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  • 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》编辑部
    ISSN 1000-4750 CN 11-2595/O3
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1. 结构力学方法论的哲思回望
龙驭球
工程力学    2019, 36 (4): 1-7.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.ST13
摘要326)      PDF(pc) (482KB)(307)    收藏
该文对结构力学中的解法和方法从方法论的角度进行回望。提出三点认识:1)结力方法论的文脉是"阴阳-和合系统";2)结力方法的特色是"成对、互补"似阴阳;3)虚功能量法的优势是"合一、多能"成太极。此外,还在打通血脉、消除隔阂方面,提出两点看法:4)论证能量法与虚功法之间是"殊途同归、实质相通"的关系;5)揭示"平衡"与"几何"两个领域中存在隐晦的"互借、互伴"关系。
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2. 荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展
罗大明, 牛荻涛, 苏丽
工程力学    2019, 36 (1): 1-14,43.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.ST11
摘要299)      PDF(pc) (853KB)(207)    收藏
混凝土结构都是在荷载与环境的共同作用下工作的,而荷载作用可能引起混凝土物理性能的改变,进而影响混凝土结构的耐久性能,忽略荷载的作用得到的混凝土耐久性研究结果存在一定的片面性。综合评述了目前荷载与其他因素共同作用下混凝土耐久性研究的进展情况,着重介绍了在荷载和环境共同作用下,混凝土的抗渗性能、混凝土抗中性化、抗离子侵蚀,以及抗冻融循环作用方面已有的研究成果,对相关的成果进行了讨论,并对混凝土耐久性研究提出了展望。
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3. 基于加速度泰勒展开的动力学方程显式积分方法
文颖, 陶蕤
工程力学    2018, 35 (11): 26-34.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0661
摘要287)      PDF(pc) (553KB)(109)    收藏
该文旨在提出兼顾适用性、可靠性与高效性的结构振动时域积分算法。基于加速度的泰勒展开式,引入截断系数考虑高阶项的影响,提出了具有4阶精度的加速度公式;通过积分并考虑典型时间步初始时刻系统动力平衡条件,建立了位移和速度的单步递推公式,运用终止时刻系统运动方程修正加速度。与多步积分法相比,单步积分法无需记录当前时间步以外时刻响应。稳定性分析表明,临界步长相比中心差分法增加40%。通过线性系统振动响应计算发现,当步长-系统固有周期(荷载周期)比达到0.2时,该文方法的振幅衰减率和周期延长率均小于5%;对于非线性系统,为降低算法阻尼和周期误差的影响,需控制步长周期比小于0.1。
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4. 地震工程:从抗震、减隔震到可恢复性
周颖, 吴浩, 顾安琪
工程力学    2019, 36 (6): 1-12.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.07.ST09
摘要257)      PDF(pc) (3410KB)(295)    收藏
近年我国地震工程研究的发展呈现从抗震、减隔震走向可恢复功能的趋势。地震可恢复功能可定义为:受到地震动输入扰动后,结构、系统、城市具有可恢复功能的能力。对于工程结构而言,地震可恢复功能结构不仅要求结构在地震作用下保护生命,而且要求结构在震后快速恢复,减少对正常使用的影响。该文首先介绍了地震可恢复功能的基本概念,围绕地震可恢复功能结构,从设防目标、规范标准、结构体系、设计方法、性能指标以及工程应用等方面阐述了可恢复功能结构的特点及其与传统抗震结构的区别,最后对可恢复功能结构的未来进行了展望。
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5. 预制桥墩体系抗震性能研究进展:新材料、新理念、新应用
王景全, 王震, 高玉峰, 诸钧政
工程力学    2019, 36 (3): 1-23.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.ST03
摘要214)      PDF(pc) (17514KB)(225)    收藏
预制桥墩体系具有快速施工优势,在非震区、低烈度区中已得到较广泛应用,但因对其抗震性能缺乏充分认识,导致预制桥墩体系在中高烈度区的应用受到限制。该文根据抗震性能的不同,将预制桥墩体系分为“等同现浇”和“非等同现浇”两类,其中“等同现浇”预制桥墩又按照连接形式的不同分为套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接、现浇湿接缝连接;“非等同现浇”预制桥墩按照有无专门耗能装置可分为两类;系统梳理了每种类型预制桥墩抗震性能的研究现状及典型工程应用。该文重点报道了超高性能混凝土、纤维增强复合材料和形状记忆合金3种高性能材料用于提高预制桥墩抗震性能的研究现状,指出了3种高性能材料用于预制桥墩体系中的合理方式。该文总结出将韧性抗震理念融入预制桥墩体系的两种方法:外置可更换耗能装置和内置机械连接的耗能钢筋,并对采用这两种方法的预制桥墩抗震性能研究现状进行了介绍。基于对预制桥墩体系抗震性能研究成果的整理,作者介绍了预制桥墩体系在更高抗震需求、更高刚度需求、更高使用寿命需求、更高环境保护需求4类桥梁中的应用前景,并指出了这些新应用可能带来的新课题。
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6. 图形处理器加速算法在复杂高层结构非线性响应分析中的应用
李红豫, 滕军, 李祚华, 张璐
工程力学    2018, 35 (11): 79-85,91.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0656
摘要192)      PDF(pc) (1380KB)(72)    收藏
目前有限元分析软件多基于中央处理器的平台方式构建,在处理复杂高层结构非线性响应分析时暴露出计算耗时多、计算效率低以及对计算硬件要求高等问题。图形处理器由于其硬件构造的先天优势,可以提供十倍乃至上百倍于中央处理器的浮点运算和并行计算性能,因而为高层结构非线性计算所面临的瓶颈问题提供了一个切实可行的解决方法。该文在构建异构并行计算平台的基础上,提出一种适用于图形处理器加速的有限元并行数值计算方法。该方法利用精细化结构分析模型的自由度数据和图形处理器中的线程建立一一对应映射关系,对动力响应的隐式积分算法进行图形处理器线程级的并行化处理,并且结合EBE单元级的优化存储空间机制,降低系统方程组求解时对内存空间的需求。通过对比振动台试验结果对该方法进行验证,并对实际高层钢筋混凝土框筒结构工程进行弹塑性地震响应分析,结果显示该文所提方法在保证模型精度前提下能有效提高大型复杂高层结构非线性响应分析效率。
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7. 结构时程分析中强震记录选取研究综述
张锐, 李宏男, 王东升, 成虎
工程力学    2019, 36 (2): 1-16.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0037
摘要188)      PDF(pc) (563KB)(163)    收藏
该文论述了近年来国内外在结构抗震时程分析中输入强震记录选取的各种方法,对评判指标的选取及样本容量的确定进行了分类梳理和评述。震级、震中距、场地等地震信息常作为选波的第一评判指标,而目标谱及其他地震动强度指标则作为第二评判指标。地震动强度指标已总结出数十种,它们与结构反应的相关性及其在选波研究中的优越性认识不一。以反应谱为目标进行匹配、缩放及选择的方法(目标谱选波法),成为目前最主流的方法。目标谱的种类较多,最广泛采用的是规范设计谱,工程应用比较方便;条件均值谱方法精度较高,但如何将条件均值谱与我国规范接轨,仍需深入研究。结构反应均值估计中,反映强震记录反应谱与目标谱匹配程度的误差指标及缩放方法的取用,应力求能够选出谱形匹配较优的强震记录。随着基于性能抗震理念的深入及地震危险性概率分析方法的逐渐完善,结构反应的估计也从均值发展到概率分布,其所需的样本容量及所采用的评判指标研究仍需进一步深入。
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8. 现代竹结构的研究与工程应用
田黎敏, 靳贝贝, 郝际平
工程力学    2019, 36 (5): 1-18,27.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST06
录用日期: 2019-02-12

摘要171)      PDF(pc) (3115KB)(161)    收藏
竹材是世界上为数不多的可再生资源,是建筑行业的理想材料。随着经济社会的发展、科学技术的进步、国家政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来发展方向之一。虽然从基本方法与手段上,竹结构的研究可以从已经较为成熟的传统结构研究中汲取经验,但是,竹材的特殊使得竹结构在构件、节点以及体系构成上与传统结构存在显著差别,且目前针对竹结构的研究尚缺乏统一材料本构,手段也较为单一,节点连接形式局限性大,均限制了竹结构在工程中的广泛应用。结合已有成果,对竹结构中所涉及的竹材、竹构件、节点的力学性能作出分析;结合现代科技,对竹结构体系进行研究、总结。提出一种喷涂复合砂浆-原竹骨架组合结构体系,其整体力学性能好,功能性和适应能力强,施工速度快,可代替传统砖混结构,在低层房屋及村镇建筑中应用,具有较高的推广价值。
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9. 第二代基于性能地震工程中的地震易损性模型及正逆概率风险分析
吕大刚, 刘洋, 于晓辉
工程力学    2019, 36 (9): 1-11,24.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.07.ST08
录用日期: 2019-01-22

摘要168)      PDF(pc) (631KB)(135)    收藏
第二代基于性能地震工程理论中的地震易损性主要是指结构构件以及非结构构件的抗震能力,与传统地震风险理论中的地震易损性定义和内涵并不相同。为了澄清二者的不一致性,首先介绍传统地震风险理论中地震易损性的定义和概率模型,然后指出第二代基于性能地震工程理论存在五个层次的地震易损性模型:地震需求易损性模型、抗震能力易损性模型、地震损伤易损性模型、地震损失易损性模型和抗震决策易损性模型,指出了这五种模型的区别及其相互关系,推导得到了地震需求易损性模型和地震损伤易损性模型分布参数的解析表达式。在此基础上,根据不同的不确定性传递路径,提出了正向PBEE和逆向PBEE的概念,以通过不同方式求解第二代基于性能地震工程理论的风险积分公式。基于地震危险性函数的近似表达式以及地震易损性模型及其分布参数的解析表达式,通过正向PBEE和逆向PBEE方法,分别得到了具有相同表达形式的工程需求参数EDP、地震损伤DM和决策变量DV三个层次的概率地震风险表达式。通过该文的研究,将传统地震风险分析理论与第二代基于性能地震工程理论统一在一致的理论框架之中。
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10. 混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究
肖宇哲, 李易, 陆新征, 任沛琪, 何浩祥
工程力学    2019, 36 (5): 44-52.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0189
录用日期: 2019-04-01

摘要167)      PDF(pc) (751KB)(147)    收藏
连续倒塌是结构系统的非线性动力行为,准确评估动力效应是建立简化工程设计方法的核心工作。为了研究钢筋混凝土梁柱子结构动力连续倒塌机理和动力效应,对4个尺寸和材料完全相同的试件分别开展了1次静力和4次动力试验。试验结果表明:动力连续倒塌的应力集中和非对称受力现象更加明显,且受材料应变率效应的影响,梁端受拉裂缝集中开展,受压区混凝土压碎剥落区域较小;考虑到动力损伤和材料应变率对结构自身抗力特征的影响,广义动力抗力能够更加准确地描述实际动力连续倒塌过程中的抗力需求;动力损伤和材料应变率效应使得结构的动力放大效应增强,实际动力放大系数均大于传统理论预测值。
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11. 600MPa级钢筋混凝土柱抗震性能试验研究
李义柱, 曹双寅, 许鹏杰, 倪向勇
工程力学    2018, 35 (11): 181-189.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0659
摘要160)      PDF(pc) (1358KB)(80)    收藏
为研究配置600 MPa级钢筋混凝土柱的抗震性能,对5个配置600 MPa级钢筋混凝土柱和1个对比普通钢筋混凝土柱进行低周往复荷载试验;分析了钢筋强度、箍筋间距和轴压比对试件破坏形态、滞回性能、承载力及延性、耗能性能以及刚度与强度退化的影响。研究结果表明:试件仍主要发生弯曲破坏,但600 MPa级纵筋与混凝土间出现了明显的粘结失效,且纵筋容易断裂;提高钢筋强度,试件的承载力和能量耗散均显著增加,但延性和耗能能力有所降低;而增大箍筋间距会明显降低试件延性和耗能能力,加快试件后期的强度衰减,但基本不影响承载力。总体上看,600 MPa级钢筋混凝土柱具有较好的抗震性能,能通过合理的设计将其应用于抗震结构中。
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12. 桥梁结构动应变监测的温度效应实时分离与动荷载识别
孙雅琼, 赵作周
工程力学    2019, 36 (2): 186-194.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0954
摘要159)      PDF(pc) (671KB)(40)    收藏
应变指标是对桥梁结构进行健康监测和状态评估的一项主要内容。但在实际工程中,应变监测值往往受到温度效应的极大影响,使得由动荷载引起的应变监测值湮没在温度效应中,同时导致监测系统中预先设置的固定预警指标无法实现有效预警。该文以合肥某斜拉桥的动应变及温度监测数据为实际工程背景,研究了一种从应变监测值中实时分离温度效应的工程方法。首先对斜拉桥主梁的温度监测数据分布情况进行了分析,提出了桥梁监测中的温度传感器布点建议;之后通过对实测应变监测数据的分析,提出采用时变的平均值法得到温度效应时程曲线,并将其应用于桥梁在线监测系统中监测数据的实时温度修正和动态预警阈值的设置。最后,以经该方法处理后的应变监测值为基础进行了动荷载识别。
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13. 装配整体式与现浇剪力墙结构抗震性能对比分析
白国良, 秦朝刚, 徐亚洲, 苏宁粉, 吴涛, 孙煜喆
工程力学    2019, 36 (2): 36-44.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.ST07
摘要153)      PDF(pc) (6917KB)(101)    收藏
为研究装配整体式剪力墙结构的抗震性能,设计制作了参数、加载制度等条件相同的12层装配整体式和现浇剪力墙1∶5缩尺模型结构,并对其进行了振动台试验。研究了两模型结构受地震作用时的裂缝形态、破坏机理,自振频率、振型和阻尼比等动力特性,楼层剪力、倾覆力矩、位移,最大层间位移角和结构延性系数等地震响应参数,并进行了对比分析。结果表明:装配整体式结构连接部位存在初始损伤,在首次地震波输入后,其自振频率下降较大,而二者的振型系数和阻尼比变化趋势基本一致;在弹性阶段,两模型结构的裂缝形态、楼层剪力、倾覆力矩、楼层位移和层间位移角的变化规律基本一致,随着输入地震波加速度峰值的增大,其量值无明显差异;结构进入塑性阶段,两模型结构的裂缝形态及其形成机理的差异,造成现浇结构的自振频率最终降低幅度、层间位移角大于装配整体式结构。两模型结构的地震响应均满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。
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14. 随机点蚀损伤钢板的极限强度预测
王仁华, 赵沙沙
工程力学    2018, 35 (12): 248-256.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.11.0796
摘要146)      PDF(pc) (835KB)(49)    收藏
该文通过构建随机点蚀损伤钢板的数值模型,开展200个模型的非线性有限元分析,研究随机点蚀损伤下,不同长宽比、长细比和腐蚀强度的板极限强度退化规律,揭示上述三个参数对其极限强度的影响;借助人工神经网路的强非线性拟合能力,将三个影响因素作为预测网络的输入参数,将相应的有限元结果作为网络的输出结果,构建一个三层的BP神经网络模型,预测随机点蚀板的极限强度;且利用已有文献的大量数据验证BP模型的预测精度。相同的腐蚀强度下,同一结构尺寸(长宽比和长细比)板的极限强度会由于点蚀的随机性产生明显的变异;板的长宽比和长细比均对板的极限强度有不同程度的影响,且极限强度的退化受结构尺寸和腐蚀强度的联合影响;所构建的人工神经网络模型具有良好的预测精度,其预测误差不超过10%,可用于量化随机点蚀板的极限强度。
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15. 大型项目中间的工程力学解决方案
吕海双, 周蓓蕾, 曹倩, 汪洋
工程力学    2019, 36 (3): 40-52.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.ST10
摘要145)      PDF(pc) (11893KB)(106)    收藏
近年来国内外大量大型复杂、“超限”的建筑结构相继建立,这些工程大多属于不规则结构,甚至是特别不规则结构,在对这类结构进行设计时,往往会遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题。这些问题并不能套用现行标准,并缺少明确目标、依据和手段。该类问题往往需要以工程力学原理为基础,提出针对性的解决方案。该文针对奥雅纳工程咨询公司(ARUP)在国内一系列大型工程项目,对该类工程力学解决方案进行整理介绍。
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16. 基于广义模态截断扩增方法的结构频响拓扑变量灵敏度分析
周大为, 陈飙松, 李云鹏, 张盛
工程力学    2018, 35 (11): 1-7,16.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0618
摘要141)      PDF(pc) (593KB)(98)    收藏
基于结构拓扑优化设计中的变密度法,采用伴随法推导结构在简谐激励下的频响振幅对单元设计变量的解析灵敏度列式。针对灵敏度数值求解中传统模态位移法引发的低精度问题,通过引入计算成本较低的广义模态截断扩增方法提升灵敏度的计算精度。数值算例将该文方法与全局有限差分法和其他灵敏度计算方法进行了比较。结果证明了该文方法在不同的激励频率及有限元网格密度下高效求解高精度灵敏度的有效性。
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17. 钢货架结构研究现状与关键技术
赵宪忠, 戴柳丝, 黄兆祺, 任重
工程力学    2019, 36 (8): 1-15.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.ST12
摘要141)      PDF(pc) (1919KB)(81)    收藏
随着物流和电商行业的飞速发展,钢货架结构从单纯提供货物存储功能的简单机械类产品逐步向高位立体库、库架合一式建筑发展,这对货架结构的安全性提出更高要求。与传统钢框架结构相比,钢货架结构的托盘货载远大于结构自重,竖向荷载活恒比值可达10∶1量级;主要竖向承重构件多采用连续开孔薄壁截面,其性能受到局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲以及各屈曲模式间相互作用的影响;梁柱节点和柱脚节点多为半刚性挂齿式机械连接,表现出强非线性和捏拢滑移滞回特征;竖向支撑体系对整体结构稳定性的影响机制和有效性。另外,在地震作用下,货架结构的破坏模式除了主要承重构件的破坏和整体结构的垮塌外,还存在托盘货载跌落导致的货物、结构破坏和人员伤害。在钢货架结构抗震分析中,托盘货物的滑动和跌落应属于一种极限状态加以考虑,托盘与横梁间的动力摩擦系数将成为评估结构性能的一个重要参数。结合国内外已有研究成果,该文基于钢货架结构的特点,评述了现有的研究方法,综述了各基本结构要素的力学行为、整体结构的稳定性态及抗震性能,探讨了研究中的关键问题。
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18. 复杂三维曲梁结构的无闭锁等几何分析算法研究
夏阳, 廖科
工程力学    2018, 35 (11): 17-25.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0602
摘要140)      PDF(pc) (1564KB)(87)    收藏
梁结构在工程中应用广泛,梁结构的仿真分析是计算力学的一个重要研究内容。该文研究了复杂三维曲梁结构的等几何分析方法,首次应用拟协调有限元中的多套函数技术,使用降阶基函数逼近梁内应变项,解决复杂三维曲梁结构仿真中的闭锁问题。利用全局坐标系列式方法,避免了单元刚度阵组装时的复杂坐标变换过程,提高计算效率。使用多片NURBS (非均匀有理B样条)数据表示复杂三维梁结构,可精确描述曲梁结构的几何形状,与有限元方法等仿真技术相比避免了网格生成过程,减少了几何误差。数值结果表明该文算法可有效解决闭锁问题,适于复杂三维曲梁结构的仿真分析。
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19. 用广义协调方法推导的平面四节点等参单元
陈晓明, 李云贵
工程力学    2018, 35 (12): 1-6,14.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0706
摘要139)      PDF(pc) (409KB)(97)    收藏
对平面四节点Q4单元采用优选的广义协调条件进行推导,将广义协调理论的应用拓展到最基本的平面问题单元。基于Q6以及QM6中基于内部参数的二次附加位移场,在Q4单元基础上增加满足广义协调条件的内参位移场,从而构造了一个满足广义协调条件的平面四节点等参元GQM6。数值算例表明,虽然采用了相同次数的位移场,但GQM6单元中采用的广义协调条件较QM6中采用的数值积分方法,可以进一步放松单元边界的约束,从而使单元的性能进一步提高,尤其在抗网格畸变能力方面。研究表明,将广义协调理论与一些传统单元进行深入融合仍然有着重要价值。
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20. PRC连梁-混合联肢剪力墙抗震性能分析
田建勃, 史庆轩, 刘云贺, 李慎, 马辉
工程力学    2018, 35 (11): 53-67.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0575
摘要134)      PDF(pc) (1873KB)(71)    收藏
PRC连梁-混合联肢剪力墙是将传统的钢筋混凝土联肢剪力墙中的混凝土连梁用钢板-混凝土组合(PRC)连梁代替而形成的一种新型结构体系,对其抗震性能尚缺乏系统研究。该文在对PRC小跨高比连梁构件研究成果的基础上,设计出了PRC连梁-混合联肢剪力墙的BS基本模型试件,利用有限元软件对PRC连梁-混合联肢剪力墙抗震性能进行数值模拟,研究了连梁内嵌钢板部分、连梁钢筋部分和混凝土部分的应力分布情况,分析了结构的塑性铰发展规律。研究了耦联率、连梁截面尺寸、单面墙肢高宽比、楼层总高度和楼板作用等参数对该种新型结构体系抗震性能的影响,建议适合于高烈度抗震设防区PRC连梁-混合联肢剪力墙合理耦联率的取值范围为40%~60%。
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21. 基于微观断裂机理的高强钢框架梁柱节点抗震性能有限元分析
王磊, 班慧勇, 石永久, 王元清
工程力学    2018, 35 (11): 68-78.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0608
摘要134)      PDF(pc) (4626KB)(60)    收藏
梁柱节点在地震作用下的抗断性能直接影响钢框架结构体系的抗震性能,关系到能否实现强节点、弱构件的设计原则。为深入研究高强钢框架梁柱节点在低周往复荷载下的抗断裂性能,该文采用考虑累积损伤作用的循环微孔扩张模型CVGM模拟开裂,并通过有限元软件ABAQUS建立梁柱节点的精细化三维有限元模型,利用用户子程序USDFLD将CVGM嵌入节点的有限元模型中。利用该模型模拟计算了21个不同构造形式、不同钢材强度等级的梁柱节点试件的抗震性能,得到的节点荷载—变形滞回曲线、承载力、断裂循环次数等均与试验实测结果吻合良好,表明CVGM对预测低周循环荷载下梁柱节点超低周疲劳断裂具有较好的准确性,且适用于不同的循环荷载工况和钢材强度等级。该文的研究工作为高强钢框架梁柱节点的抗震性能评估和防断设计提供了计算手段和基础条件。
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22. 摇摆结构刚体模型研究综述
赵子翔, 苏小卒
工程力学    2019, 36 (9): 12-24.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.0454
录用日期: 2019-04-29

摘要133)      PDF(pc) (701KB)(125)    收藏
合理的理论模型对于结构分析至关重要,摇摆结构理论研究中应用最为广泛的模型是摇摆刚体模型。该文对摇摆结构刚体模型进行了较为系统考察与总结,对摇摆刚体模型的研究起源与研究现状进行了介绍,针对经典摇摆刚体模型、其他典型摇摆刚体模型、相关试验研究、有限元模拟及其在结构体系中的应用进行了探讨,指出了已有模型的优点与局限性,提出摇摆结构刚体模型未来研究的关键问题,为建立更完善实用的摇摆结构刚体模型及应用于摇摆结构分析提供了参考。
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23. 可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能研究
王萌, 柯小刚, 吴照章
工程力学    2018, 35 (12): 151-163.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0743
摘要129)      PDF(pc) (4803KB)(77)    收藏
为满足高烈度、高人口密度地区对高延性和高耗能能力装配式钢结构的迫切需求,采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材来制作钢框架节点连接组件,利用高强度螺栓与主体结构连接,实现预制装配功能、"延性耗能保险丝"功能、震后可更换功能的叠加。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性全接触有限元模型,结合国内外已有的钢框架全螺栓连接节点循环加载试验,验证建立的数值模型对模拟局部屈曲以及螺栓滑移现象的准确性。在此基础上,通过建立三类典型带连接组件的全螺栓连接钢框架节点数值模型,采用三种不同材料LYP100、LYP160和Q235制作连接组件,对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等,深入探讨采用低屈服点钢材连接组件钢框架节点的工作机理。结果表明:连接组件采用低屈服点钢材,可改变节点破坏模式,使塑性累积变形主要集中在连接组件上,耗散大部分能量(90%左右),避免主体结构过早进入塑性阶段,有效发挥"延性耗能保险丝"作用;带低屈服点钢材连接组件节点的耗能能力高于带普通钢材连接组件的节点;当节点转角达到0.045 rad时,低屈服点钢材连接组件的最大伸长率远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变,说明连接组件仍具有较大的变形空间,不会发生提早断裂破坏,有效提高节点延性。
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24. 桥梁结构时变可靠度计算的新方法
叶新一, 王草, 李全旺
工程力学    2018, 35 (11): 86-91.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0667
摘要127)      PDF(pc) (416KB)(74)    收藏
为提高桥梁结构时变可靠度的计算效率,该文提出了新的计算方法。该方法基于结构时变可靠度分析的基本理论,利用Taylor级数展开,将可靠度计算从传统的积分运算形式转换为代数运算的形式,从而简化计算过程,提高计算效率。为了考虑桥梁初始承载力和衰减过程的不确定性,该文基于全概率方法,给出了计算劣化结构时变可靠度的显式公式。通过将该文方法应用于某钢筋混凝土桥梁进行时变可靠度分析,并与Monte Carlo模拟方法进行对比,表明了该文方法的准确性和高效性。
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25. 分级屈服型金属阻尼器抗震性能研究
陈云, 蒋欢军, 刘涛, 万志威, 鲁正
工程力学    2019, 36 (3): 53-62.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0036
摘要127)      PDF(pc) (5460KB)(124)    收藏
提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究,揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制,研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明,该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能,而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数,并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式,通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时,也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。
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26. 脉动风速连续随机场的降维模拟
刘章军, 叶永友, 刘增辉
工程力学    2018, 35 (11): 8-16.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0570
摘要126)      PDF(pc) (446KB)(74)    收藏
基于标准正交随机变量的波数谱表示,通过定义标准正交随机变量集的随机函数形式,建立了连续时空随机场模拟的波数谱-随机函数方法。同时,引入快速傅里叶变换(FFT)的算法,极大地提高了波数谱-随机函数方法的模拟效率。在波数谱-随机函数模拟方法中,仅需两个基本随机变量即可在概率密度层次上描述时空随机场的概率特性,并利用数论方法选取基本随机变量的代表性点集,实现对连续时空随机场模拟的降维表达。数值算例表明,当模拟相同数量的样本时,综合考虑模拟的效率和精度两方面,该文方法与传统的波数谱表示方法不分伯仲,但该文方法所需的基本随机变量最少,生成的代表性样本数量少且构成一个完备的概率集,从而可结合概率密度演化理论实现结构随机动力反应及动力可靠度的精细化分析。最后,结合Kaimal风速谱及Davenport空间相干函数模型,模拟了水平向脉动风速连续随机场,验证了该文方法的有效性和优越性。
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27. 超高韧性水泥基复合材料动态压缩力学性能的数值模拟研究
徐世烺, 陈超, 李庆华, 赵昕
工程力学    2019, 36 (9): 50-59.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0147
录用日期: 2019-07-12

摘要125)      PDF(pc) (2326KB)(142)    收藏
该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆(SHPB)压杆系统,对掺有聚乙烯醇(PVA)纤维的超高韧性水泥基复合材料(PVA-UHTCC)的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于此,通过分析5组应变率下材料的动态压缩应力-应变曲线讨论了峰值应力动态增强因子DIF的应变率效应,并通过LS-DYNA软件探讨了破坏过程、破坏形态与应变率的关系。模拟结果表明:随着应变率的增加,PVA-UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向着损伤软化主导的转变趋势;此外,PVA-UHTCC峰值应力动态增强因子DIF具有明显的应变率效应,其值随着应变率增加而增加,且在不同应变率区间呈现不同敏感性;通过量化DIF这种分区敏感性,提出了适用于PVA-UHTCC材料的DIF与应变率对数lgε分段函数式;同时,通过对比钢纤维增强水泥基材料(SFRCC)和普通混凝土材料,发现PVA-UHTCC材料的DIF应变率敏感性较低。最后,通过LS-DYNA软件模拟试件裂缝扩展和压碎破坏过程,更好地理解了PVA-UHTCC材料动态压缩破坏行为。
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28. 半刚性节点网壳结构研究进展及关键问题
范峰, 马会环, 马越洋
工程力学    2019, 36 (7): 1-7,29.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST05
摘要123)      PDF(pc) (771KB)(98)    收藏
装配式节点通常采用单根或多根螺栓与构件连接,往往具有一定的半刚性特性。但目前,由于对装配式节点认识不足,在装配式网壳结构分析和设计时,通常假定其节点连接为铰接;然而,通过研究发现实际装配式节点具有较好的半刚性性能;为适应实际工程所研发的新型装配式半刚性节点具有刚度更大、更加高效等优点,可应用于更大跨度的单层网壳结构中。半刚性节点网壳结构具有广阔的应用前景,针对半刚性节点及其网壳性能的研究逐渐成为建筑结构领域的热点研究课题之一。该文综述了国内外半刚性节点及半刚性节点单层网壳结构的现有研究成果以及尚需深入研究的主要问题。文献分析表明,目前针对半刚性节点及半刚性节点网壳结构静力性能的研究已取得一定的成果。然而,关于空间半刚性节点在复杂荷载作用下节点抗弯性能、空间半刚性节点耗能性能、适用于更大跨度的新型空间节点研发、半刚性节点网壳结构动力稳定性等方面有必要进行更多更深入的试验和理论研究,以推动半刚性节点单层网壳结构的实际工程应用。
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29. 惯容减震(振)系统及其研究进展
张瑞甫, 曹嫣如, 潘超
工程力学    2019, 36 (10): 8-27.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0496
录用日期: 2019-04-12

摘要123)      PDF(pc) (3418KB)(98)    收藏
惯容是一种两端点加速度相关型新型结构控制元件。惯容减震(振)系统是包含惯容元件的结构振动控制系统。该文整理并总结了国内外学者在惯容及惯容减震(振)系统方面取得的大量研究成果,从惯容的实现机理、惯容减震(振)系统性能、惯容减震(振)结构体系的分析设计三个方面介绍、论述惯容的原理及其在减震(振)控制领域的发展历程与研究现状。相比于传统减震(振)系统,惯容减震(振)系统具有如下优势:能够实现惯性的灵活调整和频率的调节、改变结构惯性同时基本不改变结构的物理质量、提高惯容系统中消能器的耗能效率。该文旨在梳理惯容减震(振)系统的发展脉络与现状,为惯容减震(振)系统在结构振动控制中的应用提供理论依据和设计参考,以推进惯容减震(振)系统理论与实践的持续发展。
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30. 多相非饱和多重孔隙介质的有效应力定律
高彦芳, 陈勉, 林伯韬, 金衍
工程力学    2019, 36 (1): 32-43.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.11.0790
摘要121)      PDF(pc) (381KB)(72)    收藏
多孔介质的有效应力定律广泛应用于流固耦合变形分析问题。该文考虑孔隙的重数、孔隙流体的相数、各向异性、非饱和、基质吸力等条件,提出了广义多相非饱和多重孔隙介质的有效应力定律。在固体相及各流体相线弹性变形的假设下,首先通过应力状态分解、边界条件叠加方法,得到了不考虑基质吸力的多相等效饱和各向异性多重孔隙介质的有效应力。考虑到非饱和多孔介质中两相界面张力引起的基质吸力,在线弹性变形基础上,叠加了基质吸力引起的变形部分,推导得到非饱和多孔介质的有效应力定律的一般形式。将所得公式根据实际需要进行简化处理,可以得到目前常用的有效应力定律的表达形式,充分说明了该文所得结论的合理性。
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31. 结构动力鲁棒优化设计方法综述
许本胜, 臧朝平, 缪辉, 张根辈
工程力学    2019, 36 (4): 24-36.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0484
摘要120)      PDF(pc) (525KB)(85)    收藏
如何提高结构动力学性能的鲁棒性,以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念,从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例,从结构的动力响应要求出发,采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明,基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案,在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后,对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。
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32. 功能梯度扁球壳在热-机械荷载作用下的屈曲分析
赵伟东, 高士武, 马宏伟
工程力学    2018, 35 (12): 220-228.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0686
摘要118)      PDF(pc) (690KB)(50)    收藏
基于经典壳理论,应用虚功原理和变分法推导了均匀变温场中的功能梯度圆底扁球壳在均布外侧压力作用下的位移型几何非线性控制方程。考虑固定夹紧边界条件,运用打靶法计算获得了球壳轴对称变形的数值结果。考察了材料体积分数指数、组分材料弹性模量和均匀变温场对壳体平衡路径,上、下临界荷载以及平衡构型的影响。数值结果表明,随材料体积分数指数的增加和组分材料弹性模量的减小,壳体上、下临界荷载均会显著减小。均匀升温,会使壳体上临界荷载显著增加,下临界荷载轻微减小。为方便工程设计人员进行几何、材料、荷载和变温参数的选取,给出了一个实用数表和一些实用的数值曲线。
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33. 基于谱元法的复杂地形风场大涡模拟
胡伟成, 杨庆山, 闫渤文, 张建
工程力学    2018, 35 (12): 7-14.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0663
摘要117)      PDF(pc) (959KB)(93)    收藏
以Askervein山为研究对象,基于开源平台Nek5000,自编程序完成复杂地形下谱元法的网格建模,添加计算湍流粘性项子程序,对复杂地形风场进行大涡模拟,并与场地实测数据及其它数值结果进行对比。结果表明,谱元法的大涡模拟结果与Askervein山的场地实测结果符合较好,表明该方法在复杂地形风场的预测上有较高的精度,可用于复杂地形的风能资源评估。
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34. 摇摆构件摇摆前分析模型
崔浩然, 吴刚, 冯德成
工程力学    2018, 35 (12): 34-45.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0695
摘要115)      PDF(pc) (560KB)(70)    收藏
该文为更合理地解释角部损伤后的摇摆构件在摇摆运动前的变形,参考已有的类似弥散塑性模型建立了新的损伤后摇摆构件摇摆前分析模型。同时通过用新的有效刚度系数考虑计算中的塑性变形,提出了一个损伤影响系数来考虑角部缺陷对摇摆构件整体的影响。通过ABAQUS实体有限元模型和已有的试验对提出的分析模型进行验证,结果表明,该文提出的理论模型准确预测了损伤前后的摇摆构件在摇摆前的变形情况。该文使用的随接触面正应力分布而变化的有效刚度系数经验证适用于摇摆构件摇摆前的分析。通过调整该文提出的损伤影响系数可合理反映出不同程度的角部损伤对摇摆构件刚度的影响。
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35. 非高斯随机过程的短期极值估计:复合Hermite模型
高山, 郑向远, 黄一
工程力学    2019, 36 (1): 23-31.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0855
摘要115)      PDF(pc) (383KB)(73)    收藏
Hermite模型自20世纪80年代后期开始被广泛应用于非高斯随机过程的短期极值估计。当随机过程的非高斯性很强时,尤其是偏度很大时,常用的3阶Hermite模型不足以表征出极值分布的尾端特征。工程中,样本统计矩的不确定性使得更高阶的Hermite模型不宜使用。基于此,该文提出了同时基于中心矩与线性矩的复合Hermite模型,有效地将Hermite模型由3阶拓展到4阶。该文以对数正态模型作为非线性系统的研究对象,对比分析了在解析条件下和在使用蒙特卡洛模拟获得样本数据条件下,各类Hermite模型与传统的Gumbel法以及平均条件穿越率(ACER)法用于极值分析的表现。结果表明,对于大偏度强非高斯随机过程的极值预测,复合Hermite模型具有更好的精确度和鲁棒性。
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36. 预应力钢带加固RC框架节点抗震性能试验研究
杨勇, 陈展, 王念念, 张波
工程力学    2018, 35 (11): 106-114,154.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0555
摘要111)      PDF(pc) (3839KB)(55)    收藏
在对现有节点加固技术分析研究的基础上,该文提出预应力钢带加固RC梁柱节点技术。为验证预应力钢带加固技术的有效性,对4个预应力钢带加固试件和1个未加固试件在水平低周反复荷载作用下的抗震性能进行了试验研究。研究节点核心区钢带间距、邻近核心区的梁端钢带间距和预应力钢带加固位置对加固后节点抗震性能的影响,并对各试件的破坏形态、滞回性能、耗能和延性性能等抗震性能指标进行分析。试验结果表明:预应力钢带能有效抑制节点核心区裂缝的开展,减小节点核心区的剪切变形,提高节点核心区抗剪承载能力,实现破坏位置和破坏形态的改变,加固试件的破坏形态由未加固试件的梁端弯曲-节点剪切破坏变为梁端弯曲破坏,加固后试件的承载力、耗能、延性和刚度退化等抗震性能指标均有明显提高。
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37. 高速滚滑下轮轨表层材料的应变率水平估计
寇峻瑜, 赵鑫, 张鹏, 温泽峰, 金学松, 王平
工程力学    2019, 36 (4): 239-247.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0099
摘要111)      PDF(pc) (852KB)(41)    收藏
基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨(波长30 mm~170 mm)和宏观粗糙度(波长4 mm~30 mm)时钢轨表层0.25 mm~0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示:1)空间上,表层单元的应变率最大,时间上,表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,且法向应变分量的应变率最大,其最值是Von Mises(V-M)等效应变率最值的1.50倍~1.86倍;2)网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响;3)采用0.5 mm网格和0.32 μs步长,平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s-1,材料弹塑性无影响,波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s-1和79.4 s-1;采用0.25 mm网格和0.042 μs步长的结果约为上述值的1.65倍~1.88倍;4)最大V-M等效应变率随速度线性增加,随摩擦系数的增加而单调递增,牵引系数的影响可忽略。
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38. 海洋结构CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭荷载下的力学性能研究
王宇航, 王雨嫣, 胡少伟
工程力学    2019, 36 (8): 96-105.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.07.0377
摘要111)      PDF(pc) (3372KB)(55)    收藏
为了研究CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭复合荷载下的力学性能,该文开展了4个CFRP环向约束钢管混凝土柱和2个钢管混凝土柱的拟静力试验,主要参数为CFRP层数和轴压比,得到了在弯扭、压弯扭两种荷载作用下柱的破坏模式和荷载-变形曲线。试验结果表明, CFRP环向约束钢管混凝土柱的破坏模式为弯型破坏,其破坏过程为:塑性铰区域钢管局部屈曲、CFRP形成环向裂纹,随后CFRP断裂、与钢管剥离,最后钢管局部屈曲部位开裂。轴力的存在会使得钢管更容易出现“象腿”破坏模式。在弯扭荷载下, CFRP环向约束对钢管混凝土的延性以及承载力提高不明显;在压弯扭荷载下, CFRP环向约束能有效提高钢管混凝土的延性及其耗能能力,减缓刚度退化,但对承载力的提高不明显。此外,增加CFRP层数能有效抑制钢管的局部屈曲,增强耗能能力。
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39. 重组竹钢夹板螺栓连接承载力试验研究
崔兆彦, 徐明, 陈忠范, 王飞
工程力学    2019, 36 (1): 96-103,118.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.11.0792
摘要109)      PDF(pc) (2494KB)(78)    收藏
螺栓连接因其制作简单、安全可靠和施工方便的优点在现代竹木结构建筑中应用广泛。为研究重组竹钢夹板螺栓连接力学性能,对12组试件进行单轴拉伸试验研究与分析,探讨了厚径比、间距、端距等因素对螺栓连接破坏形态及承载能力的影响规律。研究结果表明:当试件厚径比为5.0~5.7时,单螺栓连接和多螺栓连接破坏形态均表现为单铰屈服模式,当试件厚径比为8.0~10.0时,破坏形态均表现为双铰屈服模式;随着螺栓直径、端距和间距增加,螺栓连接承载力逐渐增加,单列螺栓布置的螺栓连接延性较好,而增加螺栓列数虽然可以提高螺栓连接初始刚度但延性变差;通过将螺栓连接试验结果与国内《木结构设计规范》、《木结构设计手册》和Eurocode 5计算公式计算结果对比分析,国内规范计算结果较为保守,Eurocode 5计算公式具有更好的适用性。
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40. 主余震序列作用下钢筋混凝土框架结构的易损性分析及安全评估
周洲, 于晓辉, 吕大刚
工程力学    2018, 35 (11): 134-145.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0588
摘要107)      PDF(pc) (1093KB)(77)    收藏
余震将给主震损伤结构造成“二次损伤”,威胁结构的地震安全。鉴于此,该文基于传统地震易损性理论,分别采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为地震输入,选择一栋按我国规范设计的5层钢筋混凝土框架结构作为研究对象,对主余震序列作用下的结构易损性进行研究。基于结构在主余震序列作用下的易损性结果,分别计算结构在不同危险性水平的主余震序列作用下的极限状态失效概率、破坏状态失效概率和易损性指数,评估结构在主余震序列作用下的地震安全。分析结果表明:主余震序列作用下的结构易损性要高于主震单独作用下的结构易损性。人工构造主余震序列要比真实主余震序列对结构造成更大的易损性。在真实和人工主余震序列中,基于重复法构造的人工主余震序列对结构的潜在破坏能力最强,而基于衰减法构造的人工主余震序列与真实主余震序列对结构的潜在破坏能力较为接近。
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2018年11月15日