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2006年  第23卷  第11期

基本方法
一种严密的结构最优控制极值条件及算法实现
杜永峰
2006, 23(11): 1-8.
摘要:
针对结构振动控制的特点,导出了可用于时域响应最优控制的极值条件。该组表达式对于采用线性二次型最优控制的强迫振动系统而言,是概念上严密的极值条件。对比了几种现有最优控制算法的思路,介绍了对结构控制算法建模思路进行改进的技术要点。利用伴随方程与状态方程形式上的相似性,用数值方法实现了一种新的结构最优控制算法。选用由作者承担设计过的三个实际隔震工程作为算例,对比了输入三种不同地震波时各种算法在模型表达和减震效果上的几个重要特点。
广义帽盖模型和数值模拟
卢应发, 刘德富, 田斌, 邵建富
2006, 23(11): 9-13,2.
摘要:
帽盖模型是描述地质孔隙介质弹塑性破坏特征的重要工具之一。推广了古典的帽盖模型,用以描述大孔隙率地质材料的多种破坏机理,并将建立的广义帽盖模型应用于贮油砂岩的试验数值模拟之中,结果表明:该模型能较好地模拟注水采油等引起砂岩地层的附加沉降,描述油饱和与水饱和对砂岩地层的影响,并能很好地表征大孔隙率砂岩的几种破坏机理。
地震作用下板式橡胶支座滑动引起的城市立交中的动力耦合作用
聂利英, 李建中, 胡世德, 范立础
2006, 23(11): 14-20.
摘要:
地震作用下具有不同动力响应特征的桥梁不同部位之间存在显著的相互作用。在城市立交设计中板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递靠接触面摩擦作用。橡胶支座与墩顶、梁底接触面地震作用下可能会发生滑动。以城市立交工程中一多跨简支梁桥为例,按照实际结构构造充分考虑材料非线性及连接构件的非线性等因素,分别以弹塑性纤维模梁柱单元、空间滑动支座单元和接触单元模拟桥墩屈服、支座的滑动、相邻结构之间的碰撞,通过非线性时程分析综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移,并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。
大跨度屋盖结构等效静力风荷载背景分量的确定方法探讨
陈波, 武岳, 沈世钊
2006, 23(11): 21-27.
摘要:
重点对结构等效静力风荷载背景分量的确定方法进行了系统分析。并结合风洞试验,分别采用阵风荷载因子法、风压轮廓面法和荷载响应相关系数法,分析一鞍形索网屋盖结构不同风向角、不同极值响应对应的等效静力风荷载背景分量,并与风洞试验方法确定的极值响应对应的瞬态脉动风压进行对比,结果表明荷载响应相关系数法在确定该类结构等效静力风荷载背景分量有很好的适用性,而其它几种方法计算偏差较大,这为大跨度屋盖结构等效静力风荷载的研究奠定了一定的基础。
快速多极与常规边界元法机群并行计算的比较
雷霆, 姚振汉, 王海涛
2006, 23(11): 28-32,5.
摘要:
以三维弹性力学问题为例,对快速多极与常规边界元法机群并行计算进行了比较。其中常规边界元法求解方程采用高斯消去法,通过调用标准并行求解函数库ScaLAPACK实现;快速多极边界元法并行计算程序采用ANSI C++语言、调用MPI并行通信库自行编写。两种程序均运行于同一机群并行环境。数值算例表明,在同样的机群条件下,采用快速多极边界元法可使解题规模有数量级的提高,计算速度明显高于常规边界元法,并行效率也优于常规边界元法。
多自由度体系效应对强度折减系数的影响
翟长海, 谢礼立
2006, 23(11): 33-37,6.
摘要:
首先推导了多自由度体系效应影响强度折减系数的修正系数的计算方法,然后利用严格按我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构及大量地震动记录研究了多自由度体系效应影响强度折减系数的规律,并给出了相应的实用计算公式。结果表明:结构的周期及延性对修正系数的影响较为显著,且修正系数随周期及延性的增大而增大;场地条件对修正系数的影响可忽略。
隔震换能系统换能效果试验研究
程树良, 王焕定, 孙作玉
2006, 23(11): 38-44.
摘要:
隔震换能系统是在隔震层安装了换能装置的隔震结构,该系统能够将地震传给结构的部分能量转换成液压能,并储存起来。对5层钢框架模型的隔震换能系统进行模拟地震振动台试验,研究换能装置的性能和隔震换能系统的换能效果和控制效果,为隔震换能系统的实际应用奠定基础。试验表明,换能装置的换能性能良好,出力可靠,耗能稳定,在控制效果接近普通橡胶垫隔震系统控制效果的前提下,换能效率达到了50%~80%。
单层厚壁圆筒弹性动应力的简化计算方法
陈勇军, 郑津洋, 邓贵德, 孙国有
2006, 23(11): 45-51.
摘要:
厚壁圆筒在爆炸领域被广泛应用,经典厚壁圆筒弹性动应力公式计算十分复杂,不利于工程直接应用。为了得到有效的精度较高的单层厚壁圆筒弹性动应力的简化计算公式,从经典动应力公式出发,通过求取频率特征方程的特征值,再将其代入动应力公式中进行简化计算,结合对动应力公式的级数表达式的讨论,最后得到了简化的厚壁圆筒内壁和外壁处动应力计算公式。数值计算结果表明,在圆筒外直径和内直径之比K不超过2时,简化计算结果和精确解的相对误差不大于6%。
基于截尾概率分布的结构可靠性分析
许福友, 陈艾荣
2006, 23(11): 52-57.
摘要:
基于概率分布理论,建立了截尾概率分布分析模型;为便于截尾概率分布可靠性分析,提出了计算可靠指标的新优化模型,该模型无需对概率分布进行当量正态化,也无需知道概率分布类型信息;给出了截尾概率分布在给定子区间内产生随机数的方法,使得MonteCarlo抽样成为可能。算例结果表明,截尾概率分布更符合实际情况,并且会使可靠指标提高,其影响不容忽视。
对接机构非线性物理参数辨识方法
闵建琴, 陆秋海, 葛东云, 邹怀武, 肖余之
2006, 23(11): 58-62.
摘要:
采用直接参数识别方法(DPE)由系统的输入、输出数据识别空间对接机构的物理参数:惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度系数矩阵。首先建立了对接机构简化非线性动力学方程,然后利用系统已知的对称性和非满阵信息将机构的非线性物理方程变形为参数线性的辨识模型,分别采用同时需要位移、速度和加速度数据的DPE方法和只需要位移数据的四阶差分DPE方法识别机构的物理参数。六自由度对接机构仿真算例验证了两种方法的可行性。
仓壁柱承钢筒仓结构行为的研究
赵阳, 俞激, 叶军
2006, 23(11): 63-69.
摘要:
仓筒壁直接支承于支柱是小型钢筒仓一种简单、经济的支承方式。采用数值分析方法,包括线性应力分析、线性特征值屈曲分析及几何非线性分析,对这类仓壁柱承钢筒仓的结构行为、特别对其稳定性能进行了系统研究。分析了仓筒径厚比、支柱伸入仓筒的高度、支柱宽度等几何参数对结构性能的影响。研究表明,支柱伸入高度是影响仓壁柱承筒仓屈曲强度的主要因素,屈曲模态也与之密切相关。为提高仓壁柱承筒仓的承载能力,支柱应尽可能地延伸至仓筒的顶部,这种支柱伸至仓顶檐梁的构造可用于大中型筒仓结构。
杆系结构可动性判定准则
罗尧治, 陆金钰
2006, 23(11): 70-75,8.
摘要:
基于矩阵的奇异值分解法,提出了杆系结构在考虑荷载作用下的可动性判定方法,包括含机构的杆系结构可动性判定和瞬变结构的判定。通过分析结构的平衡矩阵,计算自应力模态、机构位移模态,归纳出了荷载态下杆系结构可动性判定公式。结果显示若机构位移模态与荷载向量正交,则几何意义上的机构可演变为可以承受外界扰动、相对稳定的结构。另外对瞬变结构给出瞬变判定公式,弥补了体系分类的空缺。最后辅以算例验证,给出结论,系统列出细化后的结构体系分类表。
均布荷载下一端固定的文克尔地基梁的基底压力特性及其工程意义
杨学祥
2006, 23(11): 76-79.
摘要:
利用文克尔局部弹性地基模型,求解均布荷载作用下一端固定的弹性地基梁的基底压力;并发现其规律:在距离固定端的一定范围内,地基梁的基底压力分布具有随着与固定端的距离增加而增大、且存在一个最大值。基于这个特点,提出并分析将一端固定的文克尔地基梁应用于工程的可能性,以解决如“桥头跳车”等由于建筑地基差异沉降而导致的工程缺陷问题。
土木工程学科
半刚性连接钢框架稳定性的刚重比控制方法
沈蒲生, 胡习兵, 舒兴平
2006, 23(11): 80-84.
摘要:
通过对构件转角-位移方程的修正,推导了半刚接梁单元线刚度修正系数。用等效水平力方法,推导了结构临界重力荷载,提出了用对结构刚重比的控制来进行半刚接钢框架考虑重力二阶效应的稳定计算方法。算例结果表明:连接的半刚性对结构稳定的影响非常大,在该类型钢框架计算时,必须考虑连接刚度的影响。该方法使用方便,计算结果精度高,便于工程设计。同时还计算分析了连接的初始刚度对结构位移和刚重比的影响。
预应力碳纤维布材加固混凝土梁受弯性能非线性分析
尚守平, 彭晖, 曾令宏
2006, 23(11): 85-90,9.
摘要:
根据平截面变形假定,考虑材料的非线性性质,用分级加应变的方法计算预应力碳纤维布加固的混凝土梁的荷载—挠度关系,得到的5根预应力碳纤维加固混凝土梁和4根非预应力加固混凝土梁的荷载-挠度曲线与试验结果吻合较好。并在此力学模型的基础上对预应力碳纤维布加固的受弯构件的二次受力性能进行了非线性分析,研究了碳纤维初始应变、截面高度、预应力大小对被加固梁受弯性能的影响。分析结果表明:预应力可有效发挥碳纤维高强性能,二次受力条件下预应力碳纤维布材的加固效果远好于非预应力碳纤维布材加固,可有效解决构件二次受力应力应变滞后问题。
基于虚拟裂缝模型求解混凝土等效断裂韧度的实用解析方法
李忠献, 刘永光
2006, 23(11): 91-98.
摘要:
主裂缝亚临界扩展所形成的虚拟裂缝区的粘聚力是影响混凝土断裂韧度尺寸相关性的重要因素。根据混凝土准脆性材料的断裂特性,建立了一种基于虚拟裂缝模型的求解混凝土等效断裂韧度的实用解析方法。首先根据复合材料力学和线弹性断裂力学的基本原理,将虚拟裂缝的粘聚力作为相应的边界条件,运用修正的剪滞理论,分区引入变异层,建立了分层剪滞模型;然后根据能量法则,推导出求解混凝土等效断裂韧度的解析计算模式;最后针对相关试验的数值解,得到了混凝土等效断裂韧度的解析解。结果表明,对于不同的子层数,体积系列试件的混凝土等效断裂韧度均方差和变异系数分别低于0.0398和0.0384,高度系列试件的混凝土等效断裂韧度均方差和变异系数分别低于0.0394和0.0363,从而证明了混凝土等效断裂韧度是与试件尺寸无关的断裂参数;且与数值解相比,解析解的均方差和变异系数更小,证明了本文解析方法具有更好的鲁棒性。由此得出结论,基于虚拟裂缝模型所建立的解析模式为求解混凝土等效断裂韧度提供了一种可靠的、实用的解析方法。
方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析
聂建国, 秦凯, 肖岩
2006, 23(11): 99-109,.
摘要:
基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。
软化与硬化特性转化的岩石损伤统计本构模型之研究
曹文贵, 张升, 赵明华
2006, 23(11): 110-115.
摘要:
首先将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,通过引进岩石材料屈服或破坏的能量原理,建立岩石损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立能够反映岩石破裂全过程的统计损伤演化方程,进而建立特定围压下的岩石损伤统计本构模型;最后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立出反映不同围压条件下的岩石破裂全过程的统一三维损伤统计本构模型。该模型参数少,便于工程应用,尤其是它能够反映岩石软化与硬化特性随围压变化而相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。
反映阻尼影响的混凝土弹塑性损伤本构模型
吴建营, 李杰
2006, 23(11): 116-121,.
摘要:
通过引入有效阻尼应力和阻尼应力,提出了一种基于损伤的阻尼模型,并与混凝土弹塑性损伤本构模型相结合,建议了一类可以直接在材料层次考虑阻尼耗能影响的弹塑性损伤本构模型。当材料处于线弹性阶段,该阻尼模型退化为经典的Rayleigh刚度比例阻尼;同时,还可以描述材料非线性阶段损伤演化引起的耗能能力降低、裂缝闭合后耗能能力(部分)恢复等典型的非线性结构阻尼行为。利用建议的本构模型,通过HHT-α方法可以将结构的动力非线性分析转化为常规的无阻尼结构动力学问题来处理,十分方便有限元方法实现。对Koyna大坝的地震动时程分析结果表明了建议模型及其数值算法的有效性,可以应用于混凝土结构的非线性动力反应分析。
钢-混凝土叠合梁横截面日照温度分布研究
孙国晨, 关荣财, 姜英民, 牟春雷, 霍春雨, 徐丰
2006, 23(11): 122-127,.
摘要:
介绍了桥梁结构横截面上温度分布的若干形式及其对结构受力的影响。基于平面非稳态温度场的基本理论,按求解导热微分方程的第三类边界条件加载,应用ANSYS有限元软件对某实桥的钢-混凝土叠合梁截面在日照作用下的温度分布进行时程仿真计算,进而评价了不同材质在叠合梁截面中的热力学性能。通过对比实测数据和计算结果,验证了计算方法和我国桥梁规范对桥梁横截面温度分布的界定的合理性。
基于统一强度理论分析软岩断裂面对岩体强度的影响
李杭州, 廖红建
2006, 23(11): 128-132.
摘要:
对含有结构面的岩体,基于统一强度理论,在考虑洛德参数的基础上,推导出可以考虑不同受力状态下随洛徳参数和中间主剪应力系数b变化的材料统一强度参数Ctφt,建立了含断裂面岩体的强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏公式,并分析了其有效范围。通过硅藻质软岩的普通三轴试验结果验证了所建立公式的正确性,并根据岩土材料统一强度参数确定的方法,分析了含有不连续面岩体强度以及统一强度参数随洛德参数的变化,以及中间主剪应力系数b值对强度参数的影响,结果表明:统一强度参数随洛徳参数的增大而增大一定值后随洛徳参数的增大而减小;随中间主应力系数的增大而增大。
竖向受荷长短桩基础的侧端阻力分析方法
王伟, 杨敏, 王红雨
2006, 23(11): 133-138.
摘要:
运用幂函数有限项级数的表达式表示群桩中单桩的桩侧摩阻力分布函数,并基于弹性理论中的变形协调关系、桩体物理方程和力的平衡关系,推导了长短桩群桩基础中联系桩顶荷载和桩顶位移之间的刚度矩阵。利用该矩阵可以分析长短桩桩基础中桩侧摩阻力和桩端阻力的分布情况。对于不同桩长的群桩基础的侧阻力、端阻力与Poulos方法、Chow混合方法和有限元分析结果进行了比较,证明该方法是可行的,精度也满足要求。
钢管混凝土短柱极限承载力可靠度分析
余志武, 贺飒飒
2006, 23(11): 139-144.
摘要:
基于《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001),利用一次二阶矩法(JC法)对圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载力进行了可靠度校准。结果表明,钢管混凝土构件的可靠指标随着混凝土强度等级的提高而提高,随着钢材强度、含钢率及套箍指标的提高而降低;此外钢材种类、荷载组合以及荷载效应比等也对钢管混凝土构件可靠指标有一定程度的影响。按照建议的分项系数值,能较好的满足《建筑结构可靠度设计统一标准》可靠指标的要求。
高应变状态下混凝土的非等应变幅重复受压性能试验研究
傅剑平, 慕遂峰, 白绍良
2006, 23(11): 145-152.
摘要:
为了建立考虑高应变低周疲劳性能的混凝土受压本构规律,利用全数字化电液伺服式试验机及其位移控制加卸载功能,完成了最大应变以不同幅度超过ε0(ε0为与峰值应力对应的应变)的混凝土棱柱体的等应变幅多次重复受压试验(循环周数分别从624周到8931周),获得了其独特的低周疲劳特征及加卸载应力-应变规律。
索-梁组合结构中拉索的非线性响应
赵跃宇, 杨相展, 刘伟长, 王连华
2006, 23(11): 153-158.
摘要:
研究由桥面振动引起的斜拉索参数共振和亚谐波共振问题。首先,建立索-梁组合结构力学模型,推导了考虑拉索初始垂度的索-梁组合结构非线性动力学方程。然后利用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和亚谐波共振,并对稳态解的稳定性进行了分析。最后对斜拉索参数共振和亚谐波共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下的拉索时间历程曲线。数值模拟结果表明斜拉索振幅与阻尼有关,但不受拉索初始条件影响。
挤密桩爆扩成孔及夯填过程的塑性分析
李小伟, 赵均海, 魏雪英, 史翔
2006, 23(11): 159-162,.
摘要:
应用统一强度理论,对挤密桩的爆扩成孔和夯实两个阶段进行了塑性分析,得出了土体爆扩成孔塑性边界比例半径计算公式和土体夯填塑性影响比例半径计算公式。所得公式考虑了不同拉压比的影响和中间主应力的影响,可以合理地得出不同材料的相应解,它既适用于拉压强度相等的材料,也适用于拉压强度不相等的材料。这些公式可以适用于各种土体的爆扩塑性影响区的计算和夯实塑性影响区的计算,可以用于分析桩的爆扩是否造成邻桩已夯实的土体的破坏,可以用于分析夯实土体所需的重锤的能量,从而确定重锤的重量和夯击次数。
机械工程学科
基于液-固耦合有限元分析方法的气-液型减振器补偿阀性能研究
吕振华, 姜利泉
2006, 23(11): 163-169.
摘要:
通过实验和有限元模拟,对比分析了轿车悬架双筒式气-液型减振器的两种典型结构的油液补偿阀工作性能的差异。利用ADINA有限元分析软件分别建立了两种补偿阀的结构动力学模型和流体动力学模型,进行了油液补偿阀的液-固耦合动态响应计算分析,得到了两种补偿阀的非线性节流特性、流场特性以及补偿阀阀片的动态响应特性。分析表明,两种补偿阀的节流孔结构不同,导致二者的补偿能力具有较大的差异,从而使得此二种减振器的空程性畸变临界速度点具有较大差异。当流量较大时,节流孔的节流作用对补偿阀的性能影响较大,通过合理设计节流孔结构,可以有效地提高双筒式气-液型减振器的空程性畸变临界速度点,提高减振器的高速工作性能。
双层管结构中扭转模态传播特性的理论分析与实验研究
刘增华, 何存富, 吴斌, 杨士明, 王秀彦
2006, 23(11): 170-176.
摘要:
通过分析不同的应力和位移边界条件得到了三种不同双层管结构中扭转模态的频散方程。不同结构中频散方程的阶次也不相同。并进行数值求解,得到相应的频散曲线。对不同双层管结构中扭转模态尤其是T(0,1)模态的主要传播特性进行了分析。然后,利用厚度剪切压电陶瓷片分别在这三种不同的管结构中进行了激励接收扭转模态的实验。实验结果与理论分析较为吻合。结果表明,利用全局矩阵法可以得到不同双层管结构的扭转模态频散方程,并且其频散曲线可用作模态选取的理论指导,用于这些管结构的缺陷检测。
其他工程学科
利用参照轨道要素研究卫星星座/编队的几何特征
王虎妹, 李俊峰, 杨卫
2006, 23(11): 177-181.
摘要:
星座/编队的对地遥感应用要求对卫星群的空间几何特征进行量度和评价。定义了用于刻画卫星星下点球面几何特征的两个指标:平均星间角距和星下点分布面积。作为星下点分布的一维量度,星间角距可由参照轨道要素解析地表达。继而给出星下点最小凸球面多边形的判定算法;与传统方法不同,该算法无需求解星下点坐标即可判定星下点几何特征,进而计算卫星分布面积,作为星下点几何特征的二维表征。最后以四星编队任务为例,通过计算判定星下点几何,分析了编队轨道设计要素与编队几何特征的半定量关系。
运行列车引起高层建筑物振动的试验研究及数值分析
曹艳梅, 夏禾, 战家旺
2006, 23(11): 182-187,.
摘要:
通过现场试验和数值分析的方法对运行列车引起的铁路线附近高层建筑物振动特性及其影响因素进行了研究。结果表明:列车引起的建筑物振动属于低频振动,且在软土场地上产生的振动比在硬土场地上的大;建筑物的振动水平随楼层的上升呈曲折分布,楼板的竖向振动大于横向振动;各楼层的振动随列车速度的提高而增大;货物列车因其荷载较重引起的振动比客车大;建筑物整体刚度的变化会对楼层的振动产生影响,且对竖向振动的影响比横向要复杂;距离轨道中心线越近,建筑物楼板的振动就越大。
动边界低渗透油藏的无网格方法数值模拟
郭永存, 曾清红, 王仲勋
2006, 23(11): 188-192.
摘要:
针对具有动边界的低渗透问题,给出了无量纲化的渗流控制方程、初始条件以及边界条件,使用无网格方法进行数值模拟。计算结果使用Gringarten-Bourdet图版进行井底压力分析,给出了一种计算动边界位置的方法,并详细讨论了动边界变化情况。