挖导致洞周围岩径向应力减小、切向应力集中.      

地铁隧道邻近地裂缝带的地震响应

采用数值模拟方法, 在不同震级人工地震波作用下, 研究了具有近距离平行地裂缝的地铁隧道的加速度、位移和内力特征, 计算了地裂缝的影响区域、围岩动土压力变化规律和隧道与围岩接触动土压力变化规律。研究结果表明: 在地表距隧道水平距离约25~50m范围内加速度响应存在一个附加放大区域; 当输入地震动强度较小时(50年超越概率为63%), 地铁隧道拱顶和拱底处相对水平位移都较小(约为0.39mm), 但随着输入地震动强度的增大(50年超越概率为2%), 拱顶和拱底的相对水平位移均逐渐增大, 最终增大至1.53mm; 在地震动作用下, 隧道结构的左、右拱肩和拱脚处的轴力都较大, 其中右拱脚处的轴力最大, 为1 926kN; 隧道结构的左、右拱腰处的弯矩和剪力都较大, 其中最大弯矩与最大剪力在右拱腰处, 分别为78.54kN·m与1 830kN; 随着地震动强度的增大, 隧道结构的内力逐渐增强; 地裂缝附近的动土压力较大, 并向两侧逐渐减小; 在中震作用下隧道拱顶处, 地裂缝上盘影响宽度为25m, 下盘影响宽度为20m, 在拱底处, 地裂缝上盘影响宽度为26m, 下盘影响宽度为22m;在大震作用下, 地裂缝上、下盘影响宽度较中震时增大约35%;地裂缝附近的隧道拱顶和拱底的动土压力变化规律与无地裂缝时基本一致, 但隧道结构附近的动土压力较大, 其最大值为138kPa; 在地震动作用下, 隧道结构拱腰处的接触动土压力增量较大, 右拱腰处即靠近地裂缝一侧最大, 增量为45.27%, 拱顶次之, 增量为13.41%, 拱底最小, 增量为6.86%。      

弱胶结未成砂岩挑顶斜井与隧道初支结构转换技术

针对兰渝铁路桃树坪隧道2号斜井的弱胶结未成砂岩的地质条件,提出了一种利用挑顶斜井空间转换施工隧道初支结构的方法.通过提高斜井挑顶断面、井口钢门架、井端大拱脚、空架隧道初支、回填拱部空间等施工技术,能安全实施斜井与正洞初期支护结构受力体系的转换,保证施工安全.     

钢管混凝土拱桥拱脚裂缝成因分析及防治措施

结合施工实践,对较低温季节施工拱脚裂缝原因进行了分析和计算。结果表明混凝土养护不当、早期水化热过大和上部配筋不足是拱脚裂缝形成的主要原因;提出了防治裂缝的措施和拱脚下部振捣密实的方法,为类似工程的设计与施工提供借鉴。     

扩建小净距公路隧道施工力学分析

利用有限元模型分析了扩建小净距隧道在不同净距下隧道围岩、中夹岩柱、锚杆及初衬的受力特征。研究结果表明:扩建小净距隧道围岩的屈服区主要集中在拱脚部位,拱脚部位的隧道支护结构应有所加强,当净距大于1/2 B时,中夹岩柱受力状态受净距的影响很小;隧道外侧锚杆轴力约为内侧锚杆轴力的4～5倍。     

复合主拱圈加固石拱桥力学性态分析

从复合主拱圈加固石拱桥加固前后力学性态的角度,结合具体的实际加固工程,对加固前后主拱圈截面内力进行计算,阐述主拱圈截面强度和整体"强度-稳定"性提高率,验算新旧拱圈结合面抗剪承载力和新增结构对原结构的影响,提出一项基于承载力提高率的加固增强总体效果评价指标,以期对石拱桥加固设计方案比选、加固质量评定有一定的积极指导作用。     

基于纤维单元的斜跨异型拱桥极限承载力分析

斜跨异型拱桥拱肋同时受到面内和面外索力作用,为双向压弯构件,受力具有明显空间特征.采用梁单元纤维模型材料非线性方法,同时考虑几何非线性,对张家口通泰大桥进行极限承载能力全过程分析.随着荷载的不断增加,吊索逐根达到承载极限;拱肋同时发生面内、面外变形;一侧拱脚附近截面在轴力和面内、面外弯矩的共同作用下,逐步进入塑性;最后吊索全部屈服,主梁受力接近于简支梁,跨中截面形成塑性铰,全桥结构达到承载极限.纤维模型能够准确模拟拱肋双向压弯荷载下截面逐步进入塑性的全过程,适用于复杂受力构件梁单元材料非线性计算.     

预制装配式地铁车站单环结构传力与变形机理

为了研究新型装配式车站结构的力学与变形性能,以长春某国内首例预制装配式地铁车站为背景,基于有限元软件ABAQUS对装配式地铁车站单环结构拼装成环后传力与变形机理进行研究. 首先,建立了不同结构形式与钢丝杠支撑组合的4种工况数值模型;其次,对结构在自重作用下的力学、变形和接头接触性能进行了对比分析;最后,揭示了该类型预制装配式地铁车站单环结构的传力与变形机理. 研究结果表明:钢丝杠的支撑作用不容忽视,在拱脚外侧增设水平钢丝杠后,结构最大Mises应力降低约40%,最大主应力降低约80%,最大水平位移降低约90%,拱顶挠度降低约80%,结构内部降剪、降弯效果明显;接头接触状态发生明显变化,除拱顶D-E接头外其余接头接触面挤压面积比例显著增大,拼装结构基本达到了传力稳定可靠、变形安全可控的设计要求,整体自稳能力显著提升. 钢丝杠与拼装结构协同工作优化了单环结构的传力路径,有效限制了结构的水平与竖直变形,该类型装配式结构的力学与变形性能优于未设置钢丝杠的现浇结构的对应指标.      

美兰法与美兰拱桥技术发展综述

回顾了美兰法100多年的发展历程,讨论了相关专业术语及其内涵与外延;调查分析了美兰拱桥在中国的应用现状,总结了美兰法的技术发展要点和历史经验;指出了美兰法技术与美兰拱结构的研究现状与发展方向。研究结果表明:美兰法在19世纪末和20世纪上半叶从欧美起源,20世纪下半叶传到中国和日本;按所采用的埋置拱架类型,其在中国的发展可分为半劲性拱架、(一般)钢管混凝土(CFST)拱架和强劲CFST拱架3个阶段;美兰拱桥为混凝土拱桥的一种,美兰法所用的埋置拱架以服务施工为主,成桥后对混凝土的增强作用为辅;截至2021年5月,收集到的中国已建成或在建的美兰拱桥有57座,2007年以来,跨径250 m以上的混凝土拱桥均采用此法修建,其中最大跨径为600 m;美兰拱桥主要应用在中国西南山区的公路桥梁中,近年在铁路桥中的应用增多,以上承式双肋组拼拱为主,矢跨比集中在1/4~1/6,拱轴线多采用悬链线;CFST拱架截面积在主拱截面中的占比、钢管直径、钢管和混凝土材料强度均随时间的推移和跨径的增大而不断提高;应用美兰法时要综合考虑有限的用钢量、受控的结构受力和简便的施工这3种因素;预埋拱架从最早的型钢向类桁式、箱式、桁式发展,目前以桁式为主,桁式钢管拱架多采用悬臂法架设,转体法也有应用且形式多样;为减少用钢量,并控制施工过程中结构的受力与变形,中国创新地引入了CFST桁式结构作为埋置拱架,并采用预压、辅助锚索、多点平衡浇筑、斜拉索等调载方法;近年来,通过采用强劲CFST拱架,外包混凝土横向分环浇筑工序减少至3环及以下;在美兰法应用方面,应以强劲CFST拱架为核心,继续开展材料、结构与施工技术方面的研究;在美兰拱结构方面,应加强钢管增强混凝土结构、超高性能材料、钢腹板(杆)-混凝土组合拱受力性能研究;同时,还应深入研究美兰拱桥的耐久性,从而为新建桥梁的设计和既有桥梁的维修养护服务。      

合理拱轴线确定方法探讨

从悬索结构与具有合理拱轴线的拱结构受力相似的角度出发，将悬索结构在荷栽作用下的线形沿水平面镜像后作为拱结构的压力线．以5次多项式拟合该压力线．从而确定出受力合理的拱轴线。     

The Stability Study of Globe Transportation Center of Beijing Capital International Airport

Introduction For decades, the long-span space structurehave been widely used in the world. The light steearch structural system also becomes popular, because of its beautiful shape, reasonable structurand low cost[1]. With the application of higstrength structural steel and advanced constructiotechniques, however, the flange plates and web oa steel arch system have become thinner and thinner than before, which makes the structural stability more serious, especially for the long-span thiwall va…     

中、下承式拱桥悬吊桥面系强健性加固试验

为增强中、下承式拱桥悬吊桥面系的强健性,以无纵桥向加劲梁的中、下承式拱桥悬吊桥面系为研究对象,提出了一种采用钢管桁架加劲纵梁的悬吊桥面系强健性加固结构,对比分析了悬吊桥面系强健性加固前后吊杆断裂时剩余结构的动力响应;开展了钢管桁架加劲纵梁强健性加固结构模型试验和有限元分析,研究了吊杆断裂后加固结构的受力性能与破坏模式;讨论了精轧螺纹钢筋预紧力、开孔钢板厚度和材质对强健性加固结构受力性能的影响。研究结果表明:采用钢管桁架加劲纵梁加固悬吊桥面系后,长(短)吊杆断裂时桥面系最大竖向位移与应力分别降低了1.30(1.31)和3.31(1.99)倍,与断裂吊杆相邻的吊杆的最大索力降低了1.25(1.25)倍;在弹塑性阶段,钢管桁架加劲纵梁加固结构的开孔钢板发生弯曲变形,横梁下排植筋破坏,达到极限荷载时,中间下侧加劲钢板与开孔钢板间的焊缝发生断裂,随后下弦管与开孔钢板间的焊缝出现开裂而丧失承载能力;精扎螺纹钢筋合理预紧力为50 kN,开孔钢板合理厚度为20 mm;开孔钢板的材质从Q235提高至Q345时加固结构极限荷载增加了11.9%,说明提高开孔钢板的材质强度可有效提高加固构造的极限承载力。综上所述,采用钢管桁架加劲纵梁加固中、下承式拱桥悬吊桥面系可有效增强其强健性。      

温差对大跨度拱桥成拱状态影响分析

针对大跨度拱桥合龙温差的问题,以新龙门大桥工程为依托,借助ANSYS有限元程序建立分析模型,开展了合龙温差对大跨度拱桥成拱线形、应力及承载力影响的分析.结果表明:合龙温差对合龙段线形、上弦杆拱脚截面应力、下弦杆拱顶截面应力都有显著影响.当合龙温差大于22℃时,为保证成拱线形及应力处于合理范围内,需要在合龙前采取调整措施...     

拱型刚架桥力学性能研究

以一拱型刚架人行桥为基础,采用有限元分析方法,用ANSYS通用程序建立多个不同参数的空间三维实体模型,计算并分析了不同矢高、不同斜腿倾角对拱型刚架桥受力性能的影响,画出对比分析图,对相关工程设计提出了一些建议.     

石拱桥加固方法及力学行为研究

分析石拱桥加固可行性及结构耐久性,提出一种新的复合式加固方法:用L形钢筋混凝土肋加固主拱。在对拱桥结构受力性能、加固维修方法进行广泛调查和归纳总结的基础上,以重庆市涪陵大溪河大桥为依托工程,分析其结构加固改造和施工方案,并对石拱桥主拱加固过程进行有限元分析及石拱桥加固前后的受力性能进行阐述。     

浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法, 设计了三维地质力学模型试验, 通过设置3种积水范围冻胀试验工况, 观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况; 改进了局部存水冻胀数值计算方法, 建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型, 对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律, 进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制, 评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明: 局部存水冻胀具有显著的区域性特征, 衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处, 冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应, 衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝; 衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶, 衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大, 局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化; 不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1, 满足抗压检算要求; 拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1, 不满足抗拉检算要求, 实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治; 揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。