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2007年  第24卷  第7期

基本方法
平面应变板料拉弯成形回弹理论分析
张冬娟, 崔振山, 李玉强, 阮雪榆
2007, 24(7): 0-071.
摘要:
基于平面应变假设,采用服从Hill平方屈服准则和指数强化材料模型,建立了板料拉弯成形回弹量预测的理论模型。应用该模型计算了一个拉弯成形回弹实例,分析了单位宽度切向拉力、凸模圆角半径、摩擦因数及各向异性参数对板料回弹量的影响。分析结果表明,只有当中性层偏移距离超过板厚的四分之一时,增大切向拉力才能有效地控制板料回弹量,而且弯曲半径越大,增大切向拉力控制板料的回弹量越为有效,然而拉力不能无限制的增大,它的计算准则为板料最外层的等效应变应不大于极限应变。同时还表明,摩擦因数对板料回弹量的影响随切向拉力的增大变得更为显著,而各向异性参数对板料拉弯成形回弹量的影响也较为明显。与有限元数值模拟预测结果的对比表明,理论模型预测板料拉弯成形回弹量与有限元数值模拟结果很接近。
液体非线性晃动的同步Hopf分叉现象
贺元军, 尹立中, 马兴瑞, 王本利
2007, 24(7): 0-076.
摘要:
针对受俯仰激励作用的圆柱形贮箱中液体非线性晃动,用变分原理建立了液体晃动的压力体积分形式的Lagrange函数;并将速度势函数在自由液面处作波高函数的级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;最后用四阶Runge-Kutta法求解非线性方程组。计算发现,在一定的激励频率内面外主模态和次生模态发生同步Hopf分叉,并给出了发生分叉的频率区域。
复合材料蜂窝结构锥形壳振动传递特性试验研究
王威远, 王 聪, 魏英杰, 邹振祝
2007, 24(7): 0-005,.
摘要:
通过模态试验和振动台试验,对复合材料蜂窝结构锥形壳的振动传递特性进行了研究。理论分析和试验结果表明:该结构隔振频带宽、模态阻尼比大,具有大阻尼隔振系统的特征,能够有效的控制振动的传递率。复合材料的应用在保证结构可靠性的前提下进一步降低了结构系统的质量。
基于ABAQUS平台的扩展有限元法
方修君, 金 峰
2007, 24(7): 0-010.
摘要:
以ABAQUS为平台,提出了一种预设虚节点法,首次在通用有限元程序上嵌入了扩展有限元法的功能。推导了扩展有限元法中的子域积分同Heaviside函数的关系,并改进了一种三角形子域积分算法。对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果表明,扩展有限元法对非连续位移场的表达不依赖于单元边界,是一种模拟裂纹扩展过程等涉及移动非连续问题的有效方法。与通用有限元软件的结合则为应用该方法解决实际复杂问题提供了方便的途径。
利用矩点估计法简化响应面可靠度指标的计算
苏永华, 何满潮
2007, 24(7): 0-015,.
摘要:
针对响应面可靠度指标计算方法的缺陷,将罗森布鲁斯统计矩点估计法引入到经典响应面方法中对其进行改进。改进后响应面方法,考虑基本随机变量偏态情况,改变了模拟试验中随机变量抽样值的计算方法;直接采用了统计矩计算可靠度指标,使可靠度指标的计算在真实极限状态曲面的某些特殊点上进行;在计算过程中不需拟合近似极限状态曲面和对非线性方程进行线性化处理,不产生迭代误差和累积误差,计算过程简洁明了。最后分别利用改进的响应面方法和经典响应面方法分析了某一矿山大型工程的稳定可靠性,并以蒙特卡洛法计算结果作为准精确解进行了比较,计算结果满足工程要求。
区间模型非概率可靠性指标的一维优化算法
江 涛, 陈建军, 姜培刚, 拓耀飞
2007, 24(7): 0-027.
摘要:
证明了基于区间模型的非概率可靠性指标只可能存在于:标准化区间向量张成的凸域及其扩展空间中,通过原点和凸域顶点的有限条超射线与标准化失效面的某个交点处,从而极大地缩小了优化方法求取非概率可靠性指标的可行域,使放弃计算结果极易扩张的区间运算法则和计算量太大的高维寻优方法成为可能。提出了求取非概率可靠性指标的一维优化方法,讨论了一维优化方法搜索区间关于0对称且具有半径递减的特性,利用该特性明显提高一维优化算法的效率。
成层介质中平面内自由波场的一维化时域算法
刘晶波, 王 艳
2007, 24(7): 0-022.
摘要:
提出了一种弹性水平成层半空间中平面内波动斜入射时自由波场时域计算的一维化有限元方法。首先,基于弹性波在斜入射情形下的传播特点对计算区域进行自动虚拟网格划分。然后将集中质量有限元法和中心差分法相结合建立节点的二维运动方程组,并根据采用的离散化准则和显式有限元法的特点将其转化为一维方程组。求解此方程组,即得到自由场中竖向一列节点的运动。最后根据行波的传播规律得到全部自由波场。以P波为例给出了理论分析和数值算例。结果表明,该方法不仅简单实用,而且具有较高的精度和良好的稳定性。
梁杆结构二阶效应分析的一种新型梁单元
夏拥军, 陆念力
2007, 24(7): 0-043.
摘要:
推导了一种计及梁杆二阶效应的新型两结点梁单元。首先依据插值理论构造了三结点Euler-Bernoulli梁单元的位移场:使用五次Hermite插值函数建立梁单元的侧向位移场,二次Lagrange插值函数建立梁单元的轴向位移场,进而由非线性有限元理论推导了单元的线性刚度矩阵和几何刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除三结点梁单元中间结点的自由度,从而得到一种考虑轴力效应的新型两结点梁单元。实例分析表明,此新型梁单元具有很高的计算精度,使用此单元进行梁杆结构分析可获得相当准确的二阶位移和内力。
基于Herrmann变分原理的三维粘弹性增量有限元法及其应用
田四朋, 雷勇军, 李道奎, 唐国金
2007, 24(7): 0-032,.
摘要:
发展了一种不可压和近似不可压粘弹性增量有限元法,并对固体火箭发动机药柱进行了三维分析。首先从Herrmann泛函出发并结合对应原理导出了适用于不可压和近似不可压粘弹性材料的本构关系,然后根据虚功原理建立了三维粘弹性增量有限元列式,最后对弹性约束的圆柱形中孔药柱进行了不可压和近似不可压分析。结果表明该方法可用于泊松比接近甚至等于0.5的粘弹性问题计算,尤其适用于固体推进剂药柱的结构分析。
碰撞振动系统四阶共振下的Hopf分岔和次谐分岔
马永靖, 丁旺才
2007, 24(7): 0-038.
摘要:
建立了一类三自由度含间隙碰撞振动系统的力学模型,求解了系统六维 周期运动的周期解及其Poincaré映射。通过理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了该系统在强共振点附近,系统两参数控制的局部动力学行为。即在两参数平面上共振点的附近变化两控制参数,进行数值模拟并划分两参数平面的拓扑区域;分析了以“四方形”和“四叶形”异宿轨道为特征的存在于强共振点附近的Hopf分岔不变圈和次谐分岔 周期运动,并进一步分析了四阶次谐分岔向混沌的演化过程。
含对称刚性约束振动系统的周期运动和分岔
罗冠炜, 张艳龙, 谢建华
2007, 24(7): 0-052.
摘要:
研究了两类含对称刚性约束振动系统的周期运动和分岔。刚性约束导致两振动系统在简谐激振力作用下发生碰撞振动,并呈现不同的碰撞形式。对比两类系统的相关结果,讨论了间隙值和激振频率对两振动系统对称碰撞周期运动的稳定性和分岔的影响,分析了对称碰撞周期运动的分岔规律。对于较大的间隙值,激振频率的递减通常导致对称碰撞周期运动首先发生Neimark-Sacker分岔;对于较小的间隙值,激振频率的递减通常导致对称碰撞周期运动发生叉式分岔。研究了单周期对称碰撞运动、单周期反对称碰撞运动、单周期4-碰撞运动、倍周期4-碰撞运动和倍周期6-碰撞运动的Neimark-Sacker分岔。研究结果表明间隙值和激振频率的变化可能导致含对称刚性约束振动系统呈现复杂且形式多样的概周期碰撞运动。
圆环在波浪作用下的非线性流固耦合分析
郝双户, 董国海, 宗 智, 郑艳娜
2007, 24(7): 0-058.
摘要:
将深水抗风浪网箱的重要结构单元——浮架简化为圆环,基于流固耦合理论,建立了圆环在波浪作用下的平面外的非线性运动、变形的方程。并且利用模态叠加法进行求解,对其在实际受力情况下的运动和变形进行了数值计算。结果显示:在圆环弹性位移的前三个模态下变形较大,流固耦合效应很重要。
大型刚体惯性参数识别的三线扭摆系统实验方法改进研究
苏成谦, 吕振华
2007, 24(7): 0-065,.
摘要:
精确获取汽车动力总成刚体惯性参数是发动机悬置系统设计的重要前提之一。利用三线扭摆法测量刚体单轴转动惯量精度较高的特点,基于表面固定点确定刚体方位的三点定位方法和测量6个~9个不同方位的多次测量原理,发展了一套适合于大型复杂刚体的惯性参数识别方法。关键技术有:(1) 选取刚体表面三个定位点定义一个刚体随动坐标系以描述刚体方位;(2) 通过测量刚体定位点至托盘表面参考点(定义一个整体坐标系)的距离,计算出定位点在整体坐标系下的坐标和两个坐标系之间的转换关系;(3) 求出各组实验中在动坐标系下的刚体转轴方位和转动惯量;(4) 运用最小二乘原理,求解多个转轴的最优交点得到动坐标系下的刚体质心坐标,求解由转动惯量转轴定理导出的线性方程组得到刚体惯性矩阵。实验方法中容易引起误差的环节较多,但是可以根据最小二乘原理进行逐级误差估计和控制。通过误差分析、长方体质量块实验验证和大量的汽车动力总成惯量参数识别实验,证明了该方法的实用性和可靠性。
土木工程学科
高层框架考虑施工过程和徐变收缩影响的受力分析
方 辉, 沈蒲生
2007, 24(7): 0-098,.
摘要:
位移法分析超静定结构徐变收缩效应的关键是求单元的徐变收缩固端力。首先根据力法和虚功原理,推导出杆件单元徐变固端力和收缩固端力的计算公式。然后给出了高层框架结构分析中考虑施工过程和徐变收缩影响的方法,并列出了位移法方程。用FORTRAN语言编制了高层结构徐变收缩分析的计算机程序,并对一个高层框架进行结构分析。结果表明,施工过程和徐变收缩对高层框架的受力和变形影响都较大,实际工程设计中应该考虑这些因素对结构的影响。
大跨度空间结构抗风分析的数值风洞方法
马 骏, 周 岱, 李华锋, 朱忠义, 董石麟
2007, 24(7): 0-085,.
摘要:
数值风洞方法可为复杂形体结构的风压分布确定和结构风振系数选取等提供非试验性的依据。基于计算流体动力学理论,以空间结构为对象,研究数值风洞技术。数值模拟了不同空间结构形体表面及其周围的风场,计算了结构风载体型系数,并与风洞模型实验成果比较,验证数值风洞计算结果的正确性。研究了因其他结构物存在引起的结构风场和结构体型系数变化,探讨了用数值风洞模拟技术鉴别风洞模型试验可能存在的误差及其原因。基于结构表面等压线划分结构受风区域,并以面积加权平均计算得到区域体型系数。还分析了结构多风向角下的结构风载体型系数。
大跨斜拉桥扁平钢箱梁的多尺度损伤分析研究
丁幼亮, 李爱群, 缪长青
2007, 24(7): 0-103,.
摘要:
以润扬大桥斜拉桥为分析对象,提出了扁平钢箱梁结构的多尺度损伤分析方法。采用子结构方法将钢箱梁结构全尺度动力响应和细节尺度构件损伤相互衔接实现多尺度损伤分析。在此基础上对模态曲率、模态应变能、模态柔度和斜拉索索力指标的损伤识别效果进行了比较研究。分析结果表明:(1) 无噪声情况下,除了模态柔度指标不能够正确识别钢箱梁腹板损伤以外,各损伤指标均能正确识别其余所有损伤工况。(2) 对大多数情况,柔度指标的抗噪性最好,曲率指标和应变能指标次之,索力指标最差;(3) 应变能指标和柔度指标在钢箱梁结构损伤定位上具有一定的互补性。
考虑氯离子侵蚀与混凝土碳化的公路桥梁时变可靠度分析
王建秀, 秦 权
2007, 24(7): 0-093.
摘要:
基于国内外对氯离子侵蚀和混凝土碳化环境下钢筋锈蚀速率的最新研究成果,建立了混凝土构件在氯离子侵蚀下考虑坑蚀和在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的弯曲抗力退化模型,用Monte Carlo方法和统计回归法编制了退化钢筋混凝土构件及系统的时变可靠度计算程序。以北京地区一座公路桥为算例,结果表明:在氯离子侵蚀下考虑坑蚀的桥梁承载能力时变可靠度在30年左右即下降到设计目标可靠度,在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的桥梁承载能力时变可靠度在50年左右即下降到设计目标可靠度,从而需要补强,这表明考虑主筋锈蚀后我国钢筋混凝土公路桥一般达不到100年设计使用期;对因主筋锈蚀导致混凝土保护层胀裂而言,构件达到抗裂正常使用极限状态远远早于达到承载能力极限状态,建议将混凝土保护层开裂时间作为桥梁检查/维修参考点。
斜拉桥中索-桥耦合非线性振动的理论研究
刘习军, 王 霞, 张素侠, 贾启芬, 李 强
2007, 24(7): 0-127.
摘要:
考虑拉索的垂度、大位移引起的几何非线性及空气动力对系统的影响,将桥面简化为等截面的连续梁,建立了索-桥耦合的非线性振动模型。得到了对不同拉索数值求解的结果,表明当桥面和拉索的振动频率比值在1∶1和2∶1附近的小区间范围内时,索-桥耦合系统将产生严重的内共振,并呈现拍振的特征,而拉索与桥面耦合的振动特性与索的振动频率、垂度、倾角、风速偏航角、风速大小和阻尼等因素有关,从而为桥梁的设计和计算提供了理论依据。
大跨屋盖结构等效静风荷载研究
李方慧, 倪振华, 沈世钊
2007, 24(7): 0-109,.
摘要:
等效静风荷载为大跨屋盖结构设计提供了处理时空变化动力风荷载的有效途径。从两个方案对等效静风荷载研究,一种方案是采用模态等效静风荷载组合法,另一方案采用共振响应分量对应的模态等效静风荷载与本征正交分解法(POD)简化的荷载响应相关法(LRC)计算的背景等效静风荷载组合法,两个方案中通过加权因子考虑模态耦合项的影响。利用风洞试验同步测量单层柱面网壳结构的风压数据,根据完全二次型组合法(CQC)和平方总和开方法(SRSS)计算风致响应,结果表明模态耦合项可以忽略,仅选取前几阶模态即可获得准确响应结果。等效静风荷载计算的响应结果与CQC法计算结果进行校核。等效静风荷载确定两方案对比分析显示,第一种方案是非常有效、实用的确定等效静风荷载的方法,而第二个方案有助于分别对背景和共振等效静风荷载研究。
单层多跨刚架在移动荷载作用下的影响量计算方法
黄卷潜, 李丽娟
2007, 24(7): 0-115.
摘要:
讨论了桥梁、工业厂房和大型公共建筑中较多采用的单层多跨刚架在移动荷载作用下影响量的计算方法。以工程中计算连续梁的一次力矩分配法的概念和思路为基础,建立了结构中杆端真实抗转刚度和结点转角传递的概念及其相应计算公式,提出了一种单层多跨刚架超静定结构影响量的精确计算方法。算例表明,该方法较之传统的计算方法简捷,且既便于手算,也利于编制通用程序用于电算。
高层建筑结构扭转振动效应控制研究
蔡 健, 潘东辉, 黄炎生
2007, 24(7): 0-121.
摘要:
《高层建筑混凝土结构技术规程》限制高层建筑结构扭转不规则性的规定存在问题,控制扭转振动的措施需进一步讨论。规程为避免严重扭转不规则结构的出现,除对位移比进行限制外,还限制了扭转为主第一周期与平动为主的第一周期的比值,即高层结构设计应满足平扭耦联周期比的要求。通过改变结构的偏心率、扭转刚度和侧向刚度等因素,并分析耦联周期比和非耦联周期比的差别,发现规程在某些情况下并不能保证对扭转振动效应的控制效果。因此用耦联周期比限制结构扭转不规则性的措施不尽合理,设计中可采用平动变形能和扭转变形能的比值代替耦联周期比作为控制扭转振动的指标。
内配圆钢管的钢骨混凝土核心柱承载性能参数分析
周 君, 楼文娟, 孙军华
2007, 24(7): 0-133,.
摘要:
采用非线性有限单元法,考虑钢管对核心混凝土和箍筋对外围混凝土的约束作用,计算了内配圆钢管的钢骨混凝土核心轴压柱完整的荷载-应变曲线,详细分析了纵筋配筋率、箍筋配箍率、混凝土强度和钢骨配骨率等参数对轴压极限承载力和延性的影响,提出了使核心柱达到最佳承载和变形能力的参数范围,可直接应用于工程设计。最后根据所提出的合理参数范围推导了计算内配钢管壁厚的简化公式,从而使内配圆钢管的截面得以优化。工程实例计算表明简化公式具有良好的适用性。
基于抗剪抵抗机构的无开洞RC剪力墙的极限承载力分析模型的探讨
张大长, 陈怀亮, 卢中强
2007, 24(7): 0-139,.
摘要:
以探讨基于抗剪抵抗机构和破坏模式的带边框柱或暗柱的普通配筋形式的钢筋混凝土(RC)剪力墙极限承载力的分析模型为目的,鉴于RC剪力墙受力特性、破坏过程及破坏模式,以混凝土斜压杆为主的抗剪抵抗机构可简化成:倾角为θ的混凝土斜压杆、纵向及横向分布钢筋三部分组成。基于抗剪抵抗机构、力的平衡条件以及RC剪力墙的极限承载力的计算公式,编制了计算程序,对14片不同配筋、不同几何尺寸和受力状态的RC剪力墙进行了极限承载力分析,理论计算结果和试验结果吻合较好,可以得出该分析模型能够较好的反映无开洞RC剪力墙的极限承载力特性,可应用于不同受力状态下RC剪力墙的极限承载力验算。
其他工程学科
大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究
白海峰, 李宏男
2007, 24(7): 0-151.
摘要:
为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场( )为多变量一维脉动风场( )分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。
新型电流变智能隔震装置的结构隔震效果分析
杨 飏, 欧进萍
2007, 24(7): 0-145.
摘要:
将电流变智能阻尼器与叠层橡胶隔震垫相结合,形成新型电流变智能隔震装置,对结构进行智能隔震控制。首先,进行了新型电流变智能隔震装置的设计,推导了转动电流变阻尼器控制力的计算公式,提出了电场强度和装置剪切变形之间的函数关系,实现了拟限位型和拟摩擦型的隔震装置模型;然后,针对电流变智能隔震控制的特点,提出了摩擦控制的判别规则并给出了计算公式,编制了相应的程序;最后,对应用电流变智能隔震装置的单自由度结构进行了数值分析,结果表明:两种类型的隔震装置对结构都有较好的控制效果,限制了隔震层变形的同时不增加隔震层的加速度,控制效果比较理想。
桥墩在船舶撞击作用下的损伤仿真研究
王君杰, 陈 诚
2007, 24(7): 0-160.
摘要:
评述了考虑应变率效应和材料损伤的HJC混凝土模型,就材料参数的取值进行了讨论。通过刚性球撞击混凝土板的例子,讨论了HJC模型中损伤参数的敏感性,并据此确定了计算中采用的HJC模型参数。对一艘万吨级的散货船与桥墩的碰撞过程进行了仿真,给出了船舶与桥墩的碰撞力时程以及桥墩损伤形态。结果表明,由于混凝土的破损,船舶对桥墩的撞击力峰值显著降低。为获得真实的结果,在船舶与薄壁桥墩碰撞的仿真分析中应考虑混凝土的动态损伤特征。
异型挤压模腔纵向曲线与共形映射
齐红元, 朱衡君
2007, 24(7): 0-155.
摘要:
应用共形映射理论,在异型材非圆截面轮廓上,通过有限奇偶插值点的相互数值求解,建立异型材截面域与单位圆域相互转化的共形映射函数。将异型材挤压成形转化为二维问题,求得塑性流函数,建立各种纵向曲线的模腔曲面数学模型。应用上限原理,对比三种模腔纵向曲线及优化模腔参数,并以椭圆异型材为示例进行优化求解与分析。
轴向载荷下X型管节点应力集中系数研究
张宝峰, 曲淑英, 邵永波, 张国栋
2007, 24(7): 0-166,.
摘要:
用有限元方法分析了X管节点承受轴向拉力作用时沿焊缝应力集中系数的分布,发现X型管节点最大应力集中系数出现在鞍点处。同时探讨了X节点几何参数对应力集中系数的影响,提出了用于计算X节点最大应力集中系数的参数公式,通过与国际疲劳指导委员会(Fatigue Guidance Review Panel)提出的评价标准比较,证明了所提公式的正确性。
用能量法确定考虑冻胀力和冻土抗力作用时桩基的临界荷载
郭红雨, 贾艳敏
2007, 24(7): 0-173.
摘要:
借鉴经典欧拉弹性稳定理论,建立了冻土地区自由桩稳定理论的能量方程,再用能量法求解出在冻胀力和冻土抗力作用下桩屈曲临界荷载计算的通用公式。在ANSYS中用离散弹簧单元模拟桩侧冻土的弹性抗力作用,以昆仑山多年冻土地区桩基试验场试验桩为例,进行有限元法求解。两种方法的计算结果吻合较好,最后通过参数分析得出冻土地区影响桩基稳定性的主要因素。
形状记忆合金纤维在变轴力作用下的力学性能研究
田东艳, 金 明, 兑关锁, 李 璟
2007, 24(7): 0-183.
摘要:
对形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨和简化。以一维的Liang-Rogers本构模型和Tanaka给出的指数型马氏体含量关系为基础,给定界面摩擦力的取值范围,并考虑其对纤维的作用,给出了恒温条件下加载和卸载过程中脱胶区纤维的伸长量与外载荷、摩擦力的关系式,及相关的系列曲线图,得到了界面摩擦力对形状记忆合金纤维力学特性的一些影响。由于余弦和指数模型得到的结果吻合良好,该文的变轴力模型具有一定的合理性。
磁场环境下导电圆形薄板的磁弹性强迫振动
胡宇达, 杜国君
2007, 24(7): 0-188.
摘要:
研究了电磁场环境下机械载荷作用圆形导电薄板的磁弹性强迫振动问题。首先给出了圆形薄板的磁弹性轴对称振动方程,并依据麦克斯韦方程,得到了相应的电磁场方程和电磁力表达式,在此基础上,对横向恒定磁场中周边固支和周边简支边界约束圆板的振动问题进行了分析。基于位移函数的设定,应用伽辽金法,推得了导电圆板的磁弹性强迫振动微分方程。通过数值计算,得到了两种边界约束条件下圆板磁弹性振动的幅频和相频曲线图,并对结果进行了分析,讨论了磁感应强度和板厚等参数对系统振动特性的影响。
高水头闸门止水材料的粘弹性研究
刘礼华, 熊 威, 张宏志, 张清江
2007, 24(7): 0-192.
摘要:
给出了用微分型本构模型研究橡胶类止水材料粘弹性的三参量流变公式。结合止水材料的粘弹性试验分析了高水头作用下止水材料的粘弹特性对其止水效果的影响,并根据材料的应力松弛函数从理论上计算出三种止水材料的有效止水时间。该理论方法对橡胶类止水材料的粘弹性研究具有普遍意义,可以为实际工程提供科学有益的指导。