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期刊信息

工程力学

Engineering Mechanics

(月刊,1984年创刊)

主管单位:中国科学技术协会

主办单位:中国力学学会

主  编:陆新征

编辑出版:《工程力学》杂志社

ISSN 1000-4750CN 11-2595/O3

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  《工程力学》由中国科学技术协会主管,中国力学学会主办。1984年创刊,月刊。主要报导力学在工程及结构中的应用,刊登力学在科研、设计、施工、教学和生产方面具有学术水平、创造性和实用价值的论文,包括力学在土木建筑、水工港工、公路铁路、桥梁隧道、航海造船、航空航天、矿山冶金、机械化工、国防军工、防灾减灾、能源环保等工程中的应用且具有一定学术水平的研究成果。 更多>>
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2020年第9期, 刊出日期:2020-09-07
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目录
2020-09期封面+目录
2020, 37(9).  
[摘要](35) [PDF 1553KB](18)
摘要:
基本方法
基于EEP技术的一维有限元结点位移误差计算
袁驷, 邢沁妍, 袁全
2020, 37(9): 1-7, 29.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0446
[摘要](61) [HTML全文](23) [PDF 812KB](34)
摘要:
利用单元能量投影(Element Energy Projection,简称EEP)法所计算的EEP超收敛解,在不改变有限元网格及其整体刚度矩阵的情况下,导出残差的等效结点荷载向量,只经回代过程即可得到具有更高阶精度的结点位移的误差估计,使结点位移精度得到极大提高。该文以一般的二阶常微分方程边值和初值问题为例,给出算法和相应的数值算例。从中可以看出,本法十分简单而高效:对于\begin{document}$m \geqslant {{1}} $\end{document}次单元,采用EEP简约格式和凝聚格式修正后的结点位移,分别具有\begin{document}$ O({h^{2m\, + \, 2}})$\end{document}\begin{document}$ O({h^{3m + od {\kern 1pt} (m, \, \, \, 2)}}) $\end{document}的超常规的超收敛阶。该文给出了典型算例,并对该法的进一步拓展和应用作了讨论。
多边形比例边界有限元非线性高效分析方法
李佳龙, 李钢, 余丁浩
2020, 37(9): 8-17.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0634
[摘要](68) [HTML全文](37) [PDF 1865KB](18)
摘要:
比例边界有限元法作为一种高精度的半解析数值求解方法,特别适合于求解无限域与应力奇异性等问题,多边形比例边界单元在模拟裂纹扩展过程、处理局部网格重剖分等方面相较于有限单元法具有明显优势。目前,比例边界有限元法更多关注的是线弹性问题的求解,而非线性比例边界单元的研究则处于起步阶段。该文将高效的隔离非线性有限元法用于比例边界单元的非线性分析,提出了一种高效的隔离非线性比例边界有限元法。该方法认为每个边界线单元覆盖的区域为相互独立的扇形子单元,其形函数以及应变-位移矩阵可通过半解析的弹性解获得;每个扇形区的非线性应变场通过设置非线性应变插值点来表达,引入非线性本构关系即可实现多边形比例边界单元高效非线性分析。多边形比例边界单元的刚度通过集成每个扇形子单元的刚度获取,扇形子单元的刚度可采用高斯积分方案进行求解,其精度保持不变。由于引入了较多的非线性应变插值点,舒尔补矩阵维数较大,该文采用Woodbury近似法对隔离非线性比例边界单元的控制方程进行求解。该方法对大规模非线性问题的计算具有较高的计算效率,数值算例验证了算法的正确性以及高效性,将该方法进行推广,对实际工程分析具有重要意义。
用于光滑/非光滑壳的稳定化新型协同转动4节点四边形壳单元
李忠学, 胡万波
2020, 37(9): 18-29.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0611
[摘要](75) [HTML全文](51) [PDF 1253KB](18)
摘要:
该文发展了一种适用于光滑壳和非光滑壳的新型协同转动4节点四边形壳单元。在单元中每个节点采用了3个平动自由度和2/3个矢量型转动自由度,每个光滑壳的节点或非光滑壳的非交界节点采用壳中性面法向矢量的2个最小分量作为矢量型转动变量,在非光滑壳中性面交界线上的节点采用3个矢量型转动变量,他们分别是节点定向矢量组中一个定向矢量的较小或最小分量和另一定向矢量的2个最小分量。在非线性增量求解过程中,这些矢量型转动变量可以采用简单的加法将增量累加到原矢量中直接进行更新,且采用了协同转动框架的单元在局部和整体坐标系下得到的切线刚度矩阵都是对称的,结构整体切线刚度矩阵可以采用一维线性存储,可节省大量的计算机存储资源和计算时间。为消除膜闭锁和剪切闭锁的不利影响,采用单点积分方案计算单元内力矢量和切线刚度矩阵,并借鉴Belytschko提出的物理稳定化零能模态控制法来消除可能出现的零能模态。通过对2个光滑壳和2个非光滑壳进行非线性分析,检验了单元的可靠性、计算效率与计算精度。
基于时域响应相关性分析及数据融合的结构损伤检测研究
王慧, 王乐, 田润泽
2020, 37(9): 30-37, 111.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0588
[摘要](78) [HTML全文](37) [PDF 985KB](27)
摘要:
基于时域振动响应的结构损伤检测方法因其便于实现在线监测受到了越来越多的关注。该文回顾了两种利用时域响应相关函数建立的结构特征向量(即内积向量及互相关函数幅值向量)及其对应的损伤检测方法。为了从时域响应相关函数中提取更多的结构健康信息,通过利用不同的结构响应组合,将上述两种结构特征向量扩展到了多种结构特征向量,并进一步采用数据融合理论,提出了检测精度更高的结构损伤检测方法。针对8层框架结构损伤检测的试验研究结果表明,该文方法可以对框架结构上的微小损伤进行定位。
基于协调翘曲场的开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转一维有限元分析
文颖, 陈泽林
2020, 37(9): 38-49.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0639
[摘要](69) [HTML全文](49) [PDF 975KB](15)
摘要:
开口及闭口薄壁杆件约束扭转问题已由经典Timoshenko和Benscoter理论解决。然而,开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析必须考虑开、闭口部分翘曲能力的差异,翘曲剪流形成机理有待进一步研究。该文假定开、闭口截面翘曲分别满足Vlasov和Umanskii假定,考虑开、闭口截面公共节点翘曲连续性要求,建立含有待定翘曲参数的协调翘曲模型。由截面受力平衡,确定翘曲参数显式列式,提出开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析的一维有限元模型。算例及参数分析结果表明,基于Umanskii第二理论的I类方法在悬臂板及闭口周边引入附加剪流,影响翘曲剪应力精度。基于Umanskii第二理论的II类方法只能计算截面板件平均剪应力,无法反映真实翘曲剪流分布。基于Vlasov约束扭转假定的Beam-189单元忽略闭口周边约束效应产生的附加翘曲及剪流,影响翘曲正应力和剪应力精度。该文方法与Shell-63单元能得到基本吻合的变形与应力结果,说明一维梁元能正确反映开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转及翘曲刚度。
土木工程学科
内设加劲肋空间DKT形相贯节点轴压承载力公式
张爱林, 蔡文超, 张艳霞, 邵迪楠
2020, 37(9): 50-62.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0591
[摘要](61) [HTML全文](5) [PDF 1916KB](16)
摘要:
以北京大兴国际机场航站楼钢结构工程为背景,在空间DKT形相贯足尺节点试验的基础上,为进一步研究节点的受力机理,对192组不同参数的节点有限元模型进行模拟分析。研究加劲肋开口尺寸、加劲肋厚度及其设置数量对空间DKT形相贯节点受力性能的影响。对设置不同加劲肋的空间DKT形相贯节点在承受轴压下的承载力设计值和极限承载力进行多元非线性回归,得到了内设加劲肋的DKT形节点承载力设计值和极限承载力的提高系数η。在现行的钢结构设计标准基础上得到内设加劲肋相贯节点承载力设计值和极限承载力计算公式。试验和有限元分析结果表明,内设加劲肋相贯节点的承载力设计值和极限承载力公式满足精度要求,可以为工程中类似节点的设计提供可靠参考。
基于NES的空间桁架结构被动减振研究
刘艮, 陈贡发
2020, 37(9): 63-73.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0617
[摘要](52) [HTML全文](29) [PDF 2175KB](19)
摘要:
该文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效方法将梁式桁架结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的横向振动位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应,且当NES附件的质量增加时,系统的振动振幅下降更快,NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5 s左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施加相同的位移激励幅值(15 mm),在此情况下,NES附件的质量越大,悬臂梁结构的瞬态响应衰减效率越高。实验结果与理论计算结果吻合较好。
HDC与RPC加固RC柱轴心受压性能试验研究
邓明科, 李睿喆, 张阳玺
2020, 37(9): 74-83.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0045
[摘要](103) [HTML全文](43) [PDF 968KB](26)
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)和活性粉末混凝土(RPC)围套加固钢筋混凝土(RC)柱的轴心抗压性能,设计制作了8个RC方柱,其中4个采用HDC加固、3个采用RPC加固、1个未加固作为对比试件,通过轴心受压试验,研究了加固层材料、加固层受压方式和加固层是否配置钢筋网对试验结果的影响,分析了各试件的破坏形态、荷载-位移曲线和应变发展规律。试验结果表明:加固柱的破坏形态得到改善;配置钢筋网的加固层整体性较强;加固层与混凝土界面具有可靠的粘结强度,两者变形协调;加固试件的承载力和变形能力均有所提高;加固层直接受压的加固试件承载力提高幅度较大。通过分析加固层的工作机理,考虑了加固层应力滞后的影响,给出加固试件的受压承载力计算公式,其计算结果与试验结果较为吻合。
圆形隧道横断面地震响应简化解析方法的数值验证
赵密, 邵伟昂, 黄景琦, 杜修力, 王媛
2020, 37(9): 84-93.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0593
[摘要](49) [HTML全文](15) [PDF 1087KB](13)
摘要:
简化解析方法因在隧道初步设计中可快速估算隧道结构的地震内力及变形而得到广泛应用,因此对简化解析方法的使用条件及精度进行评价具有重要的工程意义。该文以时域波动有限元方法的数值模拟结果为标准,对Wang、Bobet和Park等3种经典的简化解析方法在不同场地土类别及不同埋深条件下的精度进行了对比验证。结果表明:三种简化解析方法具有相同的轴力预测值,埋深较小时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加而逐渐减小,但埋深较大时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加先增加后减小;Bobet与Park方法的预测弯矩相同且精度明显优于Wang的方法,其精度随着柔度比的增加而具有逐渐变好的趋势;对于软弱土、中软土、中硬土、坚硬土和岩石等五种类别的场地土,隧道埋深分别大于10 m、5 m、5 m、1 m和1 m时,Bobet与Park方法的轴力与弯矩误差均能小于15%。
滞后阻尼体系地震反应的中心差分虚初始条件法
祁文睿, 潘旦光, 高永涛, 付相球
2020, 37(9): 94-102.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0596
[摘要](79) [HTML全文](39) [PDF 1568KB](7)
摘要:
针对滞后阻尼体系的直接积分法解发散问题,提出了中心差分虚初始条件法。该方法以实数初始条件为基础,建立相应的虚初始条件,以消除自由振动中的发散项,而使直接积分法的计算结果收敛到稳定解;并以有条件稳定的中心差分数值计算方法为基础,建立中心差分虚初始条件法的直接积分程序;对三个不同自振频率体系在三条地震波作用下进行中心差分虚初始条件法、解析解和频域解的数值计算。计算结果表明:频域分析结果仅包含稳态解,这将导致低自振频率体系在振动的初始阶段将产生显著误差;中心差分虚初始条件法对不同工况的计算结果都是稳定的,且收敛到包括瞬态反应的解析解。
多视角几何三维重建法识别工程结构缺损与变形
刘宇飞, 樊健生, 孔思宇, 魏晓晨
2020, 37(9): 103-111.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0598
[摘要](25) [HTML全文](29) [PDF 1549KB](15)
摘要:
裂缝等工程结构表面缺损与弯曲等构件变形是既有工程结构安全性检测鉴定与监测的重要指标,采用数字图像法可有效改善当前人工检查技术的缺点,但在工程实践中显现出定量检测中图像几何变形修正困难、局部损伤难以在整体结构中定位、无法测量钢结构空间变形等问题。结合多视角几何三维重建法的研究与应用可有效解决上述问题。该文对多视角几何三维重建的方法原理与算法实现进行讨论,列举方法实践的经典算法与高效算法;围绕数字图像法检测在工程实践中存在的问题,提出表面投影法解决成像几何变形与损伤定位、逆向工程建模与特征提取识别几何变形损伤;通过结构表面裂缝识别、大型构筑物表面损伤定位、钢结构构件变形识别等3个应用研究,阐述多视角几何三维重建法在结构表面损伤与变形识别中的具体操作方法与比较优势。多视角几何三维重建法具有设备要求低、操作方便快捷、模型色彩丰富、点云精度较高等特点,与数字图像法结合后在工程结构检测监测领域的研究与应用潜力巨大。
基于NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究
胡晓兵, 杨易
2020, 37(9): 112-122.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0601
[摘要](145) [HTML全文](35) [PDF 1561KB](19)
摘要:
大涡模拟中入流湍流的准确模拟,是计算风工程领域当前研究的热点;准确定义与各类地貌大气边界层湍流特征相符的入流边界条件,是进行建筑结构风效应研究的前提(也是当前研究的难题)。该文在新提出的以湍流合成法为基础的LES入流湍流生成技术—NSRFG方法上,研究了数学模型中若干参数的适当取值问题。通过数值分析对采样频率间距Δƒ、引入的时间尺度因子\begin{document}$ {\tau }_{0} $\end{document}和空间尺度因子θ、衰减系数\begin{document}$ {c}_{j} $\end{document}及调谐因子\begin{document}$ {\gamma }_{j} $\end{document}等重要参数进行敏感性研究,分析了上述参数的取值对所生成湍流脉动风速功率谱、均方值和空间相关性等模拟结果的影响;在此基础上建议了一套与中国规范四类标准地貌风场相对应的参数表,从而建立基于该方法的“标准数值风场模型”;通过实例对四类标准地貌边界层湍流风场进行数值模拟和平衡态检验。研究表明:上述关键参数的赋值对采用NSRFG方法进行大气边界层湍流风场的重构影响显著,该文基于NSRFG方法所建议的标准地貌数值风场模型,对研究者采用LES进行结构风工程的数值模拟研究具有一定的参考价值。
高强矩形螺旋钢筋约束高强混凝土剪力墙截面弯矩-曲率计算方法研究
赵花静, 李青宁, 赵珺, 李书锋, 郑玉
2020, 37(9): 123-132.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0603
[摘要](103) [HTML全文](12) [PDF 1440KB](29)
摘要:
为改善高强混凝土剪力墙的抗震性能,将高强矩形螺旋钢筋(HRSRs)应用于高强混凝土剪力墙的约束边缘构件及墙身。通过对10个HRSR高强混凝土剪力墙抗震性能的研究,并基于对HRSR强约束作用的考虑,提出与HRSR高强混凝土剪力墙开裂状态、屈服状态、峰值状态和极限状态对应的弯矩-曲率计算方法。研究表明,该文建议的压弯构件弯矩-曲率计算公式能较为准确地描述剪力墙各阶段的荷载-变形关系,计算值与试验值吻合较好。与普通箍筋形式的高强混凝土剪力墙相比,采用连续封闭的HRSR,能够显著提高高强混凝土剪力墙截面的承载能力和变形能力。
基于改进Park-Ang双参数模型的RCS混合框架结构地震损伤评估
门进杰, 张谦, 徐超, 史庆轩
2020, 37(9): 133-143.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0604
[摘要](85) [HTML全文](71) [PDF 1224KB](22)
摘要:
为了评估钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构在地震中的损伤程度,基于Park-Ang双参数地震损伤模型,通过修正相关参数,建立了适用于RCS混合框架结构的地震损伤模型。通过分析楼板对模型关键参数的影响,给出了考虑楼板影响的组合梁构件极限变形计算公式,并对其有效性进行了验证;基于试验结果,通过使构件破坏点损伤指数等于1的方法进行反演,得到组合梁构件循环荷载影响参数β。给出了结构不同破坏程度对应的损伤指数范围,并提出了该种结构的地震损伤评估方法。对一栋4层RCS混合框架结构在El-Centro波作用下的损伤程度进行评估,结果表明:该文提出的地震损伤模型能够比较好地反映RCS混合框架结构的损伤演化过程与程度,研究结果为RCS混合框架结构的地震损伤评估与基于性能的抗震设计方法提供了理论依据。
列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究
徐利辉, 马蒙, 刘维宁
2020, 37(9): 144-152.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0623
[摘要](115) [HTML全文](39) [PDF 1155KB](14)
摘要:
为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。
黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型
任鹏, 王鹏, 张华, 唐印
2020, 37(9): 153-160, 207.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0624
[摘要](86) [HTML全文](42) [PDF 866KB](37)
摘要:
针对黏土蠕变的非线性性质,以成都黏土为研究对象展开蠕变试验,发现黏土变形包括瞬时弹性变形、衰减蠕变变形、稳态蠕变变形和加速蠕变变形;黏土长期弹性模量随时间和应力的增加非线性软化;黏滞系数随应力的增加非线性软化,随时间的增加非线性硬化。基于流变学理论、分数阶微积分理论和Harris衰减函数,分别构建了分数阶导数元件、非线性弹性元件和非线性黏滞元件,从而建立了形式简单、参数较少和概念清晰的非线性分数阶导数蠕变模型。将非线性分数阶导数蠕变模型和Burgers蠕变模型进行对比拟合分析,发现非线性分数阶导数蠕变模型各阶段的拟合结果更好,对黏土非线性蠕变的描述更合理,可准确地反映黏土蠕变全过程,表明了所建立非线性分数阶导数蠕变模型的科学合理性。
单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力分析
乔朋, 钟承星, 狄谨, 秦凤江
2020, 37(9): 161-172.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0627
[摘要](61) [HTML全文](36) [PDF 1534KB](17)
摘要:
为研究单箱多室波形钢腹板箱梁桥在车轮荷载下的横向受力特点及有效分布宽度,建立了单箱单室、双室、三室波形钢腹板箱梁的有限元模型,对比分析了3种截面箱梁的横向应力和有效分布宽度的规律。通过缩尺模型梁试验,验证了有限元分析结果。通过研究发现,单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁,但按照目前规范计算波形钢腹板箱梁的有效分布宽度存在较大误差。利用有限元模型,研究了荷载横向作用位置、腹板中心间距、悬臂板长度、顶板厚度、波形钢腹板尺寸及类型等参数对单箱单室箱梁有效分布宽度的影响,结果表明荷载横向作用位置和箱室腹板中心间距是最重要影响因素。通过对参数分析结果进行曲面拟合,得到了单箱单室波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算公式;单箱多室箱梁有效分布宽度可按0.9倍的单室箱梁有效分布宽度计算。最后,以某单箱三室波形钢腹板箱梁桥为例,按照该文公式求得有效分布宽度,采用弹性框架法计算了横向单点和多点车轮荷载作用下箱梁的顶板横向应力,并与有限元模型、桥规方法计算结果进行了对比,发现:横向多点车轮加载时,忽略不同箱室有效分布宽度的差异会使横向应力计算结果偏不安全,建议采用该文提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照该文方法计算的横向应力结果更精确,与规范方法相比误差可减小20%~40%。
纵向变厚度(LP)矩形钢板弹性屈曲系数的理论分析
徐冬冬, 王元清, 刘晓玲, 班慧勇, 刘明
2020, 37(9): 173-183.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0628
[摘要](32) [HTML全文](11) [PDF 1114KB](12)
摘要:
纵向变厚度(LP)钢板因适应现代化建筑超高层及大跨度的发展使用需求,将广泛应用于工程结构中。因LP钢板几何形状的特殊性,其局部屈曲变形更容易发生在靠近薄端的位置,并且钢板局部稳定性能与相同受力状态下的等厚度钢板差异较大,需要进行深入研究。基于能量原理,采用Galerkin和Rayleigh-Ritz法(GRM),对单向均匀受压荷载作用下四种不同边界条件下的矩形LP钢板的弹性屈曲系数的计算公式进行了理论推导,并采用ANSYS有限元软件验证了公式的正确性。最后得到了不同厚度放大系数下,四种边界条件下的矩形钢板的弹性屈曲系数与钢板长宽比的关系曲线图,进一步为LP钢板的工程应用提供理论指导和设计依据。
内嵌钢板及边缘框架相互作用对带连梁低屈服点钢板剪力墙结构受力性能的影响
王萌, 郭勇超
2020, 37(9): 184-198.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0640
[摘要](65) [HTML全文](43) [PDF 3725KB](16)
摘要:
为满足快速发展的高层建筑结构对抗震性能及空间灵活性的要求,将高耗能能力、高延性的低屈服点钢材与带连梁钢板剪力墙组合成新型带连梁低屈服点钢板剪力墙结构体系。采用有限元软件ABAQUS建立带连梁钢板剪力墙结构模型,结合国内外已有的典型试验结果验证数值方法的有效性。在此基础上,设计5个不同耦合度的低屈服点钢板剪力墙结构模型进行单调和循环加载,对比分析其损伤机制、承载性能及滞回耗能能力,探讨内嵌钢板与边缘框架的相互作用对结构及构件受力性能的影响,给出设计建议。结果表明:带连梁低屈服点钢板剪力墙结构内嵌钢板与边缘框架相互作用能够有效提高整体结构承载力、承载效率以及耗能能力。综合考虑材料利用率、承载能力及耗能能力,建议连梁耦合度控制在0.45以内。随着连梁耦合度的提高,边缘框架分担剪力多至60%,内部框架柱的轴力显著减小,连梁转角不断减小。因此,在带连梁低屈服点钢板剪力墙结构设计过程中应充分考虑内嵌钢板与边缘框架的相互作用,适当减小内嵌钢板设计厚度及边缘框架截面尺寸,提高材料利用率及设计经济性。同时,与纯框架抗侧性能相比,内嵌钢板与边缘框架的相互作用有效提高了边缘框架的初始抗侧刚度及承载力。
缺陷可检修型半灌浆套筒连接拉伸性能试验研究
陈曦, 苗启松, 杨参天, 閤东东, 刘谦敏, 解琳琳
2020, 37(9): 199-207.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0644
[摘要](47) [HTML全文](15) [PDF 807KB](11)
摘要:
为解决灌浆套筒的施工质量检测和修补的难题,提出了一种缺陷可检修型半灌浆套筒(defect detectable and repairable half grouted sleeve,DDRHGS)。为了验证DDRHGS连接接头的拉伸性能和修补功能的可靠性,综合考虑有无灌浆缺陷、灌浆缺陷率、是否修补、修补材料种类、钢筋直径等因素影响,设计制作了26组78个连接接头试件,开展了单向拉伸加载试验。结果表明:无灌浆缺陷连接接头试件的拉伸性能可满足相关规范要求;灌浆缺陷率对连接接头试件的拉伸性能影响最为显著,较高的缺陷率会导致钢筋滑移破坏,试件的承载能力和变形能力无法满足相关规范要求;新型套筒灌浆缺陷修补功能整体可靠,48个试件的破坏模式、承载能力和变形能力与无缺陷试件基本相当,同等级灌浆料和植筋胶作为修补材料均可保证其修补质量。
考虑粘结滑移的冻融损伤纤维梁柱模型研究
张艺欣, 郑山锁, 荣先亮, 王卓涵, 董立国
2020, 37(9): 208-216.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0657
[摘要](37) [HTML全文](21) [PDF 1146KB](25)
摘要:
伸入梁柱节点以及柱与基础交界处纵向受力钢筋的粘结滑移效应会显著影响构件的侧向变形。为准确评估冻融损伤后钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)柱的抗震性能,在考虑冻融损伤不均匀分布的纤维模型基础上,以锚固区的粘结滑移效应为研究对象,首先基于拉拔试验建立可考虑冻融损伤分布的粘结强度退化规律,进而根据简化粘结应力分布假设,通过建立控制方程进行理论推导得到冻融损伤粘结滑移计算方法,并与冻融钢筋混凝土拉拔试验数据进行了对比验证。进而基于有限元分析软件OpenSEES,将该文模型嵌套于零长度截面单元中,提出可综合考虑冻融不均匀损伤与粘结滑移效应的纤维梁柱模型,根据6榀冻融RC柱拟静力加载试验数据进行了验证,并与仅考虑冻融损伤的纤维模型进行了对比。结果表明:与纤维模型计算结果相比,采用该文模型计算所得滞回曲线与试验结果吻合更好,在承载力、极限位移和累积耗能等方面的计算误差较小,表明所建模型可更为准确地反映冻融损伤后RC柱的地震响应。
机械工程学科
行程敏感式液阻减振器动力学特性的三维流-固耦合有限元仿真分析
徐文雪, 吕振华
2020, 37(9): 217-229.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0584
[摘要](57) [HTML全文](31) [PDF 2054KB](7)
摘要:
建立了缸壁槽形行程敏感式减振器较精细的三维流-固耦合动力学仿真分析模型,利用基于ALE流-固耦合、滑移网格流-流耦合的同步化迭代流-固耦合计算方法及动网格控制方法求解减振器内部的稳态及瞬态流-固耦合动力学响应,进行了部分实验验证。量化分析了缸壁槽形行程敏感式减振器的高速阻尼特性、冲击阻尼特性和活塞偏置、缸壁槽通流面积及结构变化对阻尼特性的影响,结果表明:活塞沿压缩行程方向偏置后的阻尼特性是有利的,而沿伸张行程方向偏置的状态是不利的;缸壁槽的附加泄流作用可削减减振器在地面冲击激励下阻尼力的瞬间冲击峰值;多缸壁槽形行程敏感式减振器的阻尼特性表现出单条缸壁槽作用结果的叠加效应;缸壁槽对阻尼力的减弱比例随活塞速度幅值的减小而增大;缸壁槽在高速工况下被开启及关闭的瞬态过程中伴随有阻尼力波动现象,可通过适当延长缸壁槽端部收缩段加以改善。这些分析结论对于此类液阻减振器的变阻尼特性匹配设计具有重要的价值。
两种工况下8种腔静脉滤器疲劳强度的对比研究
王越彤, 冯海全, 王晓天, 王永刚
2020, 37(9): 230-239.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0590
[摘要](84) [HTML全文](25) [PDF 1201KB](10)
摘要:
为探索腔静脉滤器疲劳失效的原因,有必要研究滤器受到周期循环变载荷作用下的疲劳强度。应用SolidWorks软件建立8种腔静脉滤器的模型,应用有限元软件ABAQUS模拟分析8种滤器在周向脉动循环载荷和径向压缩循环载荷下的疲劳强度,并实验验证其中1种滤器的安全性。在周向疲劳分析中,8种滤器所有单元的交变应变点均处于疲劳极限曲线下方,且安全系数均大于1,满足疲劳寿命要求;在径向疲劳分析中,新型滤器和TrapEase滤器的部分单元的交变应变点位于疲劳极限曲线的上方,且安全系数均小于1,其余6种滤器均满足疲劳寿命要求。可回收滤器不一定满足10年的疲劳寿命要求,可作为临时滤器使用。通过14 d、21 d和28 d的动物实验,对3头小香猪置入Aegisy滤器,综合评价了滤器的安全性,该结果为腔静脉滤器的设计研发和临床应用提供良好的参考依据。
其他工程学科
抑制柱体结构涡激振动的非线性能量阱减振装置优化设计
陈东阳, 顾超杰, 朱卫军, 李迺璐, 杨俊伟, 芮筱亭
2020, 37(9): 240-247.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0613
[摘要](156) [HTML全文](38) [PDF 1506KB](15)
摘要:
为了抑制柱体结构的涡激振动(Vortex induced vibration, VIV)问题,该文基于Van der Pol尾流振子模型、结构动力学理论和优化算法,建立了非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)减振装置优化设计仿真模型。采用Van der Pol尾流振子模型,将其与二维弹性支撑柱体结构动力学方程结合,建立二维弹性支撑柱体单自由度涡激振动预报模型,并与文献实验数据对比,验证了模型的准确性;在模型中嵌入NES控制模型,完成NES作用下的单自由度柱体VIV预测模型,并将其与优化算法相结合,通过优化算法改变非线性能量阱的参数,设计出对柱体涡激振动抑制效果满足设计要求的非线性能量阱;通过仿真分析优化后的NES结构参数对柱体涡激振动的抑制效果和机理。案例优化结果表明,在\begin{document}$U_{\rm{r}} = 5.5$\end{document}时,NES作用下的柱体振幅减小了66.39%,减振效果明显。同时,该文采用优化方法获得的NES结构参数符合实际生产要求,确保了实物生产设计的可能性。
功能梯度梁静力与动力分析的格林函数法
邓先琪, 苏成, 马海涛
2020, 37(9): 248-256.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0615
[摘要](62) [HTML全文](31) [PDF 1098KB](13)
摘要:
功能梯度梁静动态响应的数值分析方法一般局限于有限元法,存在有限元法的固有缺点,有必要发展新的数值求解方法。将功能梯度梁静力分析的控制微分方程转化为与匀质材料梁静力分析控制微分方程相一致的形式,并利用匀质材料梁静力问题的格林函数,开展功能梯度梁的静力分析。在此基础上,进一步推导获得功能梯度梁的柔度矩阵,据此建立功能梯度梁的运动方程,开展功能梯度梁的动力特性分析和动力响应分析。数值算例表明,采用格林函数法可以高效准确地分析功能梯度梁的静力响应与动力行为,验证了方法的计算精度与效率。