留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2013年  第30卷  第7期

基本方法
基于UKF的双轴耦联Bouc-Wen模型识别与应用
李宁, 李忠献, 谢礼立
2013, 30(7): 1-6. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0126
摘要:
Bouc-Wen模型常用于非线性滞回模拟,具有滞回曲线连续可微、可考虑退化、拈缩等非线性效应的优点。该文在双轴Bouc-Wen模型的基础上,提出了适用于单向偏心结构的平扭耦联Bouc-Wen模型,导出状态方程并利用无色Kalman滤波器(UKF)对其进行参数辨识。结合单向偏心结构的等效二自由度模型(EDDOF),利用UKF对其非线性反应信号进行系统辨识,进行了应用研究。结果表明:UKF可对双轴耦联系统的状态及参数进行快速高效识别,且精度可靠,通过单向偏心结构地震反应分析和辨识验证了其适用性和可靠性。该模型亦可表征广义系统状态,拓展应用于结构监测控制、可靠性和随机反应分析等相关研究领域的应用。
非对称平面剪铰结构展开过程分析与仿真
纪斌, 王怀磊, 金栋平
2013, 30(7): 7-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0154
摘要:
该文研究由刚性杆组成的单自由度非对称平面剪铰桁架结构的运动学及动力学特性。首先,利用剪铰结构的几何特性推导各个剪铰单元的运动规律,得到了单自由度剪铰结构各杆件的广义坐标表达式。然后建立系统的质量矩阵和约束方程,并利用拉格朗日乘子法建立其动力学模型。采用Baumgarte坐标违约和速度违约稳定法进行数值求解。最后利用MATLAB软件包对由两个非对称剪铰单元组成的可展桁架结构的展开过程进行了数值仿真,并对仿真结果进行了相应的分析。该文的工作为非对称剪铰桁架结构的工程应用提供了理论基础。
混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究
张晓东, 丁勇, 任旭春
2013, 30(7): 14-21,27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0206
摘要:
扩展有限元法(theextendedFiniteElementMethod,XFEM)为数值模拟结构裂纹扩展过程提供了一条有效途径。该文介绍了用扩展有限元法对混凝土结构裂纹扩展过程进行数值模拟的实现方法。采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,分析了其求解思路并概括了其求解步骤。通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论。
基于水平集描述的结构拓扑与构件布局联合优化新方法
张维声, 孙国, 郭旭, 单鹏
2013, 30(7): 22-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0183
摘要:
该文提出了一种结构拓扑与内嵌构件布局联合优化的新颖方法。这种方法突出的特点是利用水平集函数隐式地描述不规则的构件形状,因此可以非常方便地处理构件之间的互不覆盖约束条件。数值算例表明:较之文献中已有的方法,该文算法能够以更小的计算量有效地实现结构拓扑与内嵌构件布局的联合优化。
非平稳随机激励下结构动力可靠度时域显式子集模拟法
徐瑞, 张加兴, 苏成
2013, 30(7): 28-33,39. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0210
摘要:
基于动力响应显式表达式,时域显式随机模拟法可以通过减少单次样本计算时间有效提高动力可靠度的计算效率。然而,对于小失效概率问题,由于需要大量次样本计算,该法的计算量仍相当可观。为了克服上述困难,在时域显式随机模拟法基础上引入子集模拟法的基本思想,把小失效概率表示为一系列较大的条件概率的乘积,其中各条件概率采用时域显式随机模拟法计算,条件域内的样本采用Metropolis-Hastings抽样方法生成,从而实现了减少随机模拟所需的样本数,进一步提高了计算效率。算例结果表明改进的方法具有更高的计算效率,更适用于小失效概率和多自由度结构的动力可靠度问题。
土木工程学科
氯离子在混凝土中扩散传输的有限体积法模拟分析
周新刚, 李克非, 陈肇元
2013, 30(7): 34-39. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0153
摘要:
基于氯离子在混凝土结构中的扩散传输理论,建立了氯离子扩散传输偏微分方程,讨论了边界与初始条件。根据因变量在有限大小的控制体积中满足守恒定理,建立了氯离子在混凝土中扩散传输的离散方程,编制了计算程序。算例分析表明,有限体积法可以很好地模拟氯离子在混凝土中的扩散传输,可以分析计算复杂边界条件下的混凝土内的氯离子分布,并对受氯离子侵蚀混凝土结构的使用寿命进行预测分析。
波形钢腹板的弹性剪切屈曲强度
朱力, 蔡建军, 聂建国
2013, 30(7): 40-46,54. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0081
摘要:
波形钢腹板的剪切屈曲模式主要包括局部剪切屈曲模式、整体剪切屈曲模式和合成剪切屈曲模式。弹性局部剪切屈曲强度和弹性整体剪切屈曲强度虽然已经有明确的计算公式,但与实际数值结果相比尚存一定偏差,而对于实际桥梁中可能发生的合成剪切屈曲模式则无准确的计算方法。该文首先建立了计算波形钢腹板弹性剪切屈曲强度的有限元模型,用以研究波形钢腹板的剪切屈曲行为。随后讨论了影响弹性剪切屈曲强度的关键因素,同时对已有建议公式的准确性和合理性进行了评价和验证。最后通过大量数值分析,建议了可以综合考虑三种剪切屈曲模式的波形钢腹板弹性剪切屈曲强度计算公式,公式精度较高,可供工程设计参考,同时为进一步研究波形钢腹板的抗剪强度奠定理论基础。结论
移动荷载作用下简支梁共振与消振机理研究
李慧乐, 夏禾, 郭薇薇
2013, 30(7): 47-54. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0218
摘要:
推导了简支梁在移动荷载列作用下的振动响应理论解,得到了简支梁发生共振及两类消振效应的车速计算公式,阐明了二者的发生机理。提出移动荷载作用下简支梁存在两类消振效应,第一类消振为单个荷载行为,第二类消振与荷载间距有关;发生消振效应时,已经离开桥梁的荷载所引起简支梁的自由振动抵消为零,桥梁的动力响应较小;消振发生的条件较共振更为严格,当车速同时满足二者的要求时,消振效应起主要作用,将出现共振消失现象;理论上通过调整车厢长与桥跨之比可避免共振现象发生。通过算例分析了两座简支梁在列车过桥时的动力响应,验证了理论分析的正确性。
低周反复荷载下型钢混凝土-钢筋混凝土竖向混合结构转换柱受剪性能试验研究
薛建阳, 伍凯, 赵鸿铁
2013, 30(7): 55-60,74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0729
摘要:
为了研究型钢混凝土-钢筋混凝土竖向混合结构转换柱的受剪性能,对16个转换柱试件和1个钢筋混凝土柱对比试件进行了低周反复荷载试验。分析了转换柱试件的破坏形态,研究了其位移延性、承载能力、强度衰减,以及耗能能力等方面的力学性能,并与钢筋混凝土柱试件进行了对比。试验结果表明:转换柱的破坏形态可以分为剪切破坏、粘结破坏和弯曲破坏;转换柱中钢与混凝土之间的相互作用方式导致了其特殊的破坏特征;发生粘结破坏和弯曲破坏的试件,其最大承载力之后的强度衰减较大;转换柱的耗能能力介于型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱之间。绝大多数转换柱试件的延性性能能够满足位移延性系数大于3的抗震设防要求。
弯曲缩短对杆件结构非线性分析的影响
刘永华, 张耀春
2013, 30(7): 61-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0117
摘要:
为了考察弯曲缩短对杆件结构非线性分析的影响(弓形效应),利用ANSYS用户可编程特性(UPFs)研究了考虑弓形效应的实用方法,采用ANSYS数值模拟方法对若干杆件结构算例进行了弹性及弹塑性大位移分析。算例分析结果表明:对于扁平刚架等易发生跃越失稳的结构,弯曲缩短的影响大,分析时应予以考虑;而对于普通矩形框架结构,弯曲缩短的影响可以忽略不计。采用弓形函数的近似表达式可有效考虑弯曲缩短效应。
钢管混凝土哑铃形截面构件抗扭承载力研究
韦建刚, 傅斌, 陈宝春
2013, 30(7): 68-74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0167
摘要:
开展了钢管混凝土哑铃形截面构件的约束扭转试验,以试验为基础建立了有限元模型,并进行了哑铃形截面抗扭承载力计算公式的推导并利用有限元加以验证,研究结果表明:钢管混凝土哑铃形截面构件表现出较好的扭转弹塑性性能;提高腹腔宽度可较为显著地提高哑铃形构件的抗扭性能;但腹腔高度的增加对于提高构件抗扭承载力并不明显;哑铃形截面抗扭承载力为钢管和腹腔钢板、管内混凝土、腹腔混凝土三部分抗扭承载力之和,其中腹腔混凝土所占的比重在5%以下,在计算抗扭承载力时可以忽略,以此推导并简化的抗扭承载力计算公式,可以较为简便、准确地计算钢管混凝土哑铃形截面的抗扭承载力。
层状地基中基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法
王奎华, 吕述晖, 吴文兵, 罗永健
2013, 30(7): 75-83,99. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0171
摘要:
基于虚土桩模型及荷载传递法,针对理想弹塑性荷载传递函数,推导了均质地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的桩顶荷载-沉降曲线计算方法,且进一步利用递推方法将其推广到层状地基中并给出了桩身轴力及桩侧摩阻力的计算方法。在此基础上,给出了荷载传递模型参数的选取方法并分析了虚土桩计算长度的影响因素及取值方法。然后,利用该算法分析了桩及虚土桩压缩模量对荷载-沉降曲线的影响。最后,结合工程实测数据,对比了计算荷载-沉降曲线、实测曲线和由规范方法得到的荷载-沉降曲线,结果表明:在一定的荷载范围内,采用基于虚土桩模型的单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较为吻合,实际工程应用优于规范法。
基于有效耗能的改进Park-Ang双参数损伤模型及其计算研究
付国, 刘伯权, 邢国华
2013, 30(7): 84-90. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0051
摘要:
Park-Ang双参数地震损伤模型考虑了地震作用的首次超越破坏与累积损伤破坏两方面因素,较好的定义了结构的破坏,被后续研究广泛应用,但无法区分不同幅值作用下结构破坏的差异。分析了不同位移幅值下钢筋混凝土柱的破坏特点,研究了结构损伤与结构耗能之间的关系。试验表明弹性阶段(位移幅值小于一倍屈服位移)的试件几乎不发生破坏,造成钢筋混凝土柱破坏的能量集中在相持阶段和破坏阶段,定义非弹性阶段引起结构破坏的滞回耗能为导致结构破坏的有效耗能。基于有效耗能假设引入有效耗能因子e,提出了改进的Park-Ang双参数地震损伤模型。对建议模型进行了21组钢筋混凝土柱的试验数据验证,计算结果表明:有效耗能因子可以反映相同耗能下不同位移幅值引起的结构破坏差异,有效耗能因子e物理意义明确,改进后的双参数地震损伤模型计算精度高,离散性小,能够区分不同位移幅值下钢筋混凝土柱的破坏差异,较好地评估了RC结构的损伤性能。
稳态冲击风作用下拱形屋面风压分布试验研究
陈勇, 崔碧琪, 余世策, 关士杰, 楼文娟
2013, 30(7): 91-99. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0137
摘要:
为研究雷暴冲击风对拱形屋面的作用,基于相似准则进行了拱形屋面模型制作和雷暴风风场物理模拟,并完成了相应的冲击风风洞试验。通过改变矢跨比、高跨比及跨度,进行屋面风压的参数敏感性研究。通过改变屋面中心位置,研究竖向风场的作用。研究表明:屋面位于冲击风极值水平风速附近时,垂直于屋脊方向风压分布与矢跨比密切相关,屋面越靠近冲击风中心则升力越小;当屋面位于冲击风中心时,整个屋面均出现较大的正风压。
球面网壳最不利几何缺陷的凸集和概率模型
卢家森, 张其林
2013, 30(7): 100-104,121. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0089
摘要:
该文提出了一种使用凸集模型确定单层球面网壳最不利初始几何缺陷的有效方法。初始几何缺陷的模拟使用前N阶线性屈曲模态的线性组合,其大小为随机变量,在N维欧氏空间中的椭球集合上变化,结构的非线性屈曲极限承载力表示为这些随机变量的函数,该文方法可以替代计算昂贵的概率方法研究缺陷敏感性结构。通过蒙特卡罗方法验证了凸集模型所得结果的正确性,该文计算采用ANSYS参数化设计语言二次开发实现。
深厚砂土地基共振致密机理
陈福全, 姚金梅, 李西斌, 陈伟丽
2013, 30(7): 105-112. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0123
摘要:
利用颗粒离散元对深厚砂性土地基进行共振致密模拟与机理分析,详细地研究了高频共振致密过程中,土体内部孔隙率、位移、孔隙水压力的变化情况,以及振动杆杆端及杆周土体的力学特性;对振动频率、振幅及颗粒级配对共振致密效果的影响进行了分析。结果表明:高频共振致密能很好地用于处理深厚粉砂土地基,振动结束后,土体的孔隙率明显减小,表层位移明显,振动杆杆端及杆周的土体力学特性也发生较大变化;共振致密的效果受振动杆振幅、频率及土体级配状况等因素的影响,振幅和频率过大或过小都无法获得最佳致密效果。在实际工程中,应根据土体的特性确定最佳的振幅和频率。
钢框架-钢板剪力墙结构弹塑性状态的层剪力分布研究
孙国华, 顾强, 何若全, 方有珍
2013, 30(7): 113-121. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0139
摘要:
为研究钢框架-钢板剪力墙结构(SPSW)在弹塑性状态下层剪力的分布,该文设计了4个具有理想屈服模式的SPSW结构。考虑了结构层数、近场地震的速度脉冲效应及远场地震加速度累积循环效应的影响,采用弹塑性时程分析方法获得了SPSW结构在两类地震作用下层剪力分布的平均值,提出了SPSW结构弹塑性状态的层剪力分布模式,并同已有的层剪力分布模式进行了对比。分析表明:地震波的近场速度脉冲效应及远场加速度循环效应对SPSW结构的层剪力影响较大,层剪力分布模式应考虑其影响。该文建议的层剪力分布模式在精度上优于其他层剪力分布模式,基于能量的抗震设计方法可采用该文建议的层剪力分布计算结构楼层的耗能。
一种空间剪力墙非线性计算模型
司林军, 李国强, 孙飞飞
2013, 30(7): 122-128,135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0141
摘要:
我国地震区的高层建筑结构一般都要布置复杂的钢筋混凝土剪力墙,如何有效模拟这些复杂墙体的力学性能就成为高层结构弹塑性分析的关键。该文在两元件墙单元模型的基础上提出了一种空间墙非线性分析模型,该模型考虑了墙体的轴向、弯曲和剪切弹塑性变形,并能合理考虑墙-墙、梁-墙交界处结点的位移协调。与试验结果对比分析表明,该文建立的墙单元模型具有自由度少和计算稳定等特点,可用于钢筋混凝土剪力墙结构的初步设计或整体性能评价,为复杂墙体弹塑性分析提供了可行的方法。
空间杆系机构运动路径的多重分岔分析
祖义祯, 邓华
2013, 30(7): 129-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0161
摘要:
运动分岔是杆系机构平衡路径分析的重要理论问题。基于按有限元法建立的杆系机构运动方程,对运动路径奇异点的多重分岔特征进行了讨论。对空间杆系机构的分岔条件进行了理论解释。面向多重分岔问题对常规的奇异点定位方法进行了改进。将与切线刚度矩阵特征向量相关的干扰力向量引入到弧长法中,以实现多重分岔路径的跟踪。以一个由Pantadome系统简化的空间杆系机构为例,对其顶升过程的运动路径进行了数值模拟,利用该文方法有效地实现了顶升过程的奇异点判别及多重分岔路径的跟踪。
盾构隧道衬砌整环力学机理模型
张建刚, 何川
2013, 30(7): 136-141,146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0186
摘要:
目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明:力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。
公路工程路堤临界填土高度一种计算方法研究
朱福, 战高峰, 佴磊
2013, 30(7): 142-146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0180
摘要:
路堤临界填土高度是公路工程中一个非常重要的问题,填筑高度小于临界填土高度时,地基的变形和稳定能得到控制。依据极坐标表示的弗拉曼公式和统一强度理论,考虑中间主应力σ2对地基承载力的影响,推导出土的静止侧压力系数K0≠1条件下地基的临塑与临界荷载公式,提出路堤临界填土高度一种计算方法。结合算例,对中间主剪应力系数b和土的静止侧压力系数K0取不同值时,临界荷载与路堤临界填土高度计算结果进行了对比分析,结果表明:基于统一强度理论得到的计算方法能确切地反映地基承载力的实质,使地基土体强度得到充分的发挥。
大跨越输电钢管塔结构多尺度有限元分析
汪楚清, 王虎长, 李亮, 赵雪灵, 孙清
2013, 30(7): 147-152,166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0189
摘要:
多尺度计算可在计算精度和计算代价中寻求较好的平衡点,在许多学科领域和工程问题中都得到了应用。该文引入有限元多尺度计算理论,在有限元分析软件中引入约束方程实现了局部模型和宏观模型的连接,并在研究输电铁塔力学性能中得到了应用。同时将输电铁塔多尺度模型分析结果分别与TTA模型、刚架模型、桁架模型和试验结果进行对比分析。研究结果表明,采取该文提出的多尺度建模方法,能够有效分析输电铁塔的整体力学行为和局部节点受力特性,可以在土木工程结构中推广使用。
简化波动方法分析结构竖向脉冲效应的反射与透射系数
张昊强, 何政
2013, 30(7): 153-160. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0193
摘要:
近场竖向地震波富含各频率成分且具用较大的传播速度可能对结构造成较强的竖向脉冲效应。应用波动力学来分析脉冲型纵波激励作用下多自由度体系的动态响应时,其计算过程过于复杂且不容易收敛,而振动力学又无法反映波传播的时滞性和反射叠加效应,不能很好地反映这种脉冲效应和描述该类激励对结构造成的应力损伤。该文结合振动力学和波动力学的各自特点,针对简化的结构层模型并考虑了阻尼效应,推导了纵波通过楼板集中质量的反射和透射系数。在此基础上,对阻尼比、轴向刚度比和质量比对反射系数和透射系数的影响进行了参数分析,并对这些系数在土体-结构相互作用中的应用进行了初步的研究。研究结果表明:在反射和透射系数中考虑阻尼的影响是十分必要的,反射和透射系数的幅频曲线体现出了显著的高频滤波效应,且受轴向刚度比和质量比的影响也较大。这些研究工作为之后应用此简化波动方法计算脉冲型地震动竖向分量作用下结构的动力响应奠定了基础。
基于DQ原理的结构弹塑性地震反应分析
廖旭, 李鸿晶, 孙广俊
2013, 30(7): 161-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0196
摘要:
微分求积法(DQ法)是一种高精度,高计算效率的微分方程数值求解方法。该文采用微分求积法进行了结构弹塑性地震反应分析。针对结构弹塑性地震反应分析的特点,对于采样周期内地震加速度记录的增量分布做了线性假定,采用了一种新型的不等距的时间网格并在新的网格上实施DQ算法。对于拐点的处理则提出了一种简单的迂回处理方法,可以方便地利用现有研究成果来完成DQ方案中拐点的处理。数值算例的结果表明:采用微分求积法求解结构弹塑性地震反应可以达到较高的计算精度并且可以从两个方面提高计算效率。
含圆孔半平面体的弹性分析及其工程应用
蔚立元, 韩立军, 陈晓鹏, 王迎超
2013, 30(7): 167-172,199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0214
摘要:
无限大平面弹性体中单个圆孔孔边应力集中问题的经典解已经得到了广泛应用,但是半平面体边界附近含圆孔问题的弹性分析至今仍不完善。该文借助Verruijt提供的共形映射函数,把含圆孔半无限平面映射为单位圆环域;然后将像平面上的解析复位势展成Laurent级数,利用Muskhelishvili的复变函数解法,基于地表、洞周的边界条件和级数展开式在圆环域上的收敛性确定展开式中的系数;进而求得该问题在地表一般线性荷载条件下的应力场和位移场。最后,给出了一个地铁隧道算例的围岩应力、位移结果,并分析了其受力变形特点。
土-隔震结构相互作用体系动力特性参数的简化分析方法
李昌平, 刘伟庆, 王曙光, 杜东升, 王海
2013, 30(7): 173-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0228
摘要:
基于集总参数SR(sway-rocking)模型,建立隔震结构考虑土-结构相互作用(SSI)影响的简化分析模型,并经严格推导得到了模型动力特性参数的计算公式,由此可将常规非隔震结构的简化分析方法延伸到隔震结构的相互作用分析。通过算例分析,与复模态分析方法进行了对比。对比结果表明,该文提出的计算公式对绝大多数工程场地都有很好的适用性,但是相比复模态方法该文方法更加简单实用。算例分析同时表明SSI对于高层隔震结构的影响比中低层结构大。该文提出的简化计算方法是隔震结构初步设计评估SSI效应的简便有效的工具,同时为隔震结构考虑SSI效应的基于反应谱理论的设计方法研究奠定基础。
地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移简化计算研究
吴函恒, 周天华, 石宇, 陈军武
2013, 30(7): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0223
摘要:
针对地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移的简化计算,基于层间剪切模型和冷弯薄壁型钢组合墙体的恢复力模型,对2层~7层冷弯薄壁型钢结构房屋进行弹塑性时程分析。通过对滞回耗能沿楼层高度分布规律的研究,确定了冷弯薄壁型钢结构房屋薄弱楼层的位置;研究了楼层屈服剪力系数、楼层数、结构自振周期和不同地震记录对弹塑性层间位移增大系数的影响;通过大量参数统计分析,提出了冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性层间位移增大系数与楼层屈服剪力系数和楼层数的定量关系,为罕遇地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移验算提供依据。
供热管道地震易损性分析
刘智, 郭恩栋, 胡少卿, 高霖, 洪广磊
2013, 30(7): 187-192. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0217
摘要:
为了研究供热管道的地震易损性,采用有限元分析方法,建立了典型供热管道分析模型,选取典型地震波作为输入,通过数值模拟手段,对供热管道在地震作用下的应力反应进行了计算分析。基于三态破坏准则对单体管道地震破坏概率进行了分析,给出了供热管道不同地震烈度下的破坏概率。根据管道破坏服从泊松分布的基本假定,对不同烈度下一定长度供热管道地震破坏处数进行了估计,同时与历史地震中管道震害经验统计结果进行了对比分析,初步评述了供热管道的抗震性能。
水平弹性支承张弦拱结构的理论分析方法
余佳亮, 罗尧治
2013, 30(7): 193-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0229
摘要:
利用卡式第二定理推导得到水平弹性支承条件下张弦拱结构的力法方程,通过符号求解得出张弦拱结构在均布荷载及预拉力作用下结构内力的计算表达式。这些表达式直观地反映了张弦拱结构受力特性与矢高、垂距、构件刚度、支承刚度等参数的相互关系,同时也表明结构各参数并非相互独立,而是以彼此之间的比例关系来影响结构的受力性能。利用该文的理论方法对某实际张弦拱结构进行受力分析,并将结果与有限元分析结果进行对比,验证了理论解的准确性。
碳纤维混凝土应力-应变曲线试验研究
周乐, 王晓初, 刘洪涛
2013, 30(7): 200-204,211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0219
摘要:
为了进一步研究碳纤维混凝土的应力-应变曲线,在已有试验的基础上,该文对碳纤维混凝土应力-应变曲线采用分段式。通过9组不同碳纤维掺量的混凝土试件轴心压缩试验,建立不同掺量应力-应变曲线的数学表达式,确定相应的计算参数与碳纤维体积率的关系式。试验结果表明:曲线系数随着碳纤维掺量的增加而增加。根据试验研究与理论分析,建立了峰值应变与抗压强度、碳纤维掺量的计算式,将峰值应变的计算值与试验值进行了对比分析,其吻合度较好。
移动荷载激励下基于平均曲率模态的简支梁局部损伤识别
刘宇飞, 辛克贵
2013, 30(7): 205-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0227
摘要:
该文采用缺口平滑拟合技术,利用移动荷载激励下结构的响应数据,通过分析梁式结构的平均曲率模态,对结构进行局部损伤定位。该方法不需要损伤前的桥梁激振数据,受信号噪音影响较小,并且可用于多移动荷载同时激励的情况,实践性和可操作性大大提高。首先分析在质量-弹簧-阻尼体系的移动荷载激励下简支梁的动力响应,通过Newmark-β时域积分算法分析沿时间平均处理后的简支梁振动位移模态,验证了基频模态在移动荷载激励下简支梁位移响应中的支配作用,在理论上解释了平均信号处理的意义。其后,利用ANSYS生死单元技术进行质量-弹簧-阻尼体系的移动荷载仿真,构造出三角函数拟合曲线的形式用于损伤识别。数值实验取得了良好的识别效果,表明该方法在多点损伤、多移动荷载、噪音影响等情况下均具有良好的灵敏性。该文为正常通车条件下桥梁的损伤识别研究提供了一种新思路。
循环荷载下钢材本构模型的应用研究
王萌, 石永久, 王元清, 施刚
2013, 30(7): 212-218. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0127
摘要:
为进一步验证循环荷载下钢材本构模型的适用性及广泛性,分别从材料及构件层次选取了国内外典型的循环试验结果对模型进行充分验证,包括钢材循环低周疲劳试验、钢构件循环加载试验、钢节点以及组合节点循环加载试验。并通过对比分析循环荷载下钢材本构模型与常用的两折线模型在构件及体系层次应用效果,充分说明了循环特性显著影响抗震性能,在今后的设计计算中需要引起重视。在此基础上,将钢材循环本构模型应用于一个十层钢框架结构抗震性能分析之中,验证了其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的可行性,为钢结构的抗震分析提供了有力的工具。
装配整体式双向孔空心模板剪力墙受剪性能试验研究
初明进, 刘继良, 崔会趁, 侯建群, 周育泷, 张中勇
2013, 30(7): 219-229. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0026
摘要:
研究了一种新型装配整体式住宅产业化结构构件,即装配整体式双向孔空心模板剪力墙的受剪性能。通过1个钢筋混凝土剪力墙和5个装配整体式双向孔空心模板剪力墙的拟静力试验,研究了其破坏模式和破坏过程,分析了内部接缝、轴压比、剪跨比、水平分布钢筋等参数对其受剪性能的影响。研究表明:装配整体式双向孔空心模板剪力墙的破坏过程和破坏模式与钢筋混凝土剪力墙不同,在水平荷载作用下沿内部接缝出现宏观竖向裂缝,经历整截面墙受力到分缝剪力墙受力的过程,避免了剪切破坏,具有良好的变形能力,但是受剪承载力降低;提高剪跨比,墙体承载力降低,承载力稳定性和变形能力提高;增加轴压比提高墙体的受剪承载力和抗侧刚度;提高水平钢筋配筋率提高墙体的受剪承载力和变形能力。
机械工程学科
直线滚动导轨的Hertz接触建模及接触刚度的理论求解
孙伟, 孔祥希, 汪博, 闻邦椿
2013, 30(7): 230-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0199
摘要:
直线滚动导轨是数控机床的重要功能部件,对导轨系统进行解析建模可以有效分析导轨的特性参数对导轨力学性能的影响。该文基于Hertz接触原理,对直线滚动导轨进行了Hertz接触建模及接触刚度求解。首先,推导了导轨系统中单个滚珠-沟槽的接触刚度解析表达式。在此基础上,系统地分析了滑块与导轨之间的变形关系,完成了整个导轨的法向接触建模。最后,以NSK直线导轨为对象,分别求解了单个滚珠及4种预紧力等级作用下整个导轨系统的接触刚度,并绘制了载荷-弹性变形以及刚度-弹性变形之间的关系曲线。进一步,利用所创建的模型,分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。
冷轧带钢板形分段接触式检测过程的力学建模与仿真
张清东, 文杰
2013, 30(7): 235-241,254. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0201
摘要:
建立了冷轧带钢板形应力分段接触式检测过程的ANSYS有限元模型,引入欧式距离方法表征检测误差,分析了在不同板形缺陷模式下,板形辊弯曲变形、板形辊分段区域宽度、板形辊直径、带钢包角、带钢厚度、卷取张力、带钢张力横向分布不对度等因素对板形检测精度的影响。仿真结果表明:随着板形辊弯曲变形程度的增大,板形应力检测精度大幅度降低。随着板形辊分段区域宽度的增大,板形检测精度大幅度降低;而随着板形辊分段区域宽度的减小,板形检测精度提高,但提高的幅度随着分段区域宽度的减小而越来越小。卷取工艺张力越低,板形检测精度越低;且当卷取张力增大到某一值时,再继续增大卷取张力对板形检测精度影响甚小。随着卷取张力横向分布不对称度的增大,板形检测精度降低。板形检测辊直径大小、带钢包角的变化以及带钢厚度的变化对板形检测精度没有影响。
游梁式抽油机皮带传动效率的仿真模型
邢明明, 董世民, 崔阳, 陈培毅
2013, 30(7): 242-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0235
摘要:
针对游梁式抽油机电动机转速存在波动、皮带传动负载扭矩波动大、皮带纵向弹性变形交变的特点,将皮带简化为无质量的具有抗拉刚度的弹簧,并综合考虑电动机转速波动、皮带与带轮之间滑动摩擦力、皮带传动瞬时负载扭矩对带轮滑动角以及等效弹簧刚度的影响,建立了游梁式抽油机皮带传动装置的动力学仿真模型。根据主从动轮瞬时转速、电动机瞬时输出扭矩的仿真结果,建立了游梁式抽油机皮带瞬时传动效率的仿真模型。仿真结果表明:1)电动机转速存在波动,皮带的纵向交变弹性变形加剧了电动机转速的高频波动;2)从动轮与主动轮之间存在转差损失,降低了皮带传动效率;3)系统达到稳定状态后,皮带传动效率呈周期性变化,皮带传动效率的变化幅度取决于负载扭矩特性。皮带平均传动效率随负载扭矩幅值的增加而降低、随扭矩平衡度的降低而降低;4)游梁式抽油机皮带的平均传动效率一般低于90%。当负载扭矩幅值较大,且扭矩平衡度较低时,皮带的平均传动效率会低于85%。
基于蜂窝材料结构相似有限元模型的夹层结构抗爆炸冲击特性优化设计分析
董彦鹏, 吕振华
2013, 30(7): 248-254. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0148
摘要:
根据蜂窝材料压缩力学理论,提出了一种蜂窝材料的结构相似有限元模型构建方法,并在蜂窝材料轴向压缩和夹层结构抗爆炸冲击2种分析工况下对结构相似模型计算分析的等效性进行了验证。结果表明,蜂窝材料的结构相似有限元模型不仅能够描述原蜂窝材料的宏观压缩力学特性,而且可以大幅地提高模型计算效率,为蜂窝材料夹层结构的抗爆炸冲击特性分析与设计优化提供条件。基于该结构相似有限元模型,以最小化蜂窝材料夹层结构的面密度为设计目标,利用自适应响应面方法对夹层结构的主要设计参数进行了优化,在结构的爆炸冲击响应速度峰值不增大的条件下提高了结构的轻量化水平。
窄板中超声导波传播特性试验研究
焦敬品, 钟茜, 王炯耿, 罗宏建, 周重回, 何存富, 吴斌
2013, 30(7): 255-261,275. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.02.0076
摘要:
针对工程中窄板结构安全评价问题,该文对窄条板结构中超声导波传播特性进行了试验研究。首先,对无限大板结构中不同模态超声导波的传播特性进行了理论分析。然后,在不同宽度窄铝板上进行了不同模态超声导波对比试验研究。结果表明,与兰姆波相比,低阶水平剪切波(SH0波)受窄板宽度方向边界的影响小。当窄板宽度大于电磁声换能器宽度情况下,SH0波检测结果不受板宽度变化影响。在此基础上,将SH0波应用于电力系统接地网扁钢检测。结果表明,SH0波在扁钢中传播能力强,可用于现地埋扁钢无损检测。该文研究工作为工程窄板结构健康检测提供可行的技术方案。
其他工程学科
TSV转接板硅通孔的热应力分析
安彤, 秦飞, 武伟, 于大全, 万里兮, 王珺
2013, 30(7): 262-269. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0236
摘要:
硅通孔(TSV)技术作为实现三维(3D)封装的关键而被广泛关注。该文研究了在温度载荷作用下TSV转接板上铜和硅的应力状态,给出了通孔为完全填充铜和部分填充铜两种情况下的应力解析解,并讨论了孔距对转接板应力的影响。建立了TSV转接板的二维有限元模型,并用于验证解析解的适用性。结果表明:当TSV孔距达到孔直径的3倍以上时,解析解可以给出准确的转接板上铜和硅的应力结果;通过减薄镀铜层可以减小硅上的应力;转接板上应力与加载的温度变化成线性关系。
卧庄矿15#煤石灰岩顶板稳定性判别计算
蒋斌松, 冯强, 张强
2013, 30(7): 270-275. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0238
摘要:
在晋城矿区随着3#煤资源的逐步枯竭,许多矿井迫切希望能够开采15#煤层。但15#煤顶板为厚、硬的石灰岩顶板,开采可能形成顶板大面积悬露而突然断裂垮落、造成生产安全问题。该文针对卧庄煤矿15#煤层的赋存情况,根据关键层理论确定老顶岩梁,采用弹性地基梁模型解析计算其弯曲挠度;采用Fourier积分变换方法解析计算底板岩层的底鼓量;并计算直接顶的冒落高度。根据老顶弯曲挠度、底板底鼓量和煤层冒落高度三者之和充满采空区,来确定相对应的开采宽度,以判别其石灰岩顶板的稳定性。计算显示:当控制直接顶石灰岩-1、石灰岩-2随开采及时冒落、开采宽度达到22.55m时,老顶岩层可与冒落岩石相接触,表明卧庄矿15#煤层开采是安全的。这里所采用的分析方法对于晋城矿区及相类似坚硬顶板煤层的安全开采具有参考价值。
霍普金森拉杆装置螺纹过渡段变形测量修正
陈滔, 李庆斌, 管俊峰, 卿龙邦
2013, 30(7): 276-281,293. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0188
摘要:
基于经典三波法理论,提出了一种适用于分离式霍普金森拉杆实验装置的动态拉伸变形测量修正方法。该方法可有效避免入射杆、透射杆和试件之间的螺纹连接以及过渡段对拉伸试验结果造成的信号干扰。同时用LY12铝合金进行了霍普金森杆动态拉伸与压缩(SHTB/SHPB)试验,采用所提出的修正方法对LY12铝合金动态拉伸试验变形数据进行了修正;经过与压缩试验结果的比较分析验证了该文所提修正方法的合理性与适用性,并据此对拉伸试件外形给出了建议。
考虑一阶和二阶位移梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较
王学滨, 杜亚志, 潘一山
2013, 30(7): 282-287. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0197
摘要:
当剪切带中存在二阶位移梯度或应变梯度时,研究了两种数字图像相关(DIC)方法在测量位移、应变及应变梯度中的表现。以基于梯度塑性理论的剪切带的位移解作为基础,通过Matlab仿射变换制作了具有不同平均剪切应变和应变梯度的虚拟剪切带。通过对其计算和分析得到了下列结果:当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较高时,与只考虑一阶位移梯度的DIC方法相比,考虑二阶位移梯度的DIC方法优势明显,获得的位移、应变及应变梯度结果与理论解比较吻合,由于DIC方法测量的是平均应变,因此,剪切带中心的峰值应变将被低估;当剪切带的平均剪切应变和应变梯度较低时,剪切带中心的峰值应变可能被高估,受标准偏差的影响,考虑二阶位移梯度的DIC方法没有优势。基于上述研究结果,在单向压缩应力控制加载条件下,对砂样从开始加载至宏观裂纹出现之前变形过程中的3种应变场的4种结果进行了分析。由于应变不超过0.25,因而考虑二阶位移梯度的DIC方法的结果并无优势。
基于翼尖支撑和螺旋桨独立支撑的螺旋桨滑流影响实验研究
李尚斌, 焦予秦
2013, 30(7): 288-293. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0243
摘要:
螺旋桨滑流对飞机的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数有着非常重要的影响,该文通过风洞实验方法,探索螺旋桨滑流对飞机气动特性影响的规律。与目前国内常用的全机带动力实验不同,该文结合西北工业大学NF-3低速风洞的翼尖支撑测量系统和螺旋桨及短舱独立支撑机构开展研究,研究了桨叶角、前进比和拉力系数对螺旋桨滑流效果的影响。研究表明:螺旋桨滑流效果主要取决于其拉力系数,飞机升力系数随螺旋桨拉力系数的增大而增大,阻力系数和俯仰力矩系数随螺旋桨拉力系数的增大而减小。
渤海北部冰厚重现值的极大似然法区间估计
陶山山, 董胜
2013, 30(7): 294-298. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0250
摘要:
不同重现期的年极值冰厚是有冰海区建筑物设计的关键指标。目前在确定设计冰厚时,往往只给出点估计。而求解设计冰厚的置信区间,在某一置信水平下获取设计值的范围,可以确定设计重现值的不确定性,给海工结构物的设计与建造提供指导。采用极大似然方法区间估计,给出了Gumbel分布、三参数Weibull分布、三参数对数正态分布和P-III型分布置信区间的求解过程。利用渤海北部营口和葫芦岛海区历年总冰厚极大值的实测数据,基于以上4种分布型式,采用极大似然法求得不同重现期下冰厚重现值的置信区间,并对各分布型式进行了优选比较。结果表明,选取P-III型分布求解这两地海冰厚度重现值的置信区间较优。