随机荷载作用下刚性路面动态响应研究

为了研究车辆随机荷载作用下刚性路面的动态响应,基于ANSYS软件,应用1/4车辆模型,得出其在路面不平度激励下的随机荷载,简化了荷载的求解,建立了路面三维有限元模型,讨论了在随机荷载作用下结构层参数对路面动位移幅值及面层层底拉应力幅值的影响规律。结果表明,面层厚度和土基模量对路面动位移幅值影响最大,当面层厚度超过30 cm、土基模量超过60 MPa时,继续增大以上结构层参数路面动位移幅值不再有明显减少;当土基模量小于60MPa继续减少时,要实现路面动位移幅值的不变,需要增加的面层厚度幅度逐渐变大;面层模量及厚度对面层层底拉应力幅值影响最大。     

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究EI北大核心CSCD

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。     

径向软化成层土中单桩风机水平振动特性研究

基于多圈层平面应变土体水平振动模型,得到桩周土体径向软化水平动刚度的解析解。在此基础上,建立径向非均质成层土中桩基水平振动模型,利用传递矩阵法得到桩顶动刚度阵,采用等效固定梁模型将桩土系统耦合到风机仿真软件FAST 8中,对桩周土径向软化对风、波浪荷载作用下单桩风机水平动力响应的影响进行研究。结果表明:桩周土软化对桩顶动刚度影响显著,当土体模量衰减系数为0.25时,与均质土相比桩顶水平刚度降低28.66%;随桩周土模量衰减系数的减小,与均质土相比风机系统的1阶和2阶自振频率分别降低13.08%和16.67%;风机塔顶位移、转角的时程和谱响应表明桩周土土体模量衰减系数为0.25时,塔顶位移和转角的方差与均质土分别相差2.68%和1.37%,位移和转角响应谱峰值约为均质土的2.77倍和2.69倍。     

爆炸荷载下岩质边坡动力响应规律研究

为研究爆炸荷载作用下边坡岩体的动力响应变化规律,基于背景工程结合岩质边坡下部台阶爆破开挖进行现场振动监测,建立了岩质边坡动力响应数值计算模型,系统分析了边坡岩体质点峰值振速、应力场及位移场的变化和分布规律。结果显示:边坡坡顶处,质点峰值振速均随爆心距增大而衰减,且衰减速率随爆心距增加逐渐减小;边坡坡面上,相邻台阶上存在高程放大效应现象,局部放大系数达1.50;同一台阶外缘"鞭梢效应"显著,靠近爆源处台阶外缘质点峰值振速放大系数为1.46,"鞭梢效应"随高程增加逐渐减弱;台阶边坡坡脚处应力集中明显,坡形骤变对应力波动影响较大,受"鞭梢效应"影响,边坡台阶上质点峰值振速最大值与应力最大值出现位置无相关性。     

三轴循环荷载下岩石的变形及阻尼特性试验研究

对取自露天矿边坡的粗粒辉长岩,在MTS815岩石力学试验系统上进行三轴循环荷载试验,研究在三轴循环荷载下粗粒辉长岩的变形及阻尼特征,探讨在相同围压下轴向循环荷载周次对粗粒辉长岩动弹性模量、阻尼比的影响,及其相互关系;并分析在相同轴向振动荷载作用下,围压对动弹性模量和动阻尼比的影响,以及相互之间的变化规律。结果表明:在相同的轴向振动荷载作用下,动弹性模量和动阻尼比随围压的增加而逐渐增加;在相同围压和轴向振动荷载的作用下,当围压为3 MPa和4 MPa时动弹性模量随振动次数的增加逐渐增加,围压为2 MPa时动弹性模量随振动次数的变化规律不明显。在相同围压和轴向振动荷载的作用下,动阻尼比与振动次数没有明显的变化规律;在相同轴向振动荷载和振动次数作用下,动阻尼比随围压的增加逐渐变大。     

重载作用下公路路基及基层动应力测试研究

针对超载超限车辆引起的高速公路路面结构破坏问题，通过现场实测，对新建高速公路在重型交通车辆以不同载重、不同车速、通过不同车道时路基路面的动态响应（动应变、动应力）规律进行了研究。研究表明：在竖向上随着深度的增加动应力呈衰减趋势；随着车速的增加，荷载频率向高频方向移动，同一测点动应力极值呈总体减小趋势，其减小幅度与车速紧密相关；而随着车辆载重的增加，动应力同样增大，但前后轮下差别较大，且较深处（如路基顶面）增大幅度要小于较浅处（如面层底面）；车辆通过超车道时相邻行车道横向内均有动应变发生但数值较小，衰减迅速。     

振动荷载下路基的能量耗散率空间分布规律的研究

为研究振动荷载作用下的路基内部的能量状态分布,基于Parseval定理,分别以动应变/加速度为变量,推导建立了周期性和非周期性的路基内振动信号的能量耗散率计算公式;根据土体的动力互易性原理,进行了振动荷载下路基动力响应现场试验,利用试验测试结果,分析研究了该路基的能量耗散率空间分布规律。研究结果表明:①能量耗散率沿深度方向和水平方向均呈指数衰减。能量耗散率沿深度方向衰减相比沿水平方向的衰减更为显著,深度方向衰减系数为水平方向衰减系数的2.5~3.0倍;②能量耗散率在不同深度处沿水平方向的衰减规律基本一致,而不同水平位置处沿深度方向的衰减规律不同。距离振动点越远,能量耗散率沿深度方向的衰减越缓慢;③在该试验条件下,振动路基的能量分布范围为水平方向1.5 m和深度方向0.45 m,能量分布的水平范围约为深度范围的3.3倍,能量分布区域在空间上呈扁平的“海鸥”状分布。     

动载频率对土工格栅加筋土挡墙动力特性的影响

为研究加筋土挡墙在动荷载作用下的动力响应规律,利用自行设计的试验箱开展土工格栅加筋土挡墙大比例模型循环动载试验,分析加筋土挡墙在不同频率的循环动载作用下挡墙变形、动土压力以及动力加速度等参数变化规律,揭示动载频率对加筋土挡墙动力特性的内在影响机理。试验结果表明:加筋土挡墙累计(水平及竖向)变形随动载水平及频率增加基本呈台阶式线性增长,累计水平位移沿墙高呈上大下小趋势,累计沉降受动载水平的影响远大于动载频率;加速度峰值受动载频率、动载水平影响均较为显著,随动载频率增大而明显增大,随动载水平增大而减小;随着频率的增大,加大了动载振动能量,加速度有较为明显的增幅但对土压力和加筋土挡墙变形的影响微小;而随着动载水平的逐级增加,加筋土复合体不断振动压实使复合体的整体结构刚度不断变大,加筋土复合体的阻尼作用及由能量扩散引起的衰减最终导致加速度动响应逐渐变小。     

承载板测定土基回弹模量测试方法研究

分析承载板测定土基回弹模量的试验原理及具体操作,针对现行规范中对于试验应当加载至什么时候结束存在争议的问题。对土基顶面在行车荷载作用下的应力和位移进行了分析,确定了试验加载时的荷载标准,同时提出新的试验步骤。     

高铁荷载下准饱和分层地基环境振动特性研究

本文基于Biot理论,首次提出更符合软土地区的列车-轨道-准饱和地基的2.5维有限元理论。在验证本文程序的可靠性后,计算分析高铁荷载作用下车速对准饱和分层地基环境振动的位移、孔隙水压力和衰减规律的影响,对比准饱和与饱和地基的振动差异性。结果表明:当车速小于表层土体瑞利波速时,准饱和地基的环境振动位移时程曲线在轨道中心和远离轨道处均能观察到明显的列车轮轨分布,衰减曲线平滑,衰减较快;当车速大于表层土瑞利波速时,远离轨道的位移时程曲线变的模糊,衰减曲线具有波动性,衰减速率减缓。地表以下0.5 m处超孔孔隙水压力最大,车速250 km/h～350 km/h时超孔隙水压力随深度的衰减规律相似,当车速进一步提高到400 km/h时超孔压衰减曲线不再光滑,有较多折点。准饱和地基振动的竖向位移峰值大于饱和地基,而超孔隙压则相反。     

分数阶微分双参数黏弹性地基矩形板动力响应

基于弹性地基Pasternak双参数模型,利用分数阶微分得到黏弹性地基双参数模型,并在此基础上建立采用分数阶微分Kelvin模型的双参数黏弹性地基上弹性和黏弹性矩形板在动荷载作用下的动力方程;利用Galerkin方法和分段处理的数值计算方法求解四边简支的弹性和黏弹性地基板的动力方程,通过自由振动算例验证该求解方法的正确性;并分析冲击动荷载作用下分数阶微分Kelvin模型的分数阶、粘滞系数、水平剪切系数和模量参数对位移响应的影响。结果表明：分数阶微分黏弹性模型可以描述不同黏弹性材料的力学行为;分数阶取值0.5前后,矩形板位移响应值出现了不同的衰减发展形态;粘滞系数、水平剪切系数和模量系数取值越大,位移响应衰减速度越快。     

模块面板式土工格栅加筋土挡墙动态特性试验研究

为了研究模块面板式土工格栅加筋土挡墙在高速铁路列车荷载作用下的动力响应规律,分析其作用机理,结合室内模型试验进行了包括加筋土挡墙墙面变形、墙体加速度、动土压力、残余土压力及土工格栅拉伸应变等分布规律的研究。结果表明：墙面累积水平位移沿墙高呈单峰值分布,最大值位置靠近墙顶;挡墙内竖向加速度受频率影响较大,8 Hz时加速度出现大幅增长,加筋体内加速度沿墙高出现衰减;动土压力主要受荷载幅值及加载次数的影响,在加筋体内沿墙高逐渐衰减,垂直动土压力的衰减速率逐渐增加,水平动土压力的衰减速率逐渐减小;随加载次数的增加,残余土压力逐渐增大,沿墙高墙体中部的残余土压力稍大;筋材累积应变随加载次数的增加略微减小,沿筋长呈单峰值分布,峰值位置距墙脚水平距离从高到低逐渐减小。     

圆形洞室在径向非均匀荷载下的瞬态响应

基于弹性介质动力学理论,研究了圆形洞室在瞬态径向非均匀荷载下的动力响应。利用波函数展开法与Laplace变换法,并考虑圆形洞室内表面应力边界非均匀条件,得到单位脉冲荷载下圆形洞室二维空间中应力和位移场在时域内的数值解。并通过算例,分析了径向非均匀瞬态荷载下的波动特性以及剪切模量等因素对应力位移场在径向和环向上分布特征的影响。研究结果表明,随着时间推移环向应力与位移的振动响应均表现出异步性,峰值出现的位置随时间在0-π之间变化,发生极值旋转;无量纲时间t~*2时,径向应力发生明显衰减,而径向位移与环向响应在无量纲时间t~*8时,才出现明显衰减,径向应力的振动周期最小;剪切模量对洞室表面应力位移幅值有显著影响;在非均匀荷载作用下,非均匀处响应幅值明显大于其他位置,径向应力、位移响应大于环向,衰减速度也更快。     

重载铁路路基足尺模型试验研究

以朔黄重载铁路为工程背景,通过构建重载列车模拟加载系统和路基足尺模型,开展路基动力响应试验,分析了在循环加载条件下路基的动力响应特性。试验结果表明,路基中不同深度动应力峰值均随着轴重的增加而增加,轴重越大,动应力的影响深度越大,路基中动应力随深度的增加呈负指数衰减趋势。路肩处动位移峰值随轴重的增加而线性增加。当轴重增加到30 t后,路基达到临界破坏状态,可见按照原朔黄铁路路基建造标准,其最大运行列车轴重约为27 t,如再增加列车轴重,路基需预先采取强化措施。试验结果对建造运行列车模拟加载系统及足尺路基模型具有借鉴参考意义,同时有助于深刻理解列车轴重对路基动力响应特性的影响。     

不平整跑道激励下飞机起落架随机响应及可靠性分析

采用非线性二自由度系统构建了飞机起落架模型,通过时域噪声刻画了不平整跑道对飞机起落架系统的随机激励,并引入路面不平度系数描述了跑道的不平整程度;基于飞机起落架模型响应的概率密度函数及其统计量,开展了不平整跑道对飞机起落架系统影响规律的研究。应用随机可靠性分析方法以及人体振动舒适性理论,通过建立安全域和舒适域与系统响应之间的关系,分析了起落架模型在不同路面不平度系数下的可靠性,并对乘客舒适性进行了评价。研究结果表明：路面不平度系数越大,系统状态变量的波动越剧烈,系统的可靠性和舒适性与路面不平度系数呈一定的负相关性;在路面不平度系数较小的情况下,系统平均首次穿越时间以及舒适性受随机扰动的影响更加显著。     

移动荷载作用下三塔悬索桥的强迫振动研究

针对泰州大桥开展结构动力特性计算,分析了不同移动速度以及不同移动荷载大小对于三塔两跨悬索桥结构动力响应的影响。结果表明,三塔两跨悬索桥的一阶竖弯振动基频约为0.08 Hz,远低于载重汽车的固有频率,不会形成共振条件。简单的移动荷载作用下三塔两跨连续支承悬索桥的内力、位移响应与同等静力荷载作用效果比较接近。移动荷载的质量越大、速度越大,结构的内力、位移响应就越大,并与车重呈近似正比例关系。结构内力、位移的荷载放大系数不随移动荷载质量的大小而改变。     

浅水岸壁条件下脉冲荷载引起的粘弹性浮冰层位移响应

建立脉冲荷载作用下粘弹性浮冰层位移响应理论模型,在将浅水岸壁简化为缓坡、陡坡岸壁两种情况下,基于Fourier,Laplace,Hankel变换结合方法对该理论模型积分、数值计算。通过与均匀水深计算结果比较,验证理论模型及计算方法的正确性。分析脉冲荷载作用下水深、冰厚、岸壁斜度等参数对浮冰层位移响应影响。结果表明,水深增加时冰层位移响应幅值随之增加,但增加趋势变缓;冰层厚度减小时其位移响应幅值呈非线性大幅增长;岸壁斜度增加时冰层位移响应幅值增加,振动频率加快。浅水岸壁的存在及斜度增加可引起冰-水系统振动能量累积,使脉冲荷载能激励更大冰层变形响应。     

重载铁路引起地面振动的试验与分析

对重载铁路沿线在货物列车通过时引起的地面振动进行现场试验,测试了距离铁路7.5 m、15 m、30 m、60m、90 m处的地面横向和垂向振动速度,分析了振动速度的幅值和频率特性,得到货物列车引起地面振动的振源特性、传播特性以及轴重、列车速度与振动的关系。分析表明:货物列车引起的地面振动在5 Hz~10 Hz的范围内峰值明显;随着距离的增加,高频成分的衰减比低频更快。地面峰值振动速度(PPV)随着距离的增加呈幂函数衰减,在7.5m~15 m距离内振动峰值衰减显著。在7.5 m处横向和垂向峰值振动速度数值接近;在15 m及更远距离处,横向振动速度衰减比垂向振动速度快。地面横向、垂向峰值振动速度(PPV)随行车速度、列车轴重提高呈增大趋势。     

大跨度斜拉桥施工阶段抗风性能变化规律

大跨度斜拉桥是一种在风力作用下易发生变形和振动的柔性结构,其施工阶段结构抗风性能比成桥状态有所降低。采用数值模拟方法系统研究了大跨度斜拉桥单、双悬臂两大施工过程结构抗风性能的变化规律,包括结构动力特性及风致抖振响应。结果表明,随着单悬臂长度的增长,侧弯、扭转基频不断下降,侧弯基频降速较快,竖弯基频则在250m悬臂长度内呈现一个上升区段;随着双悬臂长度的增加,侧弯基频下降最快,竖弯和扭转基频下降速度呈现先变快后减慢的规律。当单悬臂长度在300m悬臂范围内,悬臂端部竖向抖振响应随悬臂长度基本呈线性增长;侧向抖振位移在200m悬臂长度范围内基本呈线性增长,超过200m之后,增速明显加快。当双悬臂长度在200m范围以内,抖振位移基本呈线性缓慢增长,当超过200m后,竖向抖振位移急剧增长,侧向位移增长速度亦加快,此时需充分考虑结构抖振响应对施工安全的影响。单悬臂端部抖振响应由主梁一阶模态起主要贡献,二阶模态亦有重要参与;双悬臂则以二阶振型,即对称振型起主要贡献。     

非完全粘结下饱和土中桩扭转振动的解析解

采用解析方法研究了桩土界面非完全粘结条件下饱和土中端承桩的扭转振动问题。利用Kelvin模型模拟饱和土层和端承桩接触面的相对滑移,与以往桩土界面连续性模型进行了对比。根据Biot波动原理,采用Novak薄层法推导了饱和土层对扭转振动桩的动力阻抗。将端承桩等效为Euler-Bernoulli杆模型,给出了桩顶动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应。通过算例分析了相对滑移和连续性两种模型条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的差异。结果表明:当外荷载激励频率较大时,完全粘结条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅小于滑移条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅。因此,采用非完全粘结条件模拟桩土接触面更为合理。