公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究

论文以公路隧道为研究对象,取Ⅳ级围岩,利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值模拟,分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征.在此基础上,针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不足,提出一种双孔支护方案,并进行了较系统的数值模拟.研究结果表明:环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法,双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形,为隧道的设计和施工提供一种新的思路.     

地质雷达在风火山隧道病害检测中的应用与结果分析

青藏铁路全线开通运营以来,对处于高寒地区的永久冻土隧道之一的风火山隧道的质量状态首次进行了无损检测。风火山隧道处于高寒永久冻土区,隧道全部处于冻岩中,两端洞口主要为砂岩与泥岩,并且为富冰冻土。受到季节性冻融的影响,隧道病害比较突出,主要表现为衬砌裂缝,漏水涌水,衬砌酥松剥落。为了准确地掌握风火山隧道衬砌结构质量状态,本文首次应用于风火山隧道衬砌结构的质量检测。该检测设备一改传统破坏式的检测方法,具有快速、简捷、无损、灵活的特点。通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,查明衬砌背后存在的空洞和回填不密实区域。检测结果表明,隧道在高寒恶劣环境中,衬砌总体外观质量尚好,但是在两端洞口段有渗水现象; 衬砌背后空洞缺陷等级为严重地段测线长度为20m,等级为极严重地段测线长度为98m; 衬砌背后回填不密实缺陷等级为严重地段测线长度为41m,等级为极严重地段测线长度为33m。检测结果与实际病害情况基本相符。     

爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

金属板结构疲劳损伤二倍频兰姆波检测方法研究

针对重大基础设施安全运行需要,本文进行了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波检测方法研究。基于兰姆波二次谐波产生条件,确定了产生二次谐波积累增长效应的两种兰姆波模态及对应的激励频率。通过有限元仿真,研究了材料性能改变对兰姆波非线性效应的影响,证明了二倍频兰姆波非线性系数对材料性能退化表征的有效性。在此基础上,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波检测实验研究。将极性反转方法应用于疲劳试件检测实验中,有效提高了检测信号中二倍频兰姆波的幅值和信噪比。实验结果表明,两种兰姆波模态对的二次谐波非线性系数均随疲劳损伤增加呈线性增长趋势,但基频S(0,2)模态和二倍频S(0,4)模态对对疲劳损伤检测的灵敏度更高,更适合金属板结构疲劳损伤检测。     

一种新的结构损伤识别试验方法研究

提出在构件上增设附加质量来模拟结构损伤的试验方法,证明了质量增加与刚度降低的等价关系.以简支梁为例,给出了采用附加沙袋法、悬挂质量法两种附加质量方式模拟结构损伤的具体试验方案,完成了多工况下简支梁附加质量模拟结构损伤的动测试验.通过试验验证了本文所提方法的正确性,得出了在梁构件上采用附加沙袋法可准确模拟出不同损伤位置、...     

基于固有频率向量的结构损伤检测方法

基于损伤前后结构固有频率的变化,引入了固有频率向量及固有频率向量置信准则的概念,提出了基于固有频率向量的结构损伤检测方法.首先建立完好结构的有限元模型,并模拟出结构的若干种损伤模式,分别求出完好结构与各损伤模式结构的固有频率向量,从而构建出结构损伤特征数据库,随后对具有某种未知损伤的结构,根据该结构的固有频率向量与损伤数据库中每一个固有频率向量之间的相关程度--固有频率向量置信准则,由最大置信准则来判定对应的损伤模式.应用该方法对一个八层剪切空间框架模型的损伤进行了仿真检测,对于无测量误差的情况,在任何一层的支柱损伤大于最低可检损伤的情况下,都能准确的检测出损伤的位置及程度;考虑了固有频率测量的随机误差之后,应用损伤检测概率进行评估,该方法也具有较高的损伤检测概率.     

冲击回波法对混凝土内部损伤检测的试验研究

通过预加荷载给混凝土试件内部引入一定程度的损伤,分别测量了损伤前后试件内部弹性波的传播速度以及抗压强度,探讨了弹性波波速的降低程度与抗压强度劣化之间的关系。研究表明:在MEM卓越周期图中,主要峰值数量增加和底部边界面反射信号周期加长可作为判别损伤产生的依据;弹性波波速与混凝土内部的损伤程度具有很好的相关性,混凝土损伤程度越大,波速降低值越大;弹性波波速降低程度与抗压强度劣化之间具有线性相关性。根据试验数据拟合出了线性方程。说明采用冲击回波法对混凝土内部损伤程度检测是可行的,在混凝土结构的可靠性与安全性分析方面具有广阔的应用前景。     

基于仿射算法的深部隧道衬砌力学状态区间分析

根据深部地层隧道结构物理、力学参数信息资料缺乏及各类不确定性模型的特征,揭示了区间模型于深部地层隧道工程不确定性分析的优越性。将限制条件少、适用范围广的链杆模式的矩阵位移理论与响应面思路结合,提出了衬砌结构力学状态参量解析式的搭建方法,并进一步推导出了基于仿射运算的响应面函数矩阵表达形式及其区间上、下界计算公式,构筑起基于矩阵表达的响应面函数区间仿射运算模型。将区间离散逐步逼近规则引入,建立了该模型的优化求解方法。利用该模型及方法分析了某衬砌墙脚轴力及拱顶弯矩分布区间,与蒙特卡洛法计算结果比较,显示本文模型及方法有效地克服了经典区间方法在复杂状态函数中的扩张和溢出这一致命缺陷,提高了准确性和计算效率,分析结果精确度满足工程使用要求。     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时,常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力,但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时,该方法难以适用.鉴于此,基于Drucker-Prager屈服准则,推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用,即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地,考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响,引入刚度折减系数,并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后,通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%,稳定期围岩压力比数值计算值大5%,可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究

针对既有铁路隧道底部病害严重的现状，采用模型试验方法对该问题进行了研究。试验中主要对不同隧道铺底工况进行疲劳试验，以了解不同铺底工况疲劳裂纹的出现时间、扩展情况以及使用寿命等，同时对作用于铺底结构上的压应力及弯应力也进行了测试。试验结果表明，在机车轴重荷载作用下，作用于隧道铺底结构顶面的竖向压应力基本在0．2MPa以内，而铺底底面的弯拉应力一般在0．8MPa以上，铺底结构属于受弯破坏；另外，通过试验得到了20cm厚钢筋混凝土的隧道基底结构更优的结论。在试验成果的基础上，对隧道铺底结构的受力状态及其计算方法进行了探讨。     

一种新的小波及其在结构损伤检测中的应用

结构受冲击将引起某些部位的震荡、裂纹甚至断裂,从而导致结构刚度下降.此时振动信号会出现奇异性或携带突变信息,而这些突变信息反映了结构的损伤情况.加之冲击信号测试环境一般较为复杂,环境噪声对测试存在一定的影响.然而,利用合理的小波变换技术去噪可以识别出损伤情况.本文通过对冲击振动的信号特性进行分析构造了一种新的基本小波,并论证了该小波的基本特征.最后运用小波分析的信号奇异检测理论结合实例将该小波用于冲击振动仿真分析中.计算结果表明,利用该小波进行结构损伤信号分析能清晰地识别结构损伤的时刻.采用该小波函数的构造方法,可避免通常采用Daubechies系列小波作为信号分析而要繁琐地选择不同小波函数的过程.     

小波变换特征提取的复合材料损伤检测

论述了小波变换及其快速算法，基于小波变换的波形模量极大点来构造全局的相似性度量，并将此应用于复合材料损伤类型的检测     

光纤光栅传感网络应用于玻璃纤维复合材料构件损伤检测的试验研究

将光纤光栅传感网络埋入玻璃纤维复合材料试件后,通过无损试件与有损试件的准静态弯曲对比试验研究,分析了测量过程中反映损伤位置以及损伤程度的光纤光栅参数。然后使用ANSYS有限元软件对其进行数值模拟计算,并将数值模拟的结果与试验测得的结果相对比,验证了应用光纤光栅传感网络利用准静态加载方法测量损伤的可行性以及准确性。本文研究结果可为利用FBG光纤传感网络对实际工程中复合材料结构的在线健康监测提供实验基础。     

金属疲劳剩余寿命预测模型的一种探索

利用基于热力学的非线性连续疲劳损伤理论，考虑应力幅带来的非线性累积效应，理论上探索了金属电阻变化率与疲劳寿命的关系。提出了用电阻变化率进行疲劳损伤剩余寿命分析的模型。并通过电阻变化测定实验，验证了理论模型。为金属疲劳剩余寿命的预测提出一种理论模型和新的实践方法。     

Bi-2223/Ag高温超导带材内部结构损伤演化及力学性能研究

在北京同步辐射实验室X光形貌站,采用X光透射成像技术,对Bi-2223/Ag高温超导带材内部结构以及在载荷作用下的损伤演化过程进行研究,分辨率约为5μm。实验结果表明:在带材的线弹性段,超导芯存在微裂纹损伤,但未形成端面的穿透性裂纹;当带材进入塑性流动区后,损伤明显加剧,贯穿性裂纹阻断了电流通道,材料失去超导性。     

编织复合材料的冲击损伤与断裂行为研究

本文利用冲击加载实验装置对含V型裂纹碳纤维编织复合材料梁的冲击损伤与断裂行为进行了实验研究,记录了冲击载荷的时间历程,梁的动态位移变化以及裂纹尖端损伤的动态应变演化历史,确定了裂纹尖端的应变能密度分布。并利用扫描电镜对其断裂表面进行了微观分析。     

飞行器船尾设计对亚声速底阻影响及风洞试验验证

减小阻力尤其是底部阻力,是飞行器增加航程的重要手段,而船尾布局则是减小底部阻力的有效措施。为研究船尾修型设计在亚声速段对飞行器阻力的影响规律,对某飞行器外形开展船尾修型设计并进行数值模拟,分析了不同船尾形状和船尾角度对飞行器阻力的影响情况,并开展了风洞试验验证。结果表明,船尾修型设计可以有效减小底部阻力;船尾采用曲线过渡的减阻效果优于直线过渡;在限定船尾过渡段尺寸(轴向长度80 mm、法向高度40 mm)的情况下,船尾角度超过45°的修型设计,对底部的减阻效果更为明显;风洞试验结论与数值分析结果一致。     

风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究

为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度,本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃,利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性,通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题,并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法,分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内,同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘,且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃,放置角度越大,灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间,灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础,并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．     

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

蜂窝夹层复合材料老化强度与疲劳性能的试验研究

本文对蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验进行了研究。通过对该材料在老化前后的拉伸、压缩、面内剪切机械性能测试,以及在不同应力水平下的疲劳试验,分析试验结果,得出了标准老化环境对试件的拉伸、压缩承载能力影响不大,而蜂窝夹芯的排列方向对面内剪切试件的强度和疲劳寿命将产生一定的影响等一些对实际工程应用的问题有参考价值的结论和看法。本文还就蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验中的一些试验方法、试件的破坏形式、试验件的胶接方法进行了探讨。