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2018年  第35卷  第1期

综述
力学筑梦中国
龙驭球, 崔京浩, 袁驷, 陆新征
2018, 35(1): 1-54. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.1000
摘要:
该文讨论实现“中华民族伟大复兴的中国梦”力学应起和所起的作用。全文共分9个部分:1)力学;2)科技;3)土木;4)水利;5)交通;6)能源;7)一带一路;8)兴军强军;9)结论。比较详尽地阐述了中国建国后特别是改革开放以后与力学有关的国民经济的重大发展。我们四人均先后任职《工程力学》主编,诚以此文献给2017年10月胜利召开的第十九次全国党代表大会。今年(2018年)又适逢钱学森先生1958年所做的“争取力学工作大跃进”报告第60个年头,这个报告促进并加强了力学在国民经济各个领域的强大作用,愿以此文兼及纪念。
基本方法
钢材破坏条件与极限分析法在钢结构中应用探索
郑颖人, 王乐, 孔亮, 阿比尔的
2018, 35(1): 55-65. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.ST14
摘要:
该文基于极限应变点破坏的概念提出了钢材的破坏条件,给出了破坏函数与破坏曲面。利用FLAC3D软件以钢简支梁为例,尝试将数值极限分析方法中极限应变法应用到钢结构。该方法利用数值极限分析法求取材料的极限应变,将其作为材料点破坏判据。无论受拉或受压均视钢材为弹塑性材料,钢材达到屈服荷载下的弹性极限应变为屈服,达到弹塑性极限应变为破坏。首先对钢梁材料进行直拉试验,得到钢材的力学参数,进而用数值极限方法求得该钢材的极限应变值,然后对简支钢梁进行纯弯试验直至破坏,用FLAC3D模拟该试验过程,最后将数值计算结果跟实验结果进行对比验证,结果显示钢梁的破坏形态,极限承载力都吻合较好,初步证明极限应变法可用于钢结构,并对基于极限应变的钢梁破坏标准与现行规范破坏标准进行了比较。
环形含液容器动力分析
刘晶波, 宝鑫, 谭辉, 王东洋, 李雪
2018, 35(1): 66-73. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0684
摘要:
环形含液容器在以华龙一号、AP1000和CAP1400为代表的第三代核电站中得到普遍应用,其本身的动力特性与动力反应是有待解决的重要安全问题。该文以环形含液系统动力学方程的建立和求解为主要研究目的,基于势流体理论和第二类边界条件的Bessel函数展开,推导环形容器液体小幅振动的振动频率和动液压力响应的理论解。通过极限分析、与试验结果以及与有限元方法对比,验证理论公式的正确性。对环形水箱动力反应问题开展计算,初步分析了环形水箱内外环动水压力反应规律和特点,并与同几何尺寸的圆柱形水箱对比,分析其振动频率与动液压力响应规律的异同。结果表明:由于环形水箱与圆柱形水箱液体振动频率的差异,两者动水压力反应在可引发其中某一模型液体共振的荷载作用下将出现较大差异。该文研究可为环形含液容器的工程应用提供理论支持。
积分精度对三角形求积元收敛性的影响
徐嘉, 钟宏志
2018, 35(1): 74-78,147. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0699
摘要:
该文通过提高积分精度改进了非均匀格点三角形求积元的收敛性。以球面映射点为初值,以能够精确积分的多项式最高阶数为目标,采用数值优化方法,得到了一系列新的积分点位置和积分权系数。这样的积分法则所能够精确积分的多项式最高阶数为插值多项式阶数的1.6倍左右。初步的数值实验表明,对于平面位势问题和平面弹性问题,改进的单元具有更好的收敛性。此外还讨论了进一步改进单元性质的方法以及这些方法可能存在的上限。
土木工程学科
不同跨度比下栓焊刚性连接梁柱子结构抗倒塌性能试验研究
孟宝, 钟炜辉, 郝际平
2018, 35(1): 79-87. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0672
摘要:
以钢框架中3个不同跨度比(1∶0.6、1∶1.0、1∶1.4)的栓焊刚性连接梁柱子结构(两跨三柱型)为研究对象,通过单调静力加载试验研究了连续倒塌条件下梁柱子结构的破坏模式、力学形态和抗力机理。试验结果表明,试件表现出多次、间断性破坏特征,先是失效柱与梁受拉翼缘连接处断裂,进而因跨度比不同有所差异:等跨试件边柱梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂;不等跨试件短梁受拉翼缘与边柱连接附近处发生断裂,短梁先于长梁失效。3个试件的变形形态相似,其抗力机制发展过程可划分为梁机制阶段、梁受弯向受拉转化的过渡阶段和悬链线机制阶段。试件的多次局部破坏使其呈现出多个荷载峰值点,在梁机制阶段荷载随跨度比增大而减小,之后等跨试件因上下梁的协同工作可提供高于梁机制阶段的承载力,而不等跨试件由于短梁先于长梁失效而长梁的悬链线效应未能充分发挥,荷载峰值依次降低,即等跨结构较非等跨结构在大变形时具有更好的传力机制,有利于提高结构的抗倒塌承载力。
团块缺陷结构对岩石静动力学特性影响的数值模拟分析
崔圣华, 裴向军, 黄润秋, 孟祥瑞, 朱凌
2018, 35(1): 88-97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0668
摘要:
基于颗粒流离散元法和PFC2D程序构建含团块缺陷结构的岩石数值模型试样,指定试样中部1 cm半径范围为团块缺陷,通过0.1倍、1倍和10倍关系改变团块细观力学参数,构建A、B和C三种数值试样类别,分别进行三轴压缩和三轴疲劳试验。通过试样破坏特征、强度特征、团块及周边应力、应变率特征分析缺陷岩石静、动力学特性。试验结果表明,压缩和疲劳荷载下A类试样在团块左右方向应力集中,而上下方向(包括团块内部)为低应力区;C类试样与之相反,B类试样无明显应力集中现象。无论压缩或疲劳荷载,A类试样团块应变率高于四周,C类试样与之相反,B类试样无明显应变率差异化。研究成果揭示:1)岩石内部团块状缺陷结构无论其材料强度高低均劣化岩石抗压强度;2)静动荷载加载过程中含团块缺陷岩石内部表现出应力场不均匀性和应变差异性。
附设粘滞阻尼器的传统风格建筑混凝土双枋-柱节点抗震性能分析
薛建阳, 董金爽, 隋龑, 刘祖强
2018, 35(1): 98-108. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0606
摘要:
将消能减震装置(如黏滞阻尼器)附设在传统风格建筑混凝土双枋-柱节点构件上,形成了一种新型阻尼节点,通过黏滞阻尼器来耗散地震能量以达到减震的目的。为研究该新型阻尼节点的抗震性能,设计了3个试件,包括2个新型阻尼节点试件及1个未安装黏滞阻尼器的对比试件,对其施加正弦波动力循环荷载,观察其受力全过程及破坏特征,分析其破坏模式。在试验基础上,对试件荷载-位移曲线、骨架曲线、承载力及刚度退化、耗能能力、延性性能等抗震性能指标及黏滞阻尼器阻尼力-位移曲线进行研究。试验结果表明:附设黏滞阻尼器的新型阻尼节点抵御外荷载的能力明显高于对比试件,滞回曲线更加饱满,骨架曲线的下降段更为平缓,其耗能能力优于未附设黏滞阻尼器的试件,表明将消能减震装置与传统风格建筑相结合可显著提高其力学性能。
不同加载制度下RC框架梁抗震性能试验研究
郑山锁, 刘巍, 秦卿, 张传超, 董立国, 李强强
2018, 35(1): 109-117. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0619
摘要:
为了研究不同加载制度下RC框架梁的抗震性能,分别采用4种加载制度对RC框架梁试件进行拟静力试验。结果表明:峰值位移(峰值荷载对应的位移)出现的越早,RC框架梁破坏时剪切变形成分越大,试件的最大裂缝宽度越大,塑性铰转角和延性系数越小,但塑性铰高度基本不变;随着循环位移幅值和循环次数的不同,框架梁的刚度、强度退化也有差异,表现为:在滞回曲线软化段,经历较大位移幅值循环(或较多次循环)后的RC框架梁比经历较小位移幅值循环(或较少次循环)后的RC框架梁刚度和强度退化快;同时,不同加载制度下RC框架梁的耗能能力存在差异,峰值位移出现早的框架梁其耗能能力较差。
某摩天大楼室外平台行人风环境数值研究
郑朝荣, 王洪礼, 李胤松, 丁焕龙
2018, 35(1): 118-125. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0649
摘要:
由于风洞阻塞率的限制和室外平台上测点的布置要求,某千米级摩天大楼的风环境试验只能采用节段模型,因此如何将试验数据用于实际大楼室外平台的行人风环境评估是一个需要解决的关键问题。为解决这一问题,该文在对CFD数值模拟方法的可行性进行验证的基础上,采用该方法研究了摩天大楼整体模型与节段模型的行人风环境特性,比较了不同挡风板措施的影响;利用统计学中的四分位法确定了整体模型的最不利风环境平台为平台4;最后,将整体模型平台4与节段模型平台2的CFD结果进行比较,确定了由节段模型向整体模型转换的风速调整系数,从而建立了由节段模型风环境试验数据向实际大楼行人高度风速转换的纽带,为后续的行人“风舒适性”与“风安全性”评估奠定基础。
桥梁应变与挠度动力放大系数的大小关系研究
邓露, 段林利, 邹启令
2018, 35(1): 126-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0654
摘要:
比较了简支梁桥和连续梁桥的应变和挠度动力放大系数的大小关系。首先对作用有移动常量力的简支梁和连续梁进行理论推导,分别得到了应变和挠度动力放大系数并进行了比较。为考虑动力车辆荷载影响,采用移动弹簧质量作为车辆模型建立了车桥耦合振动模型进行数值模拟。理论推导和数值模拟的结果均表明:应变动力放大系数基本小于挠度动力放大系数;两者比值受很多因素影响,其中计算桥梁响应所用的桥梁模态阶数对比值的影响较大。
考虑土体参数空间变异性边坡失稳风险定量评估
蒋水华, 杨建华, 姚池, 黄劲松
2018, 35(1): 136-147. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0657
摘要:
边坡失稳风险定量评估是制定滑坡风险防治措施和建立滑坡风险预警体系的重要前提,然而目前方法不能有效地解决考虑土体参数二维空间变异性的边坡失稳风险定量评估问题,该文在蒙特卡洛模拟(MCS)和极限平衡分析框架下提出了一种有效的考虑参数二维空间变异性的边坡失稳风险定量评估方法,依次从土体参数二维空间变异性模拟、空间变异边坡稳定性分析、边坡代表性滑动面识别和边坡失稳风险定量分析这四个方面对提出方法进行了详细介绍。最后通过对3种工况下两层不排水饱和黏土边坡的失稳风险定量分析验证了提出方法的有效性。结果表明:该文提出方法具有以下优势:1)可以有效地识别空间变异边坡代表性滑动面,即边坡关键破坏模式;2)具有较高的边坡失稳风险评估计算效率,可为解决考虑参数二维空间变异性的低概率水平边坡失稳风险定量评估问题提供一个有效的工具;3)可以定量地计算每个关键破坏模式对边坡失效概率和失稳风险的贡献权重,从而可为制定有效的滑坡风险控制措施提供重要的参考依据。
水电工程大坝基岩三维随机裂隙岩体灌浆数值模拟
王晓玲, 李瑞金, 敖雪菲, 邓韶辉
2018, 35(1): 148-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0666
摘要:
针对目前裂隙岩体灌浆数值模拟主要以单一裂隙或者二维裂隙网络为研究对象,且多未考虑隙宽随机性分布的现状,该文首先利用Monte-Carlo方法构建隙宽服从随机分布且耦合灌浆孔的三维随机裂隙网络灌浆模型;然后采用三维离散元软件(3DEC)模拟多级水灰比浆液在裂隙网络中的扩散过程,并分析压力场、单宽流量场的分布特征。运用该方法模拟某水电站灌浆孔基岩帷幕灌浆过程,结果表明:压力由灌浆孔壁向裂隙内呈非线性衰减,在灌浆孔附近压力衰减速率最快;浆液流量因水灰比的逐级变浓而随着灌浆时间的增加呈阶梯状下降;将模拟灌浆量和灌浆时间与实际值对比,相对误差分别为-17.11%和3.11%,模拟结果与实际值基本吻合,验证了该方法的可用性。
公路斜交梁桥地震易损性模型研究
陈力波, 王嘉嘉, 上官萍
2018, 35(1): 160-171,181. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0674
摘要:
采用增量动力分析方法建立公路斜交梁桥地震易损性模型并开展易损性简化计算方法研究。依据不同的墩柱形式、支承形式及新旧规范将公路斜交梁桥分成8种桥型,统计桥梁结构参数并采用随机抽样方法确定其相应取值,依此装配生成240个基准桥梁样本,同时进行斜交角度变换建构新的桥梁样本。基于增量动力分析方法对相同斜交角下桥梁样本进行分析并建立易损性模型,重点研究斜交角与易损性参数之间的关系。研究发现:易损性模型中位值大致随斜交角的增加而减小,对数标准差则呈相反趋势。以计算得到的易损性模型参数为样本,拟合提出适用我国斜交梁桥的中位值修正系数公式,同时给出对数标准差的建议值,进一步总结公路斜交梁桥地震易损性简化计算方法,结果可为后续斜交梁桥地震风险评估及加固规范修订提供参考依据。
钢框架装配式再生混凝土墙结构抗震性能试验研究
郭宏超, 郝波, 刘云贺, 孙立建
2018, 35(1): 172-181. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0682
摘要:
为研究钢框架内填预制再生混凝土墙结构的抗震性能,对3榀单层单跨1∶3缩尺的模型试件进行了拟静力试验。通过对钢框架是否设置预制墙板及不同梁柱节点连接形式的对比,深入分析了钢框架内填预制再生混凝土墙结构的破坏形态、传力机理、承载力、延性及耗能能力等指标。结果表明:设置预制再生混凝土墙板后,结构的承载力和抗侧刚度明显提高,与纯框架相比,极限承载力提高1.44倍,抗侧刚度提高了3倍;结构位移延性系数在2.81~2.86,预制墙板的设置略微降低了结构的延性;当层间位移角为1/50时,结构承载力退化系数仍大于0.90,表明该结构具有较高的安全储备;两种梁柱连接节点下峰值荷载仅相差4%,说明梁柱节点刚度对结构承载力的影响很小;从破坏形态看,两试件均在预埋件与墙板连接处形成水平贯通裂缝,发生剪切破坏,设计中预埋件的连接构造应引起足够重视。
预应力自复位混凝土框架节点恢复力模型研究
蔡小宁, 孟少平
2018, 35(1): 182-190,200. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0715
摘要:
基于角钢-高强螺栓连接的预应力自复位混凝土框架节点(简称PTED节点)具有良好的自复位能力和耗能能力。通过7个PTED节点的低周反复荷载试验,研究其恢复力特性。根据试验结果确定骨架曲线为三折线模型,定义并理论推导骨架曲线对应的关键状态点,构建节点恢复力滞回规则,进而建立节点恢复力滞回模型。计算结果表明:该文建立的节点骨架曲线、恢复力滞回模型以及计算所得的耗能能力均与试验结果较吻合,验证了建立的恢复力模型的有效性,可用于PTED节点和结构的弹塑性分析。
基于DDD离心加载法的黑山铁矿西帮边坡稳定性研究
刘欣欣, 唐春安, 龚斌, 于庆磊
2018, 35(1): 191-200. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0726
摘要:
非连续变形与位移分析方法(DDD)是一种新的岩石破坏全过程分析方法,该方法有效的结合了RFPA有限元方法及非连续变形分析(DDA)方法的优势,解决了有限元不能很好地进行大位移动态分析及DDA不能模拟岩石中新破裂的萌生、扩展过程的问题,真实再现了边坡由细观裂纹的演化直至宏观破坏的全过程。在原有的DDD方法的基础上,结合了传统的离心加载试验机理,形成了全新的DDD离心加载法。该方法不仅保存了DDD方法原有的计算特点,且实现了不用预先假定滑移面而是通过计算得出其滑移失稳面,更加符合工程实际。基于改进的DDD离心加载法,结合黑山铁矿西帮边坡给出的剖面及要进行崩落开采的实际工况,建立了二维的含有采空区的边坡稳定性分析模型。模拟了在有无锚索作用下的含有采空区边坡的滑移机理并进行了对比分析,分别分析了有无锚索作用下的含有采空区边坡由细观裂纹的演化直至宏观破坏的剪应力变化过程、安全系数、竖向及水平位移矢量的变化。结果表明:采空区外凸棱角区是边坡应力集中的关键点,边坡的失稳破坏过程有明显的张拉作用,与实际提供的工况现场取得了较好的一致性。锚索虽将断层以上坡体应力集中形态有效分散提高了边坡的安全系数、使得各向位移矢量的变化明显减小,但黑山西帮边坡仍然存在潜在滑移的可能,仍需后续的继续观测。
自复位变阻尼耗能支撑的力学原理与性能研究
徐龙河, 谢行思, 李忠献
2018, 35(1): 201-208. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0729
摘要:
为解决现有自复位支撑起滑力大的问题,提出了一种新型自复位变阻尼耗能支撑。支撑采用组合碟簧提供复位能力,通过构造设计实现磁流变液变阻尼耗能。对其变阻尼特性进行了分析,建立了描述其滞回特性的恢复力模型,提出了基于性能需求的支撑设计边界条件。对支撑整体和阻尼耗能装置磁场进行了模拟,结果表明,支撑具有饱满的类旗型滞回曲线,起滑力小、无残余变形、拉压对称,能够兼顾不同振动强度下的性能需求,有效控制结构振动响应。分析了支撑设计参数对滞回性能的影响,为提高复位与耗能能力,设计时组合碟簧预压力应略大于初始阻尼力,同时应增大组合碟簧刚度、提高最大阻尼力、减小变阻尼区间。与现有自复位支撑相比,起滑力大幅降低、起滑刚度比增加,在相同自复位装置设计下等效粘滞阻尼比与最大承载力也有较大提高。
钢筋混凝土框架-纤维增强混凝土耗能墙结构抗震性能试验研究
梁兴文, 杨鹏辉, 何伟, 辛力, 李林
2018, 35(1): 209-218. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0730
摘要:
高性能纤维增强混凝土(HPFRC)具有受拉应变硬化和多裂缝开展性能,是一种理想的耗能材料。将HPFRC耗能墙装配于钢筋混凝土(RC)框架,形成RC框架-HPFRC耗能墙新型抗震结构。设计制作了2个1/2比例RC框架-HPFRC耗能墙结构模型,对其进行了拟静力试验,研究其破坏机理、变形和耗能性能等;分析了RC框架和HPFRC耗能墙在峰值荷载点的有效刚度。结果表明:RC框架-HPFRC耗能墙结构可实现“大震可修”的抗震设防目标;1个框架单元内装配2片与1片耗能墙相比,其水平承载力提高了38.3%,初始侧向刚度提高了1.78倍,但后期侧向刚度仅提高20%~30%,不同损伤状态的耗能能力提高了10%~175%,侧向变形能力基本相同;RC框架和HPFRC耗能墙在峰值荷载点的有效刚度系数分别为0.11和0.13。
机械工程学科
粘接结构中垂直入射纵波的准静态模型解
丁俊才, 吴斌, 何存富
2018, 35(1): 219-225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0579
摘要:
研究了板状粘接结构中垂直入射纵波的准静态模型解。在将粘接界面简化为准静态模型(QSM)的情况下,推导了界面为完好连接且上下基体为同种材料的板状粘接结构中垂直入射纵波的声反射和透射系数表达式。首先将纵波的准静态模型解和精确解进行了比较以阐释准静态模型的适用条件;接着分析了法向刚度系数和界面相对质量的变化对纵波反射和透射特性的影响。结果表明,在特定频率下,随着刚度系数或界面相对质量的增加,纵波的反射和透射系数的幅值分别减小和增大至某一稳定值。研究成果可为实验时采用纵波垂直入射检测粘接结构提供一定的理论指导。
其他工程学科
基于三维粗糙元的新型边界层转捩控制技术研究
李峰, 高超, 赵子杰, 任旭东
2018, 35(1): 226-235,245. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0675
摘要:
三维离散型粗糙元是一种具有广阔应用前景的新型边界层转捩诱导与控制技术。针对二维粗糙带转捩位置滞后、难以控制横流转捩的固有缺陷,提出了一种基于三维离散型粗糙元的新型边界层转捩技术。理论估算了离散型粗糙元的外形参数,研制成功了固化快、易于成型且附着力强的粗糙元配方及高精度制作工艺。选用二维翼型和三维组合体模型,采用测压、测力、升华法和红外成像法,风洞实验验证了离散型粗糙带的转捩和附加阻力特性。通过数值计算研究了粗糙元的尺度效应,获得了粗糙元直径d、高度k和间距l对其转捩特性的影响规律。研究结果表明,该新型离散型粗糙带附加阻力小,转捩位置准确,性能可靠、稳定。该文所得成果为固定转捩风洞实验与层流控制创建了一种新的技术手段,同时也为进一步开展离散型粗糙元的转捩机理研究提供了参考依据。
大倾角附螺旋列板倾斜圆柱涡激振动抑制分析
徐万海, 栾英森, 余杨, 覃雯琪
2018, 35(1): 236-245. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0719
摘要:
在室内拖曳水池中开展大长径比(L/D=350),小质量比(m*=1.90)和大倾角(a=45 °)倾斜柔性圆柱涡激振动(VIV)抑制实验,观测螺旋列板对柔性圆柱VIV的抑制效果,并分析倾斜抑制圆柱涡激振动响应特性。选取海洋工程领域最优螺距/高度比组合(17.5D/0.25D)。通过拖车拖动模拟均匀来流,拖车速度范围为0.05 m/s~1.0 m/s,间隔为0.05 m/s,对应的雷诺数约为Re=800~16000。采用应变传感器测量结构横流向与顺流向的振动信息,并根据模态法处理实验数据。实验结果表明:螺旋列板对大倾角倾斜柔性圆柱VIV响应幅值和结构应变抑制效果不理想;同时观测到倾斜抑制圆柱涡激振动存在多模态的振动特征;并发现不相关原则(IP)不适用于倾斜抑制圆柱的涡激振动。
内埋武器发射参数对下落轨迹的影响
闫盼盼, 张群峰, 金明, 黎军
2018, 35(1): 246-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0858
摘要:
采用改进的延迟分离涡模拟方法结合动网格技术,对某一简化内埋弹舱-舱门-弹体模型的三维流场进行非定常计算,得到了不同来流马赫数、弹体发射速度和初始角速度等参数对弹体下落轨迹的影响规律。结果表明:亚声速条件下来流马赫数对弹体偏航角度影响较小,跨声速及超声速条件下受流场波系的影响,弹体均向右偏航。超声速条件下,随马赫数增加弹体偏航角和俯仰角的变化幅度减小。提升弹体初始发射速度可以使弹体快速达到安全分离距离,并减小姿态角变化。增加弹体初始低头角速度可以在不增加弹射力的情况下,减小弹体俯仰角度,提高弹体分离速度,有利于机弹安全分离。