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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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显示方式:
2021年第2期, 刊出日期:2021-01-16
显示方式:
2021-02期封面
2021, 38(2).  
[摘要](29) [PDF 1496KB](21)
摘要:
综述
基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用
叶继红, 王佳
2021, 38(2): 1-7.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST03
[摘要](71) [HTML全文](5) [PDF 1239KB](34)
摘要:
杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。
基本方法
含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲的有限元网格自适应分析
王永亮
2021, 38(2): 8-15, 35.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0173
[摘要](92) [HTML全文](13) [PDF 1184KB](29)
摘要:
该文建立圆弧形曲梁裂纹的截面损伤缺陷比拟方案,实现裂纹大小(深度)、位置、数目的模拟。引入变截面Euler-Bernoulli梁的h型有限元网格自适应分析方法,求解含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲问题,得到优化的网格和满足预设误差限的高精度屈曲荷载和屈曲模态解答。数值算例表明该算法中网格非均匀加密可适应裂纹损伤引起的屈曲模态变化,应用于各类曲梁夹角和裂纹损伤分布工况下的弹性屈曲研究,定量分析了裂纹损伤程度对圆弧曲梁的屈曲荷载和屈曲模态的影响,检验了该文算法的精确性和可靠性。
热-力-粘弹耦合多孔FGVM梁的动力学特性
周凤玺, 蒲育
2021, 38(2): 16-26.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0235
[摘要](28) [HTML全文](4) [PDF 1290KB](26)
摘要:
研究了初始轴向机械力作用下三参数Winkler-Pasternak粘弹性地基上多孔功能梯度粘弹性材料(FGVM)梁在热环境中的自由振动特性。考虑满足热传导方程的稳态温度分布以及材料性质的温度相关性,采用Kelvin-Voigt模型并由含孔隙率修正的混合幂率梯度分布来表征内含均匀孔隙FGVM梁的材料属性。基于n阶广义梁理论,在Hamilton体系下建立该系统动力学模型的控制方程;应用扩展型广义Navier法得到固支-固支、固支-简支、简支-简支这3种边界FGVM梁耦合振动输出响应的精确解;通过算例主要探究了梁理论、边界条件、热-力耦合效应、粘弹性地基系数、结构内阻尼系数、孔隙率、材料梯度指标、跨厚比以及振型阶次等诸多参数对FGVM梁动力学特性的影响。
土木工程学科
地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法
王晓静, 赵密, 王丕光, 杜修力, 程星磊
2021, 38(2): 27-35.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0037
[摘要](113) [HTML全文](29) [PDF 996KB](32)
摘要:
针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。
高层建筑中伸臂桁架的耗能性能研究
甄伟, 邱意坤, 杨青顺, 张万开
2021, 38(2): 36-43.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.ST08
[摘要](33) [HTML全文](8) [PDF 1153KB](25)
摘要:
伸臂桁架是超高层结构中的关键构件,改善其耗能能力对提升结构的抗震性能具有重要意义。常见的伸臂桁架形式主要有普通支撑型伸臂桁架、屈曲约束支撑型(BRB)伸臂桁架和阻尼型伸臂桁架等。该文从框架-核心筒-伸臂桁架结构体系入手,对普通支撑型、屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架的受力性能和耗能性能进行了研究。结果表明,结构采用不同的伸臂桁架会对其在地震作用下的地震能量输入和耗能分布产生一定影响。和普通支撑桁架体系相比,屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架结构体系具有更好的耗能性能。此外,在对核心筒的损伤程度控制方面,阻尼型伸臂桁架的作用更加明显,而在整体结构的位移响应控制方面,BRB伸臂桁架的效果最好。
胶结型含可燃冰砂土剪切特性的离散元模拟
王璇, 徐明
2021, 38(2): 44-51.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0174
[摘要](34) [HTML全文](10) [PDF 1790KB](20)
摘要:
可燃冰是一种新型清洁能源,广泛分布于深海土体和常年冻土中,对其开采需要深入认识含可燃冰土体的力学特性。该文提出了一种胶结型含可燃冰砂土离散元模型建立方法,并利用该模型完成了排水双轴剪切试验的模拟。通过与前人试验数据对比,验证了该离散元模型的准确性,结合该模型分析了剪切过程中含可燃冰砂土的宏细观变化规律。结果表明:砂土抗剪强度、应变软化特性及剪胀性均随可燃冰饱和度的增加而增加;可燃冰胶结断裂数量的演化与偏应力紧密相关,偏应力达到峰值时胶结断裂数量增长速率最快;剪切过程中剪切带内外土体的胶结断裂、颗粒运动、孔隙率变化均表现出明显的差异。通过对模型粘结断裂率、剪切带内外局部孔隙率等细观指标的分析,对土体的偏应力变化、体积变化等宏观现象的机理做出了更进一步的阐释。
圆铝合金管混凝土短柱轴心受压承载力研究
曾翔, 吴晚博, 霍静思, 胡涛
2021, 38(2): 52-60.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0178
[摘要](93) [HTML全文](16) [PDF 990KB](41)
摘要:
开展了6根圆铝合金管混凝土(简称“CFACT”)短柱的轴心受压承载力试验,套箍系数为0.57~1.26。分析了试件的破坏形态、轴压荷载-轴向应变曲线、截面横向变形系数、峰值荷载和延性。试验结果表明:CFACT轴压短柱发生鼓曲破坏或斜向剪切破坏;其表现出良好的组合效应,具有较高的承载能力与延性。利用ABAQUS有限元软件,结合该文建议的圆铝管约束混凝土的等效受压应力-应变关系和混凝土塑性损伤模型,建立了轴心受压荷载下CFACT短柱的非线性有限元分析模型,并对该模型进行了试验验证。为合理地对CFACT短柱进行设计,讨论和定义了其轴心受压承载力。采用前述有限元模型计算了不同的套箍系数、径厚比、含铝率及材料强度的27根CFACT短柱的轴压承载力。利用试验与有限元分析得到的33根短柱的轴压承载力计算出各柱的截面组合抗压强度。通过分析发现,截面组合抗压强度与混凝土轴心抗压强度之比与套箍系数存在线性关系,进而通过回归分析建立了其组合抗压强度的计算公式。
新型双钢板-混凝土组合墙轴心受压性能研究
严加宝, 陈安臻, 王涛
2021, 38(2): 61-68.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0188
[摘要](54) [HTML全文](14) [PDF 846KB](40)
摘要:
该文提出了适用于双钢板-混凝土组合墙的新型剪力连接件。采用槽钢连接的新型双钢板-混凝土组合墙,进行了6片双钢板-混凝土组合墙轴向受压试验,研究了剪力连接件间距和混凝土材料对组合墙体轴心受压性能的影响。结果表明:连接件布置和混凝土材性对组合墙的受压力学性能有较大的影响;连接件间距的增大会降低组合墙的极限承载力和延性,对初始刚度影响较小;超高性能混凝土能显著提升组合墙的抗压承载力和初始刚度,但会导致结构延性降低。同时,该文将组合墙极限承载力试验值与中国标准和欧洲规范中的理论值进行比较,发现基于欧洲规范的承载力设计公式更加安全。
真空联合堆载预压下基于指数形式渗流的砂井地基非线性固结解
江文豪, 詹良通
2021, 38(2): 69-76, 133.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0190
[摘要](26) [HTML全文](7) [PDF 906KB](6)
摘要:
基于指数形式渗流定律,通过引入e-lgσ′和e-lgk模型来考虑土体的非线性固结特性,同时考虑了真空负压沿深度呈线性衰减的特性,对真空联合堆载预压下砂井地基的固结问题进行了求解,并推导得到了砂井地基的非线性固结解。通过将该文解析解答与已有的解析解展开对比分析,验证了该文解答的正确性。根据该文解答,对砂井地基的固结性状展开了分析,分析表明:在固结初期,渗流指数m越大,砂井地基的固结速率越快;但在固结后期,m越大,砂井地基的固结速率越慢;负压传递系数kz对砂井地基固结速率的影响较小,但kz的减小会使得砂井地基的沉降速率和最终沉降量降低;压缩指数与渗透指数的比值越大,砂井地基的固结速率越慢;当m<1时,外荷载越大,砂井地基的固结速率越小;当m>1时,外荷载越大,砂井地基的固结速率越大。
考虑面力效应的HFR-LWC梁抗爆理论模型与试验验证
陈万祥, 郭志昆, 罗立胜, 袁鹏
2021, 38(2): 77-91.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0200
[摘要](35) [HTML全文](8) [PDF 1954KB](5)
摘要:
现有的抗爆设计规范通常将面力效应看作一种潜在的安全系数,而对面力作用在爆炸加载过程中的变化规律及其对结构抗力的贡献不做深入探索。该文对近距离爆炸荷载进行适当简化,并考虑面力效应的影响,建立一种基于等效单自由度(SDOF)法的梁式构件抗近距离爆炸分析模型。专门设计了一套面力加载装置,对8根考虑面力效应的混杂纤维轻骨料混凝土(HFR-LWC)梁进行抗爆试验研究,得到爆炸荷载超压时程曲线及梁的跨中位移、破坏模式等试验数据,分析了支承约束刚度、比例爆距及配筋率等对HFR-LWC梁抗爆能力和破坏形态的影响,进一步检验理论模型的可靠性。结果表明:改进SDOF模型的计算结果与试验数据吻合良好,为定量评估面力贡献和预测考虑面力效应的HFR-LWC梁爆炸动力反应提供一种有效手段。面力效应能显著提高HFR-LWC梁的抗爆性能,忽略其作用会严重低估结构的抗爆承载力。
考虑摩擦的滑移索结构理论计算方法
陈诗再, 杨孟刚
2021, 38(2): 92-100.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0201
[摘要](108) [HTML全文](14) [PDF 1131KB](32)
摘要:
滑移索结构在工程中有广泛的应用,目前分析此类结构仍主要以数值方法为主,缺乏理论解析计算方法。且其滑移计算分析时必须充分计入几何非线性和考虑摩擦的影响。该文基于悬链线理论,推导了单索无应力索长的一元解析表达式;在此基础上,引入Euler摩擦公式,根据滑移时总无应力索长不变和张力平衡特性,分别建立了自重和集中荷载下的多跨连续滑移索的解析方程组,并将其拓展到索杆滑移结构;采用精度可控的Newton-Raphson迭代法求解方程组,并运用编制程序对四个算例进行了计算分析。算例结果表明:该文提出的考虑摩擦的滑移索结构的理论分析方法不仅具有较高的计算精度,而且还有较好的工程适应性和有效性,可为多跨滑移索结构的设计与分析提供理论依据。
中高应变率和不同温度下离子型中间膜的拉伸力学性能及本构关系
陆钰佳, 陈素文, 张洋
2021, 38(2): 101-109.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0204
[摘要](46) [HTML全文](5) [PDF 1968KB](12)
摘要:
为系统研究中高应变率和不同温度下离子型中间膜的拉伸力学性能,进行了1 s−1~800 s−1和−40 ℃~60 ℃下的系列动态拉伸试验。基于试验结果,确定了离子型中间膜的关键力学参数,并着重分析了温度和应变率的影响:随着应变率的升高和温度的降低,离子型中间膜的初始弹性模量、屈服强度和抗拉强度均普遍提高,但极限应变有所降低。基于G’SELL本构模型,建立了离子型中间膜的本构关系,根据试验结果标定了模型参数,模型预测结果与试验曲线吻合较好。采用应力补偿更新算法开发了用户子程序,实现了该文所提出的本构关系在LS-DYNA中的应用,并通过数值结果与试验结果的比较验证了用户子程序的有效性。
不同荷载条件下型钢-钢纤维混凝土组合结构的界面失效机理研究
伍凯, 刘晓艺, 陈峰, 林诗琪, 徐超
2021, 38(2): 110-121.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0206
[摘要](58) [HTML全文](9) [PDF 1855KB](19)
摘要:
为了解决型钢混凝土结构中型钢与钢筋相互干扰、混凝土浇筑困难等施工难题,将型钢混凝土结构中的钢筋笼完全或部分替换成钢纤维,形成了型钢-钢纤维混凝土组合结构。完成了36个试件的推出试验和13个试件的四点弯试验,分别研究了型钢-钢纤维混凝土组合结构在轴心力与弯矩作用下的界面失效,分析了不同荷载条件下的内力传递与破坏机理。钢纤维在混凝土裂缝处的拉拔行为形成了“桥接”效应,约束了裂缝扩展,改善混凝土裂后的抗拉性能,可以解决因保护层减小而导致的型钢与钢纤维混凝土界面黏结性能变差的问题,延缓甚至避免界面黏结失效的发生。轴心力作用下,因泊松比产生了型钢与钢纤维混凝土之间的界面挤压,钢纤维混凝土在两个正交水平方向承受拉力,这是钢纤维混凝土损伤与开裂的主要原因。钢纤维混凝土的损伤程度与界面的黏结性能有直接的关系,同时受到钢材泊松比的影响。在四点弯试验中,黏结裂缝集中出现在仅承受弯矩的跨中区域,型钢与钢纤维混凝土之间的内力传递以及由此产生的界面拉应力是导致黏结裂缝大量出现的根本原因。黏结裂缝首先出现在钢翼缘的肢尖位置,并随着荷载的增大由内向外发展,直至发展到表面,形成可视裂缝。跨中区域最终形成了钢纤维混凝土保护层梯形破坏面。
基于脉冲激励下钢轨振动响应的扣件失效识别方法
侯博文, 李佳静, 高亮, 蔡小培
2021, 38(2): 122-133.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0210
[摘要](50) [HTML全文](10) [PDF 1026KB](11)
摘要:
针对高速铁路无砟轨道扣件失效的检测问题,提出了脉冲激励下钢轨振动响应的扣件失效识别算法。利用实验室1∶1实尺模型,通过人工移除扣件弹条的方式模拟扣件失效,分别测试得到脉冲激励下钢轨在扣件良好及失效状态下的时域振动响应,利用快速傅里叶变换及倍频程分析得到钢轨的振动加速度级。将扣件良好及失效状态下钢轨振动加速度振级差值和特征频带占比作为判断扣件失效的评价指标,进一步研究了频带划分方式、振动加速度振级差阈值、特征频带占比阈值对于识别准确率的影响规律,最后提出了针对扣件失效的识别算法与敏感参数选取,结合实验室和京沈高铁正线现场的测试结果对算法的可靠性进行了验证。在此基础上,进一步研究了测点安装位置、邻近非目标扣件失效以及人为操作误差对于识别准确率的影响规律。结果表明:该文提出的扣件失效识别程序在扣件单侧失效条件下的准确率可达100%;在目标扣件两侧的相邻扣件存在失效时,目标扣件的识别准确率仍可达到100%;当测点位于扣件所在断面的钢轨轨腰及轨底外侧时识别准确率在95%以上;沿线路方向上,以扣件中心线为基准,当激励点位置与基准位置的偏差小于6 cm、测点位置与基准位置偏差不大于6 cm时程序识别准确率在95%以上。
新型旋转放大式黏弹性阻尼器性能试验研究
李宏男, 李元龙, 黄宙, 付兴
2021, 38(2): 134-145.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0213
[摘要](64) [HTML全文](14) [PDF 3370KB](31)
摘要:
该文提出了一种新型旋转放大式黏弹性阻尼器,该阻尼器利用杠杆原理将梁柱节点处相对较小的转角变形成倍放大。通过放大转角变形,充分发挥阻尼器的耗能能力,可实现更理想的减震控制效果。介绍了阻尼器的基本构造及工作原理,并加工制作了实物模型;进而对其进行频率相关性、变形相关性以及疲劳性能加载试验,探究其最大阻尼力、等效剪切刚度、每循环耗能和等效粘滞阻尼比等力学性能指标的变化规律;并与传统无放大功能转角阻尼器的力学性能进行了对比,验证了所提阻尼器的耗能放大能力。试验结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,滞回性能稳定,抗疲劳性能良好;与传统转角无放大功能阻尼器相比,其耗能能力最大可提高4.42倍。
城市燃气管网三维度抗震韧性定量评估方法
宗成才, 冀昆, 温瑞智, 毕熙荣, 张晓瑞
2021, 38(2): 146-156.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0219
[摘要](102) [HTML全文](15) [PDF 2421KB](37)
摘要:
为了量化评估城市燃气管网系统的抗震韧性,并充分考虑地震动输入,管网连通性能评估,以及修复过程三个方面的不确定性,该文提出了技术维度、组织维度、社会维度下的燃气管网抗震韧性定量评估流程。衔接地震动预测方程(GMPE)输入,基于蒙特卡罗模拟对燃气管网连通性进行计算。通过随机模拟修复资源分配求得燃气管网在每次模拟破坏工况下的实时修复进程。给出三维度下的性能恢复曲线,并计算对应的震后性能、修复速率和恢复力等指标。重复该步骤N次,即可依据N个计算结果作为样本进行上述指标的期望估计,以及计算各个性能水平恢复时间的概率分布。基于上述流程以我国华北某城市燃气管网作为实例进行抗震韧性定量评估,结果表明:该算例燃气管网三维度下的震后残余性能大致服从正态分布,组织维度与社会维度达到震前75%、90%、100%性能水平的恢复时间大致服从对数正态分布。技术维度计算结果不考虑管网连通性,所得到的恢复曲线接近线性,可能低估了实际的管网性能降低水平;而考虑了管网连通性的组织与社会维度计算结果更符合客观实际,恢复曲线受修复顺序和资源分配影响较大。该研究所建议的城市燃气管网抗震韧性定量评估流程综合考虑震后各环节不确定性,可为燃气管网震后韧性概率评估提供参考,同时也可将该评估流程推广至其他生命线网络系统中。
基于敏感性分析的协方差随机子空间方法参数优化
刘威, 杨娜, 白凡, 常鹏
2021, 38(2): 157-167, 178.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0223
[摘要](60) [HTML全文](18) [PDF 2271KB](29)
摘要:
在工作模态分析中,结构模态的准确识别在包括结构健康监测在内的许多应用中至关重要。该文基于敏感性分析,研究了模型系统阶数N和Toeplitz矩阵行块数i在协方差驱动随机子空间法(covariance-driven stochastic subspace identification,SSI-Cov)中对模态识别结果的影响规律。结合一经典数值算例及藏式古城墙现场实测数据对SSI-Cov算法的参数优化进行了分析。根据奇异熵增量理论对系统阶数进行识别;利用Toeplitz矩阵或系统矩阵的条件数及识别结果的变异系数对Toeplitz矩阵行块数的选择进行研究,并给出参数取值建议。研究结果表明:Toeplitz矩阵或系统矩阵的条件数越小计算结果精度越高;识别频率、阻尼比的变异系数越小,对应的模态稳定图质量越好。通过奇异熵增量理论可准确识别结构的系统阶数,奇异熵增量的一阶灵敏度降至0时对应的阶数即为系统阶数N。Toeplitz矩阵行块数i的建议取值范围为\begin{document}$2\beta {{\sim 4}}\beta $\end{document}(\begin{document}$\beta $\end{document}为采样频率与结构基频的比值)。基于该文提出的参数优化方法,能有效识别藏式古城墙的动力特性,包括频率、振型和阻尼比。
复合加固圆形短木柱轴心受压应力-应变关系
阿斯哈, 周长东, 杨礼赣
2021, 38(2): 168-178.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0231
[摘要](37) [HTML全文](6) [PDF 1338KB](13)
摘要:
内嵌钢筋外包CFRP(carbon fiber reinforced polymer)布复合加固方法可以有效提升古建木柱的承压和变形能力,加固效果显著。为了建立复合加固木柱轴心受压应力-应变模型,同时考虑内嵌钢筋数量以及CFRP布加固量等因素的影响,该文完成了42根复合加固木柱的轴心受压试验。试验结果表明:复合加固方法能够提高木柱的受压承载力、改善木柱的延性;由于木材存在有不可避免的初始缺陷,木柱的破坏主要发生于初始缺陷较为集中的区域。相同测点处,木材、CFRP布和钢筋的荷载-应变曲线分布相近,表明木材与CFRP布和钢筋黏结性能良好,三者能够协调变形、共同工作。基于既有的相关研究,通过对试验数据的拟合分析,给出了复合加固木柱轴心受压峰值应力和峰值应变的计算公式,进而提出了三折线型和多项式型复合加固木柱的轴心受压本构模型。考虑到木材材质的离散性,加固木柱的模型计算曲线与试验曲线基本吻合,验证了所得应力-应变模型的可靠性。
焊接工艺对不锈钢角焊缝连接试件力学性能影响研究
李志林, 杨璐, 崔瑶, 尹飞, 梁耀华
2021, 38(2): 179-186, 210.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0232
[摘要](32) [HTML全文](6) [PDF 1320KB](17)
摘要:
对12个奥氏体型及12个双相型不锈钢正面角焊缝和侧面角焊缝连接试件进行了单调拉伸试验,考察了不同焊接工艺对角焊缝连接力学性能的影响。结果表明:采用氩弧焊焊接工艺的不锈钢角焊缝试件破坏面与电弧焊焊接工艺的试件破坏面形状相差较大,后者破坏面更加光滑;同时由于受到复杂应力的作用,正面角焊缝试件的真实破坏角度并不为相关规范规定的理论值45°;对于奥氏体型不锈钢角焊缝,氩弧焊试件与电弧焊试件的强度比分别为1.03 (正面角焊缝试件)及1.13 (侧面角焊缝试件),相对变形量之比为1.46及1.11;而对于双相型不锈钢角焊缝,两者的强度比分别为1.12和1.04,相对变形量之比为1.66及1.45;氩弧焊试件表现出了更好的力学性能。对于两种不锈钢材料,正面角焊缝强度均远大于侧面角焊缝的强度,建议在工程设计和相关规范的编制/修订中考虑正面角焊缝强度提高的影响。
基于元胞自动机微观模拟的随机车流与桥梁耦合振动数值研究
周军勇, 苏建旭, 齐飒
2021, 38(2): 187-197.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0239
[摘要](43) [HTML全文](13) [PDF 1629KB](32)
摘要:
将经典车桥耦合振动理论与最新提出的多轴单元胞自动机(MSCA)微观车流荷载模拟方法进行融合,形成了一种精细化的随机车流与桥梁耦合振动数值分析方法。介绍了该研究所采用的车桥耦合振动理论及模型;提出了MSCA实现车桥动力分析的思路和方法,并进行了程序开发;通过具有实测时程动态挠度的工程算例,验证MSCA实现车桥耦合动力分析的准确性;将MSCA用于随机车流激励下某斜拉桥的动力效应分析中,论证基于MSCA的随机车流与桥梁耦合振动分析程序的可靠性。研究结果表明:工程算例很好地证明了该文所提方法和模型在进行车桥耦合分析的准确性,最大误差仅为11.6%;斜拉桥在随机车流作用下的静力与动力时程挠度分析显示,两者具有很好的一致性,随着路面粗糙度等级提升两者差异更加显著,说明了该模型和方法在开展随机车流与桥梁耦合振动分析的可靠性。该研究进一步拓展了MSCA在随机车流激励下分析桥梁各类动态响应的能力,为该方法程序在实桥监测与评估的应用提供了基础。
考虑荷载分布的多跨连续钢-再生混凝土组合板长期性能研究
王庆贺, 梁永泽, 张欢, 张逸超, 任庆新
2021, 38(2): 198-210.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0242
[摘要](71) [HTML全文](6) [PDF 1784KB](32)
摘要:
为量化再生粗骨料掺入对多跨连续钢-混凝土组合板长期性能的影响,基于ABAQUS软件建立组合板的非线性热力耦合有限元模型,模型考虑非均匀收缩、非均匀徐变以及混凝土开裂的耦合影响;利用18组足尺试验数据验证模型的可靠性,并对现有规范方法的适用性进行评述;在此基础上,研究不同荷载分布下再生粗骨料取代率对五跨连续组合板长期性能(挠度及支座弯矩)的影响。研究结果表明:基于龄期调整的有效模量法,通过设置温度梯度模拟组合板中混凝土的非均匀收缩、非均匀徐变特性,可有效预测钢-再生混凝土组合板的长期性能,试件跨中挠度的有限元与试验结果最大相差20.3%;掺入再生粗骨料对多跨连续组合板长期性能的影响显著,且不同荷载分布下的影响规律相似,取代率为50%和100%时,组合板在均布荷载作用下的跨中挠度分别增加22.1%和45.0%,支座负弯矩分别增大5.3%和10.8%;与均布荷载作用相比,考虑非均布荷载的钢-再生混凝土组合板长期挠度和支座负弯矩均有所增大,幅值在10%以内。
波浪地震耦合作用下悬浮隧道动力响应分析
罗刚, 张玉龙, 潘少康, 任毅
2021, 38(2): 211-220, 231.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0268
[摘要](48) [HTML全文](3) [PDF 1220KB](21)
摘要:
为了分析波浪地震耦合作用下悬浮隧道的动力响应,通过Stokes波浪理论和三角级数法计算了波浪荷载和地震荷载,基于D’Alembert原理建立了波浪地震耦合作用下悬浮隧道的管体-锚索模型。结合悬浮隧道待建工程对荷载参数和系统响应进行分析,结果表明:波浪地震耦合作用下悬浮隧道管体-锚索模型与锚索振动模型具有较好的一致性,但后者无法考虑系统的参数振动;地震的方向对悬浮隧道系统的响应具有显著影响,相同地震峰值加速度下水平地震作用所产生系统的响应要大于竖向地震作用,且锚索的响应大于管体;地震的峰值加速度与系统响应之间具有一定的函数关系,随地震荷载峰值加速度的增加系统的最大位移响应约呈线性增加趋势;在地震荷载的基础上考虑波浪荷载后系统的响应有所增大。随波浪波高和波长增加系统响应约呈线性增大,且较小波浪的周期(小于10 s)易引发系统的共振。
高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究
李腾飞, 苏明周, 隋龑, 赵坤, 张琦, 王路路
2021, 38(2): 221-231.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0271
[摘要](42) [HTML全文](11) [PDF 1666KB](18)
摘要:
高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。
基于圆孔扩张理论的桩基水平承载力计算方法
张小玲, 赵景玖, 孙毅龙, 许成顺
2021, 38(2): 232-241, 256.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0278
[摘要](29) [HTML全文](4) [PDF 993KB](15)
摘要:
近年来,我国城市的基础设施建设规模不断扩大,桩基础是基础设施建设中常用的基础形式,其水平承载特性的分析计算是桩基设计中的重要问题。基于Vesic圆孔扩张理论,分析了水平荷载作用下桩侧土体的实际受力状态,推导了基于应力增量的桩侧土抗力的计算公式,进而提出了考虑摩擦效应的桩土相互作用的计算方法;并基于MATLAB编写了相应的分析程序,通过开展案例分析,验证了该计算方法的有效性;最后基于所建立的桩基水平承载力的力学模型,探讨了荷载、桩径等因素对水平受荷桩的承载特性的影响规律。
机械工程学科
高速动车组构架载荷特征研究
任尊松, 曹杰, 李玉怡, 王斌杰, 魏雪
2021, 38(2): 242-256.   doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0181
[摘要](66) [HTML全文](11) [PDF 5210KB](40)
摘要:
高速动车组转向架构架不仅承受和传递来自一系和二系悬挂系统的载荷,而且承受来自电机、齿轮箱以及牵引制动等部件产生的载荷,因此,这些载荷引起的构架结构疲劳可靠性受到广泛关注,但这些与构架结构可靠性密切相关的载荷却少有研究。该文提出解耦和降维法识别某型高速动车组构架轴箱弹簧垂向载荷、定位节点横向载荷、电机垂向和横向载荷、齿轮箱垂向载荷以及抗侧滚装置载荷,制作测力构架并首次实际线路全面测试该型动车组运行过程中载荷引起的应变信号,列车最高试验速度368 km/h。对测试数据进行处理和分析,获得了高速动车组运行工况下这些载荷的时间历程,分析了载荷的时域和频域特征,给出了轴箱弹簧载荷峰值与运行速度之间关系。采用雨流计数法统计了载荷峰谷值和频次,获得了不同速度等级下载荷谱,给出了构架200万次试验条件下的等效载荷。结果表明:轴箱弹簧载荷、定位节点横向载荷、电机载荷以及齿轮箱载荷受列车运行速度和轨道激扰影响明显,抗侧滚装置受列车速度和曲线条件影响明显,轨道随机激扰对抗侧滚装置载荷影响不明显。钢轨现场焊接接头不平顺使得轴箱弹簧承受明显的冲击载荷并作用于构架,且该冲击载荷频率一般为49 Hz~51 Hz。列车正线行驶时,轴箱弹簧载荷最大动荷系数0.23,构架侧滚和浮沉载荷系数最大值分别为0.14和0.1。电机和齿轮箱载荷峰值接近标准JIS E4208给出的动载荷值。幅值频率积可直观地表示中高频范围内载荷幅值变化特性。该文研究结果对高速动车组动力学研究和构架结构设计及疲劳试验等具有重要意义。