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2018年  第35卷  第12期

基本方法
用广义协调方法推导的平面四节点等参单元
陈晓明, 李云贵
2018, 35(12): 1-6,14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0706
摘要:
对平面四节点Q4单元采用优选的广义协调条件进行推导,将广义协调理论的应用拓展到最基本的平面问题单元。基于Q6以及QM6中基于内部参数的二次附加位移场,在Q4单元基础上增加满足广义协调条件的内参位移场,从而构造了一个满足广义协调条件的平面四节点等参元GQM6。数值算例表明,虽然采用了相同次数的位移场,但GQM6单元中采用的广义协调条件较QM6中采用的数值积分方法,可以进一步放松单元边界的约束,从而使单元的性能进一步提高,尤其在抗网格畸变能力方面。研究表明,将广义协调理论与一些传统单元进行深入融合仍然有着重要价值。
基于谱元法的复杂地形风场大涡模拟
胡伟成, 杨庆山, 闫渤文, 张建
2018, 35(12): 7-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0663
摘要:
以Askervein山为研究对象,基于开源平台Nek5000,自编程序完成复杂地形下谱元法的网格建模,添加计算湍流粘性项子程序,对复杂地形风场进行大涡模拟,并与场地实测数据及其它数值结果进行对比。结果表明,谱元法的大涡模拟结果与Askervein山的场地实测结果符合较好,表明该方法在复杂地形风场的预测上有较高的精度,可用于复杂地形的风能资源评估。
风雪流滞空颗粒受力及运动行为的数值模拟
刘多特, 李永乐
2018, 35(12): 15-24. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0672
摘要:
为研究稀疏风雪流系统下滞空颗粒在介质中的变加速运动行为及非线性气动特性,以运动学微分方程为基础,建立了微观层面下不同粒径、密度颗粒的三维动网格计算模型。采用时间-空间离散的数值积分方法,求解了小时空尺度下,单个雪颗粒在静止空气及梯度风场中的自由沉降与强迫运动问题。通过对比不同颗粒参数及流场环境的模拟结果发现:颗粒自由沉降所能达到的终端线速度及对应稳定时间均随平均粒径及密度的增大而增大,粒径确定的情况下,相同时间内大密度颗粒沉降距离相对更远,自由沉降初期的非线性变速运动行为可近似考虑为小时空尺度问题;剪切流条件下,较小的风速梯度可能引起颗粒在来流及自重方向运动速度的波动,所受气动外力的改变总是滞后于运动速度的变化,强风环境下颗粒将具有更好的流场跟随性,其非线性变速阶段仍可视为小时空尺度问题。滞空雪颗粒在流场中的运动行为基本满足多相流理论的局部短时空尺度均衡假定。
土木工程学科
无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究
史艳莉, 周绪红, 鲜威, 王文达
2018, 35(12): 25-33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0782
摘要:
该文进行了8个无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能试验,考察了截面尺寸和剪跨比(0.3~0.8)对构件抗剪承载力及钢管和混凝土滑移的影响规律。结果表明:剪跨比为0.3时构件发生剪切破坏,随着剪跨比增大,构件破坏模式从剪切破坏逐步向弯曲破坏转化,并且随着剪跨比增大,构件抗剪承载力显著降低,核心混凝土滑移量也呈现减小趋势。同时,用有限元软件ABAQUS对试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验结果总体上吻合良好,验证了建模方法的可靠性。在此基础上,研究了钢管与核心混凝土之间的摩擦粘结、构件有无端板及加载主轴方向对矩形钢管混凝土构件基本剪切性能的影响规律。表明钢管与混凝土接触面摩擦系数取0.25时与试验结果符合程度较好;端板对构件荷载-位移关系曲线屈服荷载无太大影响,但对曲线后期强化有一定影响;不同加载主轴方向对构件抗剪承载力有显著影响。
摇摆构件摇摆前分析模型
崔浩然, 吴刚, 冯德成
2018, 35(12): 34-45. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0695
摘要:
该文为更合理地解释角部损伤后的摇摆构件在摇摆运动前的变形,参考已有的类似弥散塑性模型建立了新的损伤后摇摆构件摇摆前分析模型。同时通过用新的有效刚度系数考虑计算中的塑性变形,提出了一个损伤影响系数来考虑角部缺陷对摇摆构件整体的影响。通过ABAQUS实体有限元模型和已有的试验对提出的分析模型进行验证,结果表明,该文提出的理论模型准确预测了损伤前后的摇摆构件在摇摆前的变形情况。该文使用的随接触面正应力分布而变化的有效刚度系数经验证适用于摇摆构件摇摆前的分析。通过调整该文提出的损伤影响系数可合理反映出不同程度的角部损伤对摇摆构件刚度的影响。
数值模拟中混凝土类材料应变率效应曲线的惯性效应修正
李潇, 方秦, 孔祥振, 吴昊
2018, 35(12): 46-53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0764
摘要:
数值模拟是研究混凝土类材料在动载下响应的有效方法,准确输入材料真实的应变率效应曲线对预测结构在动载下的响应有重要作用。收集了1990年以来针对混凝土类材料的动态抗压实验数据,并将惯性效应对材料动态强度的影响进行剥离,得到真实的材料应变率效应引起的抗压动态强度放大因子(DIFε)与应变率对数的关系曲线。分析数据发现:实验得到的抗压动态强度放大因子(DIFs)和惯性效应引起的抗压动态强度放大因子(DIFi)都随试件尺寸的增大而增大;随着材料准静态强度增大,混凝土类材料DIFi随应变率增长的增长幅度减小。对比拟合曲线与其他曲线可知,在高应变率下,新的应变率效应拟合曲线比已有半经验公式能更好地反映实验数据的DIFε;模拟时分别输入新的应变率效应曲线和CEB推荐公式,将输出结果与DIFs对比,验证了新的应变率效应曲线的优越性。
预应力钢绞线锈胀及混凝土开裂预测
王磊, 戴理朝, 易驹, 张旭辉, 张建仁
2018, 35(12): 54-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.08.0658
摘要:
针对钢绞线锈蚀导致混凝土开裂现象,开展了不同应力状态下混凝土的锈胀开裂试验,基于红外和热重分析研究了预应力钢绞线锈蚀产物的膨胀率,分析了预应力对保护层临界开裂时间和裂缝宽度的影响,综合考虑预应力、铁锈膨胀率和混凝土开裂损伤等因素,建立了开裂初始和发展全过程的锈胀裂缝预测模型,并通过试验结果进行了验证。结果表明:预应力会加速混凝土的锈胀开裂,在钢绞线抗拉强度75%的预应力水平下,保护层初始开裂时间降低了22%,裂缝扩展速率增加了9%;建立的模型具有较好的精度,可以合理地预测预应力混凝土的锈胀开裂。
剪切连接件的受力机理理论分析与试验验证
李宗京, 舒赣平
2018, 35(12): 63-70,80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0679
摘要:
基于剪切连接件(SLD)的典型构造建立力学模型,应用弹性力学半逆解法对其腹板的应力分布进行求解,并对剪切连接件的初始刚度K、屈服后刚度K'、屈服荷载Fy、屈服位移uy等关键性能指标进行了理论分析。针对以往屈服点确定方法存在的不足,提出了一种基于Bouc-Wen模型和模拟退火算法的等效屈服点确定方法。最后采用单调拟静力加载试验进行验证。研究结果表明:剪切连接件腹板应力分布和各项力学性能指标的理论解与有限元分析结果及试验实测结果吻合较好;该文提出的屈服点确定方法能够有效识别剪切连接件的相关力学性能指标,且拟合曲线与单调加载试验曲线良好吻合。理论分析成果将为剪切连接件的工程设计、性能评估及后续研究提供理论参考。
混合配筋预应力混凝土管桩抗剪性能试验研究
杜新喜, 胡锐, 袁焕鑫, 程晓燕, 宗亮
2018, 35(12): 71-80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0668
摘要:
通过开展7根混合配筋预应力混凝土管桩和3根预应力混凝土管桩的抗剪性能试验,对比了两种预应力混凝土管桩的抗剪承载力,分析了非预应力钢筋和轴压力对抗剪承载力的影响。试验结果表明:配置非预应力钢筋提高了预应力混凝土管桩的抗剪承载力和抗剪刚度,施加轴压力可以明显提高预应力混凝土管桩的抗剪承载力。针对试验试件进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在试验与有限元分析结果的基础上,提出了修正的抗剪承载力计算公式,可以为混合配筋预应力混凝土管桩技术规程的编制工作提供依据。
考虑压-拉薄膜效应的围框约束RC板极限抗力分
成松松, 陈万祥, 郭志昆, 张岩岩
2018, 35(12): 81-88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0673
摘要:
合理估算大变形条件下梁板构件的极限抗力,对工程设计计算具有重要意义。传统的RC (reinforced concrete)板极限抗力一般由小变形条件下的受压薄膜效应得到,然而RC板构件的灾变断裂大部分出现在大挠度阶段,因此考虑压-拉薄膜效应的极限抗力分析尤为重要。该文将RC板从加载到断裂全过程分为板端受压上升段、混凝土开裂下降段和钢筋拉伸上升段,根据正截面抗弯的钢筋混凝土弹塑性模型得到基于受压薄膜效应的荷载-挠度全曲线。利用经典的挠曲线微分方程并引入抗弯刚度软化系数对挠度进行修正,结合能量原理推导出大变形条件下基于受拉薄膜效应的RC板极限抗力,进一步得到考虑压-拉薄膜效应的荷载-挠度全曲线。计算结果表明,考虑压-拉薄膜效应的RC板极限抗力分析方法可以更合理地预测荷载-挠度全过程,计算结果与相关试验吻合良好,为合理评估RC板的极限承载力提供参考。
基于反演推定的空间结构随机缺陷传播法
朱钊辰, 罗永峰, 黄青隆, 相阳
2018, 35(12): 89-97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0680
摘要:
在空间结构施工过程监测和检测评估等工作中,需依据部分已测节点几何位形推断结构全部节点几何位形。该文提出随机缺陷传播算法,建立几何位置偏差在节点之间的传播法则,利用有限已知节点几何位形偏差反演推定空间结构整体几何缺陷,进而确定结构整体几何位形,并用随机偏差理论证明所生成的结构随机缺陷服从正态分布。对一个缩尺K6单层网壳模型进行实测和稳定分析,结果表明:相对于随机缺陷法和一致缺陷模态法,采用随机缺陷传播法生成的结构几何缺陷与实测几何缺陷接近,据此计算得到的极限承载力更接近结构承载力理论值。基于随机缺陷传播法得到的空间结构整体稳定极限荷载因子中位数,可作为结构的实际极限承载能力代表值。
近海大气环境下锈蚀钢框架梁抗震性能试验及恢复力模型研究
郑山锁, 张晓辉, 赵旭冉, 刘毅
2018, 35(12): 98-106,115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0684
摘要:
为了研究近海大气环境下锈蚀钢框架梁的抗震性能,对5根钢框架梁进行了近海大气环境加速腐蚀试验和低周反复加载试验,分析了不同锈蚀程度对钢框架梁破坏模式、承载能力、变形能力及耗能能力等的影响。结果表明:随着锈蚀程度的增加,试件底端翼缘屈曲、腹板鼓曲及塑性铰形成所对应的位移逐渐减小;试件承载力及延性显著降低,强度和刚度退化明显,耗能变差。在试验研究的基础上,引入循环退化指数,建立了能够反应强度、刚度循环退化效应的锈蚀钢框架梁恢复力模型;并与试验滞回曲线进行对比,两者吻合较好,验证了该恢复力模型的适用性。研究成果为近海大气环境下在役钢结构的抗震性能评估奠定了试验与理论基础。
锈蚀钢框架地震易损性评定方法
徐善华, 张宗星, 李柔, 位龙虎
2018, 35(12): 107-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0692
摘要:
钢结构锈蚀降低了钢材塑性变形能力,降低了断裂韧性,势必影响锈蚀钢结构的抗震性能。该文借助于加速腐蚀试验,研究了钢材力学性能随锈蚀程度的变化规律,建立了钢材强度、延性指标与锈蚀程度之间的关系;研究了地震作用下钢结构损伤状态及性能水平与锈蚀程度之间的关系,并基于极限破坏状态提出了锈蚀钢框架层间位移角限值取值方法。以5层钢框架为例,运用静力弹塑性分析方法,探讨了锈蚀对钢框架构抗震性能的影响;运用增量动力分析法,建立结构损伤指标与地震动强度指标的关系,得到不同龄期锈蚀钢框架地震易损性曲线,提出了锈蚀钢框架地震易损性评定方法。研究结果表明:同龄期不同极限状态结构超越极限状态的概率不同,倒塌极限状态下差距较大,而正常使用极限状态差距较小,若不修正层间位移角限值会高估锈蚀钢框架抗震性能。
多点激励下隔震桥梁非线性随机振动的时域显式迭代模拟法
贾少敏, 王子琦, 赵雷, 马海涛
2018, 35(12): 116-123. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0707
摘要:
由于地震动的随机性与空间变异性、隔震支座的非线性特征及其安装数目少的特点,隔震桥梁地震响应分析是一典型的多输入局部非线性随机振动问题。采用Bouc-Wen模型描述隔震支座的非线性恢复力,建立多点地震激励下隔震桥梁结构的运动方程,并将得到的非线性运动方程改写为关于状态变量的拟线性方程,基于精细时程积分法和龙格-库塔法构造拟线性方程及隔震支座滞回位移方程的时域显式降维迭代求解格式。再以此高效算法为基础,应用随机模拟法计算多点激励下隔震桥梁随机地震响应的统计量。数值算例表明,所建立的方法计算速度快、精度高,可用于实际桥梁结构的抗震性能验算。
圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁负弯矩区力学性能试验研究
朱经纬, 王春生, 翟晓亮
2018, 35(12): 124-133. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0712
摘要:
为研究圆管翼缘组合梁负弯矩区的力学性能,进行了5根简支组合梁负弯矩作用下的静力加载试验,分析了试验梁的变形、应变发展规律。依据试验梁承载能力极限状态下的受力特性,采用简化塑性理论推导了圆管翼缘组合梁负弯矩区纯弯、纯剪承载力的计算公式,比较了公式对试验梁极限承载力的计算精度。对比EC4、GB 50917-2013、ASCE及Liang等公式的弯剪相关关系及对试验梁极限承载力的计算结果,提出了圆管翼缘组合梁负弯矩区弯剪相关承载力的适用计算公式。研究结果表明:试验梁在试验过程中表现出良好的稳定性和延性性能,最终破坏时伴随发生了局部剪切屈曲、下翼缘侧向屈曲、梁端腹板压屈及钢梁整体弯扭屈曲等4种典型破坏形态;当混凝土翼板受拉开裂后,不计混凝土抗剪作用的计算弹性剪应变分布较为符合实测剪应变曲线;受高剪力、高弯矩相关效应影响,计算负弯矩区圆管翼缘组合梁承载力时应考虑弯剪相关作用;GB 50917-2013给出的弯剪相关关系对试验梁极限抗弯承载力的计算平均值为96%,是综合计算精度与结果安全性的较适用公式。建议在应用所提纯弯、纯剪承载力公式的基础上,采用GB 50917-2013的弯剪相关公式计算负弯矩区圆管翼缘组合梁的弯剪相关承载力。
钢管混凝土组合柱压弯性能试验及承载力计算
柯晓军, 苏益声, 商效瑀, 孙海洋
2018, 35(12): 134-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0717
摘要:
现行叠合柱规程CECS188:2005计算钢管混凝土组合柱压弯承载力时,不计钢管作用影响,构件承载能力未充分利用。为此,该文通过钢管混凝土组合柱偏心受压试验,考察破坏形态及约束机理,完善压弯承载力计算理论。研究表明:钢管混凝土组合柱发生大、小偏心受压破坏,以受拉区纵筋达到屈服强度,同时混凝土受压边缘达到极限压应变为界限破坏准则;截面应变符合平截面假定,其中钢管横向应变随着偏心距减小而增大,即钢管约束作用增强,倾向于轴心受压构件而不可忽略;最后提出能够考虑钢管及其约束作用的正截面压弯承载力计算公式,通过40组试验样本的验证表明,该方法计算合理可靠,可用于指导设计。
不锈钢焊接箱形截面压弯构件弯曲屈曲试验研究
杨璐, 宁克洋, 班慧勇, 赵梦晗
2018, 35(12): 143-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0741
摘要:
为了研究不锈钢焊接箱形截面压弯构件的弯曲屈曲,该文对5根奥氏体型和5根双相型不锈钢焊接箱形截面柱进行了偏心受压试验,试件长细比在55~85,荷载偏心距分别设计为50 mm、60 mm、70 mm,并且在试验前对试件的初始弯曲和荷载初偏心进行了测量。根据试验结果对构件静力承载性能进行了分析,并将试验结果分别与CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》和欧洲规范EN 1993-1-4中不锈钢压弯构件承载力的计算值进行了对比。结果表明:所有构件均发生平面内的整体弯曲失稳,且整体失稳前没有发现明显的局部板件屈曲;构件承载力随着偏心距、长细比的增大而降低;对于双相型不锈钢压弯构件,依据CECS 410:2015和EN 1993-1-4的计算值较试验结果均偏于安全;对于奥氏体型不锈钢压弯构件,依据EN 1993-1-4的计算值较试验结果均偏于安全,依据CECS 410:2015的个别试件计算结果略低于试验结果,但整体偏于安全。
可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能研究
王萌, 柯小刚, 吴照章
2018, 35(12): 151-163. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0743
摘要:
为满足高烈度、高人口密度地区对高延性和高耗能能力装配式钢结构的迫切需求,采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材来制作钢框架节点连接组件,利用高强度螺栓与主体结构连接,实现预制装配功能、"延性耗能保险丝"功能、震后可更换功能的叠加。采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性全接触有限元模型,结合国内外已有的钢框架全螺栓连接节点循环加载试验,验证建立的数值模型对模拟局部屈曲以及螺栓滑移现象的准确性。在此基础上,通过建立三类典型带连接组件的全螺栓连接钢框架节点数值模型,采用三种不同材料LYP100、LYP160和Q235制作连接组件,对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等,深入探讨采用低屈服点钢材连接组件钢框架节点的工作机理。结果表明:连接组件采用低屈服点钢材,可改变节点破坏模式,使塑性累积变形主要集中在连接组件上,耗散大部分能量(90%左右),避免主体结构过早进入塑性阶段,有效发挥"延性耗能保险丝"作用;带低屈服点钢材连接组件节点的耗能能力高于带普通钢材连接组件的节点;当节点转角达到0.045 rad时,低屈服点钢材连接组件的最大伸长率远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变,说明连接组件仍具有较大的变形空间,不会发生提早断裂破坏,有效提高节点延性。
结构尺寸对钢筋混凝土短柱抗震性能影响:细观分析
张帅, 金浏, 李冬, 杜修力
2018, 35(12): 164-174. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0765
摘要:
地震作用下,钢筋混凝土短柱由于承受竖向和水平荷载共同作用而往往产生脆性压-剪破坏行为,该脆性破坏可能表现出尺寸效应行为。借助混凝土细观结构特征,考虑非均质性以及钢筋/混凝土非线性相互作用的影响,建立了钢筋混凝土短柱力学行为研究的三维细观尺度数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,研究了轴压比对不同结构尺寸尤其是大尺寸钢筋混凝土短柱抗震性能,如抗剪承载力、滞回特性、延性性能和耗能能力等参数的影响。最后,借助相关试验和模拟数据,基于经典的Bažant尺寸效应律思想提出了能够反映尺寸效应影响钢筋混凝土短柱抗剪承载力修正公式。
内填钢板墙双肢冷轧C型钢框架抗震性能
陈明, 王启
2018, 35(12): 175-184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0769
摘要:
内填钢板墙的双肢C型钢框架是一种新型的框架结构体系,建立三层该类框架进行低周往复加载试验,分析其破坏形态、模式及抗震性能,试验结果表明:钢板墙的屈曲起到了良好的耗能作用,内填钢板墙可以提高双肢C型钢框架的承载力和刚度,层间位移角满足抗震设计要求。在试验的基础上,考虑钢板墙的高厚比、钢板墙高宽比、框架柱刚度系数等参数,采用验证后的有限元模型,分析各个参数下内填钢板墙框架的抗震性能,得到了一定的参数设计建议。
基于模糊层次分析的建筑物单体震害预测方法研究
张桂欣, 孙柏涛
2018, 35(12): 185-193,202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0770
摘要:
建筑物的震害预测方法研究对震害防御和震后应急工作有着十分重要的意义,但随着结构类型和抗震规范的不断更新,当前的震害预测理论仍不完善。该文提出了一种基于模糊层次分析的建筑物单体震害预测方法。具体工作如下:1)通过研究一个城市或地区各类房屋建筑的地震易损性,计算得到该城市或地区建筑结构震害指数基准值;2)根据历史地震震害资料和震害预测资料,综合分析影响各类建筑结构震害的主要因素,利用模糊层次分析法计算得到各影响因素权重;3)通过考虑各影响因素中不同影响因子的平均震害指数的变化,得出其对震害指数的影响程度,给出影响因子修正系数;4)采用加权平均法计算得出单体结构震害指数,并给出单体结构破坏等级。利用该方法对汶川8.0级地震中数栋结构进行了验证,其破坏等级同地震现场房屋安全鉴定结果相符。
基于简化IDA的结构地震损伤评估方法
王丰, 李宏男
2018, 35(12): 194-202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0246
摘要:
将等效单自由度(SDOF)体系假设与Pushover分析方法相结合,建议了一种简化的增量动力分析(IDA)方法。给出损伤指数R与结构反应限值和抗震三水准的对应关系。根据结构抗震失效概率公式给出结构地震损伤概率计算方法,进一步得到结构在不同地震强度下的损伤指数期望值Re,用以评估结构的地震损伤等级。在此基础上建立了基于简化IDA的结构地震损伤评估方法。为了验证所提出的方法,按照不同场地设计了三幢结构模型,选取了典型地震动记录作为结构的水平地震动激励,对结构模型进行了IDA、地震易损性分析和地震损伤评估。通过算例分析表明,基于简化IDA的结构地震损伤评估方法计算量小,易于操作,但得到的结构损伤值较大,抗震评估结果偏于安全。
复杂大跨空间钢结构施工过程综合监测技术研究
雷素素, 刘宇飞, 段先军, 郭小华, 李学飞, 李建华, 侯进峰, 李海兵, 杨建平, 幸坤涛, 崔政涛, 关键, 毕登山, 聂鑫
2018, 35(12): 203-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0836
摘要:
施工过程监测对复杂大跨空间结构的安装与施工具有重要意义。根据施工方法的不同,施工监测应选用针对性的监测指标。该文对大跨空间钢结构施工过程常用的监测指标与相应的监测手段或设备,以及新型监测技术进行详细地分析研究。结合北京新机场航站楼核心区钢结构屋盖施工过程,综合选取关键杆件应力应变监测、基于三维激光扫描的位移与变形监测以及重点区域无人机监测等手段,对结构施工过程的受力特征、变形与部分施工质量问题进行详细监测和检查。该综合监测技术为复杂大跨空间钢结构的施工提供了全面可靠的解决方案。
塌陷作用下埋地悬空管道的力学响应分析
许利惟, 刘旭, 陈福全
2018, 35(12): 212-219,228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.11.0837
摘要:
地面塌陷会使得管道弯曲发生下沉或悬空现象,进而埋地管道会发生局部应力集中现象,是威胁管道安全运行的重要因素。根据管道的受力特点,将管道分为埋地段和悬空段,分别简化为Vlasov弹性地基梁和简支梁模型进行分析。依据管道的变形协调条件,得到了管道的挠度和内力计算公式。结合管道的运行状态,利用解得的内力计算公式,对管道的应力状态进行了分析和计算,为理论模型合理的应用范围提供了判别依据。通过与数值模拟结果和Winkler模型计算结果的对比,采用Vlasov模型对该类问题进行分析是可行的,其计算结果优于Winkler模型的计算结果。分析了管道尺寸、管道埋深、塌陷区域尺寸、以及管道材料对塌陷作用下悬空管道的影响,并进行归一化分析,发现塌陷区域尺寸对管道安全运行的影响最大。
机械工程学科
功能梯度扁球壳在热-机械荷载作用下的屈曲分析
赵伟东, 高士武, 马宏伟
2018, 35(12): 220-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0686
摘要:
基于经典壳理论,应用虚功原理和变分法推导了均匀变温场中的功能梯度圆底扁球壳在均布外侧压力作用下的位移型几何非线性控制方程。考虑固定夹紧边界条件,运用打靶法计算获得了球壳轴对称变形的数值结果。考察了材料体积分数指数、组分材料弹性模量和均匀变温场对壳体平衡路径,上、下临界荷载以及平衡构型的影响。数值结果表明,随材料体积分数指数的增加和组分材料弹性模量的减小,壳体上、下临界荷载均会显著减小。均匀升温,会使壳体上临界荷载显著增加,下临界荷载轻微减小。为方便工程设计人员进行几何、材料、荷载和变温参数的选取,给出了一个实用数表和一些实用的数值曲线。
考虑系缆拉伸-弯曲-扭转变形的浮式风力机动力响应研究
李焱, 唐友刚, 朱强, 曲晓奇, 刘利琴
2018, 35(12): 229-239. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.09.0676
摘要:
考虑系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形产生的非线性系泊力,研究海上浮式风力机系统的动力响应。考虑系缆非线性几何变形,建立系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形的动力学分析模型。建模过程中,采用了四元数方法进行局部坐标系与全局坐标系之间的旋转,避免了旋转过程中奇点的产生。综合考虑系缆非线性系泊力、水动力、空气动力及风力机结构系统,建立了系统动力学分析模型,开发了考虑系泊系统非线性系泊力的系统动力响应计算程序。针对OC3 Hywind Spar型5 MW浮式风力机,分析额定作业海况与极限海况下风力机系统的动力响应,并将结果与系泊系统采用准静态悬链线方法的模拟结果进行了对比。结果表明,考虑拉伸-弯曲-扭转变形效应后,系泊缆张力的波频响应被放大,同时还出现了多个高频峰值,将对系泊缆的疲劳寿命计算产生影响。
其他工程学科
收缩-扩张喷管内气固两相流运动规律研究
李平, 肖良华, 何卫锋, 侯晓松
2018, 35(12): 240-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0754
摘要:
航空飞行器在简易跑道起飞或降落时,砂尘颗粒不可避免被发动机吸入,并与高速旋转的发动机叶片发生冲撞,导致叶片冲蚀损伤,显著降低发动机使用寿命,严重威胁飞行器的安全。试验中一般采用气动喷砂的方法将砂尘粒子加速至一定速度,并冲击试验件,以模拟发动机叶片的实际冲蚀过程。喷管是实现粒子加速的关键部件,该文通过试验和数值模拟对不同入口总压条件下收缩-扩张喷管加速砂尘颗粒的情况进行研究。实验中,通过压力传感器和双盘测速分别测量了喷管内壁静压和喷管出口处的颗粒速度;数值模拟中,采用实验入口总压条件,模拟了稀疏砂尘颗粒在喷管中的气固两相流运动,并详细分析了气流运动和颗粒的受力及加速情况。研究表明:数值模拟的气流压力分布及颗粒速度均与实验结果吻合;喷嘴出口处粒子速度随入口总压的增大而增大,且总压为0.23 MPa~0.4 MPa范围时的增长速率较大,而总压为0.4 MPa~0.56 MPa范围时的增长速率较小;粒子的加速主要发生在喷管的扩张段。
随机点蚀损伤钢板的极限强度预测
王仁华, 赵沙沙
2018, 35(12): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.11.0796
摘要:
该文通过构建随机点蚀损伤钢板的数值模型,开展200个模型的非线性有限元分析,研究随机点蚀损伤下,不同长宽比、长细比和腐蚀强度的板极限强度退化规律,揭示上述三个参数对其极限强度的影响;借助人工神经网路的强非线性拟合能力,将三个影响因素作为预测网络的输入参数,将相应的有限元结果作为网络的输出结果,构建一个三层的BP神经网络模型,预测随机点蚀板的极限强度;且利用已有文献的大量数据验证BP模型的预测精度。相同的腐蚀强度下,同一结构尺寸(长宽比和长细比)板的极限强度会由于点蚀的随机性产生明显的变异;板的长宽比和长细比均对板的极限强度有不同程度的影响,且极限强度的退化受结构尺寸和腐蚀强度的联合影响;所构建的人工神经网络模型具有良好的预测精度,其预测误差不超过10%,可用于量化随机点蚀板的极限强度。