The monopile-friction wheel composite foundation is an innovative offshore wind turbines (OWTs) foundation type for its good bearing properties and anti-erosion advantages. The local scouring is a non-negligible challenge by moving surrounding soils away till even some engineering disasters. To explore this kind of unfavorable effects, we model the response of scouring to the bearing capacity of the composite foundation by means of laboratory flume tests. Furthermore, the influence of different loading sequences (i.e., T→H or H→T) is considered, and the failure envelopes are also obtained. On this basis, a 3D finite element model is established to investigate the impact of key scouring parameters and different loading point heights on the bearing capacity. The conclusions are as follows: local scouring can significantly reduce the bearing capacity; the scouring depth has the most significant effect, followed successively by the scouring angle and extent; compared with pure horizontal foundations, the ultimate torsional bearing capacity of the foundations under the combined T→H loading sequence decreases by about 1.95%–11.1%, while the horizontal bearing capacity under the combined H→T loading sequence decreases by about 0.82%–1% compared with pure torsional foundations; the loading point height has noticeable effects on the lateral resistance for the composite foundation.
Abstract Ganluo County is located in the southwestern part of Sichuan Province in China. It has strong geological tectonic movement, strong earthquake affected area and frequent debris flow disasters. There are two huge debris flows occurred in Zile Valley of Ganluo County in 1987 and 2019, a large amount of debris flow deposits went down the valley, destroyed the buildings at the mouth of the valley, causing huge property damage to local residents. In this regard, based on data of field survey and UAV aerial photography, the Arcgis and Massflow software were used to invert and analyze the movement characteristics of the debris flows occurred in 1987 and 2019, and the future activity characteristics of the valley are predicted. The results show that if the debris flow breaks out in the valley again based on the existing sources, the maximum mud depth will reach to 11.9m, the flow intensity will reach to 123.37m2/s, the total volume of material flushed out is 11.18×104m3 and the accumulation fan area is 6.925×104m2. However, after adopting reasonable engineering measures, the maximum mud depth is reduced to 8.5m, the flow intensity is reduced by 52.7% to 58.32m2/s, the accumulation fan area is reduced by 80% to 1.406×104m2 and the total volume of material flushed out is reduced by 75% to 2.75×104m3. This shows that the use of retaining measures to control the debris flow in Zile Valley can achieve good results.
目前广大农村地区拥有大量不符合抗震要求的砌体结构房屋,因此,针对老旧砌体结构房屋进行加固是一门值得研究的课题.为了研究混杂纤维改良活性粉末混凝土(HFMRPC)加固不同高宽比砌体窗间墙的抗震性能,对1面作为对照组的未加固砌体墙和3面不同高宽比的面层加固砌体墙进行了低周往复荷载试验.对比分析了4面墙体的破坏模式、滞回曲线和骨架曲线等抗震性能指标.试验结果表明:HFMRPC面层加固能够有效提高墙体的承载能力,峰值荷载提高约42％;HFMRPC面层对砌体窗间墙具有良好的约束作用,能够有效提升墙体的延性,延性系数提升约199％;HFMRPC面层加固后墙体耗能能力显著提升,累积耗能约提升98％;高宽比是影响墙体破坏模式的重要因素,随着高宽比的减小,砌体墙的承载能力提高,试件的破坏模式趋向于脆性破坏,相反随着高宽比的增大,砌体墙的耗能能力提高,试件趋向于延性破坏.根据试验结果进行了墙体抗剪、抗弯承载力计算分析,并提出了适用于HFMRPC面层加固的抗剪承载力计算公式,可为实际工程应用提供理论基础.
为了探讨钢箱梁桥在爆炸荷载下的动力响应机理及关键参数对其影响规律,基于流固耦合方法,建立了钢箱梁桥、空气和炸药有限元模型,分析了爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理.随后针对钢箱梁桥的关键参数,分析了各参数对钢箱梁桥的动力响应影响灵敏度,提出了钢箱梁桥在抗爆设计时参数选取规律.研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢箱梁桥的破坏主要分为三阶段.钢材性能由Q345提高为907A钢,钢箱梁桥的凹坑深度和塑性变形区面积减小了33.91％和27.93％;截面形式和爆炸位置两个关键参数的改变涉及纵横隔板对主要迎爆区薄弱位置的加固,能够明显提高钢箱梁桥的抗爆能力.比例距离0.1 m/kg1/3,爆炸位置相同,约束形式由简支改为固支,对钢箱梁桥抗爆性能提升几乎无影响.
结构健康监测系统在桥梁上的测点十分有限,测试数据不完备导致结构安全状态评价困难.提出一种自然纹理条件下的结构全场位移监测方法.通过尺度不变特征变换算法提取结构表面自然纹理特征点,将提取的自然纹理特征点作为结构变形前后的点源数据,通过特征点匹配建立起变形前后特征点的位置关系.进一步,建立结构变形前后自然纹理特征点相对位置变化数学模型,提出结构全场位移矢量计算理论.最后,通过试验梁对方法进行验证,获得了试验梁的全场位移监测结果.验证结果显示,结构边缘挠度最大误差4.94％,平均误差为2.08％,全场位移矢量最大长度误差0.68 mm,最大角度误差0.76°,计算得到的全场位移矢量与结构实际变形一致.
在全球气候变化及地质活动日益活跃的孕灾大环境下,我国亟待实现自然灾害的快速高效应急处理,相应的灾害防控产业升级同样势在必行.结合自然灾害防控关键环节的发展方向,通过文献整理、现场调研、专家咨询及问卷调查等方式,分析了自然灾害防控产业面临的问题与挑战,开展自然灾害防控产业技术突破与发展路径的研究,提出以下对策措施:构建更为完善的标准化体系,严格核定从业资格,实时把控自然灾害防控产业的市场动态,保障产业市场良性竞争;立足本土化发展优势,集群化发展自然灾害防控产业,贯通自然灾害多产业链条;以自然灾害防灾减灾的基础研究为主导,通过理论创新和技术迭代,完成自然灾害产业升级,提升产业整体性、系统性和协同性,打造防灾减灾产业端的国际核心竞争力.本文将为自然灾害防控的产业高质量快速发展提供前瞻性、针对性、储备性的科学参考.
高速远程滑坡的运动速度、厚度和致灾能量在时程、运程上的分布是揭示灾难性滑坡致灾的重要指标.水城滑坡是近年来降雨诱发的典型隐蔽性、突发性高速远程滑坡,利用Massflow模型以上述多个指标参数为研究核心揭示其致灾特征.研究结果表明:滑坡运动的基底摩擦角和孔隙水压力系数分别为20°和0.4;滑坡历时约60 s,最大前缘运动速度为42 m/s,左右两侧前缘滑坡体堆积厚度分布分别呈现"双峰"和"单峰"特征,最大堆积厚度为22 m;左右主滑方向上的最大动能分别为1.75×106 J和8.5×105 J;房屋建筑区用时8 s完全被掩埋,建筑物监测点处最大冲击力估算值分别为3346 kPa和1049 kPa,远大于山区农村房屋建筑所能承受的荷载极值.研究成果为灾难性高速远程滑坡碎屑流的动力学效应分析提供参考,对滑坡灾变风险的定量评估提供了依据.
为探究岩石地基中挖孔基础的承载力特征和地基破坏模式,以重晶石粉、铁粉和石英砂为骨料,水和石膏为胶结剂,黏土为增塑剂配置岩石相似材料,应用正交设计方法,以胶结物/骨料质量比(因素A)、胶结物含水率(因素B)、骨料细颗粒(铁粉+重晶石粉)占比(因素C)、细颗粒骨料铁粉占比(因素D)为4个因素,共16组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、弹性模量等参数指标,并研究了相似材料物理力学参数与影响因素之间的变化规律;而后选取3种代表性相似材料开展了岩石挖孔基础抗拔承载特性的室内模型试验.结果表明:(1)对于相似材料密度,因素C影响最大;对于试样黏聚力和抗压强度,因素B影响最大;对于内摩擦角,因素C影响最大;对于弹性模量,因素A和因素B影响最大;(2)地基岩体破坏面呈现为沿着一定角度的开口向地面延伸的线性破坏面,且该破坏角随材料内摩擦角增大而减小,在规范中假定的45°附近变化;(3)依据抗拔承载力计算得到的相似材料等代极限剪切强度随单轴抗压强度增大而增大,约为单轴抗压强的0.027.
钢结构在火灾消防过程中容易遭到破坏甚至发生倒塌,而空间温度场是研究结构响应的基础.为了研究喷水消防对空间温度场的影响,建立了三层三跨钢框架房屋模型,在火灾动力学软件中利用水喷淋方式模拟了其消防灭火过程.分别研究了消防在火灾初期发展阶段和稳定燃烧阶段介入时,火源及框架平面附近的温度场分布与发展规律,对比分析了消防在不同火灾阶段介入后直接灭火跨与相邻跨的火场温度变化特性.研究结果表明:(1)数值模拟结果与火灾消防试验结果吻合较好,验证了数值模型中采用水喷淋方式模拟喷水消防过程获得温度场的可行性;(2)消防在火灾初期发展阶段介入后,直接灭火跨的温度发生骤降,最大降幅约350℃,约20 s后缓慢回升,消防喷水有效减缓火灾发展进程,抑制空间温度与梯度发展,框架附近平面火场达到的最高温度相比无消防介入火灾低约350℃;(3)消防在稳定燃烧阶段介入时,空间温度较高、温度梯度较大,消防介入后火场最高温度在60 s左右降低约650℃,降温速率约11℃/s,短时间内温度梯度变化剧烈;(4)与在稳定燃烧阶段介入相比,消防在火灾初期发展阶段介入可大幅降低火场最高温度,且使温度梯度变化比较缓和.
为研究RC框架结构在主余震作用下的易损性,以一典型六层RC框架结构为例,基于增量动力分析法和易损性分析,进行不同主余震作用下RC框架结构不同性能状态下超越概率的对比分析.选取10条满足场地条件的地震记录作为输入,分别以反应谱加速度为强度指标(IM)、最大层间位移角为损伤指标(DM),对IDA曲线簇进行分位分析.依据地震强度指标建立概率地震需求模型,并根据已定义的结构性能水准对框架结构进行易损性分析.结果表明:双向地震和主余震作用相对于单向主震作用都会增加结构的易损性指数;结构在遭遇地震强度Sa(T1,5％)=0.5g时,余震造成易损性指数的上限值、平均值和下限值分别增幅6.3％、8.5％、11.5％;双向地震相对于单向地震造成易损性指数的上限值、平均值和下限值分别增幅15.5％、20.1％、32.5％.
基于随机有限断层法理论框架,采用间接边界元方法求解沉积盆地地震动放大效应,以此修正场地放大因子,发展了一种可考虑盆地效应的修正随机有限断层法.基于该方法,模拟了2021年2月13日日本MW7.1海域地震中日本关东盆地地震反应,并与常规随机有限断层法及实测地震记录进行了对比.结果表明:与常规随机有限断层法相比,采用修正随机有限断层法模拟盆地地震动表现出更显著的空间变异性,盆地边缘地震动峰值加速度较常规方法放大了6.24倍,与实测地震记录吻合度更高;区域地震动峰值加速度空间分布整体特征与实测地震记录基本一致;相较于不考虑场地影响下的结果盆地内部分台站长周期下的谱加速度值扩大了近5倍,表明深厚沉积盆地在长周期范围内的场地放大更加明显.
砌体填充墙在爆炸荷载作用下会发生破坏,甚至会出现碎片飞散等现象,从而造成人员伤亡或设备损坏.为了提高砌体填充墙的抗爆性能,提出采用玄武岩纤维网-纤维增强水泥基(BFRP-FRCM)复合层加固砌体填充墙,并通过现场爆炸试验研究复合层对砌体填充墙的抗爆加固效果,从破坏模式、碎块分布、位移响应和反射超压响应等角度对比分析了不同比例距离、加固方式砌体填充墙的抗爆性能,探究了BFRP-FRCM复合层对砌体填充墙的抗爆加固机理.结果表明:BFRP-FRCM加固能够有效减弱砌体墙在爆炸荷载下的破坏程度,迎爆面加固减小了砌体墙灰缝脱落范围、爆炸碎块的数量和飞行距离,但砌体墙的残余位移较大;背爆面加固对其位移的限制效果更好,墙体无碎块飞散现象;双面加固显著提高砌体墙的抗压和抗弯承载力,墙体的峰值位移和残余位移最小,即便在比例距离较小时,双面加固后仅在砌体墙中心部位出现局部变形及细小裂缝,并未出现碎块散落现象;引入冲量和强化参数分析不同加固方案对砌体墙抗爆性能提升的影响,在相同比例距离情况下,未加固墙体与加固墙体的反射超压和冲量大致相同,但BFRP-FRCM加固能够提高砌体墙的强化参数.
复合衬砌是一种新型可承受高内压的输水隧洞衬砌结构,在穿越断层带时会由于断层错动作用发生破坏.因此,对复合衬砌输水隧洞穿越逆断层的损伤演化分析具有现实意义.通过考虑多重荷载和不同结构层间的分离模式,建立复合衬砌输水隧洞-断层三维有限元模型,研究逆断层不同错动位移下复合衬砌结构损伤演化的过程,并对损伤状态进行量化评估.结果表明:逆断层作用下复合衬砌结构的损伤分为剪切损伤、拉伸损伤和失效破坏三个阶段.滑动面拱腰边墙处钢管受弯曲变形和局部屈曲耦合作用发生破坏是复合衬砌结构的最终破坏形式,破坏范围与滑动面呈"X"型分布向两盘延伸.由于不同材质性能和黏结特性的差异,断层作用导致不同结构层间发生脱离现象,脱离距离与错动位移呈正相关性.混凝土-钢管间脱离不同于混凝土-围岩间呈连续性分布,主要集中在钢管加劲肋附近.钢管内衬降低了混凝土开裂造成的内水外渗风险,增强了复合衬砌结构抵抗断层错动作用,提高了输水隧洞结构的安全裕度.
为研究配置630 MPa高强钢筋UHPC梁正常使用阶段裂缝宽度的计算方法,对6根配置630 MPa高强钢筋UHPC梁进行受弯性能试验,分析试验梁裂缝宽度、挠度及钢筋应力变化规律,建立高强钢筋UHPC梁裂缝宽度计算公式.研究结果表明:(1)受拉钢筋屈服前,裂缝宽度的扩展呈线性规律,裂缝数量不断增加;当裂缝宽度为0.34 mm时,受拉钢筋屈服,裂缝数量和间距趋于稳定,表现出较好的延性;(2)破坏时受拉钢筋均已屈服,混凝土达到极限压应变,高强钢筋与UHPC的配合使用可充分发挥两者优良的力学性能;(3)随着UHPC梁的配筋率增大,试件承载力显著提高,正常使用阶段最大裂缝宽度减小,但延性降低,开裂荷载基本不变;(4)基于40组试验数据,对JGJ/T465—2019规范的裂缝宽度计算公式中钢纤维对钢筋钢纤维混凝土构件裂缝宽度影响系数进行修正,建立适用于UHPC梁的裂缝宽度计算公式,修正公式计算值与试验值吻合良好.
为研究氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土短柱轴压承载性能的变化规律,设计了16个试件并完成轴压试验.在试验研究的基础上根据极限平衡条件,提出了氯盐腐蚀条件下钢管再生混凝土短柱轴压承载力的计算公式,选取不同的侧压系数进行对比优化;采用国内外常用规范对试件承载力进行计算,将计算值与试验值进行对比并提出使用建议.结果表明给出的侧压系数建议值与试验结果吻合较好,通过折减壁厚的方法计算承载力是可靠的,对氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土柱的理论研究和工程应用有一定的指导意义.
我国城乡区域建筑群分布广、体量大,强震作用下结构破坏和倒塌风险高,既有的研究方法无法兼顾县区级别大范围建筑信息获取速度与地震模拟精度.为实现快速准确的城乡建筑群抗震性能评估,提出了结合区域建筑地域性特征与GIS数据的建筑信息智能获取与抗震能力评估方法.通过GIS数据和高分卫星等遥感手段获取县区范围建筑群的屋盖信息、建筑外部尺寸等信息.基于上述信息和具体区域城乡人均GDP、建造风俗等实际特点,建立了基于模糊理论和专家系统的模糊推断模型,确定了建筑结构类型、材料属性、开洞情况等内部信息,并通过数值模拟实现区域建筑群的震害分析.将该方法应用于我国西南地区某县城建筑群的参数获取与震害分析,同时以鲁甸地震某村镇验证了本方法的适用性,结果表明本方法对城乡建筑群的抗震性能评估具有较好的适用性.
张衡地动仪至今仍未得到公认的复原模型,通过对张衡的哲学思想、科学成就等史料研究,对袁宏著《后汉纪》中描述地动仪的文字内容进行分析,对张衡研制的"地动仪"和"水运浑象"进行比较,认为地动仪为自动运行一体化精密仪器,可实现对微弱地振动信号感知、放大和记录功能.结合当时的历史背景和科技水平,提出了三点悬挂复合物理摆+机械杠杆放大的地动仪复原技术方案,详细介绍了地动仪摆锤的悬挂方式、八个方向地振动信号的提取、机械杠杆放大机构和擒纵机构的设计思路,并研制了实验样机,证实地动仪工作原理具有科学性,且能与文献中描述地动仪的文字内容相互验证.
沙尘暴是一种多发于沙漠等干旱地区的灾害天气,建(构)筑物常受其影响被侵蚀甚至产生破坏,这种破坏的本质是风沙两相流中沙粒对结构表面冲击产生细微损伤的积累.为了深入探索这种风沙两相流对结构的冲击作用和沙粒冲击力在结构表面的分布规律,研究了采用压电纤维复合材料作为力传感器来测量风沙流场中沙粒冲击力的方法,通过标定试验建立了压电传感器所受沙粒冲击力与其输出电信号之间的数学模型,构建了基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器.分别采用高频测力天平和压电传感器测量低矮房屋迎风面在风沙风洞试验中所受到的沙粒冲击力,验证压电传感器测量沙粒冲击力的适用性和准确性.结果显示:两种测力方式的结果总体相差在-4.72％～5.80％,两种试验结果吻合良好;建筑物迎风面内侧所受到的沙粒冲击力大于外侧所受到的沙粒冲击力,沙粒冲击力的分布与表面风压力分布具有一定相关关系.研究成果可为结构防风沙灾害的相关研究提供参考.
海床土体剪切波速(Vs)是确定海床场地设计地震动参数及土-海洋工程结构体系动力分析所必须的一个基本的土动力参数.结合某伶仃洋跨海通道海床钻孔实测Vs剖面,基于目前现有的研究成果,分别采用线性模型、二次多项式模型、幂函数模型和对数函数模型对比分析了陆域土Vs与深度H的经验关系式对该海域土Vs的适用性,得出结论如下:Vs-H关系的二次多项式模型适用于该海域砂类土(粗砂、细砂、粉砂)Vs的预测,Vs均随H的增大而增大;现存的陆域土Vs-H关系不适用于该海域黏性土(粉质黏土夹砂、粉质黏土)Vs的预测.引入土的密度ρ作为另一变量,建立了基于双变量H和ρ的海域黏性土Vs的预测模型.此外,该海域淤泥和淤泥质土由于埋深较浅、土质柔软,其Vs与H无明显的相关性.该成果可为伶仃洋海域工程建设中海床土体Vs的确定提供科学的预测依据.
仪器地震烈度是指由仪器的观测记录计算而来的地震动强度,能直观反映地震的影响程度.建立高效准确的仪器地震烈度评估模型,在防震减灾和烈度速报中有着重要意义.以汶川地震的地震动记录以及与其对应的宏观调查烈度作为数据源,通过灰色关联分析确定了17种地震动参数与宏观调查烈度的关联程度.以与宏观烈度关联系数较高的谱烈度、累计绝对速度、均方根加速度等参数为模型的输入层,宏观烈度为输出层,网络迭代次数为1000,损失函数选择均方误差,指标函数选择平均绝对误差,优化算法选择适应性矩估计,建立了基于多层感知机的仪器地震烈度预测模型.最后利用芦山地震为例验证该模型的准确性,并与其他方法进行比较.结果表明,该方法误差率较低,模型预测结果良好.
