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骨盆骨折后环不同内固定方式的力学稳定性有限元分析

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骨盆骨折后环不同内固定方式的力学稳定性有限元分析

作者：李为腾大连医科大学

学位级别：硕士

目的应用三维有限元方法比较骨盆骨折旋转不稳定型(Tile B型)、垂直不稳定型(Tile C型)后环不同内固定方式生物力学稳定性,为骨盆后环骨折内固定方式的临床选择提供理论依据。方法应用健康成人下腰椎及骨盆CT扫描所得DICOM数据,通过Mimi... 详细信息

目的应用三维有限元方法比较骨盆骨折旋转不稳定型(Tile B型)、垂直不稳定型(Tile C型)后环不同内固定方式生物力学稳定性,为骨盆后环骨折内固定方式的临床选择提供理论依据。方法应用健康成人下腰椎及骨盆CT扫描所得DICOM数据,通过Mimics10.1、Geomagic Studio 12、Abaqus 6.14-1等计算机软件重建包含韧带组织的下腰椎-骨盆有限元模型,分析验证其有效性。在正常骨盆模型基础上人为去除骶髂关节相应韧带组织分别建立旋转不稳定型(Tile B型)、垂直不稳定型(Tile C型)骨盆骨折模型;再去除耻骨联合韧带,采用绑定或不绑定连接分别建立前环骨折固定和不固定模型,分四组:一组(Tile B型—前环固定)、二组(Tile B型—前环不固定)、三组(Tile C型—前环固定)、四组(Tile C型—前环不固定)。分别在各组内建立不同骨盆后环骨折内固定模型,分为Ⅰ型(不固定—后环保守治疗)、Ⅱ型(S1骶髂螺钉内固定)、Ⅲ型(S1+S2骶髂螺内钉固定)、Ⅳ型(后环张力带钢板内固定)、Ⅴ型(改良TOS术式内固定—改良三角骨折固定术)。在髋臼处约束固定,于第三腰椎上表面施加500N垂直载荷,选取骶髂关节骶骨上a点,测定其位移变化,比较不稳定型骨盆骨折后环不同内固定方式生物力学稳定性。结果1.四组各型内固定治疗稳定性均小于正常下腰椎-骨盆模型,每组Ⅰ-Ⅴ型位移大小均为:Ⅴ型<Ⅲ型<Ⅱ型<Ⅳ型<Ⅰ型(后环保守治疗),改良TOS术式内固定骨折断端位移最小,稳定性最佳,接近正常骨盆,其次为S1+S2、S1骶髂螺钉内固定,后环张力带钢板内固定断端位移明显增大,稳定性最差。2.固定前环可以轻微提高骨盆后环稳定性,对Tile B型骨折稳定性可提高1.7%-4.7%,对Tile C型骨折稳定性可提高2%-4.5%。3.所有内固定方式应用于Tile B型骨折稳定性均优于Tile C型骨折,骶髂后韧带和骨间韧带对后环稳定性起重要作用。4.后环张力带钢板应用于Tile B型骨折、Tile C型骨折稳定性均与保守治疗相似,对后环固定作用不佳。结论改良TOS术式内固定稳定性最佳,接近正常骨盆,其次为S1+S2骶髂螺钉内固定、S1骶髂螺钉内固定,后环张力带钢板内固定稳定性最差,与保守治疗无明显差异性。三维有限元法可有效反应不稳定型骨盆骨折后环不同内固定的生物力学稳定性,为临床术式选择提供理论依据。

关键词：骨盆骨折后环有限元内固定

FLAC^(3D)可破断锚杆单元完善及深部煤巷应用

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采矿与安全工程学报 2017年第2期34卷 251-258页

作者：杨宁李为腾玄超张玉华李大勇李廷春王刚山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点试验室山东青岛266590 江苏建筑职业技术学院江苏徐州221116 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心江苏徐州221116

为进一步完善基于FLAC^(3D)的可破断锚杆单元,分析了以任意单元极限伸长量为破断判据的原可破断锚杆单元存在的缺陷;提出了基于锚杆自由段总体伸长量的锚杆破断判据,修正了原可破断锚杆单元;开展了锚杆杆体拉伸试验,结果表明修正后的可... 详细信息

为进一步完善基于FLAC^(3D)的可破断锚杆单元,分析了以任意单元极限伸长量为破断判据的原可破断锚杆单元存在的缺陷;提出了基于锚杆自由段总体伸长量的锚杆破断判据,修正了原可破断锚杆单元;开展了锚杆杆体拉伸试验,结果表明修正后的可破断锚杆单元更加符合实际。以深部煤矿实际工程为背景,进行了数值模拟对比分析,结果表明:自带cable单元不具有破断属性,将会使支护设计偏于危险;原可破断锚杆单元方案中锚杆过早地全部发生破断,实际锚固效果被抑制;修正后的可破断锚杆单元能准确反映实际锚固效果,与工程实际更吻合。进一步开展了锚固参数正交试验,结果显示锚杆破断率随间排距增大而显著增大,随锚固长度和预紧力的增加先增加后减小,受预紧力影响相对最不显著;基于此提出了深部煤巷锚固参数优化原则,并得到现场验证。

关键词： FLAC3D 锚杆破断破断判据深部煤巷修正

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深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护优化

采矿与安全工程学报 2012年第5期29卷 631-636页

作者：王汉鹏李术才李为腾李海燕李智山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为了研究深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护对策，基于地质条件分析，采用钻孔窥视仪和地质雷达探测了巷道围岩的破坏模式及规律，通过模拟研究得到围岩的破坏机制，针对性的提出了锚网带与预应力锚索梁耦合让均压的优化支护方案和... 详细信息

为了研究深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护对策，基于地质条件分析，采用钻孔窥视仪和地质雷达探测了巷道围岩的破坏模式及规律，通过模拟研究得到围岩的破坏机制，针对性的提出了锚网带与预应力锚索梁耦合让均压的优化支护方案和参数。结果表明：围岩由表面向内部破坏程度依次减弱，形成3-4个破裂区，前2个破裂区为松动圈。松动圈分布在煤层和底板泥岩中，其中顶部围岩松动圈平均深度3m，易产生离层。煤层越厚巷道越易失稳，其破坏机制是硕板锚杆处在破碎区，产生锚固端滑脱或整体冒落。通过现场支护试验，验证了优化支护方案和参数，有效地控制了厚煤层回采巷道稳定性。

关键词：深部回采巷道厚煤层围岩松动圈破坏机制支护优化

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方钢约束混凝土拱架套管节点抗弯性能研究

中国矿业大学学报 2015年第6期44卷 1072-1083页

作者：李为腾王琦李术才杨宁王新邵行山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为掌握方钢约束混凝土拱架套管节点的力学特性,分析了套管节点抗弯力学行为模式,进行了套管节点铰-刚临界转角的计算与讨论,提出了铰-刚模式判据.进行了套管节点纯弯曲数值试验,得到了套管节点典型4阶段M-Δφ全过程曲线,揭示了曲线OA... 详细信息

为掌握方钢约束混凝土拱架套管节点的力学特性,分析了套管节点抗弯力学行为模式,进行了套管节点铰-刚临界转角的计算与讨论,提出了铰-刚模式判据.进行了套管节点纯弯曲数值试验,得到了套管节点典型4阶段M-Δφ全过程曲线,揭示了曲线OA阶段产生的原因及对构件抗弯性能的影响规律,掌握了套管节点的典型抗弯行为模式及基本力学性能参数;明确了原始曲率及其他参数(混凝土强度fcu,k、套管长度l、套管壁厚t、间隙δ等)对构件极限弯矩Mue、临界曲率增量Δφ0、等效抗弯刚度(Ki,Ks)等力学参数的影响规律.在此基础上指出了新型拱架套管节点参数的设计思路.

关键词：方钢约束混凝土拱架套管节点纯弯曲力学特性

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方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

煤炭学报 2017年第5期42卷 1182-1192页

作者：杨宁李为腾张玉华李大勇李廷春王刚孔德森山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590 江苏建筑职业技术学院江苏徐州221116 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心江苏徐州221116

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模... 详细信息

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。

关键词：巷道支护钢管混凝土拱架套管节点压弯试验力学特性

U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

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煤炭学报 2015年第5期40卷 1021-1029页

作者：王琦王德超李为腾任尧喜阮国强肖国强郭念波潘锐山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 兖矿集团有限公司博士后工作站山东邹城273500 龙口煤电有限公司山东龙口265700

针对深井高应力巷道支护难题,基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制,采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统,并结合数值计算方法,开展了系... 详细信息

针对深井高应力巷道支护难题,基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制,采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统,并结合数值计算方法,开展了系统的试验研究。结果表明,均压加载条件下,室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 k N,极限荷载为1 310 k N,数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%,拱架整体呈现"拱顶上升,拱腿内敛,整体变瘦高"的变形形态,最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示,UCC拱架具有显著的围岩控制效果,为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。

关键词：深井约束混凝土拱架力学性能变形破坏机制

FLAC^(3D)中锚杆破断失效的实现及应用

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岩石力学与工程学报 2016年第4期35卷 753-767页

作者：李为腾杨宁李廷春王刚梅玉春玄超山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590

为解决FLAC^(3D)中CABLE单元无法实现锚杆(索)破断失效的问题,提出锚杆(索)破断判据U(i)≥U_(max)(i),在此基础上建立CABLE单元杆体修正力学模型,修正模型增加了破断失效功能,并采用Fish语言编程,将修正模型嵌入到FLAC^(3D)主程序中,实... 详细信息

为解决FLAC^(3D)中CABLE单元无法实现锚杆(索)破断失效的问题,提出锚杆(索)破断判据U(i)≥U_(max)(i),在此基础上建立CABLE单元杆体修正力学模型,修正模型增加了破断失效功能,并采用Fish语言编程,将修正模型嵌入到FLAC^(3D)主程序中,实现锚杆破断失效的"单元化",由局部到整体自发实现锚杆的宏观破断效果。进行锚杆杆体拉伸实验和锚喷支护效果对比的算例分析,结果表明:(1)修正模型锚杆杆体拉伸荷载–位移曲线呈现出第三阶段破断失效的特性,符合杆体实际力学行为,达到了定量破断的预期效果,且响应灵敏;(2)地应力超过一定值后,采用修正模型的支护方案中锚杆、锚索出现了破断,且呈现出的力学行为符合锚杆(索)破断失效力学机制,提高了工程模拟的准确度和精度;(3)破断实现方法扩展了FLAC^(3D)的应用范围,增强了模拟能力。同时分析指出了实现方法可达到的有益效果、存在的局限性及下一步研究方向。

关键词：岩土工程 FLAC^3D 锚杆锚索 CABLE单元破断修正模型

青岛胶州湾海底隧道含水断层综合超前预报实践

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岩石力学与工程学报 2009年第10期28卷 2081-2087页

作者：薛翊国李术才苏茂鑫张霄赵岩李为腾山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,以"地质、物探与钻探相结合"的预报原则,运用地质编录、物探预报及钻孔取芯等综合手段,建立海底隧道施工期地质灾害综合超前地质预报技术体系,对海底隧道综合超前地质预报成果进行了解释与分析。对含水... 详细信息

以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,以"地质、物探与钻探相结合"的预报原则,运用地质编录、物探预报及钻孔取芯等综合手段,建立海底隧道施工期地质灾害综合超前地质预报技术体系,对海底隧道综合超前地质预报成果进行了解释与分析。对含水断层进行了准确预报,对类似工程具有一定的借鉴与指导意义。

关键词：海底隧道含水断层综合超前预报地质编录钻孔取芯

深部厚顶煤巷道大型地质力学模型试验系统研制与应用

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煤炭学报 2013年第9期38卷 1522-1530页

作者：李术才王德超王琦王富奇彭蓬李为腾江贝王洪涛山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 兖矿集团有限公司博士后科研工作站山东邹城273500

为研究深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征,研制了大型地质力学模型试验系统。该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成,具有可自由拼装、模拟空间大、荷载集度高、边界加载... 详细信息

为研究深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征,研制了大型地质力学模型试验系统。该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成,具有可自由拼装、模拟空间大、荷载集度高、边界加载均匀和模拟精度高等特点。以赵楼煤矿3302工作面运输巷为工程背景,通过大量的相似材料配比及力学参数测试,确定了两种不同系列的材料分别模拟砂岩和煤层;设计制作了预应力锚杆(索)、箱型支护梁、钢带及托盘等相似构件;对让压型锚索箱梁支护系统进行了大比尺模型试验研究,得到了深部厚顶煤巷道开挖支护过程中的围岩内部应力演化与变形规律。结果表明,该系统能够较好地进行深井煤巷及其他大型地下硐室开挖支护全过程的模型试验研究。

关键词：厚顶煤巷道地质力学模型试验大比尺柔性均布压力加载装置应力演化变形特征