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2013年  第30卷  第12期

基本方法
基于物理降阶模型的桁架结构振动主动控制
彭海军, 王文胜, 程耿东
2013, 30(12): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0594
摘要:
该文针对大型挠性桁架结构的振动抑制问题,采用基于变形修正的物理降阶方法对大规模桁架精细有限元模型进行降阶,在此基础上设计线性二次高斯(LQG)最优控制律并完成初始脉冲力作用下的闭环系统仿真。通过与内平衡降阶方法的比较,说明基于物理降阶模型具有更高的计算效率。并且针对闭环数值仿真结果计算了以上两种不同降阶方法的控制效率,结果表明:在相同控制力的情况下,基于物理降阶模型设计的最优控制律对桁架结构的振动抑制效果更明显。
联合分布函数构造的Copula函数方法及结构可靠度分析
唐小松, 李典庆, 周创兵, 方国光
2013, 30(12): 8-17,42. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0603
摘要:
不完备概率信息条件下变量联合分布函数的确定及其对结构可靠度的影响还缺少系统地研究。为此,提出了基于Copula函数的变量联合概率分布函数构造方法,并分析了不同Copula函数类型对结构可靠度的影响规律。首先,简要介绍了基于Copula函数的变量联合分布函数构造方法。其次,提出了构件失效概率计算的直接积分方法。最后以构件可靠度问题为例研究了Copula函数的类型对结构可靠度的影响规律。结果表明:不完备概率信息条件下构件可靠度是不唯一的,表征变量间相关性的Copula函数类型对构件可靠度具有明显的影响,不同Copula函数计算的构件失效概率存在明显的差别,这种差别随构件可靠指标的增大(或失效概率的减小)而增大。Copula函数尾部相关性对结构可靠度具有重要的影响。当功能函数的失效区域位于Copula函数尾部时,计算的失效概率明显比没有尾部相关性的Copula函数的失效概率大。基于功能函数的均值和标准差计算的可靠指标不能反映Copula函数的类型对结构可靠度的影响,而基于功能函数实际分布求得的失效概率则可以有效反映不同Copula函数对结构可靠度的影响。
含盐量对冻结粉土单轴抗压强度影响的试验研究
陈锦, 李东庆, 邴慧, 邓友生
2013, 30(12): 18-23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0412
摘要:
采用取自甘肃省白银市平川区的典型天然盐渍粉土,洗去土中的盐分,在含水量为20%的情况下,以NaCl和Na2SO4为研究对象,研究了含盐量对冻结粉土单轴抗压强度和破坏应变的影响。试验结果表明:当含盐量介于0~3%时,随着NaCl含量的增加,冻土中的未冻水含量增加,土颗粒间的距离增大,凝聚力和内摩擦角减小,冻结粉土的单轴抗压强度以指数规律减小,破坏应变则呈现出先增加后减小的变化趋势。由于Na2SO4易于结晶析出,当含盐量小于3%时,盐分含量不同,盐分在土体中发挥着不同的作用,致使含盐粉土的单轴抗压强度随着含盐量的增加呈先减小后增大的变化趋势;破坏应变则呈现出先增大后减小的趋势。
色噪声激励Rayleigh-Duffing振子瞬态响应及最优有界控制
戚鲁媛, 徐伟, 高维廷
2013, 30(12): 24-30. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0607
摘要:
该文研究了受色噪声激励的Rayleigh-Duffing振子瞬态响应及其最优有界控制问题。在弱扰动假设下应用标准随机平均法得到了原系统振幅过程的部分平均It#x000f4;随机微分方程。应用Bellman动态规划原理,结合控制力有界条件,得到了最优有界控制率。完成所有平均过程得到了系统振幅过程的完全平均It#x000f4;随机微分方程和相应的Fokker-Planck-Kolmogorov方程。基于退化线性系统得到一组正交基空间,在此基空间内进行Galerkin变分近似求解Fokker-Planck-Kolmogorov方程得到了受控系统的瞬态响应。采用Monte-Carlo模拟验证了所有理论结果的有效性。计算表明:1)所提方法求解受最优有界控制率作用的随机非线性系统瞬态响应有效;2)最优有界控制率成功降低了系统瞬态响应;3)该方法的求解效率高于Monte-Carlo数值模拟方法。
正交各向异性弹性层/压磁半空间结构中Love波的传播
孔艳平, 岳鹏阳, 刘金喜
2013, 30(12): 31-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0608
摘要:
分析了正交各向异性弹性层/压磁半空间结构中Love波的传播特性,得到了Love波传播时的解析解,基于推导的频散方程,数值分析了正交各向异性层的切割角度对Love波频散关系的影响,结果显示相速度对切割角度有很大的依赖性。
结构静力分析的区间摄动有限元法
黄仁, 邱志平
2013, 30(12): 36-42. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0626
摘要:
基于新的区间参数系统响应界值的评估方法,推导了基于Taylor展开的区间摄动有限元法和区间参数摄动有限元法的高阶求解方法。并提出了一种新的区间摄动有限元法,该方法将刚度矩阵的逆矩阵用一系列Neumann展开级数来表示,最终得到结构响应摄动量的上下界限,是对结构响应鲁棒性的一种直接评估,因此称之为区间鲁棒摄动有限元法。比较了三种区间摄动有限元法的计算精度和计算效率。算例结果表明:区间鲁棒摄动有限元法具有较好的精度,能够适用于大型航空航天结构的不确定分析和优化。
包含突变过程的结构时变可靠度的概率密度演化方法及其应用
范文亮
2013, 30(12): 43-48,56. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0627
摘要:
结构的局部破坏或加固均会引起性能突变,导致结构功能函数严重不连续,从而增加可靠度分析的难度。为此,该文拟在概率密度演化理论的框架内建立突变结构的时变可靠度分析方法。首先,引入Heaviside函数建立了突变结构时变功能函数的统一表达式;其次,基于此表达式推导了突变结构承载力裕量的广义密度演化方程,本质上该方程为包含无穷系数的分段偏微分方程,数值求解困难;再次,针对该方程的形式解析解引入Dirac#x003b4;序列算法,为承载力裕量概率密度函数的获取提供了可行的方法;然后,给出了突变结构时变可靠度分析的一维积分公式,建立了包含突变过程的时变可靠度分析的概率密度演化方法;最后,将其应用于改造加固结构的时变可靠度分析,并以一个简单的悬臂梁破坏-加固算例验证了建议算法的可行性,且通过与MonteCarlo法的对比验证了建议方法的高效性和准确性。
土木工程学科
张弦梁平面外弹性稳定性能研究
赵思远, 郭彦林, 张旭乔, 张博浩
2013, 30(12): 49-56. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0469
摘要:
无平面外支撑的张弦梁在平面内受荷过程中可能发生平面外失稳。该文首先将张弦梁的平面外失稳分为索撑体系的失稳和张弦梁整体失稳,并采用平衡法和能量法对索撑体系的稳定性进行研究;其次对于张弦梁平面外整体失稳,指出将撑杆和拉索的作用等效为集中力、提取钢梁进行稳定设计的方法并不安全;该文采用Ritz法建立张弦梁的势能方程,结合势能驻值原理,得到张弦梁在全跨均布荷载和纯弯荷载下的平面外弹性屈曲荷载,结果与有限元吻合较好。该文得到的张弦梁平面外屈曲荷载计算公式对其平面外稳定设计具有参考作用。
FRP约束RC矩形空心截面桥墩分析模型及试验验证
董振华, 韩强, 杜修力
2013, 30(12): 57-64. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0623
摘要:
针对纤维复合材料(FiberReinforcedPolymer,FRP)约束钢筋混凝土(RC)矩形空心截面墩的抗震性能分析问题,该文提出了一种考虑有效强度系数和面积配箍率的FRP有效侧向约束力的简化计算方法。并通过与试验体桥墩的墩顶水平位移-承载力、墩底截面转动变形-弯矩曲线的对比分析,验证了该文提出简化计算模型的正确性。最后,基于该文提出的简化计算方法,对不同种类FRP约束RC矩形空心截面墩截面的抗弯承载力、曲率、塑性转动能力等抗震性能参数进行了研究,结果表明环包FRP布对空心墩的延性贡献较大,对提高其承载力影响较小。
不同高度重力坝动水压力分析及Westergaard修正公式研究
王铭明, 陈健云, 徐强, 范书立
2013, 30(12): 65-70,84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0032
摘要:
对5种不同高度的重力坝进行了地震作用下坝体-库水系统耦合计算,将所得结果与Westergaard公式解析解相比较发现,两种方法得到的动水压力结果沿坝高度上的分布有很大不同,流固耦合结果在坝面上有上部偏大,下部偏小的趋势;随着坝体高度的增加流固耦合模型的这种趋势越为明显,坝面上出现动水压力最大值的位置也逐渐升高。据此,对Westergaard公式做出修正,考虑到多方面因素对动水压力的影响,对原公式引入了坝体高度修正项、坝体弹性修正项、库底吸收修正项。修正的Westergaard公式解与流固耦合结果及以往文献的试验和计算结果吻合良好。
偏心腹杆式交错桁架结构滞回性能试验研究
赵宝成, 周德昊, 顾强, 于安林
2013, 30(12): 71-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0625
摘要:
为了改善交错桁架结构的抗震性能,对空腹式交错桁架和混合式交错桁架分别内填Y形偏心腹杆,形成纯偏心腹杆式交错桁架和混合偏心腹杆式交错桁架结构。对两种偏心腹杆式桁架单元试件进行了低周反复荷载试验,分析了试件的滞回性能、耗能能力、延性、承载力和刚度退化规律。试验结果表明:两种偏心腹杆式交错桁架单元试件的滞回曲线比较饱满,耗能性能较好;耗能段的滞回曲线较整体结构的滞回曲线饱满,偏心腹杆式桁架单元主要由耗能段耗散能量;两个试件的能量耗散系数、位移延性系数比较接近;在每级循环荷载中,试件的承载力降低较少,接近破坏时,试件的承载力下降较多;纯偏心腹杆式桁架单元的变形能力优于混合偏心腹杆式桁架单元的变形能力;混合偏心腹杆式桁架单元抗侧刚度比纯偏心腹杆式桁架单元抗侧刚度大,前者刚度退化相对后者快。
单个建筑物对平屋面风荷载的干扰效应试验研究
陈波, 贾蕗宇, 张丽娜, 杨庆山
2013, 30(12): 78-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0588
摘要:
提出采用整体平均风压系数、第1阶振型广义力和屋面各区域最不利极值风压系数的干扰因子分别综合反映干扰效应对平屋面平均风荷载、脉动风荷载和极值风压的影响,采用刚性模型测压风洞试验,对被单个相同形体建筑所干扰的平屋面表面风压进行测量,研究改变建筑物之间的相对位置和风向角,平屋面整体平均风压系数和屋面第1阶振型广义力和最不利极值风压系数干扰因子的变化规律。研究结果表明:屋面整体平均风压系数干扰因子与第1阶振型广义力干扰因子分布规律相似;施扰物在受扰物的迎风上游,遮挡效应引起的缩小效应显著;沿与风向垂直方向,施扰物与受扰物并列布置时,放大干扰效应显著;斜风向条件下的干扰效应比0#x000b0;风向的影响范围大;干扰效应对屋面角部最不利极值风压影响显著,但对屋面中心区域的影响较小。
基于响应面的刚构-连续组合梁桥有限元模型修正
韩建平, 骆勇鹏, 郑沛娟, 刘云帅
2013, 30(12): 85-90,106. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0276
摘要:
首先对响应面法在有限元模型修正中应用的主要问题,包括实验设计、参数筛选、响应面拟合及参数优化等进行了讨论,进而基于现场动力试验数据对一刚构-连续组合梁桥#x02014;靖远黄河大桥的有限元模型进行了修正。选取箱梁和桥墩的弹性模量以及连续墩顶支座及边跨联端支座的横向和竖向刚度为修正参数,采用中心复合设计法进行实验设计、计算样本值,分别构造两个响应面模型,其中一个考虑交互项的影响、一个不考虑交互项的影响,然后以这两个响应面模型代替初始有限元模型分别进行修正。修正结果表明,考虑和不考虑交互项的影响对修正后部分参数的取值有一定的影响,而对频率的修正精度影响不大。两种模型修正后的频率取值均与实测频率较吻合,修正后的模型能准确地反映桥梁的动力特性,可作为后续损伤识别及状态评估的基准模型。
堆载-电渗联合作用下的一维非线性大变形固结理论
王柳江, 刘斯宏, 王子健, 张凯
2013, 30(12): 91-98. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0303
摘要:
堆载-电渗联合作用下的软土地基加固属于大变形固结问题。该文在Esrig电渗固结理论的基础上,建立了拉格朗日坐标下以超静孔压作为变量的一维非线性大变形固结理论方程,推导出相应的超静孔压、沉降、平均固结度和孔隙比的解析公式,且通过了模型试验的验证。之后,采用该解分析了土体在堆载-电渗联合作用下的地基大变形固结特性,且与Esrig小变形固结解析解进行对比。结果表明:堆载-电渗联合作用下,考虑大变形的计算结果更符合工程实际,且此解可用于对大变形固结问题数值解法的验证。
空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震分析
陈彦江, 张德义, 李晰, 贾宏宇, 闫维明
2013, 30(12): 99-106. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0489
摘要:
为了研究空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震性能,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,采用虚拟激励法对此拱桥在空间变化地震作用下的抗震性能进行了系统的理论分析。提出了考虑非一致土层分布条件下的空间三维地震动的合成方法,在综合考虑地震动的多维性、不相干效应、行波效应,特别是一致和非一致土层分布条件下局部场地效应的基础上,对钢管混凝土拱桥进行了多维多点随机振动分析。研究结果表明:场地效应会对结构产生显著的影响,软土场地会导致结构产生较大的响应,同时非一致的土层分布也会对结构响应产生不可忽略的影响;地震动的多维性,特别是竖向地震激励会对拱桥结构响应产生较大影响;在抗震分析中应考虑这些因素的影响,以免错误的估计结构的响应。
对称配筋钢筋混凝土小偏心受压构件简化计算方法
黄靓, 王蓥, 鲁懿虬
2013, 30(12): 107-114. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0550
摘要:
粘钢加固钢筋混凝土箱型桥墩双向恢复力模型研究
邓江东, 宗周红, 刘爱荣
2013, 30(12): 115-122,131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0555
摘要:
考虑不同初始损伤程度、粘贴钢板厚度、轴压比和长细比等参数,设计制作了10个钢筋混凝土箱型截面桥墩缩尺模型,对其进行了粘钢加固后的双向拟静力试验。基于纤维截面的M-#x00424;关系计算了桥墩连续曲线式及三线式的双侧向力-墩顶位移骨架曲线,并理论结合试验数据给出了卸载刚度,结果表明理论计算的骨架曲线、滞回曲线与试验曲线较好的吻合,理论模型可以反映各重要参数对恢复力特性的影响,具有较好的通用性。最后基于理论模型进行了桥墩最大荷载及极限位移的影响参数分析。
低周反复荷载下型钢再生混凝土短柱抗震性能试验研究
薛建阳, 马辉
2013, 30(12): 123-131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0571
摘要:
通过8个不同再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率下的型钢再生混凝土短柱的低周反复加载试验,观察其受力过程及破坏形态,分析了不同设计参数对短柱的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度退化、延性及耗能等力学性能的影响。试验结果表明:型钢再生混凝土短柱的主要破坏形态为剪切斜压破坏;试件荷载-位移滞回曲线基本呈梭形;试件达到峰值荷载后,承载力下降较快、变形小、延性较差;再生粗骨料取代率对试件承载力影响不大,延性耗能随着取代率增大而有所减低;随着轴压比的增大,试件承载力提高但延性耗能降低幅度大;随体积配箍率的增大,试件承载力及延性耗能均相应增大。除轴压比较小的短柱外,其余型钢再生混凝土短柱的延性系数均小于3,表明短柱抗震性能较差。因此,在实际工程中应采取相应的措施以改善短柱抗震性能。
软化特征可控的双参指数型约束混凝土本构及其应用
虎良, 何铭华, 辛克贵, 郭佳, 汪利
2013, 30(12): 132-137,153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0577
摘要:
约束混凝土本构模型的下降段影响着钢管混凝土的力学性能预测,结合6组方钢管混凝土短柱轴压破坏试验结果,提出一种软化特征可控的双参指数型约束混凝土本构。双参指数型本构考虑了方钢管宽厚比、混凝土强度、钢管截面含钢率等因素的影响,能够很好地模拟在不同约束条件下混凝土的软化行为。基于双参指数型本构,对6组方钢管混凝土试验结果进行了轴压破坏的受力全过程模拟,计算结果和试验结果吻合良好。
液化场地中Timoshenko桩自由振动与屈曲的精确数值解
段玮玮, 黄柱, 何光辉, 李强
2013, 30(12): 138-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0590
摘要:
基于单桩的Timoshenko梁模型和桩-土相互作用的Winkler模型,建立考虑轴力效应的具有分布参数的Timoshenko梁模型微分控制方程,确定对应的齐次方程的通解,并以此作为有限单元的基函数。推导得精确形函数矩阵,建立分布参数Timoshenko梁的精确有限单元,根据拉格朗日方程得到有限元离散方程和单元刚度矩阵、几何刚度矩阵和一致质量矩阵。应用建立的精确Timoshenko梁单元于分层液化土中单桩-土-结构系统的自由振动与屈曲模态分析,通过与对应解析解以及常规有限元解的对比,表明精确Timoshenko桩基础单元的可靠性与较常规有限元法的优势。
基于两种回归场的SPR误差评估在地震液化数值分析中的比较与应用
邵琪, 唐小微
2013, 30(12): 145-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0593
摘要:
在采用有限元方法数值模拟饱和砂土场地地震液化及流动的过程中,由于可液化砂土本构关系的非线性及土与结构接触的复杂性,在动力荷载增量很大时,网格易发生剧烈变形,导致计算结果缺乏需要的精度甚至中止计算。因此,需在计算中进行误差评估,获悉计算精度,为改善网格、优化最终计算结果提供依据。基于详细的SPR误差评估方法的原理和操作流程,比较了两种回归场在典型的液化流动数值案例中的结果和误差分布;结合液化程度、位移矢量分布等讨论了造成误差值大小差异的具体原因,既为数值分析提供可供参考的计算精度,也为进一步优化有限元计算提供合理依据。
开孔双空腔结构风致内压动力特性的研究
徐海巍, 余世策, 楼文娟
2013, 30(12): 154-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0596
摘要:
该文推导了开孔双空腔结构内压动力响应的方程组,得到了共振频率和等效阻尼比。对不同空腔开孔面积比和内部容积比下模型各空腔的内压动力响应进行了风洞试验。研究结果表明:两空腔结构模型进行风洞试验时空腔的内部容积,应按照原型和实验风速比平方的关系进行调整以准确模拟原型的内压脉动。含有外墙开孔的空腔(前腔)内压脉动均方根小于不含外墙开孔的空腔(后腔)。内外压均方根比会随着空腔开孔面积比的增加而增大。另外,空腔开孔面积比的增加还会导致系统共振频率升高,等效阻尼比降低。而空腔容积比的增加会使一阶共振频率升高,二阶共振频率降低,并趋向单一空腔时的Helmholtz频率。
基于非线性破坏准则和强度折减法的浅埋隧道安全系数上限解
黄阜, 杨小礼, 赵炼恒, 凌同华
2013, 30(12): 160-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0600
摘要:
隧道工程中常用的安全系数是一种评估隧道稳定性的有效指标。为了研究非线性破坏准则下浅埋隧道的稳定性,基于已有的直线型多块体破坏机制,采用切线法将非线性破坏准则引入上限定理的能耗计算,结合强度折减法,构建了极限状态下隧道安全系数的目标函数。采用序列二次优化迭代法对此目标函数进行优化,得到了浅埋隧道整体安全系数的上限解,并对不同参数作用下浅埋隧道安全系数的变化规律进行了研究。研究结果表明:非线性系数m对隧道安全系数和极限状态下隧道破坏面的影响十分显著。当其他参数一定时,安全系数随非线性系数m的增大而减小。极限状态下隧道破坏面随m的增大向外扩展,潜在破坏范围增大。
注取油循环荷载作用下地下水封油库运营性能评价
王者超, 李术才, 薛翊国, 张庆松, 赵建纲, 姜彦彦
2013, 30(12): 167-175,212. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0612
摘要:
以我国首个大型地下水封油库工程为背景,采用理论分析和数值模拟等方法评价了注取油循环荷载作用下该油库运营期的稳定性与水封性。针对岩石疲劳力学特性,在常规运动硬化疲劳力学模型基础上,提出可考虑平均主应力影响的岩石疲劳力学模型;编写用户子程序,将所提模型嵌入有限元分析软件,实现了循环荷载作用下地下水封油库运营性能评价。评价过程中选取了同步注取和异步注取两种工况,从围岩稳定性和水封性两方面对洞库运营性能进行了分析评价。分析结果显示:同步注取石油对库区围岩拱顶沉降影响较大,异步注取石油对库区围岩水平收敛影响较大;异步注取条件下水位下降和涌水量均比同步注取条件大,但差异不大。两种工况下洞库运营期间总体稳定性和水封性均能保持良好。
基于子结构虚拟变形的损伤识别方法
张青霞, 侯吉林, 段忠东
2013, 30(12): 176-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0613
摘要:
针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。
正方形孔扩张的弹性分析
周航, 孔纲强, 刘汉龙
2013, 30(12): 183-188. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0617
摘要:
圆孔扩张理论作为一种相对成熟的理论工具已经广泛的运用于岩土工程中的各类问题,但是对于一些初始孔形并非圆孔的扩孔问题,圆孔扩张理论并不适用。基于保角变换的方法将原物理平面上初始非圆形孔洞映射到像平面上的单位圆,将原物理平面上由于孔洞扩张所产生的位移边界条件转换到像平面上,利用平面复变弹性理论,得到初始非圆形孔洞孔扩张的弹性理论解。通过基于该文的方法计算圆孔扩张并且与现有的圆孔扩张的弹性解进行对比分析,验证该文解的可靠性。续而,针对初始孔形为正方形的孔洞,采用该文方法详细地分析了正方形孔扩张的力学特性。研究结果表明,该文解在退化到圆孔扩张问题后与现有的圆孔扩张弹性解完全一致;正方形孔在扩张过程中角点处出现应力集中现象,尤其在极角为30#x000b0;~45#x000b0;时应力急剧增加。在离孔心的距离大于4倍的a0/2(a0为初始正方形孔边长)处,其应力分布状态就接近于圆孔扩张,即孔洞非轴对称的影响只在离孔心一定的范围内,当大于这个范围时,这种影响就可以忽略不计。
用带防屈曲支撑的内嵌式钢框架加固混凝土框架的试验研究
武娜, 高向宇, 李自强, 任洁, 黄海涛
2013, 30(12): 189-198. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0618
摘要:
针对既有混凝土框架抗震性能的不足,研究增设防屈曲支撑(BRB)的消能减震加固技术方案。为尽量减少原主体结构的受力负担、提高加固效果,设置了内嵌式钢框架并安装BRB,对加固后的混凝土框架进行了试验研究。该文设计、制作了2榀用此法加固的混凝土框架,1榀纯混凝土框架作为对比。通过低周反复荷载试验,研究了荷载-侧移滞回曲线、骨架线、支撑轴向变形曲线、等效刚度及退化规律、等效粘滞阻尼比等抗震减震性能。结果表明设计的减震加固混凝土框架荷载-侧移滞回曲线饱满,BRB耗能稳定,能显著提高结构承载力,增加结构阻尼,有效降低地震反应。内嵌式钢框架传力可靠,可有效平衡支撑承载力,充分发挥BRB的作用,挖掘梁、楼板的延性潜力,改进了受力工作机制,抗震性能改进明显。
除冰盐环境下水泥混凝土路面传力杆的锈蚀机理与传荷失效过程分析
谭忆秋, 李洛克, 曹鹏, 米丰毅, 龚湘兵
2013, 30(12): 199-205. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0619
摘要:
传力杆锈蚀所引起的混凝土保护层开裂是影响水泥混凝土路面结构使用寿命的重要因素。该文基于扩展有限元方法,建立了传力杆锈蚀产物-混凝土保护层耦合作用开裂力学分析模型。使用此模型模拟了混凝土保护层锈胀开裂过程中的弥散分布裂纹起裂及扩展演化行为,研究了除冰盐环境下传力杆因锈蚀引起传荷失效的过程。设计传力杆试件的除冰盐环境室外暴露试验对数值模拟结果进行验证,发现两者在锈胀开裂模式方面符合较好。根据已验证的模型分析发现:传力杆的松动是促使其快速脱钝,并发生严重锈蚀的初始条件,松动量对传力杆表面锈蚀产物的物相组成比例无明显影响;锈蚀产物体积膨胀造成混凝土保护层出现龟裂,降低了混凝土为传力杆提供支承的能力,是传力杆因锈蚀导致传荷失效的主要原因。
基于校准法的地铁振动对西安钟楼影响研究
马蒙, 刘维宁, 邓国华, 钱春宇, 袁扬
2013, 30(12): 206-212. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0628
摘要:
针对西安地铁振动对钟楼影响案例,建立了#x0201c;车辆-轨道-隧道-土层#x0201d;3维动力有限元模型,研究了行车速度对3个方向地表振动响应的影响:结果显示,降低车速对控制地表速度峰值效果显著。地铁2号线通车后,首次针对重点古建筑防地铁交通微振动控制问题采用#x0201c;输入-输出#x0201d;两位置进行模型校准,测试结果显示,模型输入激励与输出响应均与实测结果吻合良好。校核后的模型用于预测地铁2号线、6号线联合运行下振动响应。比较了拟建6号线3种不同线位,当考虑钟楼微振动控制时,方案2和方案3要优于方案1。
斜向加载钢筋混凝土核心筒抗震性能的试验研究
侯炜, 史庆轩, 刘阳
2013, 30(12): 213-219,227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0710
摘要:
为了研究混凝土核心筒在不同地震作用方向的破坏机理和抗震性能,进行了一个沿主轴45#x000b0;方向和一个沿主轴0#x000b0;方向加载的混凝土核心筒的水平低周反复荷载试验。研究了在不同加载方向下钢筋混凝土核心筒的破坏模式、层间滞回性能、耗能能力、墙肢截面应变、承载力、变形及延性性能、薄弱部位、强度衰减等。结果表明,加载角度对核心筒的破坏模式和抗震性能产生较大影响,增大加载角度,试件的损伤由两片腹板墙体逐渐向所有墙体发展,混凝土核心筒的空间性能发挥的较充分,受力模式发生改变,水平承载力和基底弯矩有一定程度的提高,最大层间位移角变化不大,但其层间延性系数有所降低。
基于DQM的曲梁平面外固有振动特性及参数分析
孙广俊, 李鸿晶, 王通, 邢浩洁
2013, 30(12): 220-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0825
摘要:
基于DQM(DifferentialQuadratureMethod,微分求积法),对曲线梁的频率方程和边界条件进行离散,通过采用不等分网点划分和替换法边界处理,求解了单跨圆形曲线梁和单跨回旋缓和曲线梁的平面外固有振动特性,并将结果与精确解进行对比,验证了微分求积法的高效性,讨论了网点数对求解精度的影响。在此基础上,研究了弯扭刚度比、翘曲系数以及边界约束形式等因素对曲线梁振动频率的影响,分析对比了圆形和回旋缓和曲线梁振动特性的参数影响规律。研究表明,采用微分求积法可以方便、高效地求解曲线梁的固有动力特性;弯扭刚度比、翘曲系数以及边界约束条件对曲线梁振动频率有着较为显著的影响,随着边界约束的减少,两种形式曲线梁的基本频率均随之减小,对于多数约束情况,两种形式曲线梁振动特性的参数影响规律相类似,唯有一种悬臂形式下的回旋缓和曲线梁振动特性的参数影响规律表现出与其他约束情况下相反的规律。
半空间饱和土中孔洞对波场散射问题的边界元法分析
张鸿, 高谦, 徐斌, 徐满清
2013, 30(12): 228-235,254. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0859
摘要:
根据饱和土Biot理论及孔洞边界特性,通过引入势函数,利用Betti互易定理,建立了半无限饱和土体中孔洞对波场散射问题的边界元积分方程,讨论了边界积分方程的奇异性,并分析了饱和土体特性及入射波场等对孔洞应力集中与孔压集中系数的影响效果。通过与已知文献结果比较,验证该文算法的正确性。数值结果表明:饱和土体中流、固耦合程度、压缩性、透水性等对波场散射有较大的影响:随饱和土体中流、固二相耦合程度增大,孔洞应力集中系数增大,孔洞的散射作用增强;随饱和土体压缩性减小,孔洞应力集中系数增大;而随饱和土体透水性降低,孔洞应力集中系数、孔压集中系数都增大。
强约束大尺寸钢筋混凝土柱抗震性能试验研究
张微敬, 张兵, 李振宝, 周宏宇
2013, 30(12): 236-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0123
摘要:
为研究箍筋强约束钢筋混凝土柱的抗震性能,完成了6个配箍特征值0.34~0.44、截面尺寸450mm#x000d7;450mm的大尺寸钢筋混凝土柱试件的拟静力试验研究。结果表明,试件的破坏形态为压弯破坏,纵筋压曲甚至断裂,部分试件箍筋拉断,底部1倍柱截面高度范围内混凝土保护层剥落,箍筋约束核心区混凝土局部压碎。试件水平力-位移滞回曲线饱满,极限位移角达到1/39~1/33,延性系数均大于3.0。对于箍筋强约束柱,改变箍筋形式或改变箍筋肢距,对其正截面承载力及极限变形能力影响不大;相同位移往复加载由3次增加至5次,对其正截面承载力及峰值位移影响不大,但变形能力降低约15%。
机械工程学科
外部液动力作用下管道输送流固耦合应力分析
周知进, 杨智, 王钊, 阳宁, 左明健
2013, 30(12): 242-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0565
摘要:
采用计算流体动力学方法分析管道-外部流体相互耦合效应对管道连接点应力影响。以垂直输送管道系统为研究对象,应用数值方法求解外部流体-管道进行流固耦合这一非线性问题。研究结果表明:1)扬矿硬管上端无论是固接还是铰接,外部流场以不同速度冲击管道,应力集中出现在管道靠近连接区域,最大应力也出现在管道连接点处,其余部位管道应力变化较小;2)其最大等效应力随着外部流场速度增大而增大,以固接方式连接产生的管道最大等效应力总是大于以铰接方式连接的最大等效应力。3)当外部流体速度为0.9m/s时,两种连接产生的最小应力值在该流速点均出现局部极小值,且固接时局部极小应力小于铰接时的局部极小应力。
考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究
刘鹏飞, 翟婉明, 王开云, 田国英
2013, 30(12): 248-254. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0586
摘要:
在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。
基于谱峭度的谐波模态检测方法
夏遵平, 王彤
2013, 30(12): 255-258,266. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0599
摘要:
在旋转机械领域,周期激励的存在使运行模态分析中含有谐波模态。根据结构模态和谐波模态的谱峭度值的不同,该文提出了基于谱峭度的谐波模态辨识方法。首先,给出了谱峭度的定义及其无偏估计算法;其次,从理论上证明应用此方法不需要滤波处理,并提出了简单且易于实现的优化方法;然后,应用频域空间域分解算法分离出谐波模态去除其对结构模态的影响;最后,通过仿真及实验成功检测出了谐波模态并消除其影响,验证了方法的有效性和可靠性。
轻薄型金属反平面撕裂机理研究
赵明君, 刘剑雄, 杨邦成
2013, 30(12): 259-266. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0609
摘要:
#x0201c;轻薄型金属(厚度#x02264;10mm)反平面撕裂机理研究#x0201d;旨在为报废汽车及家用电器的破碎回收处理提供理论依据。通过对轻薄型金属破碎过程分析及试验研究,发现#x02162;型裂纹起到了主要破坏作用;根据拉伸试验应力-应变关系曲线变化趋势与理想弹塑性材料基本一致的现象,将材料简化为理想弹塑性模型;裤形撕裂试验所获得的载荷-位移曲线变化趋势表明试样起裂前后所需载荷较大,扩展过程中载荷逐渐减小;对反平面撕裂过程研究可知,在载荷作用下裂尖塑性区逐渐向外扩展,当其达到最大尺寸后,随着载荷继续增加,裂纹则开始扩展,而塑性区也逐渐向前推移直至试样断裂。裂纹尖端场的解表明起裂前及扩展过程中尖端应力-应变场均存在奇异性,且扩展过程中尖端场奇异性比起裂前弱,即起裂前裂尖的应力-应变集中程度比扩展过程中要大,这表明裂纹在起裂阶段比扩展阶段所需载荷更大。
航空发动机直通型篦齿封严鼓筒气动力分析
王洪玉, 秦朝烨, 褚福磊, 刘彦琦
2013, 30(12): 267-274. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0615
摘要:
鼓筒篦齿是航空发动机风扇部分的重要封严结构,其密封性能极大地影响着航空发动机的整机性能。为了充分认识鼓式篦齿封严结构中齿腔内的压力分布,了解篦齿封严机理,该文采用数值方法对鼓筒篦齿封严流场进行了仿真分析,重点讨论了旋转速度和篦齿封严出口静压对鼓筒表面气动力的影响。仿真结果表明:1)沿着流动方向鼓筒表面静压总体上呈现先减小后增大的变化趋势;2)与旋转速度的变化相比,篦齿封严出口静压的变化对鼓筒表面静压的影响更为显著;3)旋转速度一定时,鼓筒表面静压随着篦齿封严出口静压的增大线性增大。
复合材料多钉斜削搭接连接强度预测与累积损伤研究
刘坤良, 铁瑛, 李成, 陈启军
2013, 30(12): 275-279. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0616
摘要:
该文基于三维逐渐损伤理论,采用ANSYS的二次开发语言,建立了复合材料层合板多钉斜削搭接结构的三维有限元模型,考虑接触状态非线性和累积损伤过程非线性,并用牛顿-拉普森非线性迭代算法,对复合材料多钉斜削搭接结构从初始失效到最终失效的过程进行可视化模拟并对其连接强度进行了研究;数值模拟计算结果与文献结果进行比较,验证了本模型的正确性。分析结果得到:斜削程度不同、几何尺寸不同,连接结构的失效扩展过程不同;并且不同铺层失效形式不同;在一定程度上,随着斜削程度的降低,优化了钉载分配,初始失效载荷和最终失效载荷有所升高,提高了连接效率。
铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响
邢保英, 何晓聪, 唐勇, 郑俊超
2013, 30(12): 280-285. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0782
摘要:
该文采用Landmark试验机对5052铝合金自冲铆接头进行力学性能测试来研究铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响。获得了单铆钉自冲铆(简称SR)接头、横向分布双铆钉自冲铆(DRT)接头和纵向分布双铆钉自冲铆(DRL)接头的静力学和疲劳性能,采用正态分布和威布尔分布对试验数据进行分析检验其有效性。结果表明:DRT接头静强度约为SR接头的2倍;DRL接头静强度约为SR接头的1.9倍。DRL接头比DRT接头具有更好的能量吸收能力。双铆钉自冲铆接头的疲劳性能优于SR接头。铆钉分布形式对接头疲劳变形量影响较小,但是对寿命影响较大。当疲劳载荷较高时,DRL接头可提高疲劳寿命。随着疲劳载荷降低,DRT接头可显著增加疲劳寿命。
其他工程学科
板壳结构非线性随机有限元法研究
王庆, 姚竞争
2013, 30(12): 286-292. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0444
摘要:
采用摄动随机有限元法研究了具有随机参数的板壳结构大挠度动力响应问题。基于Mindlin-Reissner板理论,采用全量Lagrangian法推导了具有板壳结构的大变形、大转动的动力响应有限元列式;通过基于等参变换的局部模型对随机场进行离散,结合摄动技术,建立了基于摄动技术的增量形式的随机有限元列式,计算结果与Monte-Carlo法相比较表明了该方法的有效性和精确性。通过该方法,为进一步进行结构可靠性分析提供了依据和方便。
低噪声复合托板水下声学试验研究
计方
2013, 30(12): 293-297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0574
摘要:
提出了集成应用空心振质量块、聚氨酯吸声带板的低噪声复合托板结构方案,并初步给出了实船应用方法。在此基础上开展了大尺度双壳结构水下振动、声辐射及输入功率流的试验研究。结果表明:应用低噪声复合托板后,双壳结构外壳20Hz~3000Hz频段振动加速度级降低3.1dB,5m处近场辐射声压级降低7.2dB且沿顺时针90°~270°周向降噪效果最为显著;结构输入功率流显著降低,由多峰变为单峰且峰值频率略向低频移动。
加载速率对关节软骨变形特性影响的研究
钱善华, 刘利国, 倪自丰, 葛世荣, 靳忠民
2013, 30(12): 298-300. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0235
摘要:
通过对不同加载速率下关节软骨变形特性的研究,探讨关节软骨在异常应力下的损伤机制。在UMT-2多功能试验机上开展三种加载速率下关节软骨的压缩试验,并建立相应的有限元模型。在线性加载下,关节软骨的弹性模量随应变经历了先急剧下降后缓慢增加的变化;有限元模拟的应变与试验测定的应变的偏差低于0.025;当加载速率为0.01MPa/s和0.0067MPa/s时,软骨弹性模量和孔隙压力的差异较小,但与加载速率0.02MPa/s对应的弹性模量和孔隙压力的差异较为显著。加载速率对软骨变形和孔隙压力有着显著影响,但当加载速率低于某一值时,软骨变形对加载速率的依赖性降低,其研究结果有助于深入理解在异常应力速率下关节软骨的损伤机制。