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2011年  第28卷  第7期

基本方法
极限荷载的突变模型研究
任青文, 吴 晶
2011, 28(7): 1-005.
摘要:
结构的极限荷载是研究结构整体失效破坏和安全度的重要内容,该文以混凝土重力坝为对象,采用突变理论来研究混凝土重力坝的极限荷载,探讨重力坝沿建基面破坏时不同突变模型对极限荷载的影响。假定重力坝坝体和地基为刚性体,建基面存在一薄弱结合面,以建基面水平方向的位移为状态变量,施加的上游水压力为控制变量,分别建立反映此模型沿建基面失稳破坏的折迭突变模型和尖点突变模型,求出相应的极限荷载。研究表明,折迭突变模型得到的结果与力学系统稳定性理论解一致,而尖点突变模型给出的结果偏小。并指出,如果破坏面材料的本构关系为理想弹塑性或只考虑硬化阶段,确定重力坝整体稳定性的最大极限荷载宜采用折迭突变模型。如果需要研究破坏面材料进入软化阶段时的残余极限荷载,宜用尖点突变模型。
四边形八节点共旋法平面单元的几何非线性分析
邓继华, 邵旭东, 邓潇潇
2011, 28(7): 6-012.
摘要:
不同于大部分共旋法研究中所选取的局部坐标系原点及采用的几何一致性原则,该文通过改变局部坐标系原点位置,基于场一致性原则,采用共旋坐标法导出了四边形八节点平面单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵,该单元刚度矩阵虽然不对称,但计算量能明显减少,这在非线性计算中对于减小由于计算机位数限制带来的累积舍入误差和提高迭代的收敛性都有重要意义,利用这一非对称的单元切线刚度矩阵由Newton-Raphson迭代法编制了一个FORTRAN程序,利用程序对承受端部集中荷载和全梁均布荷载的悬臂梁进行了计算,结果与参考解吻合良好;对拱顶承受竖向集中载荷的坦拱进行了全过程分析,计算结果表明单元具有很好的精度和稳定性,具有一定的实用价值,值得推荐。
基于裂缝扩展准则的KR阻力曲线研究
董 伟, 何化南, 吴智敏, 易富民
2011, 28(7): 13-019,.
摘要:
根据混凝土I型裂缝扩展准则,将起裂断裂韧度作为材料参数,提出了一种新的计算混凝土结构裂缝扩展过程KR阻力曲线模型。该模型认为,裂缝扩展阻力由混凝土材料固有的抗裂能力和粘聚力提供的阻力组成并等于裂缝扩展的驱动力;应用该模型并借助有限元法计算了混凝土三点弯曲梁、楔入劈拉试件的裂缝扩展量、断裂过程区(FPZ)长度,在此基础上计算了混凝土试件的KR阻力曲线、研究了其尺寸效应,并与采用其他方法所计算的KR阻力曲线结果进行了比较。根据该文的研究结果,只要给出混凝土的弹性模量、抗拉强度和起裂断裂韧度,即可根据有限元法计算混凝土裂缝扩展过程的KR阻力曲线而无需测定混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移等曲线。
基于水平集算法的扩展有限元方法研究
茹忠亮, 朱传锐, 赵洪波
2011, 28(7): 20-025.
摘要:
扩展有限元是一种以单位分解思想为基础,在常规有限元位移中加入跳跃函数和渐近位移场函数,以处理不连续问题的数值方法。将水平集算法应用到裂纹界面的描述及加强单元类型的判别,并与扩展有限元相结合,用于分析材料断裂问题。相比传统有限元,有限元网格与裂纹面位置相互独立,不需满足裂纹为单元边、裂尖为单元节点和在裂纹附近进行高密度的网格划分的要求。通过算例分析了单元积分方案,裂尖积分区域对应力强度因子计算精度的影响。
压杆弹性屈曲分析的精细传递矩阵法
孙建鹏, 李青宁
2011, 28(7): 26-030.
摘要:
压杆是房屋和桥梁结构的重要受力构件。当压杆所承受的荷载达到一定的临界值时,整个结构就会失去稳定性。该文根据精细传递矩阵法原理和压杆微弯平衡状态下的微分平衡方程,建立了在轴向荷载作用下压杆稳定分析的精细传递矩阵式。并运用精细传递矩阵法对不同边界约束的压杆进行了临界荷载的计算,计算结果与压杆屈曲的理论解基本一致,从而验证了该文方法是正确、有效的。算例表明:轴心受压杆件的屈曲荷载的增幅逐阶递增。建议采取措施以避开压杆的低阶屈曲荷载,从而可以有效的提高压杆的承载能力,充分发挥材料的性能。
各向异性地层中井孔周围应力场的研究
崔 杰, 焦永树, 曹维勇, 蔡宗熙
2011, 28(7): 31-036.
摘要:
由于问题的复杂性,在以往研究井壁稳定性的文献中,大多将地层介质简化为各向同性的。该文基于各向异性弹性理论,利用复变函数方法,建立了各向异性地层中倾斜井孔周围应力场的计算模型,得到了能够反映地层各向异性性质、地层倾向和走向、井斜角和方位角、井孔液柱压力、原始地应力方位和原始地应力比等多种因素影响的井孔周围应力场的解析表达式,以应力等值线云图表示的计算结果在一定程度上可以预测井壁开裂或坍塌的位置、范围、深度乃至坍塌后井孔的形状,为各向异性地层中井壁的稳定性分析和井孔轨道的优化设计提供了更切合工程实际的理论依据。
土木工程学科
低周反复荷载作用下型钢高强高性能混凝土框架梁损伤试验研究
郑山锁, 王 斌, 于 飞, 张宏仁, 国贤发, 侯丕吉
2011, 28(7): 37-044.
摘要:
为了研究地震作用下型钢高强高性能混凝土框架梁的损伤演化过程,对5榀不同含钢率、配箍率下型钢高强高性能混凝土框架梁试件进行了低周反复加载试验。分析了框架梁的破坏形态以及裂缝开展模式,得到了低周反复荷载作用下框架梁的荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,研究了不同含钢率、配箍率下框架梁的刚度退化、强度衰减、延性性能、耗能能力等方面的规律与特点。结果表明:在低周反复荷载作用下,经过合理设计的型钢高强高性能混凝土框架梁一般发生弯曲型破坏,且具有良好的延性和抗震耗能能力;随着水平位移幅值和循环次数的增加,框架梁的损伤逐渐累积,使其强度和刚度不断退化,耗能能力降低,但随着含钢率和配箍率的增大,强度和刚度退化幅度减小,累积耗能能力增强。研究结果为进一步建立能够描述型钢高强高性能混凝土框架梁损伤程度的地震损伤模型,揭示损伤对框架梁力学性能的影响提供试验支持。
高强度等边角钢轴心受压局部稳定的试验研究
施 刚, 刘 钊, 班慧勇, 张 勇, 石永久, 王元清
2011, 28(7): 45-052.
摘要:
该文针对高强度等边角钢的局部稳定受力性能,对Q420热轧等边角钢短柱进行了轴心受压试验。根据试验结果,该文对角钢肢的弹性嵌固系数的取值进行了研究,并与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计方法和计算公式进行了对比分析。结果表明:我国钢结构设计规范对于角钢肢的弹性嵌固系数的取值是合理的;美国和欧洲钢结构设计规范的计算结果较为接近,且均低于试验结果,其设计方法安全合理。
水泥-沥青胶凝材料动态力学行为的初步研究
刘永亮, 孔祥明, 阎培渝
2011, 28(7): 53-058.
摘要:
研究了不同沥青含量(A/C)的水泥-沥青复合胶凝材料7d龄期的动态黏弹性力学行为。选择3种温度环境(25℃、25℃和75℃),采用动态黏弹谱仪测试了3种不同A/C的水泥-沥青胶凝材料(简称为CAB)在频率范围0.1Hz~100Hz的动态力学性能,获得了不同温度下储存模量、损耗模量及损耗角随加载频率变化的基本规律。基于频-温等效原理建立了常温下CAB的储存模量随频率变化的主曲线,并利用Burgers本构关系对其动态力学行为进行了模拟。结果表明:随A/C和温度的升高,CAB的储存模量减少,黏弹性显著增强;低A/C的CAB,或低温下高A/C的CAB,其储存模量随频率的对数线性增加;随A/C和温度的升高,逐渐出现非线性递增规律;随A/C的升高,主曲线频幅变窄,表明模量对频率的敏感性增大;Burgers黏弹性力学模型可用于表征不同A/C的CAB动态模量与频率的关系,与实验数据吻合较好。
石材表层嵌埋CFRP筋粘结性能试验研究
郭子雄, 刘宝成, 刘 阳
2011, 28(7): 59-064.
摘要:
在花岗岩石梁受拉区嵌入CFRP筋以提高其抗弯承载力,对既有石结构加固和拓展现代石结构的应用范围具有重要意义。为研究石梁表层嵌埋CFRP筋组合石梁中CFRP筋、粘结剂与花岗岩的粘结性能,开展了26个直接拔出试件的试验研究。主要研究参数包括CFRP筋直径大小、CFRP筋嵌埋长度和粘结剂保护层厚度。试验现象揭示了3种典型破坏形式:CFRP筋拉断破坏、CFRP筋-粘结剂界面滑移破坏和石梁嵌埋槽角劈裂破坏。试验结果表明:1) 试件破坏方式与嵌埋长度、CFRP筋表面粘结剂保护层厚度以及CFRP筋直径大小有关;2) CFRP筋表层粘结剂保护层最小厚度为0.5Db;3) 极限荷载随着嵌埋长度的增加而增大,而平均粘结强度随着嵌埋长度的增加而减小;4) 基本锚固长度与CFRP筋材直径有关,基本锚固长度与CFRP筋材直径的比值随直径的增加而有所 增加。
基于能量原理的隔震结构地震响应预测法研究
裴星洙, 王 维, 王星星
2011, 28(7): 65-072.
摘要:
建立地震作用下隔震结构在最大地震响应时刻的能量平衡方程,给出隔震结构隔震层和非隔震层的弹性振动能、塑性能的表达式,推导出基于能量平衡的隔震结构地震响应预测式。以顶部隔震、层间隔震、基础隔震结构为仿真对象,利用时程分析法的数值解验证了地震响应预测式的准确性,比较研究了三种隔震结构的抗震性能。结果表明:对于不同的输入地震波,能量法的地震响应预测曲线包络了多数时程分析的结果,能量法能够较准确地预测隔震结构在地震作用下的响应值。
受弯充气锥台的褶皱特性分析
杜振勇, 王长国, 谭惠丰
2011, 28(7): 73-078.
摘要:
充气锥台是空间充气膜结构的主要承载力构件单元之一,膜面褶皱是导致其承载力降低的关键因素。该文基于薄膜理论分析了受弯充气锥台的褶皱特性。借助褶皱的应力判定准则对褶皱特征参数进行了预报,得到了初始起皱位置和起皱力随充气锥台两端半径比的变化规律,并得到了数值分析结果的验证。该文的结果为空间充气薄膜结构的承载能力预报提供重要依据。
内置圆钢管斜柱扩展基础上拔水平力组合荷载试验
乾增珍, 鲁先龙, 童瑞铭
2011, 28(7): 79-083,.
摘要:
通过开展输电线路新型内置圆钢管斜柱扩展基础上拔和水平力组合荷载作用下的4个现场试验,分析了主柱配筋和锚固件设置方式对其承载性能影响规律,研究了该类型基础的破坏机理。结果表明:上拔水平力组合荷载作用下基顶荷载位移曲线具有明显的弹性、屈服阶段和破坏阶段;主柱纵筋可提高柱身强度,当柱身强度满足承载要求时,地基土体发生剪切破坏使得内置圆钢管斜柱扩展基础丧失承载能力,反之,则因钢管底锚上方剪压区混凝土达到极限状态引起基础破坏;锚固件可提高钢管、纵筋及基础扩大端的协同工作性,充分发挥各部分的力学性能,使得基础的受力状态更加合理。
连续组合梁桥裂缝发展规律分析及裂缝宽度计算
张彦玲, 樊健生, 李运生
2011, 28(7): 84-090.
摘要:
为研究组合梁在负弯矩作用下的混凝土开裂机理及裂缝发展规律,以提出更好地适用于钢-混凝土组合梁桥的裂缝宽度计算公式,对3根反向加载的钢-混凝土简支组合梁和3根2跨连续组合梁进行了静载试验。试验表明,混凝土板中横向钢筋间距对组合梁的裂缝间距具有较大影响。根据试验结果并结合其它的研究成果,将横向钢筋间距和配筋力比作为主要影响参数,给出了混凝土桥面板的裂缝间距计算公式,并对现行规范中的钢筋应变不均匀系数进行了修正。计算所得的裂缝宽度与试验值吻合良好,可为组合梁桥裂缝宽度验算提供参考。
大直径混凝土筒仓温度应力研究
孙巍巍, 孟少平, 栾文彬
2011, 28(7): 91-097.
摘要:
根据圆柱壳有矩理论,推导了大直径筒仓在贮料荷载和温度作用(中面温差、内外温差)下仓壁的内力计算公式。公式表明中面温差作用对仓壁的影响只限于固定端附近且衰减迅速,对仓壁的配筋设计影响可以忽略。内外温差对仓壁配筋设计影响较大,起控制作用的环向弯矩可按等效环向力考虑。参数分析结果表明温度作用与内外温差、弹性模量、仓壁厚度等参数呈线性变化规律,且温度作用与贮料荷载作用下最大环向力比值随大直径筒仓直径的增加呈下降趋势。
含穿透裂纹岩石的高频疲劳特性研究
周有成, 陈有亮, 邵 伟
2011, 28(7): 98-102.
摘要:
该文以高强度白水泥为模拟材料,对含预置不同数目穿透裂纹的岩石进行了单轴压缩试验以及高频疲劳单轴压缩试验研究。该文充分考虑了裂纹对岩石试块宏观力学性能的影响,描述了裂纹扩展的规律,得到了含穿透裂纹的岩石材料的S-lgN曲线和考虑裂纹相互作用的疲劳方程。
基于纤维模型的钢筋混凝土柱应变率效应研究
许 斌, 龙业平
2011, 28(7): 103-108,.
摘要:
该文基于钢筋混凝土柱构件的快速加载试验数据,分别采用CEB规范和Kulkarni和Shah建议的考虑应变率效应的混凝土动力本构关系,运用纤维模型建立了其动力纤维单元模型,并对单调快速加载下的构件的恢复力特性进行了数值模拟。与试验结果的比较表明所采用的两种动力本构模型均能够反映钢筋混凝土柱承载力随加载速率的提高而提高的特性,纤维模型提供了一种简便计算不同单调加载速率下混凝土柱的承载力的方法,验证了所建立的模型的有效性。基于此模型,对其中不同轴压比的两个试件在不同加载速率下的单调动力性能进行了数值模拟,分析加载速率对试样的动力承载力的影响。尽管两种动力本构模型在较低应变率水平下能够给出与试验结果吻合较好的结果,但随着应变率水平的提高,采用CEB规范以及Kulkarni与Shah建议的动力本构模型所得到的混凝土柱的承载力呈现一定的差异,欧洲规范CEB给出的结果要大。
结构可靠度分析的均匀设计响应面法
吕大刚, 贾明明, 李 刚
2011, 28(7): 109-116. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2009.10.0748
摘要:
均匀设计和正交设计在试验次数相近的情况下,前者所选试验点均匀性更好,也更具代表性。该文将均匀设计与响应面法相结合,提出了结构可靠度的数值模拟新方法:基于均匀设计的响应面法、均匀设计响应面与蒙特卡罗抽样相结合的混合模拟法;介绍了利用均匀设计选取试验点构造响应面方程,求解可靠度的流程。结合一个门式框架的可靠度问题,基于ANSYS实现了上述新方法,并与经典的可靠度数值模拟方法进行了对比分析。均匀设计响应面法构造的结构极限状态函数精度更高、偏差更小,同时基于均匀设计响应面的混合模拟法不仅精度高,还可以大大提高试验效率。
近场脉冲型地震作用下结构响应预测研究
申彦利, 杨庆山
2011, 28(7): 117-123.
摘要:
选择典型的具有速度脉冲的近场地震动记录组成地震记录库,建立了3个处于不同周期范围的墩柱结构模型,利用非线性动力分析考察了采用非弹性位移响应谱值作为近场脉冲型地震动的强度参数来预测结构地震响应的有效性,并探讨了非线性振子的参数选取对利用非弹性位移响应谱值预测结构地震响应的影响;以模型的静Pushover分析得到的屈服位移为参照,研究了非线性振子的屈服位移选取对结构地震响应预测的影响,研究结果对利用非弹性位移响应谱进行结构响应预测以及基于概率的结构抗震性能评估具有重要的意义。
基于连续Markov过程首超时间概率分析的结构动力可靠性研究
杨伟军, 张振浩
2011, 28(7): 124-129,.
摘要:
对时间连续状态连续的Markov过程的首次超越时间Tf概率分布问题进行了研究。令过程在任意时刻t发生微增量 ,通过分析 微时段内的概率变化关系寻求Markov过程的转移概率分布函数与其首超时间概率分布之间的内在联系,最终得到了首超时间概率密度函数的解析显式表达式。由于在分析推导过程中没有采用苛刻的数学假定,因此该文结果在本质上属精确解。由于在常见随机荷载白噪声激励下线性体系的反应具有Markov性,而对于反应不是Markov过程的情形有不少实用的方法可将其转化为一维Markov过程,因此该文的研究结果具有一般性。
环境激励下结构损伤识别的综合指标法试验研究
常 军, 任永辉, 陈忠汉
2011, 28(7): 130-135.
摘要:
结构损伤识别是结构健康监测和结构状态评估的主要前提之一。尽早了解结构的损伤状况和损伤位置有助于提高结构的预期可靠性和安全性,同时降低了结构的维修费用。论文主要研究了如何在环境激励下识别结构的损伤状况。基于曲率模态对结构局部损伤比较敏感和频率指标测试简单方便、精度高的特点,提出了一种以结构的曲率模态为基础,综合考虑频率变化的改进结构损伤识别方法。为了能够在不影响结构运营的前提下对其进行损伤识别,随机子空间方法被引入到该改进的结构损伤识别方法中,最后用一简支混凝土梁对该方法进行了试验验证。试验结果表明:改进的结构损伤识别方法结合随机子空间方法能够有效地识别环境激励下的结构损伤,避免了对结构运营的影响。
含自重载荷作用下桁架拓扑优化的功射极法
欧笛声, 周雄新
2011, 28(7): 136-142,.
摘要:
由含自重载荷功约束下桁架重量最小化问题的一阶极值条件导出功-重量分配准则,即结构重量应按外力功与自重载荷所做功之差的大小来正比分配才能达到最优。桁架拓扑优化的功射极法是依据不等式约束的Kuhn-Tucker极值条件以及射线步对功函数一阶偏导数的影响规律而构造的,它包括3个步骤,即:解析确定最佳射线步步长与乘子、求解功准则方程组。利用各设计变量的等比变化对不动点迭代求解式及其Jacobi矩阵的影响规律,证明所构造的求解式具有全局收敛性。基于功约束与应力约束的不相容性,可用应力比法对经拓扑优化的结构做进一步的优化。以多工况下三杆和十杆桁架结构为例验证所述方法的有效性。
高层剪力墙复合基础隔震结构地震响应分析
刘彦辉, 杜永峰, 周福霖, 谭 平, 闫维明
2011, 28(7): 143-150.
摘要:
针对高层剪力墙结构基础隔震问题,研制出双向抗拔滑动装置,与叠层橡胶隔震支座共同使用形成复合隔震系统。通过建立高层剪力墙复合基础隔震结构动力分析简化模型,推导出高层剪力墙复合基础隔震结构的频率方程、振型正交条件、广义质量与广义刚度。根据Hamilton原理,推导出橡胶隔震支座阻尼在各振型上的等效阻尼比,从而实现该体系运动方程的解耦,通过振型叠加法进行高层剪力墙复合基础隔震结构地震响应的求解。通过对一16层的剪力墙复合基础隔震结构应用该文动力分析模型及地震响应求解算法进行地震响应分析,该复合隔震体系能够有效的减小上部结构的地震响应,且设计的抗拔滑动装置能够有效的抵抗倾覆力矩在隔震层产生的拉力,同时该文建立的动力分析模型及地震响应求解算法与有限元数值积分法基本一致,说明对高层剪力墙复合基础隔震结构建立的动力分析模型及地震响应求解算法是正确的。
不同参数型钢高性能混凝土剪力墙抗震性能研究
白 亮, 梁兴文, 邓博团
2011, 28(7): 151-156.
摘要:
该文研究型钢高性能混凝土(SHPC)剪力墙在不同参数影响下的抗震性能,采用纤维墙元模型对SHPC剪力墙进行数值分析,并将数值分析结果与试验结果进行对比,验证了纤维墙元模型的合理性和可靠性。在此基础上,分析了轴压比、边缘构件约束区长度及型钢配钢率对SHPC剪力墙抗震性能的影响,结果表明,SHPC剪力墙承载能力随轴压比的增大而提高,变形能力随轴压比的增大而降低,当设计轴压比达到0.5时,其位移延性系数小于3;对于高轴压比SHPC剪力墙,适当增加边缘构件约束区长度,试件的变形能力有所改善;型钢配钢率的变化对承载能力的影响比对变形能力的影响更为显著。
弦支穹顶结构的模型设计与试验研究
郭佳民, 董石麟, 袁行飞
2011, 28(7): 157-164.
摘要:
弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索杆系统组成。为进一步了解弦支穹顶结构的力学性能与施工张拉过程,以一跨度为122m的实际工程,制作了8∶122的缩尺模型。在模型的制作过程中,首先利用相似原理进行了各参数相似比的确定,然后进行了上部网壳、下部索杆和连接节点的设计与制作,同时针对试验内容与模型特点进行了应力与位移测点的布置。最后对该模型进行了全跨与半跨加载试验,试验过程中各节点分5级共施加了大小为80kg的集中荷载。分析结果表明:结构的试验值与理论值吻合较好;测量值相对较小、抗扰能力较弱的测点误差较大;加载与卸载过程中结构的内力与位移基本呈线性关系。该文的研究成果可为类似工程的设计与制作提供参考。
碳纤维丝股锚固体系试验研究及受力分析
诸葛萍, 叶华文, 强士中, 刘明虎
2011, 28(7): 165-170,.
摘要:
为研究碳纤维(CFRP)丝股粘结型锚具锚固性能及内部受力状态,该文设计了19丝CFRP丝股粘结型锚具并对其进行了静载试验。3个试件的CFRP丝间距分别为4mm、2mm和1mm;试验对锚固区CFRP丝应变和CFRP丝-锚筒的相对位移进行测量;通过静载试验实测并结合理论计算分析了粘结型锚具的锚固性能、粘结应力分布情况及变化规律。研究结果表明:19丝CFRP丝股粘结型锚具的锚固效率为94.8%;CFRP丝间距对锚固效率影响较大,CFRP丝间距越小,锚固性能越好;CFRP丝-锚筒的相对位移主要是由填充介质的整体刚体滑移造成的;锚固区CFRP丝表面的粘结应力峰值随荷载增加而逐渐由锚具的受荷端向自由端移动,粘结应力峰值随荷载增加而逐渐增大;CFRP丝表面压应力对锚固效率影响较大。
TMD和ATMD组合系统对施工状态斜拉桥的风振减振研究
文永奎, 孙利民
2011, 28(7): 171-179.
摘要:
该文研究分布式TMD(tuned mass dampers)和ATMD(active tuned mass dampers)对斜拉桥抖振响应竖向减振的优化设计和减振效果,采用H∞控制理论设计分布式TMD和ATMD,并通过对竖向减振效果的评价实现控制方案优化。以处于施工状态的南京长江三桥为例,考虑自激力对气动刚度和阻尼的贡献,实现分布式TMD和ATMD参数的同步优化和控制器设计,对斜拉桥抖振响应及其竖向减振进行数值分析,结果显示若仅采用分布式TMD或分布式ATMD将难于同时实现对斜拉桥位移和加速度响应的有效减振,而采用分布式TMD和ATMD的组合系统并对结构多个模态振型调谐,可有效减小施工状态斜拉桥的竖向风振响应。
预应力FRP加固RC梁界面疲劳裂纹扩展行为研究
谢建和, 黄培彦, 郭永昌, 刘 锋
2011, 28(7): 180-185,.
摘要:
以预应力纤维增强复合材料(FRP)片材加固钢筋混凝土(RC)梁为研究对象,探讨了该类加固梁中FRP与混凝土之间界面疲劳裂纹的扩展规律。基于界面裂纹尖端的力学分析模型,理论推导了三点弯曲加固梁的界面裂纹应力强度因子(SIF)的计算公式,分析了FRP预应力水平对SIF的影响,并结合加固梁的界面裂纹扩展实验,提出了该类加固梁界面疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。研究结果表明:加固梁的界面疲劳裂纹扩展可分为裂纹快速扩展、稳定扩展及失稳扩展3个阶段;在加固梁失稳破坏之前,界面疲劳裂纹的扩展速率可以Paris公式的形式表示;SIF在加固梁跨中界面起裂时具有最大值,随着界面裂纹长度的增大而减小;在受拉钢筋弹性变形的范围内,与无预应力FRP加固梁相比,预应力FRP加固梁界面裂纹的SIF明显偏大。
既有钢筋混凝土旧桥受力性能的破坏性试验研究
彭 晖, 张建仁, 张克波, 郝海霞
2011, 28(7): 186-195.
摘要:
服役多年实桥的真实承载能力和极限状态下的力学行为一直是研究人员关心的问题,但由于实桥破坏性试验实施困难,这方面的研究进展有限。该文对湖南省宁乡县一座服役43年的钢筋混凝土简支T梁桥实施了破坏性试验,考察了试验桥梁的全过程受力性能以及极限状态下的结构反应。首先对试验桥梁的材料强度、结构损伤及退化等进行了详细调查,试验中采用2个5000kN千斤顶对桥梁进行加载直至结构破坏,在此基础上进行有限元分析并与试验结果进行比较。试验结果表明:由于整体连接、边界条件、初始损伤等因素影响,试验实桥的受力性能表现出了结构模型与有限元分析不具有的局部非线性,但考虑了材料退化的有限元分析结果与试验结果呈现一定程度吻合;试验桥破坏形式为受拉钢筋屈服然后混凝土压碎的典型受弯结构破坏,除顶部混凝土压碎外桥梁支座等部位也出现了破坏迹象,表明实桥的破坏形式可能由多个因素控制。
机械工程学科
基于温胀和溶胀特性的螺杆泵定子型线设计
贺向东, 吴恒安, 刘 合, 曹 刚, 张 劲, 王秀喜
2011, 28(7): 196-202.
摘要:
螺杆泵是一种广泛应用于油田采油工程中的人工举升装置。由于井下螺杆泵工作于高温、高压和复杂介质环境中,定子橡胶必然发生非均匀温胀和溶胀。温胀和溶胀使得螺杆泵定子型线发生很大改变,从而影响螺杆泵的运行效率。该文采用有限元方法研究了实际工况下温胀和溶胀对螺杆泵定子型线变化的影响,在此基础上提出了改进现有螺杆泵定子设计的方法。数值结果表明:新设计的螺杆泵模型能明显减小定子内腔型线变形的非均匀性,而且改进后的螺杆泵降低了温胀和溶胀对转子运行不稳定性的影响。该研究方法和结果将对特殊介质下新型螺杆泵定子型线设计提供理论依据。
采用Voronoi模型研究多孔金属材料准静态力学特性
康锦霞, 王志华, 赵隆茂
2011, 28(7): 203-209.
摘要:
该文采用二维Voronoi随机分布模型研究了“真实”泡沫材料在准静态荷载作用下的力学特性。建立了不同规则度下Voronoi随机分布模型、在相对密度保持不变的情况下改变孔壁不均匀度的模型和在均匀孔壁厚度下删除不同孔壁百分比等三种Voronoi模型。对这三种模型分别进行了准静态荷载作用下的有限元模拟分析。分析结果表明:不同不规则度下Voronoi模型应力-应变曲线不同于规则蜂窝材料的应力-应变曲线且弹性模量均比规则蜂窝多孔材料的弹性模量要大;弹性模量和平台应力随孔壁厚度不均匀度变化先增大后减小;弹性模量和平台应力随着删除百分比的增大逐渐而减小。
三种非线性力作用下高参数涡轮转子复杂运动响应
薛丽辉, 曹树谦
2011, 28(7): 210-216.
摘要:
考虑油膜力、气流力和密封力等三种非线性力,建立单跨对称弹性转子的动力学方程。采用Matlab软件对方程进行数值积分,研究系统在转速、气流速度和密封间隙改变时的动力学行为,并考虑到高转速、大的气流速度等高参数及密封小间隙影响。结果表明:转速的改变,使系统出现周期1运动、周期3运动、周期4运动和概周期运动等复杂动力学行为;气流速度的改变,使系统发生突然失稳,失稳后出现周期6运动窗口和周期3运动窗口,且周期3运动幅值突然增大,窗口变高;密封间隙较小时,系统以概周期运动为主,中间存在周期1运动。
其他工程学科
基于三维气动力的静气动弹性响应分析
张波成, 万志强, 杨 超
2011, 28(7): 217-222.
摘要:
提出了一种适用于飞行器初步设计和详细设计阶段的静气动弹性响应分析方法。基于该方法进行静气动弹性响应分析时三维气动力单独求解,再与结构进行耦合计算。在初步设计阶段气动力可选取由Euler方程、N-S方程或高阶面元法计算,详细设计阶段气动力可选取风洞试验气动力。该文对一大展弦比机翼进行了静气动弹性响应分析,算例中使用CFD方法计算气动力,用以提供各种状态的刚性气动力;再将气动力通过插值分配到线性气动力网格或结构有限元模型上;并最终通过线性化方法对平衡状态附近的气动力进行弹性化处理。还将分析结果与适用于初步设计阶段初期的基于线性气动力的分析结果进行了对比。结果表明:两者在气动力分布和气动力系数方面存在较大的差别,但在宏观的剪力、弯矩分布方面差别较小,基于三维气动力分析结果可以作为初步设计阶段参考。
半浮芯棒连轧管工艺过程的有限元模拟分析
杜 磊, 唐华平, 郝长千, 姜永正
2011, 28(7): 223-228,.
摘要:
连轧管工艺是无缝钢管生产的重要工艺之一,而半浮芯棒连轧管工艺代表现代无缝钢管生产的先进技术,也是当前的研究热点。为此,采用ANSYS/LS-DYNA软件对109mm×7mm规格6机架半浮芯棒连轧管工艺过程进行三维热固耦合有限元模拟分析。结果表明:钢管在第4号、第5号机位横截面总等效应力最大,在前3个机位发生的总等效形变最大,第3~第5机架的轧制力明显大于其他3个机架,减径过程中钢管外壁发生明显回弹,钢管同一横截面内温度分布不均。这一研究为连轧管工艺的改进提供了技术依据。
天然混合沙运动速度特征的风洞PIV实验
佟 鼎, 黄 宁
2011, 28(7): 229-237.
摘要:
采用PIV(Particle Image Velocimetry)系统测量了天然混合沙风沙两相流中沙粒的速度分布特征,得到了沙粒入射以及起跳的速度分布情况,并且分析了沙波纹对风沙运动的影响。结果表明:沙粒运动过程中的速度分布与沙粒起跳速度的分布可以应用对数正态分布来表明;当有沙波纹存在时,沙粒总体速度分布与平坦沙床面差别很大,是不可忽略的重要因素;平坦沙床面沙粒平均入射速度是起跳平均速度的1.005倍~1.4倍,具体关系可以应用线性函数来拟合。
淡水冰单轴受压力学特性的试验研究
张大长, 刘明源, 包 涛
2011, 28(7): 238-244.
摘要:
该文通过淡水冰的系列单轴抗压试验研究,探讨了加载速率、冰试件尺寸、试件横截面形状以及加载接触面对冰强度和压应力-应变关系的影响;试验研究和理论分析表明:在高径比小于2时,相同截面尺寸冰试件的抗压强度随构件高度的增加而提高,当高径比大于2时,强度变化不明显;随着截面尺寸加大,相同高径比试件强度稍有下降,即具有一定的尺寸效应;不同接触面特性对强度的影响不大;试件截面形状对冰的抗压强度影响较小,而弹性模量对试件形状比较敏感。另外,冰的抗压强度具有方向性,晶粒生长方向强度较高。
考虑压力追随效应的充气悬臂梁挠度计算模型与实验设计
陈 帅, 李 斌, 杨智春
2011, 28(7): 245-251.
摘要:
针对以往研究只考虑充气内压的预应力效应,且存在褶皱判据定义不科学的问题,该文依据薄膜材料褶皱的基本理论,采用“最小主应力为零”作为薄膜褶皱判据,以承受端部集中载荷而弯曲的充气悬臂梁为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型,加入了压力追随效应修正,推导了充气悬臂梁挠度计算的基本方程,并给出了可行的求解方法及计算程序。搭建了充气悬臂梁非线性挠曲变形行为的实验平台,设计了力控制与位移控制相结合的加载方式,并采用非接触式的位移测量方式,进行了充气悬臂梁的弯曲挠度实验研究,分析了充气内压对充气悬臂结构承弯能力和弯曲刚度的影响。理论计算和实验结果的对比分析表明进行充气悬臂梁的弯曲挠度计算时,压力追随效应的贡献非常重要而不可忽视。
拦截导弹热保护罩分离对红外窗口影响研究
刘 振, 徐 敏
2011, 28(7): 252-256.
摘要:
高层防空拦截弹热保护罩的分离对红外窗口产生了巨大影响,该文采用可压雷诺平均Navier-Stokes方程、多块嵌套结构动网格技术和有限体积法模拟了热保护罩分离。采用FDS-ROE格式对Navier-Stokes方程进行离散,并通过LUSGS方法构造了二阶隐式的双时间推进格式。从而给出了分离过程中,由于激波干扰引起的红外窗口附近流场的变化,并对比了红外窗口处不同位置的压强振荡情况,跟踪了在各个时刻流场对于导弹上红外窗口的影响, 预测了保护罩分离运动的轨迹,给出了各时间步对应等压线云图。