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2007年  第24卷  第5期

基本方法
结构振动AMD控制系统主动控制力特征指标与分析
张春巍, 欧进萍
2007, 24(5): 0-009.
摘要:
首先提出了定量化研究结构振动的主动质量驱动AMD(Active Mass Driver)控制系统主动控制力方向等特征的一系列指标,包括表征主动控制力与质量块相对运动速度和相对运动位移等的方向关系、主动控制力与AMD子系统惯性力峰值和均方值的比例关系等指标。其次以一个单自由度结构受AMD系统控制为分析对象,设计三组代表性工况进行数值分析,采用经典线性二次型最优LQR(Linear Quadratic Regulator)控制算法,研究了AMD系统主动控制力特征指标、结构振动控制效果与控制算法参数和系统输入荷载等的相互关系,系统地分析和总结了AMD系统主动控制力特性及其控制效果影响因素。最后基于定量和定性分析结果,得出不能采用半主动变阻尼控制装置取代AMD系统中的作动器来实现主动控制的结论。
基于单边饱和拉索的结构振动最优控制
郭铁能, 陆秋海, 李俊峰
2007, 24(5): 0-028.
摘要:
拉索作动器已被引入结构振动控制中,但作动器具有单边饱和的非线性特点,因此,拉索控制难以直接采用要求控制无约束的LQG对结构振动进行控制律设计。针对拉索的单边饱和特点,提出了一种用分段性能指标代替原有的二次型性能指标的最优控制方法。将拉索的单边饱和特性考虑在内并以合适的抑制速度对结构振动进行控制。并证明了直接用LQG方法对结构振动进行控制律设计,通过拉索控制器取单边和饱和之后作用于结构也是一种最优控制。同时证明了加观测器的最优控制系统对结构振动控制是稳定的。对一悬臂梁振动进行数值仿真控制,结果验证了该最优控制率的可行性。
半无限大弹性地基等效刚度公式及其应用
龚耀清, 张正维
2007, 24(5): 0-016.
摘要:
根据Mindlin关于一集中力作用在半空间弹性体中的位移公式,采用能量等效原理推导出半无限大弹性地基考虑基础埋深时基坑底部的法向等效刚度和切向等效刚度公式、基坑坑壁的法向等效刚度和切向等效刚度公式。同理根据Boussinesq关于半空间体在边界上受法向集中力的位移公式和Cerruti关于半空间体在边界上受切向集中力的位移公式,推导出不考虑基础埋深时地基的法向等效刚度和切向等效刚度公式,以及运用这些公式计算出半无限大弹性地基取不同地基土时的等效刚度。最后举例说明了这些等效刚度公式在分析高层和超高层建筑的上部结构、基础、地基的共同工作时的应用。
单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究
曹正罡, 范 峰, 沈世钊
2007, 24(5): 0-023.
摘要:
有计划地针对六种实际尺寸的常用单层球面网壳结构,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序进行了3200余例网壳双重非线性全过程分析。求得网壳的弹塑性极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布,支承条件等因素对单层球面网壳结构弹塑性稳定性能的影响,着重研究考虑材料非线性后网壳极限承载力的变化规律。通过这种大规模参数分析研究,较全面了解单层球面网壳结构的弹塑性稳定性能,为实际工程设计提供了理论依据和设计参考。
带刚臂的两节点精确悬链线索元的非线性分析
陈常松, 颜东煌, 陈政清
2007, 24(5): 0-034.
摘要:
为解决应用悬链线索元时锚固点的刚性连接问题,在应用悬链线基本方程导出的两节点悬链线索元的切线刚度矩阵基础上,推导出两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元的切线刚度矩阵显式表达式,并且分析了考虑索元初次张拉和成形使用两种条件下切线刚度矩阵的迭代求解技术。分析和算例表明,应用两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元可以很好地解决前述问题,且其有限元分析格式与不带刚臂的悬链线索元完全一致,而且当索元不带刚臂时该切线刚度矩阵可自动转化为相应的刚度矩阵,实用价值较强。
碳纤维格栅结构力学性能研究
范华林, 孟凡颢, 杨 卫
2007, 24(5): 0-046.
摘要:
为了得到轻质高强点阵材料和预测点阵材料的力学性能,应用嵌锁工艺设计和制备了混合三角格栅。根据连续介质力学方法预测拉伸主导型点阵格栅的等效刚度。对试件进行了面内压缩试验和三点弯曲试验,对比试验刚度和试件破坏模式说明了等效连续介质理论模型的可行性和点阵材料的优越性。
开孔结构风致内压脉动的频域法分析
余世策, 楼文娟, 孙炳楠, 李 恒
2007, 24(5): 0-041.
摘要:
提出了估算开孔结构风致内压脉动的频域分析方法,并实施了风洞试验进行验证。针对结构迎风面开孔的不利状况,根据伯努利方程导出内压响应动力微分方程,再采用能量法将非线性阻尼线性化,结合随机振动理论及迭代算法得到风致内压脉动量,通过数值算例分析了开孔结构内压频响特性及开孔率、开孔数量与开孔位置对风致内压脉动的影响。设计制作了迎风墙面具有不同开孔的刚性模型对结构内部进行风洞测压试验,试验结果与理论结果较为吻合。理论与试验研究结果均表明,对于结构单一开孔,空腔-孔口动力系统的频响特性及孔口外压谱决定了内压的脉动量,而多处开孔时各孔口风压的相关性也成为影响内压脉动的重要因素。
弹性圆柱薄壳在流体中的变形与内力分析
周小利, 白象忠
2007, 24(5): 0-052.
摘要:
应用薄壳弹性理论及流体力学基本方程,给出了圆柱壳在流体中流固耦合问题的基本关系式。阐述并应用相容拉格朗日-欧拉方法推导出流体绕壳横向流动时弹性圆柱薄壳的小弯曲变形问题的方程,并求解了流场的速度势和壳体的变形及内力分布。通过具体算例,绘出了流场分布图,讨论了有关参数变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响。
碳纤维增强压弯构件弹塑性失稳解析解
杨 刚, 王海滨, 张爱锋, 姜黎黎, 仇成竹
2007, 24(5): 0-057.
摘要:
基于计算压弯构件弹塑性失稳的Ježek法,推导了在轴压和弯矩共同作用下拉压侧粘贴碳纤维片材后矩形截面柱绕强轴失稳时极限荷载的计算公式,通过与有限元解进行对比,表明该解析解是正确的,它为构件弹塑性屈曲的基础理论研究提供了一个新的分析方法。计算结果表明,构件横截面进入塑性的区域越大,这种碳纤维的增强效果越为明显,可见,表面粘贴碳纤维对提高构件弹塑性极限荷载是十分有效的。
位错与含裂纹非理想界面圆形夹杂的干涉效应
刘又文, 郁 芳, 方棋洪
2007, 24(5): 0-062.
摘要:
研究了基体中任意位置的螺型位错与含裂纹非理想界面圆形弹性夹杂的干涉力学问题。运用复变函数的解析延拓技术与奇性主部分析方法,获得了该问题复势函数的一般解答。作为典型例子,求出了非理想圆形界面含一条裂纹时基体和夹杂区域复势函数的封闭形式解。计算了作用在螺型位错上的位错力。讨论了含裂纹的非理想界面以及材料失配对位错力的影响规律。结果表明:与含裂纹理想界面相比,非理想界面对位错力的影响更大,对位错的捕获能力更强。硬夹杂时,可能存在非稳定平衡点,使得非理想界面、界面裂纹和夹杂对位错的作用力为零;软夹杂时,非理想界面、界面裂纹和夹杂则始终吸引位错。
弹性地基上加热弹性圆板的热过屈曲及临界屈曲模态跃迁
李世荣, 郁汶山
2007, 24(5): 0-066,.
摘要:
基于von Kármán薄板理论建立了Winkler弹性基础上弹性圆板在均匀升温下的轴对称热过屈曲控制方程。这是一组以中面位移为基本未知量的非线性常微分方程,其中包含了温度载荷和弹性地基刚度两个参数。采用打靶法数值求解相应的非线性两点边值问题,获得了周边不可移简支圆板的热屈曲及热过屈曲响应。绘出了前三阶屈曲模态对应的临界温度载荷随地基参数连续变化的特性曲线,获得了反映临界热屈曲模态跃迁特性的地基参数值。给出了弹性圆板按一阶模态失稳后的热过屈曲平衡路径和平衡构形,分析了地基刚度参数对临界屈曲温度载荷以及过屈曲平衡构形的影响。
基于加权线性响应面法的支持向量机可靠性分析方法
李洪双, 吕震宙, 赵 洁
2007, 24(5): 0-071,.
摘要:
针对估算非线性隐式极限状态函数的失效概率问题,提出了一种基于加权线性响应面法的支持向量机可靠性分析方法。首先采用加权线性响应面确定设计点,在线性响应面迭代的同时获得一定数量的样本,然后在这些样本和设计点附近补充抽取样本的基础上,采用具有良好小样本学习能力的支持向量机方法来训练样本,保证了在设计点周围获得更好的非线性极限状态函数的替代。这种方法既保证了对设计点的精确近似,又保证了对设计点附近非线性极限状态函数的良好近似,大大提高了失效概率的计算精度,为非线性隐式极限状态的可靠性分析提供了一种合理可行的方法。
两种减少无单元法计算中数值误差的方法
徐卫亚, 邓俊晔, 于清波
2007, 24(5): 0-078.
摘要:
基于无单元法的发展历史和基本理论,讨论了在无单元法计算中起重要作用的A矩阵的几种取值情况,及其对滑动最小二乘法模拟精度的影响,并修正了滑动最小二乘法计算过程中容易产生数值误差的地方。确定了影响A矩阵的几种极端的布点形式,说明了形函数的值与计算点坐标无关的而只与插值点与计算点的相对坐标相关的性质,并给出了数学理论上或数值上的证明。这对无单元法模拟函数滑动最小二乘法的模拟精度有重要的理论价值和实践意义。
基于线性化Nataf变换的一次可靠度方法
吕大刚
2007, 24(5): 0-086,.
摘要:
首先引入等概率边缘变换的基本原理,证明了常用的Rackwitz-Fiessler变换是等概率边缘变换的一次近似形式,将当量正态化原理和线性变换相结合,提出了扩展的Rackwitz-Fiessler变换,并指出其存在的缺点。然后针对Nataf变换的非线性特征,提出了线性化Nataf变换,并将该变换与改进的HLRF算法相结合,给出了基于线性化Nataf变换和iHLRF算法的一次可靠度方法。将Nataf变换、线性化Nataf变换和扩展的Rackwitz-Fiessler变换通过算例进行了对比分析,结果表明:采用线性化Nataf变换的结构可靠度分析结果收敛于采用Nataf变换的计算结果,而采用扩展的Rackwitz-Fiessler变换的计算结果则有较大的误差。
循环温度荷载作用下饱和多孔介质热-水-力耦合响应
白 冰
2007, 24(5): 0-092.
摘要:
对半无限体表面作用简谐循环温度荷载下,饱和多孔介质热-水-力耦合响应的一维情形进行研究,给出内部温度、孔压和位移等的解析表达式。分析了半无限体温度响应由瞬态到准稳态的演化过程以及准稳态条件下温度、孔压和位移等的波动特征。研究表明:随着温度荷载作用时间的增长,热力学响应以波的形式向深处传导和扩散并趋于准稳态过程;随着介质深度的增加,热力学响应的波动幅值不断减小,而其相位相应滞后;随着介质透水性质的增强,孔压沿深度的分布趋于均匀化;当介质深度超过一个波长后,其热力学响应值几乎为零。
基于剩余模态力和模态应变能理论的网架结构损伤识别
高维成, 刘 伟, 钱 成
2007, 24(5): 0-100.
摘要:
针对网架结构特点,引入敏感模态的概念,提出了一种识别敏感模态的算法;基于剩余模态力理论,利用敏感模态进行损伤位置识别,并建立了基于模态应变能理论的损伤程度评估算法,采用非负最小二乘法求解超静定方程组,实现定量评估损伤程度。以某实际结构为仿真对象,分析了上述算法在网架结构损伤识别中联合应用的可行性,同时将评估结果与基于最小秩摄动理论的损伤程度评估结果进行了比较研究,并考虑测试噪声影响。结果表明,二者联合工作效果较好,不仅可以识别结构单处损伤,还可以识别结构多处损伤,且损伤程度评估结果同基于最小秩摄动理论损伤程度评估结果比,更可信,将其应用于网架结构的健康诊断是可行的。
土木工程学科
高湍流度风场下金茂大厦的舒适度分析
洪海波, 谢壮宁, 倪振华, 顾 明
2007, 24(5): 0-106.
摘要:
来流湍流度对超高层建筑的风振响应有很大的影响,在新模拟出更接近实际风场湍流度的流场的基础上,用高频测力天平方法对金茂大厦模型进行了风洞试验。根据试验结果及计算得到了该塔楼334m高度处的峰值加速度,分析了风向、地貌、周围建筑干扰等条件尤其是待建的环球金融中心对结构峰值加速度的影响。结果表明:已有周边建筑对结构加速度影响不大,但待建的环球金融中心则有显著的干扰影响,它有可能使得金茂大厦的峰值加速度在B类、D类地貌下分别增加55%和10%。最后,分析对比了用规范10年重现期基本风速和气象资料所得风速的加速度计算结果。
土工合成材料加筋粘性土的三轴试验研究
魏红卫, 喻泽红, 尹华伟
2007, 24(5): 0-113.
摘要:
采用固结排水三轴剪切试验,研究土工合成材料加筋对粘性土体的体变、强度以及应力应变特性的影响。结果表明,加筋可以明显抑制土体的剪胀体变,但对土体的剪缩体变影响不大,加筋有利于增强高压实度土体的体积稳定性;轴向应变较低时,加筋试件的强度低于素土试件,仅当轴向应变增大到一定程度后,加筋试件的强度才逐渐高于素土试件,加筋对土体强度的增强作用存在滞后现象,且随筋材拉伸模量和加筋层数的提高,滞后现象更明显。试验结果同时表明筋材拉伸模量较低时,增加加筋层数,虽然可以一定程度提高土体的峰值强度,但对峰值后的强度提高不明显;相比而言,采用较高拉伸模量的筋材,加筋对土体残余强度的提高幅度明显高于峰值强度,对土体应力应变特性的改变也相对较大。
自锚式悬索桥的平稳/非平稳随机地震响应
刘春城, 石 磊
2007, 24(5): 0-118.
摘要:
通过引入均匀调制演变函数,考虑了地震激励幅值的非平稳性。同时考虑了地震动空间效应,包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应的影响,对一自锚式混凝土悬索桥结构进行了地震反应分析。计算了平稳/非平稳地面激励下主塔弯矩以及剪力反应。计算结果表明,考虑非平稳因素可使地震反应峰值减小,行波效应和相干效应使结构地震反应增大。
GFRP复合材料与砖界面粘结性能的数值模拟
陈 莹, 王全凤, 黄奕辉, 杨勇新, 林建华
2007, 24(5): 0-124.
摘要:
纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)加固砌体结构剥离破坏是一种常见的破坏形式。对玻璃纤维复合材料(GFRP)和砖粘结界面进行数值模拟,用Solid65单元和Shell41单元分别模拟砖和GFRP,采用接触单元的方法,用“接触对”将砖实体单元和GFRP单元连接在一起,研究粘结界面的应力、应变分布特点和破坏过程。分析结果表明用有限元模拟分析粘结界面应力状态具有一定的可行性。
钢箱—混凝土组合梁的扭转特性分析
舒小娟, 钟新谷, 沈明燕
2007, 24(5): 0-131.
摘要:
钢箱—混凝土组合梁兼有实心和箱形截面杆件的特点,扭转时主要表现为纯扭转形式。通过分析其纯扭转应力函数的特点,提出了采用差分法、箱形截面简化法计算其纯扭转刚度。与纯扭转试验结果进行比较分析表明,差分数值方法计算结果与试验分析结果接近。此外数值计算分析表明,若混凝土所占面积不大,则忽略混凝土简化为箱形截面计算扭转刚度也能满足工程精度要求,且偏于安全。
大跨度桥梁拱肋悬拼时扣索索力和预抬量计算
陈得良, 缪 莉, 田仲初, 骆中林
2007, 24(5): 0-137.
摘要:
扣索索力确定和标高预抬量计算是大跨度拱桥在采用无支架缆索吊装施工过程中的难点和核心问题,本文在原有的连续体弹性-刚性支承法的基础上,提出了改进的弹性-刚性支承法:即当前施工节段处的扣索模拟为刚性支承,对已施工节段的扣索模拟弹性结构,节段之间的连接考虑为转动弹簧。利用该方法可以有效地同时确定扣索索力和标高预抬量的计算,最后给出了相关工程算例予以验证。
土体冻融过程中水、热、力三场耦合本构问题及数值分析
朱志武, 宁建国, 马 巍
2007, 24(5): 0-144,.
摘要:
根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。利用自行开发的程序进行数值模拟,加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。
上部结构刚度改变对桩基地震反应的影响
胡春林, 高 波, 杨小卫
2007, 24(5): 0-150.
摘要:
用整体有限元方法进行桩-土-结构动力相互作用体系的地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟;在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处,用补充约束方程的方法进行节点耦合,使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩、土、结构及荷载参数,重点讨论了3种不同的上部结构刚度对桩基地震反应的影响,求出了3种上部结构刚度下体系1阶~6阶的自振周期和桩基的最大位移及内力等,并进行了分析和比较,得到了一些对工程实际有益的结论。
大跨度钢管混凝土拱桥的徐变分析
张治成
2007, 24(5): 0-160.
摘要:
在合理的假设前提下,采用“龄期调整的有效模量法”得到的混凝土徐变方程式,推导出钢管核心混凝土的换算弹性模量计算公式,该公式能综合考虑混凝土的徐变影响和钢-混凝土之间的相互作用,将其应用到钢管混凝土拱桥的徐变分析中,极大简化了徐变分析过程。并基于通用有限元软件ANSYS,应用此方法对一座308米跨的钢管混凝土拱桥进行了徐变分析,通过比较,证明了该方法不仅可行,而且具有较高计算精度。同时还比较了新旧《桥规》中所建议的不同徐变系数模式对结构徐变效应的影响。
带约束拉杆方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能
蔡 健, 何振强, 金雪峰
2007, 24(5): 0-175.
摘要:
假定方形钢管混凝土构件的钢管板件在非载荷边受到弹性约束,应用能量法对钢管局部屈曲强度计算公式进行了推导;并利用已有试验结果对计算公式的正确性进行了验证。在此基础上利用该公式对约束拉杆方形钢管混凝土构件在轴压下的屈曲性能进行分析,分析表明约束拉杆能有效提高构件钢管屈曲系数,从而提高钢管壁抵抗局部屈曲的能力。最后,给出了约束拉杆纵向间距的合理设置值以及带约束拉杆方形钢管混凝土轴压构件的钢管宽厚比限值。
既有钢筋混凝土桥梁构件抗力模糊随机时变概率模型研究
王 磊, 张建仁
2007, 24(5): 0-168.
摘要:
构件的抗力概率模型是进行桥梁结构时变可靠性研究的基础之一。既有钢筋混凝土桥梁材料的老化与损伤情况复杂使其抗力同时具有随机性、模糊性和时变性是一个模糊随机过程。在分析影响既有钢筋混凝土桥梁构件抗力不确定性因素的基础上,考虑桥梁在服役过程中的耐久性损伤对构件抗力的影响,在常规方法只能考虑抗力随机时变性基础上,进一步考虑模糊性,结合实测数据和现有资料建立了既有钢筋混凝土桥梁中混凝土强度、钢筋截面积和钢筋强度模糊随机时变模型,进而研究了在不修复情况下桥梁构件抗力模糊时变概率模型,分析了抗力平均值和标准差随时间和阈值变化的规律,并以受弯构件为例给出了具体分析过程和结果。
粗骨料对沥青混凝土开裂阻力影响分析
应荣华, 郑健龙, 陈 骁, 冯 浩
2007, 24(5): 0-179,.
摘要:
沥青混凝土是典型的非均匀材料,在进行力学分析时通常是将其视为均匀、各向同性体,但是理论分析结果很难与实际相符合。同时均质化假设也很难解释含大粒径骨料的沥青碎石作为防裂层的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的现象。笔者通过在均质的沥青混凝土引入一个粗骨料,应用断裂力学平面有限元程序系统地分析了粗骨料对沥青混凝土抗裂性能的影响,分析结果可以较好地解释大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理。因此,使用大粒径骨料沥青混泥土能够改善路面的使用寿命。
其他工程学科
空间机械臂在平衡状态流形上的小振动与稳定性
王振华, 王本利
2007, 24(5): 0-185,.
摘要:
研究了一类空间自由飘浮的平面2R机械臂在平衡状态流形上的小振动稳定性。考虑动量矩守恒具有非完整约束性质,建立了考虑控制力矩作用的非完整动力学方程。在小振动的条件下把系统的动力学方程线性化,然后根据赫耳维茨判据研究了该系统在平衡状态的流形上的稳定性条件。仿真结果表明,系统在平衡状态流形上的小振动一般是不稳定的,只在特定初值下存在少量稳定的平衡状态流形。考虑到系统具有复杂的非线性,在稳定流形和不稳定流形之间可能存在复杂的穿插和其他非线性现象。
核废料处置概念库工程屏障中热—水—应力耦合过程数值分析
张玉军
2007, 24(5): 0-192.
摘要:
考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响,进一步完善了所建立的饱和—非饱和介质中热—水—应力耦合现象的控制方程,并以国际合作项目DECOVALEX III 中课题Task3 BMT1 为模拟对象,使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热—水—应力耦合过程进行了数值分析,考察了工程屏障中若干点的温度、含水量、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况,并将部分结果与日本THAMES软件的Task3 BMT1计算数据作了对比,看到二者的规律在定性和定量上有某种一致性,但仍存在一定差别,笔者试着分析了原因并得出了一定的认识。