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关键词： 步履式顶推   计算分析   变形   应力  

摘要： 以大跨简支钢箱梁步履式顶推施工为工程背景，采用midas Civil有限元软件对整个顶推施工过程导梁、主梁结构的受力进行计算分析，并对导梁、主梁不利位置处的变形、应力进行监控，通过理论计算与监测结果对比分析表明：在整个顶推过程中，导梁、主梁的变形实测与理论趋势差异较大，主要顶推过程中会存在千斤顶落顶垫高、现场环境温度等因素的影响。但导梁、主梁的变形在施工容许变形范围内，应力未超材料容许限值，结构处于安全状态，桥梁在整个顶推施工过程均处于有效的监测控制中。

关键词： 大跨度斜拉桥   纵飘   塔偏   内力   应力  

摘要： 近年来,我国基础设施建设得到了飞速发展,斜拉桥由于其卓越的跨越能力和良好的受力性能在交通运输中扮演了十分重要的角色。在斜拉桥的设计计算中,除却结构体系、边中跨比、主梁主塔刚度、辅助墩位置和数量之外,主梁的纵飘对斜拉桥的受力性能也有较大影响。本文以韶州大桥、石首长江公路大桥、赤石特大桥为工程背景,建立有限元计算模型,研究了不同种类斜拉桥主梁纵飘对其整体受力性能的影响规律,本文主要研究内容如下:(1)介绍了国内外斜拉桥的发展及研究现状,总结了斜拉桥的相关计算理论,如静力计算理论、非线性计算理论、混凝土收缩徐变理论和有限元计算理论,为后续斜拉桥受力性能的研究奠定了理论基础。(2)基于有限元理论,以韶州大桥为工程背景利用有限元软件BDCMS建立全桥模型,对不对称独塔混合梁斜拉桥在有无支座摩擦力状态下,对体系转换、铺装桥面系及主跨布置汽车荷载工况下产生的主梁纵飘进行分析。计算结果表明对于独塔斜拉桥,考虑支座摩擦力后主梁纵飘大为减小,且纵飘与塔偏有较强的关联性,对结构其他受力性能的影响相对于塔偏而言没有那么突出。(3)利用有限元软件BDCMS建立石首长江公路大桥全桥模型,对不对称双塔混合梁斜拉桥的纵飘性能进行研究。计算结果表明对于双塔斜拉桥,主梁发生纵飘后,主塔依旧可能有较大的不平衡水平力,双塔斜拉桥主塔可以通过斜拉索索力设置预偏,独塔斜拉桥则需要水平约束才能利用斜拉索索力设置预偏。对于双塔斜拉桥,纵飘对结构受力性能的影响规律与独塔斜拉桥存在一定差异。(4)针对预应力混合梁多塔斜拉桥成桥后由于收缩徐变的影响,主塔会向中跨产生较大的偏位的问题。通过主梁纵飘与主塔塔顶偏位关联性较高,对标高、索力等影响相对较小这一结论提出利用主梁纵飘调整塔偏的方法。以赤石特大桥为例,对这一方法的可行性进行分析研究。结果表明,利用纵飘调整主塔塔偏这一方法是可行的。

关键词： 储油罐   高寒地区   有限元方法   空载越冬   应力分析  

摘要： 根据本人多年的工作经验,按照储罐的建设要求和油库的生产规划,新建成的储罐有可能冬天投产,亦有可能越冬后再投产。在役储罐由于检修等原因,也有可能发生空罐越冬的情况。在东北高寒地区,环境温度的巨大变化有可能对储罐本体,尤其是储罐基础的安全可靠性造成不良影响。因此,有必要对储罐在空罐越冬情况下的安全性进行评价分析,明确空载储罐安全越冬的影响因素。本文在归纳高寒地区冬季气候特征基础上,分析低温、温度骤降和地基土冻胀对空载储罐产生的影响。采用有限元方法建立储罐有限元模型,以罐体结构强度为依据,研究温度环境对空载储罐应力的影响,获得了空载储罐在0℃、-15℃、-30℃、-45℃、-60℃环境温度下,储罐本体关键部位的应力场;并且研究了 24小时内在温度骤降10℃、15℃、20℃、25℃情况下,储罐本体关键部位最大应力,最终确定低温环境条件和温度剧变对罐体结构的安全性影响。同时,给出储罐地基土冻胀判别标准,施加20mm、30mm、34mm、35mm位移,计算出地基土冻胀后罐体的应力分布状态,确定地基土冻胀极限值,并对储罐空载越冬安全保障措施进行研究。研究结果表明,在高寒地区低温环境和温度骤降情况下,空载储罐中幅板、边缘板、第一圈壁板、人孔的最大应力均小于允许应力,因此空载储罐越冬不会对罐体结构造成损坏。针对低温环境可能造成地基冻胀,当罐体局部变形不超过34mm时,整个储罐处于安全状态。罐体局部变形超过34mm时,底板的应力超过了许用应力,底板将会发生塑性变形,随着变形的增大,底板将会破坏,此时壁板的应力很小,主要的破坏发生在罐底边缘板处。基于以上研究结果,提出对于空载储罐,可在罐底板铺设珍珠岩等保温材料,增加对罐底基础的保护,在空载罐罐底板铺设5至10厘米的珍珠岩是保温效果和经济投资是最优的厚度。

关键词： 白鹤滩水库   诱发地震   水库地震   地震精定位   震源机制解   应力场  

摘要： 金沙江下游白鹤滩水库是世界上第二大水库,水库坝高289米,库容高达206.27亿立方米,设计最高水位825米,是一座仅次于三峡水库的高山峡谷型高坝大库容水库。白鹤滩水库坝址位于川滇菱形块体东部边界,多条晚第四纪以来活动的大型构造断裂带——四开交际河断裂、则木河断裂和小江断裂等在库区范围内交汇,区域构造背景十分复杂,历史地震频发。因此,白鹤滩水库蓄水后的地震危险性不容忽视。2013年以来在库区布设了密集水库地震监测台网,以全过程监测白鹤滩水库蓄水前后的地震活动及其变化。大坝2021年4月6日下闸蓄水,坝前水位由658.44 m至2021年9月30日上升至目前的最高水位816.61 m,水位抬升了158.17 m。本文基于高密度观测台阵数据采用三维速度模型开展白鹤滩大坝蓄水前后的地震精定位,获得了水库区高精度地震定位结果,采用高频波形匹配方法,获得了白鹤滩大坝附近207次ML≥2.0地震的震源机制解,分析蓄水前后地震活动规律和水库地震特征和成因,为水库地震研究积累前所未有的高精度、全过程观测成果。通过结合地震活动特征、震源机制解和应力场及地质背景和蓄水水位变化情况,得到以下结论:（1）白鹤滩水库蓄水导致库区范围内的地震活动发生了显著变化。蓄水前地震主要受区域应力场控制,沿断裂带分布。蓄水后在金沙江主干道的库段I、II和黑水河支流的库段VI出现了显著地震活动。（2）截至2021年12月31日,记录到库区发生地震7401次,其中ML3以上地震12次,最大为2021年12月21日发生在四川宁南骑骡沟镇ML3.9地震。库区地震月频次由蓄水前的不到80次,上升为500次以上,2021年10月达到1200次。（3）蓄水后地震活动丛集特征显著,震源深度优势分布在10 km以内,各丛集条带的响应时间和强度不同,但b值均大于1。（4）蓄水后库区微震集中活动区域正断型地震事件明显增多,机制解反演得到的地震破裂面优势展布与当地的主要构造或断裂带方向一致,显示出受局部构造环境的控制。（5）3个微震活动库段最大主压应力轴均近于直立,最大主张应力轴方向SSW向,近水平。表明蓄水后微震发生区域呈现出垂直压应力和水平拉张应力场作用。本阶段地震的发生大多与水库蓄水载荷急剧增加和水位大幅度调整导致的库岸边坡或库区节理、裂隙、小尺度构造等受到的弹性应力相关,与位于其下游的溪洛渡水库在蓄水初期的特征一致。（6）由于水库蓄水对周围地震地质环境的持续影响,结合库区复杂的构造背景及历史强震背景,需密切关注未来库区发生中强地震的可能。

关键词： 煤岩   渗透率   应力   滑脱效应   吸附膨胀/收缩  

摘要： 煤层气是煤矿开采时的伴生能源,不仅具有高效清洁的特性,还具有一定危险性,威胁煤矿安全开采。提高煤层气开发利用效率不仅可以保证能源充分利用,还可以减少环境污染,确保采矿安全。煤岩渗透率是反映煤层气储层内气体流动的关键参数。随煤层气资源开采深度增加,储层应力、滑脱效应和基质吸附膨胀/收缩的变化将会影响煤层气的流动,导致煤岩渗透率发生动态变化。因此,探究孔隙压力、基质吸附膨胀/收缩、外应力和滑脱效应对煤岩渗透特性的影响,对于提高深部煤层气开采效率和防治煤矿煤层气灾害具有深远的意义。本文以重庆松藻煤矿和山西晋城寺河煤矿的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置分别进行不同外应力（轴压、围压）下孔隙压力升高和降低的煤岩渗流试验和不同孔隙压力下外应力升高的煤岩渗流试验。采用试验与理论相结合的方法,深入探讨不同应力边界条件下的煤岩渗透特性及其影响机制。主要取得了以下研究成果:（1）分别开展不同外应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩双孔隙结构介质的特性,结合考虑升压过程中煤岩力学性质、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素,构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。然后通过引入修正函数L（p）,进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况,以探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制。（2）分别开展不同孔隙压力条件下外应力升高的渗流试验。基于表面自由能的变化,引入弹性模量折减系数Rm表征吸附变形方程,并分析CH4或CO2注入时的煤岩吸附变形规律。然后,基于应力-应变的关系,通过广义胡克定律推导一个基础渗透率模型,并将其发展为三个特定边界条件的渗透率模型。通过试验数据从各角度验证模型的合理性,以探究不同应力边界条件下的煤岩渗透特征及其影响机制。（3）基于双孔隙渗透率模型,推导基质滑脱系数和裂隙滑脱系数动态方程,并建立考虑动态滑脱效应的煤岩双孔隙渗透率模型。通过本文孔隙压力升高阶段的试验数据对新建渗透率模型进行验证,以揭示应力作用下滑脱效应的动态演化及其与煤岩渗透特性的响应机制。

关键词： 激光增材制造   GH4169高温合金   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 激光增材制造技术是一项基于逐层堆积原理的新型制造技术,因其可大幅降低复杂零件的加工难度和快速修复零件损伤,目前在航空航天、汽车制造、船舶、轨道车辆和生物医疗方面都有不同程度上的应用。然而增材制造过程中激光和金属材料的相互作用极其复杂,仅通过试验手段难以准确测量熔池温度以及由温度变化引起的应力值。因此采用计算机仿真方法探究温度场和应力场的分布规律以及辨析不同条件下工艺参数对温度场和应力场的影响具有重要意义。本文基于顺序热力耦合方法,应用ABAQUS软件对GH4169高温合金激光增材制造过程中热力学量的演化与分布规律进行数值仿真研究,主要研究内容如下:首先,建立单道单层同轴送粉激光增材制造有限元模型,通过数值仿真所得熔池与试验熔池尺寸的对比,验证了数值仿真方案的正确性、合理性。在此基础上,讨论了沉积层两侧与基板结合处的温度历程变化,讨论了横向、纵向温度梯度的分布变化规律,讨论了增材过程中应力演变和冷却后残余应力分布变化规律。其次,分析了激光扫描速度和基板预热对沉积层两侧与基板结合处的温度历程变化的影响,分析了对横向、纵向温度梯度变化规律的影响,分析了对增材过程中应力演变和冷却后残余应力分布变化规律的影响。最后,基于单道单层的数值仿真结果,分析了方形和弧形沉积层数值仿真结果差异,结果表明不同沉积层形状对残余应力无影响。在此基础上建立了单道多层有限元模型,分析了单道多层增材过程温度场和应力场的分布规律,还讨论了第四层不同的激光扫描方向对温度场和应力场的影响。本文建立的有限元模型可以合理有效地模拟不同工艺参数下激光增材制造过程中温度场和应力场的分布规律,对实验工艺探究有一定参考价值,有助于推动激光增材制造研究的发展。

关键词： 青藏高原东北缘   滇西南   多尺度球面小波法   应变率场   区域阻尼应力反演   应力场   各向异性   深浅部构造形变  

摘要： 地震大地测量学开启了精确测量和研究现今大陆形变动力系统演化及其地震行为的新篇章,GNSS越来越多的应用于地壳运动和形变的监测。研究地壳运动和形变对理解一个区域的构造活动特征和动力学机制具有重要的意义。但仅依靠GNSS观测资料研究区域的形变特点是不够的,结合地壳岩石圈的应力场和各向异性资料厘清岩石圈深浅部形变特征,可以更加清晰的认识区域动力学机制和其孕震环境。本文从应变率场和应力场对比分析的角度,并且结合地震各向异性的资料,对地震频发的青藏高原东北缘和滇西南地区的岩石圈深浅部构造形变特征进行研究。对于青藏高原东北缘地区,本研究基于研究区中国地壳运动观测网络GNSS数据,并收集了前人发表的GNSS速度场数据,通过数据融合给出了最新的GNSS速度场。采用多尺度球面小波方法计算应变率张量,分析主应变率、面应变率和最大剪应变率的空间分布特征。应变率结果显示了青藏高原东北缘大部分区域表现出轻微的面压缩,面压缩率小于15 nstrain/yr,面压缩率较高的区域集中在青藏高原东北缘的边缘地区,其中祁连山断裂带和海原断裂带区域的面压缩大于20 nstrain/yr。在东昆仑断裂带、祁连山断裂带和海原断裂带和六盘山断裂带南段有较高的剪应变率,最大约为40 nstrain/yr。同时,收集了青藏高原东北缘1904-2021年的震源机制解,通过区域阻尼应力反演方法得到了该区域的应力场。最大主应力的方向和主应变率方向基本一致,显示出35°N以南的区域挤压方向表现出顺时针旋转的特点,大部分区域表现为东西向的挤压,而35°N以北的区域挤压方向表现出逆时针旋转的特点,大部分区域表现为东北向的挤压。根据最大、最小主应力的倾角对区域内的正断、逆冲、走滑区域进行了划分,发现青藏高原内部的大部分区域和六盘山断裂的北段区域表现出走滑的运动特征,而祁连山断裂带和海原断裂带、西秦岭断裂带以南的区域表现出明显的挤压逆冲的运动特点,与应变率场显示的面压缩率的高值区域较为重合,这些区域剧烈的形变和较强的地震活动性是青藏高原向东北方向扩张形变受到较为坚硬的阿拉善地块、鄂尔多斯地块和华南地块的阻挡的结果。对于滇西南地区,本研究首先对在红河断裂19个新建的GNSS站2018～2021年的观测数据进行高精度解算,结合该区已有的GNSS资料,给出滇西南地区最新的GNSS速度场。然后采用多尺度球面小波方法计算应变率张量,分析主应变率、面应变率和最大剪应变率的空间分布特征。结果表明:滇西南地区以近北北东向的挤压为主,面压缩率为～10 nstrain/yr。近东西向断层表现为左旋走滑,近南北向断层表现为右旋走滑,在黑河断裂和无量山断裂之间的区域有明显的面压缩与面膨胀转换,畹町断裂、龙陵-瑞丽断裂东部、南汀河断裂东部、黑河断裂、澜沧断裂和小江断裂跨过红河断裂延伸到孟连、孟兴断裂区域具有较高的剪应变率,最高达到50 nstrain/yr。基于GNSS速度剖面分析红河断裂的活动特征,结果显示出红河断裂中段和南段的走滑速率分别为2.45±0.46 mm/yr和0.72±0.24mm/yr,分别具有少量的挤压和拉张运动。收集研究区1976-2020年的震源机制解,采用区域阻尼应力反演方法反演应力张量,并解算反映主应力相对大小的R值分布,反演结果表明滇西南地区受到北北东向的主压应力作用,该区整体上处于走滑应力状态,而大盈江断裂东部腾冲火山附近的南北向断层存在正断兼斜滑的特点。滇西南地区的主应力大小在空间上具有明显的差异性,南汀河断裂以南是主应力最大的区域,其走滑特征也更加明显。此外,本研究还收集研究区内地震波各向异性数据,分别对比主应力方向和主应变率方向的夹角、主应力方向和Pms快波偏振方向的夹角、主应力方向和XKS快波偏振方向的夹角分别得到地表和中上地壳、中上地壳和下地壳、下地壳和上地幔构造形变的差异性,发现滇西南地区总体上存在下地壳和上地幔的解耦,同时发现在龙陵-瑞丽断裂、南汀河断裂,孟连断裂附近的下地壳和中上地壳之间形变存在差异,表明该区域下地壳与中上地壳发生解耦,可能存在下地壳热物质流动通道。

关键词： 数字光弹性法   相移法   等倾角相位图   等色线相位图   应力分析  

摘要： 光弹性法通过受力模型中产生的干涉条纹来判断模型内部的应力分布情况,它是一种非接触全场性应力测量方法。上世纪80年代,研究人员将计算机技术和数字图像处理技术应用于光弹性中,出现了数字光弹性法。数字光弹性法的研究重点是实现光弹性参数自动化获取和应力分离自动化,而获得良好的光弹性参数对于应力分离起着至关重要的作用。传统相移法获取光弹性参数时,在等倾角相位图中会出现噪声。这是由于单色光入射时,在该区域等倾角参数未定义。为了获得更加准确的光弹性参数,本文提出了改进的十步相移法。将四步彩色相移法与六步相移法结合起来,用四步彩色相移法获取无噪声影响的等倾角相位图,将去包裹处理后的第一主应力方向角θ值用于六步相移法中获取等色线相位图。经过处理后可以得到全场的第一主应力方向角θ值和相位差δ值这两个重要的光弹性参数。本文对改进的十步相移法进行了实验仿真,利用对径受压圆盘理论公式重建了实验条件下的应力光图。设计去包裹算法对等倾角和等色线相位图进行处理,得到了[-π/2,π/2]范围内的第一主应力方向角θ值和全场的条纹级数N值。通过剪应力差法进行应力分离后,获得了全场的正应力σx、σy和剪应力τxy值,并将仿真应力光图处理结果和应力分离结果与理论值进行了对比分析。最后对改进的十步相移法进行了对径受压圆盘光弹性实验,拍摄了对应光场的10幅应力光图,通过设计的算法处理得到光弹性参数。应力分离后获得了聚碳酸酯圆盘内部全场任意一点的应力分布情况,最后将应力分离结果与理论值进行了对比分析。通过仿真实验应力分离结果与理论值的对比,当对径受压圆盘直径D=30mm,厚度h=5mm,径向载荷P=300N,材料条纹值fσ为7.2222N/（mm·条）时,除应力集中区外,全场的正应力σx与理论值的平均误差为6.32%,正应力σy为3.18%,剪应力τxy为0.14%。对光弹性实验的应力分离结果与理论值进行对比,当聚碳酸酯圆盘直径D=50mm,厚度h=5mm,径向载荷P=300N,材料条纹值fσ为8.0000N/（mm·条）时,除应力集中区外,全场的正应力σx与理论值的平均误差为7.48%,正应力σy为4.67%,剪应力τxy为0.33%。

关键词： 沥青路面   有限元   温度场   应力场   车辙预估   高温性能  

摘要： 随着交通量的逐年增长,许多沥青路面在建成不到数年便出现了不同程度的车辙损坏,严重影响了道路的服务质量。现行规范将车辙深度作为路面设计控制指标,并基于力学经验法提出了沥青层永久变形预估模型,这对于路面车辙防控具有十分重要的意义。但是该模型对于应力的考虑过于简化,通常仅采用20℃条件下沥青混合料的动态模量去计算路面各层位竖向压应力,这与路面实际受力情况显然不同。在温度与荷载的耦合作用下,路面应力场实际是处于不断变化的状态,所以在建立车辙预估模型时,应当充分考虑路面应力随温度变化的特点,从而达到合理预估车辙的目的,本文开展了考虑温度与应力变化的沥青路面车辙预估研究,包含以下方面:(1)通过有限元建立沥青路面温度场模型,对长沙地区高温代表日和中高温月份内的路面内部温度变化规律进行分析,并根据温度场实测数据对数值模拟结果可靠性进行验证。(2)根据动态模量预估模型及温度场模拟结果,对长沙地区中高温月份模量场变化特征进行分析。然后通过有限元建立沥青路面模型,将不同时刻下的模量场数据分别导入模型中,对沥青路面应力场变化规律进行分析,并提出竖向压应力修正因子,对路面典型层位竖向压应力进行修正。(3)进行三轴动态蠕变试验,对不同温度、不同荷载大小、不同荷载作用次数下的沥青混合料永久变形规律进行分析,并结合标准车辙试验数据,确定了初始车辙预估模型。随后将竖向压应力修正因子引入初始车辙预估模型中,建立了考虑温度和应力变化的沥青路面车辙预估模型。(4)基于等效损伤原则,确定长沙地区中高温月份沥青路面各层位等效温度及等效压应力修正因子。其次,利用预估模型计算依托工程路面车辙深度,并结合旧路芯样实测数据,对路面车辙贡献率进行分析。最后提出了沥青混合料高温性能指标分层设计法,并根据本文车辙预估模型,推导各层位沥青混合料动稳定度建议值,建立了沥青混合料设计和沥青路面设计之间的联系,实现了路面设计效益最大化。

关键词： 复合材料   变厚度结构   固化变形   分区固化工艺   应力分析  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强的优点,在航空领域得到广泛应用。固化是CFRP构件制造过程中的关键环节。在固化过程中,受材料的热胀冷缩效应、树脂基体的化学收缩效应以及模具与构件之间的相互作用等因素影响,CFRP构件易产生固化变形问题。相比于等厚度构件,变厚度构件具有弯折的形状特点并且厚度变化区域为非对称铺层形式,导致其固化变形问题更为复杂。本文开展了变厚度碳纤维复合材料构件的固化变形预测与控制研究,主要成果如下: (1)对变厚度CFRP构件的固化变形进行了预测与分析。分析了变厚度层合板的几何建模要素,建立了考虑丢层结构的固化变形有限元模型,模拟了构件在均匀固化条件下的固化变形,通过实验验证了模型的准确性,探究了丢层方式、过渡区斜率和厚薄比对固化变形的影响。 (2)设计了面向固化变形控制的变厚度CFRP构件分区固化工艺。基于变厚度层合板的固化变形预测模型,结合复合材料的热传导方程,探究了厚度方向温度梯度和面内温度梯度对固化变形的影响,据此进一步设计了分区固化工艺并通过模拟结果验证了其控制固化变形的有效性。 (3)对变厚度CFRP构件的分区固化工艺进行了实验验证。利用分区加热膜和电阻加热平台,实现了变厚度构件的分区固化。相比于烘箱整体固化,分区固化构件的最大固化变形降低了20.8%。