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2012年  第29卷  第6期

综述
钢-混凝土组合梁疲劳性能研究综述
聂建国, 王宇航
2012, 29(6): 1-11. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0587
摘要:
钢-混凝土组合梁的疲劳问题已经开始引起人们的重视,但到目前为止我国在钢-混凝土组合梁疲劳方面的研究工作仍然较少,为给钢-混凝土组合梁的疲劳性能研究工作和疲劳设计提供参考和依据,该文对国内外有关钢-混凝土组合梁疲劳的试验研究、计算方法以及相应规范进行了综述和分析评价,论述了组合梁的疲劳破坏形态和影响因素。基于搜集到的国内外大量栓钉疲劳试验数据,对各国规范组合梁疲劳问题的规定进行了分析总结。该文的研究工作可供在进行组合梁疲劳方面的试验研究、设计和制订规范时借鉴和参考。
基本方法
发展基于CB壳单元的扩展有限元模拟三维任意扩展裂纹
庄 茁, 成斌斌
2012, 29(6): 12-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0616
摘要:
该文提出了一种新的基于连续体壳单元的扩展有限元格式,以用于对曲面上任意形状裂纹的扩展问题进行模拟。扩充形函数的构造和应力强度因子的计算都是基于三维实体单元进行,因此可以模拟复杂的三维断裂情况,壳体厚度的变化也可以得到考虑。三维应力强度因子的计算公式被引入到这种方法中。为模拟裂纹扩展,三维最大能量释放率准则被用作裂纹扩展准则。计算结果显示了曲面上的裂纹扩展路径可以与网格无关,并且由于在裂纹尖端的单元设置了具有奇异性的形函数,裂尖应力场被精确捕捉,从而证明了这种方法的优越性。
线粘弹性断裂分析的增量加料有限元法
段静波, 雷勇军, 李道奎
2012, 29(6): 22-31. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0594
摘要:
提出了一种用于解决线粘弹性断裂问题的增量加料有限元法。为了反映裂纹尖端的应力奇异性,在裂尖附近的应力奇异区采用若干四边形加料单元和过渡单元,非奇异区采用常规四边形单元,三种单元分区混合使用形成求解域网格划分。加料单元通过引入裂尖渐近位移场,构造出可以较好反映裂尖奇异性的单元位移模式,过渡单元在加料单元基础上引入调整函数构造单元位移模式,用于连接加料单元和常规单元,以消除加料单元和常规单元间位移不协调。基于Boltzmann叠加原理,推导了粘弹性材料的增量型本构关系,进而获得了增量加料有限元列式,并基于节点位移外推法计算粘弹性介质中裂纹应变能释放率。数值算例验证了该文方法的正确性和有效性。
弱粘接结构中谐振频率与刚度比的数值研究
邱兆国, 吴斌, 何存富
2012, 29(6): 32-37,46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0604
摘要:
利用超声波垂直入射的方法,研究了粘接层界面具有弹簧模型的边界条件下,波的反射系数与谐振频率的关系。首先,利用粘接层界面的一次反射导出切向和法向刚度比表达式;其次,推导了粘接层界面存在多次反射和透射时刚度比、谐振频率及反射系数之间的关系,得到了弱粘接结构的反射系数随着不同刚度比的变化规律;最后,分析了弱粘接层厚度的变化对谐振频率的影响。理论分析和数值计算的结果表明:随着刚度比的增加,谐振频率向高频方向漂移;并且,随着粘接层厚度的增加,粘接结构将出现多阶谐振频率。
应变梯度弹性理论下微构件尺寸效应的数值研究
聂志峰, 周慎杰, 韩汝军, 肖林京, 王凯
2012, 29(6): 38-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0624
摘要:
根据位移二阶梯度分量的不同,应变梯度理论可以分为偶应力理论和全应变梯度理论。与偶应力理论相比较,全应变梯度理论增加了伸长梯度对应变能密度函数的贡献,因此,该理论预测的尺寸效应要强于偶应力理论预测的尺寸效应。基于建立的应变梯度弹性理论C1 自然单元法,研究了微夹持器和拉伸微试件的尺寸效应现象。对于微夹持器,梳状静电驱动臂与固定端之间采用S 形弹簧连接,降低了夹持臂的弯曲刚度,增加了夹持力的有效输出;当弹簧宽度接近材料的特征长度时,无量纲弯曲刚度值很大,微夹持器具有强烈的尺寸效应。对于拉伸微试件,当圆孔半径和椭圆孔长轴接近材料的特征长度时,无量纲应力集中系数很小,微试件尺寸效应明显;随着U 槽端部半径的增加,微试件尺寸效应明显变弱;随着槽深的增加,微试件尺寸效应缓慢减弱。对于微构件的所有计算情况,全应变梯度理论下的尺寸效应强于偶应力理论下的尺寸效应,数值计算结果与理论预测相吻合。
转炉用变截面自平衡式扭力杆扭转变形的理论计算
吴林峰, 尹晓春
2012, 29(6): 47-51. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0596
摘要:
扭力杆通过弹性扭转变形储备能量的大小对氧气顶吹转炉大型设备工作的可靠性有着重要影响,研究其扭转变形成为关键的技术问题之一。该文基于圆柱弹性扭转初等理论,推导了由等截面圆杆、变截面锥杆和过渡圆角三部分共同组成的自平衡式扭力杆的扭转变形的理论计算公式,并以150t转炉用自平衡式扭力杆为例,对其正确性采用有限元方法进行了验证,两种方法的计算结果吻合。该自平衡式扭力杆的实际应用也表明该文两种研究方法都是可行的,但是解析法比有限元法简单方便,更适合工程设计人员直接使用。
刚结点转变为铰结点后内力重分布的简捷计算法
陈棋, 寇新建
2012, 29(6): 52-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0652
摘要:
基于最小势能原理,建立了刚架结构的间接荷载效应矩阵。将间接荷载效应矩阵转化为约束矩阵后,根据约束矩阵的性质,推导了刚结点转变为铰结点时约束矩阵自身的传递规律。将约束矩阵中导出的重分布弯矩向量与初始弯矩向量进行叠加,即可得到新刚架结构的内力。因为避免了刚度矩阵的再次形成与分解、计算结点位移等中间过程,所以使计算量大幅度减少。算例表明该文提出的简洁方法是正确、可靠和有效的。
一种基于非概率可靠性的结构水平集拓扑优化
刘国梁, 陈建军, 马洪波
2012, 29(6): 58-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0758
摘要:
该文在研究水平集拓扑优化方法的基础上,对具有区间参数的不确定性结构的非概率可靠性约束进行了分析,经对有限元公式的推导、变换,提出了包涵非概率可靠度信息的拟安全系数形式,从而将非概率可靠性约束问题显式化处理,使得优化过程形式简单、便于计算,避免了复杂的迭代运算。通过对算例中数据及拓扑图形的对比研究,表明该文中模型的合理性和方法的有效性。
基于有限质点法的结构动力非线性行为分析
喻莹, 许贤, 罗尧治
2012, 29(6): 63-69,84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0746
摘要:
有限质点法是以向量力学为基础的崭新的结构分析方法,该文将其应用到结构动力非线性行为分析中。该方法将结构离散为质点群,采用牛顿定律描述质点的运动,通过对质点行为的模拟和分析计算结构行为。该文介绍了有限质点法的基本思想,提出了该方法分析结构“动”与“静”,“线性”与“非线性”问题的独特思路。以杆系结构为例,推导了该方法求解结构动力反应,及几何、材料非线性问题的基本公式。通过三个数值算例,验证了该方法在结构动力非线性行为分析中的正确性和适用性。有限质点法在处理动力非线性问题时无需迭代求解和特殊修正,与传统方法相比在结构复杂行为分析中有明显的优势。
土木工程学科
含孔隙混凝土复合材料有效力学性能研究
杜修力, 金浏
2012, 29(6): 70-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0646
摘要:
混凝土、岩石等工程材料是典型的多孔介质材料,孔隙或微裂纹的存在对材料的弹性模量及强度等力学参数产生很大影响。该文基于三相球模型确定了含孔隙复合材料的有效体积模量,提出采用空心圆柱形杆模型推导得到了含孔隙复合材料有效剪切模量的理论公式,并在各向同性材料的假设条件下确定了材料的有效弹性模量及泊松比;推导并得到了含孔隙材料的有效抗拉、抗压强度及有效抗剪强度与孔隙率之间的定量关系公式,并进一步得到了含孔基质在达到有效强度时的临界应变与孔隙率之间的定量关系。结果表明该文方法能较好的预测含孔混凝土材料的有效力学性能,且公式简单,易于应用。
现场发泡夹心墙平面外抗震性能模型试验与数值试验研究
张延年, 王元清, 李恒, 石永久, 刘明, 张洵
2012, 29(6): 78-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.07.0506
摘要:
为研究现场发泡夹心墙平面外抗震性能,寻求改善墙体抗震性能的有效手段,制作了7 片现场发泡夹心墙和1 片实心墙,进行了平面外的抗震性能模型试验和数值试验研究。对比分析表明,现场发泡夹心墙的破坏形态、承载力、变形能力和协调变形能力等二者均较好吻合,相互验证了二者的有效性。研究结果表明梁挑耳对内外页墙体具有较大的协调变形能力,塑料钢筋拉接件可以起到对开裂墙体支撑或拉结的作用,有效防止墙面倒塌掉落。变形性能分析结果表明现场发泡夹心墙的耗能能力较大、延性系数较高,并且具有良好的协调变形能力。
西南山区机场高填方边坡反压护道优化设计
陈金锋, 宋二祥
2012, 29(6): 85-91,97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0610
摘要:
针对西南山区机场高填方地基存在有限深度相对软弱土层的工程地质情况,提出单级反压护道的优化设计方法及优化设计中所涉及到的各类典型滑移面稳定安全系数的简化计算方法,并对其进行了证明及验证,分析了所提方法计算结果与强度折减有限元法的差别大小及方法的适用性。验证结果表明:所提方法计算的安全系数与有限元计算结果的相对误差均不超过12%;计算的反压护道断面尺寸相对误差不超过20%;应用于有硬壳层的工程地质条件或有反压护道的典型滑移面时,误差更小。
机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪性能试验研究
郭子雄, 柴振岭, 刘阳, 胡奕东
2012, 29(6): 92-97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0611
摘要:
随着石材开采和切割技术的发展,建筑砌筑条石正从传统手工粗细料石逐步向机器切割条石过渡。机器切割条石砌筑石墙灰缝界面性能与传统石墙灰缝存在较大差异,开展其灰缝抗剪性能研究是机器切割条石砌筑石墙推广应用的关键。该文通过15 片新型机器切割条石无垫片砌筑石墙灰缝双剪试验,研究这种新型石墙灰缝的抗剪性能。主要的研究参数包括砌筑灰浆强度、压应力水平和界面处理方式。根据试验结果,分析各因素对灰缝的受力特点、破坏模式、界面抗剪强度和变形性能的影响,同时基于正交试验分析各因素对灰缝抗剪性能的影响程度。研究结果表明:新型机器切割条石砌筑石墙灰缝的破坏呈现脆性破坏,灰缝开裂即达最大承载力,同时灰缝迅速滑移;各研究参数对灰缝抗剪性能的影响程度依次为界面处理方式、压应力水平和灰浆强度。通过对试验数据的统计回归,提出机器切割条石砌筑石墙灰缝的抗剪强度计算公式,计算结果和试验值吻合程度较好,可以用于工程设计和实践。
层状地基一维固结电阻网法解答
谢新宇, 王龙, 刘开富
2012, 29(6): 98-104. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0608
摘要:
考虑层状地基一维固结问题的复杂性,现有解答较为繁杂同时不便应用。该文基于Liebmann 电阻网原理,推导了初始孔压沿深度任意分布、荷载随时间任意变化作用下的孔压、平均固结度的解答。该解对于各种复杂条件均具有统一的矩阵表达式,便于编程计算和工程应用。通过与精确解的比较论证了该文方法的有效性。最后,对三层地基一维固结问题进行了分析和讨论。
FRP快速抗屈曲加固轴压钢构件方法的试验研究
沙吾列提·拜开依, 冯鹏, 叶列平, 张龑华
2012, 29(6): 105-113. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0574
摘要:
该文提出了采用纤维增强复合材料(FRP)快速加固钢构件的概念和方法,通过3 个试件的初步试验验证了这种加固方法的有效性,再对14 根试件的轴心受压试验,研究了2 种长细比、2 种约束形式(FRP 套管内填砂浆和竹篾包裹外缠FRP)、2 种填充物(砂浆和竹篾)以及不同的杆端连接(端部平板承压和单边螺栓连接)对钢构件受压性能和加固效果的影响,通过计算结果与试验结果的对比,分析了加固效果。研究表明:采用该文建议的FRP快速加固轴压钢构件方法,可有效地避免构件出现整体屈曲破坏,改变了试件的最终破坏模式,显著提高构件承载力。试验中加固后承载力最高提高为原钢构件的2.86 倍,且趋于延性破坏。以上结果表明,该文建议的加固方法是一种有效的快速加固方法。
大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究
封坤, 何川, 邹育麟
2012, 29(6): 114-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0591
摘要:
大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。
锈蚀RC桥梁弯曲抗力时变概率模型与试验研究
彭建新, 张建仁, 张克波, 彭晖
2012, 29(6): 125-132. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0614
摘要:
在退化RC结构的时变性能评估、剩余寿命预测以及维修加固决策分析中,其抗力模型的建立至关重要。钢筋锈蚀导致钢筋的屈服强度降低、改变钢筋力学行为和影响钢筋与混凝土之间的粘结行为。钢筋腐蚀损失量影响钢筋的失效模式,即从延性破坏到脆性破坏变化。该文发展了退化RC 桥梁的概率抗力时变模型,可以定量考虑腐蚀对钢筋力学行为、倒塌机理和粘结性能的影响。建立退化结构的抗力概率模型可以抓住退化结构的退化机理、点蚀分布、结构尺寸参数、粘结行为、腐蚀扩展、钢筋失效模式和计算模型的随机性和变异性。RC 梁的加速腐蚀试验和旧桥的破坏性试验验证了该文模型的正确性和可靠性。
风积砂地基装配式基础下压水平力组合荷载试验
乾增珍, 鲁先龙
2012, 29(6): 133-137,195. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0631
摘要:
根据塔克拉玛干沙漠腹地2 个装配式基础的现场试验,分析了下压与水平力组合荷载作用下风积砂地基装配式基础的变形、结构受力特性以及地基土压力变化规律,并采用Veisc 理论计算了下压与水平力组合荷载作用下风积砂地基的极限承载力。结果表明,在下压水平力组合荷载作用下:1) 风积砂地基装配式基础顶部竖向和水平方向的位移值相差不大。基础顶部竖向沉降主要由支架压缩量和地基沉降量组成,在极限荷载工况时,角钢支架变形量为风积砂地基沉降量的2 倍~3倍,最终是由于地基的水平承载力不足而使得基础丧失承载能力;2) 角钢支架处于压弯受力状态,在破坏荷载时,尚未达到角钢屈服应力,也未出现压曲失稳;3) 风积砂地基装配式基础的承载性能与基础底板混凝土板条的排列方式有关,平行于混凝土板条轴线方向的水平承载能力高;4) 可采用Vesic理论计算风积砂地基装配式基础在倾斜荷载作用下的竖向下压极限承载力。
环口板加固T型方钢管节点在轴压作用下极限承载力研究
王文杰, 邵永波, 夏辉
2012, 29(6): 138-145. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0635
摘要:
从理论分析、试验测试及有限元模拟三个方面对环口板加固T型方钢管节点的极限承载力进行了初步的研究工作。首先基于塑性铰线模型推导出了环口板加固T型方钢管节的极限承载力计算公式。然后对2 个环口板加固T型方钢管节点试件及2 个对应的未加固节点试件进行了在轴压作用下的承载力试验测试,结果表明环口板可以明显提高管节点的极限承载力。通过有限元法对试验试件进行了数值模拟,其结果与试验结果吻合较好,因而使用有限元法对9 个不同节点尺寸的加固模型及对应的9 个未加固节点模型进行了模拟,结果发现加固后节点的承载力均大于未加固节点的承载力。环口板加固T型方钢管节点的极限承载力计算公式在环口板有足够刚度,节点破坏模式为由局部屈曲导致形成塑性铰线破坏时可以获得较为精确的结果。
结构试验中均布载荷的气囊加载系统设计方法
陈帅, 杨智春, 李斌
2012, 29(6): 146-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0641
摘要:
围绕新颖的气囊加载方式,建立了气囊加载系统的力学分析模型,着重探讨了气囊加载装置设计中的关键问题,认为:必须消除沿加载面曲率较大方向的气囊织布表面张力影响,而当加载面曲率不大时则不需采取限制措施。张力的限制采用在加载面边界处进行张力阻断的方法来替代传统气囊加载系统中采用的封闭金属容器限制方法,降低了试验成本且提高了试验可观测性。同时,设计了加载载荷控制律并提出了相应的加载系统验证方法。最后,通过一个飞机机身框段结构模型的加载试验,验证了采用气囊加载系统进行均布载荷加载的可行性。
考虑水泥水化放热与太阳辐射的混凝土路面板温度场数值模拟
侯东伟, 张君, 高原
2012, 29(6): 151-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0645
摘要:
为了考察不同强度等级混凝土路面板不同季节、不同浇注时间的温度变化规律,建立了基于有限差分方法的综合考虑水化放热以及太阳辐射、大气温度变化等环境作用下路面板温度场数值计算模型。计算结果显示:混凝土路面板温度受太阳辐射和大气温度影响呈周期性变化,白天主要受太阳辐射影响,夜间主要受大气温降影响,浇注初期的水化放热亦对早期温升有贡献。混凝土路面板顶面与底面温度差以1d 为周期正负循环。其中温度变化幅度及上下面最大温差以夏季最大、秋冬次之、冬季最小。下午2 点浇注和采用较低强度的混凝土可抑制路面板的早期温升和温度梯度。
分数导数微分算子描述的粘弹性土层中群桩的水平振动研究
高洪波, 刘林超, 闫启方
2012, 29(6): 160-168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0649
摘要:
将桩周土体视为粘弹性介质,利用分数导数粘弹性模型描述土体的力学特性,在Novak 平面应变假定的基础上,借助于势函数并考虑土体边界条件求得了分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数以及分数导数粘弹性土层的刚度和阻尼系数。利用Winkler 动力弹簧-阻尼器模型模拟桩-土之间的动力相互作用,并在此基础上利用初始参数法求解了分数导数粘弹性土层中桩-桩水平动力相互作用和群桩的水平振动问题。以数值算例的形式讨论了分数导数微分算子的阶数和土体的模型参数对分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数和群桩的水平动力阻抗的影响。研究表明:分数导数微分算子的阶数对土层水平位移的衰减函数的影响与桩间距和荷载方向角有关;分数导数粘弹性土中群桩的动力阻抗可以退化到经典粘弹性和弹性情况;分数导数微分算子的阶数和土体模型参数对群桩水平动力阻抗有较大影响。
对钢筋混凝土偏压构件承载力计算公式的修正建议
黄靓, 鲁懿虬, 徐紫鹏
2012, 29(6): 169-175. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.07.0503
摘要:
GB50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)计算偏心受压构件正截面承载力时需要判断大小偏心,计算步骤较繁琐,计算公式存在缺陷。针对《规范》的不合理性提出了一个统一纯弯-偏压-轴压三种受力状态的计算公式,统一公式具有明确的物理意义,并且与试验数据拟合较好。利用统一公式计算对称配筋偏压构件时可取消大小偏心判断,计算所得的钢筋面积能返回统一公式验算。规范公式的偏压构件承载力Mu-Nu相关曲线在大小偏心交界处会出现尖点,小偏心段不能很好地与轴压点衔接;统一公式的Mu-Nu曲线是一条连续光滑的曲线,曲线连接了纯弯、偏压、轴压三个受力状态,具有明确的物理意义。统一曲线与规范曲线可以较好地吻合。比较统一公式与规范公式计算所得的钢筋面积,结果表明规范公式的小偏心受压和轴压的配筋存在突变,而在接近轴压点时小偏心计算较轴压公式偏不安全,而统一公式的配筋计算具有较好的过渡性,并且计算精度满足工程的要求,可靠指标满足GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求。
混凝土框剪结构的落层倒塌碰撞试验
吴波, 黄仕香, 赵新宇
2012, 29(6): 176-187. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0573
摘要:
开展了3 个单层钢筋混凝土框架-剪力墙模型结构的落层倒塌碰撞试验,具体分为低周反复推拉和单向推覆两个阶段。该文主要介绍第二阶段的试验情况,该阶段重点考察模型结构的落层倒塌模式和相应的碰撞荷载时程及其平面分布。试验结果表明:① 剪力墙面外折断和柱轴压比增大是诱发落层倒塌的重要原因;② 落层倒塌碰撞是一个多体接触的复杂动态过程,碰撞荷载时程包含两组波动;③ 碰撞荷载的大小与碰撞双方材质密切相关,混凝土构件撞击钢板产生的总碰撞荷载最大值是倒塌层及其以上总重力荷载(含楼板和梁的自重、柱和剪力墙自重的一半,以及全部配重)的7.90 倍,而混凝土构件撞击钢-混凝土组合板产生的总碰撞荷载最大值仅为倒塌层及其以上总重力荷载的3.58 倍。
基于延缓固结法的地基工后沉降控制的数值分析
刘远锋, 李九林, 徐舜华
2012, 29(6): 188-195. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0576
摘要:
延缓固结法(地基延缓固结处理法)是一种通过限制工程运营期间地基的孔隙压力消散来消除后期的地基固结沉降,从而达到控制地基工后沉降目的的新型地基处理方法。通过设置深层水平防渗层完善了延缓固结法,并以此为基础完成该文的研究工作。有限元模拟计算表明,延缓固结法处理的地基工后沉降随帷幕的深度增加而减小,但是当帷幕达到一定深度以后,再增加帷幕的深度,工后沉降不再减小,而竖向防渗帷幕的深度非常小时,延缓固结法反而会使地基工后沉降加大。采用有限元方法比较了分别采用延缓固结法和刚性桩处理地基的超孔压分布、竖向位移场的分布、沉降时程曲线和控制地基工后沉降的效果,且粗略地比较了二者的经济性能。在竖向防渗帷幕的深度适宜的情况下,延缓固结法控制地基工后沉降的作用确实存在。当处理深度在一定范围之内时,延缓固结法和刚性桩相比具有经济和技术双重优势。
叠合板式剪力墙T型、L型墙体抗震性能试验研究
张伟林, 沈小璞, 吴志新, 姚峰
2012, 29(6): 196-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0659
摘要:
采用试验方法,研究叠合板式混凝土剪力墙T型、L 型拼接墙体抗震性能。分析了叠合板式剪力墙结构体系抗震设计关键技术研究现状。对叠合板式混凝土剪力墙试件进行非线性推覆研究和非弹性动力响应分析,重点研究影响T型、L型拼接构件抗震性能的滞回曲线、骨架曲线、刚度下降曲线和延性性能。研究结果表明:叠合板式剪力墙与全现浇剪力墙的抗震性能基本一致。根据试验结论,提出叠合板式混凝土剪力墙结构基于性能的抗震设计方法。编制出的地方规范已经发布并得到应用。
恒压受弯无筋砌体承重墙的受弯能力历经过程特征研究
张文芳, 马军卫, 常建兰
2012, 29(6): 202-210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0672
摘要:
为探索水平地震作用下恒压受弯无筋砌体承重墙的受弯力学性能,研究了正截面在不同阶段弹塑性受弯能力的历经过程。基于砌体正截面非均匀应力的本构关系假定及拉压区应力图形的等效化,对不同初裂情况下各阶段的恒压受弯能力计算公式作了理论推导,并进行了编程计算分析。结果表明:砌体墙在通常轴压比下,正截面边缘首先拉裂,之后受弯能力不会退化而是逐渐增大;达到极限受弯承载力后,截面产生压碎,受弯能力退化呈直线下降型;弯曲拉裂是从截面局部开始和发展的,受弯能力呈现类似配筋混凝土墙柱的延性,拉裂和压碎的开展过程随轴压比的增大而缩短。砌体墙在高轴压比下,正截面首先压碎,随后受弯能力持续下降。
复式空心钢管混凝土组合轴压弹性模量分析
董三升, 张玉芬, 赵均海
2012, 29(6): 211-217. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0726
摘要:
将复式空心钢管混凝土柱分成混凝土、内钢管和外钢管三部分,作为拟平面轴对称问题进行分析。应用弹性力学中的势能驻值原理进行弹性理论分析,描述复式空心钢管混凝土柱在小变形下的弹性行为及套箍机理。导出了钢管混凝土柱在轴向压力作用下的套箍系数、组合轴压弹性模量的理论计算公式。分析结果表明:复式空心钢管混凝土的组合轴压弹性模量与钢管的泊松比、混凝土的泊松比有着必然的联系,同时钢管与混凝土之间的“套箍作用”对组合弹性模量也有一定的影响。组合轴压弹性模量随着含钢率的增大基本成线性增长,并得到了复式空心钢管混凝土柱在轴力作用下的应力分配比不是简单地按单轴弹性模量比分配的结论。
低标号混凝土芯砂石桩复合地基固结计算方法
俞缙, 戚志博, 蔡燕燕, 关云飞
2012, 29(6): 218-223,240. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0933
摘要:
针对低标号混凝土芯砂石桩复合地基这种软土地基处理新工法,建立了相应的考虑双面半透水边界条件固结计算模型;同时为考虑下卧层与加固区的孔压连续问题,基于双层散体材料桩复合地基固结理论和低标号混凝土芯砂石桩复合地基的特点,将低标号混凝土芯砂石桩复合地基固结问题转化为等效双层地基固结问题,采用解析法推导计算公式并得到相应的解析解。两种模型得到的超静孔压消散规律、固结度随时间增长规律与由现场实测数据推导出的规律相似,验证了本文提出的加固区模型和双层地基法在低标号混凝土芯砂石桩复合地基固结计算中的可行性和适用性。
其他工程学科
冷弯薄壁型钢组合墙体非线性滑移滞回模型研究
周绪红, 苑小丽, 石宇, 聂少锋, 赵洪蛟
2012, 29(6): 224-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0621
摘要:
为了研究冷弯薄壁型钢组合墙体的滞回性能,对4 片3m×2.4m(高×宽)不同构造的冷弯薄壁型钢组合墙体足尺试件进行了拟静力试验。根据试验所得的滞回规律,采用Richard-Abbott 曲线,建立了能反映其滞回曲线非线性、滑移捏缩、强度和刚度退化特征的三段式非线性滑移滞回模型,并在Origin8.0软件里辨识了各试件模型中的待定参数。研究结果表明:影响滞回曲线的主要因素为墙体先前经历的最大位移;典型捏缩滞回环的上升或下降段曲线可分为刚度单调变化的三段;用参数辨识结果得到的仿真滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好,三段式非线性滑移滞回模型能较全面地反映冷弯薄壁型钢结构组合墙体的滞回特征、模型表达式直观、各参数物理意义明确且易于识别。
基于Bayesian估计的整体和局部信息融合的损伤识别
孙晓丹, 欧进萍, 侯钢领, 王振清
2012, 29(6): 234-240. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0612
摘要:
在结构损伤识别中,如何充分利用整体和局部传感器测试得到的信息来增加结果的准确性是一个值得研究的问题。该文提出基于Bayesian 理论的结构整体局部信息融合的损伤识别方法。首先根据Bayesian理论建立了关于频率、位移模态和应变模态结构损伤的概率模型,静态应变信息提供了Bayesian理论的先验信息,使该概率模型充分利用了各种传感器信息;然后为了减少计算量,采用分步损伤识别的方法,在采用模态应变能指标初步定位损伤范围的基础上,用该文提出的逐个单元消去法定位损伤单元。最后对20 跨刚桁架模型进行试验研究证明了该方法的有效性,并且比较考虑与不考虑应变传感器信息的损伤识别结果。
单层柱面网壳结构的找形
田伟, 董石麟, 赵阳
2012, 29(6): 241-246. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0581
摘要:
该文研究刚性网壳结构的合理找形问题,将柔性结构中广泛应用的找形概念引入刚性结构,提出基于力密度法的单层柱面网壳结构的找形方法。通过在找形过程中引入自重,解决了高斯曲率为零的柱面网壳的找形问题,且通过合理找形可基本消除自重引起的弯矩和剪力。找形得到的网壳结构与传统柱面网壳在曲面外形上比较相近,但可大幅度提高单层柱面网壳结构的承载能力。该文提出的找形方法效率高、收敛性好,为单层柱面网壳结构的设计开拓了新的方法和思路。
抗弯刚度对输电线微风振动影响分析
晏致涛, 杨振华, 李正良
2012, 29(6): 247-252. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0598
摘要:
大跨越输电线路在较低的风速下可能产生高频、低振幅的横风向微风振动。应用空间曲梁插值函数与应变位移关系,建立结点6 自由度的输电线分析模型。采用Scanlan 提出的经验非线性模型表达涡激力,将单自由度体系输电线自阻尼功率等效为模态自阻尼系数,引入条带假设形成了基于更新的Lagrange格式的涡激振动运动方程,对方程进行了振型分解求解。算例分析表明,采用未考虑抗弯刚度的曲梁索单元模拟输电线的微风振动与三节点索单元吻合较好,但忽略抗弯刚度会低估高频的微风振动振幅。
侧风环境下高速列车外部流场数值模拟方法研究
梅元贵, 许建林, 赵鹤群, 沈瀛
2012, 29(6): 253-258,278. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0578
摘要:
该文基于有限体积法的CFD 软件以及块结构化和四面体非结构化网格,采用三维常物性定常不可压缩流动N-S 方程的SIMPLE 算法,利用国外典型模型试验数据对ICE2 高速列车侧风环境下的空气绕流进行了数值模拟方法研究。结果表明:四面体非结构化和块结构化网格一样均能得到较好的结果,同时采用二次非线性高雷诺数k-ε模型和MARS差分格式的数值结果与试验数据吻合较好,从而验证了数值方法的正确性。在此基础上进行了四面体非结构化网格的独立性研究,得出适宜的网格总数和固壁法向第一层网格厚度合理的取值。该文确定的数值计算方法和四面体非结构化网格划分方法可用于复杂几何外形高速列车的数值模拟。
基于可靠性的复合材料定向管优化设计
蔡德咏, 马大为, 赵英英
2012, 29(6): 259-264. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0585
摘要:
基于Tsai-Wu失效准则和一次二阶矩法,建立了复合材料定向管强度可靠性分析的方法。应用Python语言实现了ABAQUS 的二次开发,编程将有限元计算程序与可靠性分析方法相结合,并采用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合优化策略,建立了基于可靠性的定向管铺层参数动态优化模型。优化算例表明:在满足强度可靠度条件下,复合材料定向管重量减小了22.5%。
轮胎成型有限元仿真研究
王国林, 杜小伟, 朱美林, 应世洲
2012, 29(6): 265-269. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0599
摘要:
研究了385/55R22.5HN809 全钢载重子午线轮胎的成型过程,并利用ABAQUS 软件,模拟了成型过程的主鼓部件贴合、辅助鼓部件贴合、半成品胎成型和花纹挤压成型4 个工况,得出了成品胎的材料分布图,接着将仿真得出的结构和实际轮胎的断面结构进行了对比分析,最后对胶料厚度的仿真结果进行了分析。结果表明:仿真结构和实际结构具有很好的一致性,可以为轮胎的结构设计和施工设计提供指导。模型中,采用广义Maxwell模型描述混炼胶的力学行为,采用Rebar模型模拟橡胶帘线复合材料。
带弹性隔板圆柱形储液罐的流-固耦合特性研究
王佳栋, 周叮, 刘伟庆
2012, 29(6): 270-278. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0600
摘要:
该文研究带有环形弹性隔板的部分充液刚性圆柱罐中液体与隔板的耦合振动特性。将液体域分割成两个圆柱子域和两个圆环柱子域,利用分离变量法和叠加原理求得各子域内液体运动势函数的解。将环形薄板的湿模态用干模态展开以求解环形薄板与液体耦合振动的微分方程。对液体子域间的界面连续条件作Fourier 展开并对表面波方程作Bessel 展开,得到环形薄板与液体耦合振动的频率和对应模态。数值结果与流-固耦合专用软件ADINA 的结果进行了比较,显示出很好的一致性。
基于Hooke-Jeeves算法的渤海现今应力场优化反演
解秋红, 刘保华, 李西双, 刘晨光, 裴彦良, 华清峰
2012, 29(6): 279-284,299. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0601
摘要:
在分析渤海构造演化背景和地质构造特征的基础上,根据区域内已有测点的地应力资料,建立渤海三维应力场优化反演分析模型。通过由有限元法得到的测点处应力值大小及方向与现场实际数据的比较,构建误差函数作为优化目标函数,采用Hooke-Jeeves优化算法与有限元计算相结合的方法进行优化反演分析,将ANSYS有限元程序作为一个计算模块并通过Matlab 实现其批处理模式下的循环调用,完成优化反演计算过程,得到了渤海浅部的现今应力场分布规律。优化结果分析表明,该文方法可以通过较少的测点数据优化反演得到较合理的构造应力分布,能够为进一步研究渤海海域现今构造活动提供一定参考。
高架轨道交通引起的环境振动影响分析与预测
陈建国, 夏禾, 曹艳梅
2012, 29(6): 285-291. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0606
摘要:
对高架轨道交通系统引起的环境振动影响进行理论分析和数值计算,建立了车-桥和墩-土两个子系统模型,通过车-桥子系统模型得到作用在墩-土子系统上的动荷载,然后利用墩-土子系统模型计算出在该荷载作用下周围环境的动力响应;进一步通过参数分析研究了各种因素对环境振动的影响规律。结果表明:高架轨道交通引起的环境振动随振源距离的增大而逐渐减小,并且受到桥梁跨度、桥梁质量、桥墩基础埋深、车辆轴重、列车速度、土的性质及支座刚度的影响。根据计算结果运用回归的方法提出了高架轨道交通引起环境振动的预测公式,并通过与北京地铁5 号线的实测结果和其他预测公式的比较进行了验证,表明所提出的预测公式具有较高的准确度和适应性。
考虑滑移的空间弹性节点“模糊”精化分析及其在送电线路铁塔中的应用
夏军武, 孙冬明, 董正筑
2012, 29(6): 292-299. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0620
摘要:
基于模糊数学的隶属度概念,从节点的弹性位移着手实现节点的模糊转角,推导了空间弹性梁单元的单刚矩阵,给出了模糊转角位移的隶属度与弹簧刚度的映射关系。同时考虑了连接节点的滑移,导出了有滑移杆件的轴向刚度。借助MATLAB 软件,编制了考虑滑移的空间弹性节点模型(SFJS)源程序。利用该程序分析了JJ3 型送电线路铁塔在支座不均匀沉降作用下主材和斜材的轴向力分布规律,数值计算结果与足尺铁塔试验结果吻合良好。相比传统的刚架模型,考虑滑移的空间弹性节点模型计算结果更能准确地反映地表变形作用下送电线路铁塔杆件的内力。分析结果可以为采动区送电线路铁塔的设计、计算和保护提供理论依据。
旋流沉砂池除砂废水流场与结构参数优化模拟
王晓玲, 周莎莎, 郎建, 李涛, 张陆良, 陈明曦
2012, 29(6): 300-307. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0643
摘要:
在旋流沉砂池砂石废水处理中,具有复杂流态的高浓度固液两相流问题一直是难以攻克的难题,给工程设计与运行带来很大困难。该文采用分子动理学方法从固液两相流相互作用的微观特性出发,得出合理描述旋流沉砂池内高浓度下颗粒间碰撞项的Eulerian-Eulerian 两相流模型。采用滑移网格技术实现了旋流沉砂池桨叶转动区域的模拟。结合西南某水电工程砂石废水处理中的旋流沉砂池流场进行了模拟,并讨论了搅拌桨转速、桨叶位置、叶片数量和叶片角度对旋流沉砂池内水相、颗粒相的影响。结果表明:该水电站砂石处理系统旋流沉砂池的最佳桨叶结构和运行工况为:桨叶转速r=105rap/min,桨叶位置z=592mm,叶片数量为4 片,叶片角度为45°。
室内发动机试车台推力校准的数值研究
张章, 侯安平, 脱伟, 夏爱国
2012, 29(6): 308-313. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0650
摘要:
运用数值模拟手段实现了额定状态、最大状态和全加力状态下某室内发动机试车台推力的气动校准,并初步验证了计算准确性。结果表明:数值计算较好地模拟了室内发动机试车台内气流的流动情况,各部分修正阻力在变化趋势和数值范围上合理可信;大流量状态下进气冲量对推力校准的影响最为显著,喷口阻力和进气道附加阻力也有一定的影响。
压电复合材料层合板的热压电弹性简化模型研究
钟轶峰, 余文斌
2012, 29(6): 314-319. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0653
摘要:
为有效分析压电复合材料层合板在热、电和载荷下的单向耦合热电弹性问题,基于变分渐近方法(VAM)建立热电弹性简化模型。首先根据虚功原理推导三维压电复合板总势能泛函。然后基于变分渐近法,利用板固有的小参数将三维总势能泛函渐近扩展为系列二维泛函,同时将近似泛函转换为Reissner形式以便实际工程应用。最后建立三维场重构关系以正确预测沿厚度方向的应力分布。计算结果显示:基于该模型重构的沿厚度方向横向剪切应力较古典层合理论和一阶剪切变形理论精确度更好,与三维有限元精确解相一致,表明该模型在压电复合材料层合板应力预测上的有效性。
绕回转体初生空化流场特性的实验及数值研究
黄彪, 王国玉, 胡常莉, 高德明
2012, 29(6): 320-325,331. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0654
摘要:
该文采用实验与数值模型相结合的方法对绕回转体的初生空化流场进行了分析,研究了头型对初生空化流场特性的影响,数值模型中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型(FBM),实验中,采用高速录像技术观察了初生空化形态,并应用粒子测速系统(PIV)测量了相应工况下,初生空化流场的速度及涡量分布,研究结果表明:头型对绕回转体的初生空化流场具有显著的影响,不同回转体的初生空化数随着肩部曲率突变增大而逐渐增大,在初生空化工况下,平头和锥头回转体肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空化首先在该分离区域内产生,而不是发生在回转体的物面上或在物体邻近处,此时,初生空化流场体现出明显的漩涡脉动特性,流场中的低速高脉动区域对应于空化核心区,涡量主要亦集中在该漩涡分离区域内,对于圆头回转体,其初生空化流场比较稳定,“指状”的片状空泡附着在回转体表面上。
具有轴向流道的柔性悬臂梁亚临界流速范围内冲击振动响应研究
王建伟, 徐晖, 马宁
2012, 29(6): 326-331. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.03.0203
摘要:
针对冲击载荷作用下具有轴向流道的柔性悬臂梁流固耦合问题,建立了系统的耦合动力学方程。基于动态Hopf 分岔判定定理,对该系统线性化扰动方程的Jacobi 系数矩阵特征多项式进行了计算,在理论上确定了系统振颤失稳时的临界流速,并通过数值计算模拟了系统的颤振失稳现象。分析了亚临界流速范围内,冲击载荷作用下柔性梁的衰减振动响应,结果显示流体流速V的变化对衰减振动的幅值、持续时间和频率都有显著的影响,在0<V<3的范围内,提高流速对柔性梁的衰减振动有良好的抑制效果。
非均匀加筋圆柱薄壳圆截面内振动的径向模态机械阻抗分析
艾海峰, 陈志坚
2012, 29(6): 332-337,345. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0658
摘要:
提出圆柱薄壳的圆截面内运动假设,从声学角度将环肋对壳体的作用等效为径向作用力,根据Hamilton原理建立了简支非均匀加筋圆柱壳的振动控制方程,利用驻波形式解对其径向模态机械阻抗进行了研究。分析表明:对于加筋圆柱壳,环肋与圆柱薄壳的径向模态机械阻抗具有串联连接方式,通过调整环肋的几何参数增大环肋自身的径向模态机械阻抗,可以达到壳体减振降噪的目的,并指出了利用环肋的反共振特性进行加筋圆柱壳结构减振的设计方向。
考虑攻角的长杆弹斜穿透中厚铝靶机理
伍乾坤, 韩旭, 谭柱华, 胡德安
2012, 29(6): 338-345. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0661
摘要:
攻角对长杆弹斜侵彻有重要影响,该文通过大量数值模拟研究了攻角对长杆弹斜穿透中厚铝板的影响机理。基于实验验证的有限元模型,开展了变速度和攻角的多工况数值模拟,得到了侵彻过程中弹体的减加速度大小、速度方向以及整体弯曲的变化规律,分析了侵彻速度、倾角和攻角对侵彻阻力、弹体弯曲和弹道偏转的影响。结果表明:带攻角斜侵彻时,负攻角对弹体弯曲的影响明显大于正攻角,且弹体弯曲随着侵彻速度的增大而减小;随着斜侵彻速度的增大,攻角引起弹体甩尾和弹道偏转越明显,此时带攻角的斜侵彻过程的能量损耗机理明显不同于正侵彻和无攻角的斜侵彻。
具有诱导结构的铝合金薄壁方管轴向压缩吸能性能试验研究
李志斌, 虞吉林, 郭刘伟
2012, 29(6): 346-352. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0663
摘要:
该文提出了三种新型的诱导结构设计方案来降低薄壁方管结构在轴向载荷作用下的初始屈曲载荷峰值。诱导结构设计在方管的加载端,在压缩开始的时候起作用,并且不会显著影响结构在正常工作时的强度和刚度。利用AA 6063 T6 铝合金薄壁方管进行了一系列准静态和动态试验来研究了具有诱导结构的方管在轴向压缩时的能量吸收性能,给出了完整薄壁铝方管和具有诱导结构的薄壁铝方管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现,三种诱导结构均可有效降低屈曲时的初始载荷峰值、提高方管承载吸能平稳性。