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基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究
江杰, 柴文成, 张探, 龙逸航
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0567
摘要:
为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。首先,考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;最后,与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明:土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(Ld=10d~15d); 当桩身长径比在L/d=5~10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。
基于逆有限元法的形状还原传感阵列及桥梁挠度监测试验
雷雨恒, 任亮, 李宏男, 尤润州, 魏易博
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0465
摘要:
桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标,对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列,该传感阵列基于逆有限元方法,仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置,将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究,分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载,通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明,形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点,不仅可以准确还原出桥梁挠度,而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状,能够有效地评估桥梁工程性能质量。
地下结构整体式反应位移法的改进
宝鑫, 刘晶波, 李述涛, 陆喜欢, 王菲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0592
摘要:
整体式反应位移法是目前常用的地下结构抗震实用分析方法,但在求解等效输入地震荷载的过程中,需对自由场土层模型中土-结构交界面所包围的所有土体单元施加自由场惯性力,处理过程相对复杂。该文基于有限元离散模型,从理论上证明了整体式反应位移法中由结构周边应力引起的等效地震荷载可通过仅由一层土体单元构成的子结构模型的一次静力分析获得,由此提出了一种基于土体内部子结构的地下结构整体式反应位移法,即改进方法一;进一步论证了改进方法一中内部土体子结构的惯性力对等效地震荷载的影响可以忽略,在此基础上提出地下结构整体式反应位移法的改进方法二,该方法避免了土层介质自由场惯性力的计算与施加,从而有效简化了整体式反应位移法的实施流程。通过与传统整体式反应位移法的对比分析,验证了本文改进方法具有良好的计算精度,可用于地铁车站、地下隧道等地下结构的地震反应分析与抗震性能研究。
高耸烟囱结构调谐质量惯容阻尼器(TMDI)风振控制方法及效果研究
苏宁, 彭士涛, 洪宁宁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0490
摘要:
高耸烟囱是一种典型的风敏感结构,尤其是横风向涡激共振会对结构安全造成不利影响,往往需要对其进行风振控制。相比传统的调谐质量阻尼器(TMD),调谐质量惯容阻尼器(TMDI)能够通过惯容器实现动力吸振器的轻量化设计。但惯容器的连接位置,不仅影响其在对高耸烟囱结构上实施的难度,对风振控制效果的影响也尚待定量化研究。该文将高耸烟囱简化为广义单自由度结构,基于风荷载频谱的滤波表示,推导了TMDI控制下结构风振响应的解析解。在此基础上,对TMDI最优设计参数进行了参数化分析,总结了相应的经验公式供设计参考。此外,通过对比TMDI与TMD的风振响应控制效果,给出了惯容器起增强控制效果的判别准则,以及TMDI的等效TMD质量比计算公式,以指导动力吸振器的轻量化设计。最后,通过对某270m高混凝土烟囱风洞试验数据进行TMDI风振控制算例分析,验证了理论分析的有效性。结果表明,采用该文优化设计方法,TMDI可降低涡激共振锁定区内高耸烟囱的设计风荷载45%以上。
锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响
李鑫波, 贡金鑫, 李文旭
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0719
摘要:
为研究锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响,该文对36个不同锈蚀率的钢衬里板进行了单轴拉伸试验,分析了锈蚀钢衬里板的力学性能退化机理和退化规律;建立了锈蚀钢衬里板的本构模型;根据试验结果,提出了考虑不同锈蚀率的钢衬里撕裂准则和锈蚀模拟方法;通过数值模拟,分析了锈蚀对安全壳钢衬里撕裂的影响;最后对比了该文模拟方法与美国核管理委员会(NRC)方法的差异,并给出了NRC方法中锈蚀影响系数的取值建议。结果表明:随锈蚀率增大,钢衬里板的弹性模量变化不大,但其屈服强度、峰值强度、峰值应变和断裂应变大致呈线性退化规律;该文建立的锈蚀钢衬里板的本构模型与试验结果吻合良好;随锈蚀率增大,安全壳钢衬里发生撕裂时的内压逐渐降低,且当锈蚀率为50%时,内压降低29.06%;与NRC方法相比,该文方法能直观反映不同锈蚀率对钢衬里的影响,更能接近实际锈蚀情况;对于NRC所建议的锈蚀影响系数,锈蚀率小于20%时,可取上限值,锈蚀率为20%~40%时,建议取最佳估值,而锈蚀率超过40%后,应当取下限值。该文研究工作可为安全壳钢衬里锈蚀后的性能评估提供借鉴和参考。
CFRP布加固方案对RC梁剪切性能及尺寸效应影响分析
金浏, 张江兴, 李冬, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0558
摘要:
采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法,建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上,设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型,探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下,不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明:1)CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关,越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大,提供的抗剪贡献越多;2)在CFRP配纤率一致的前提下,CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案;3)CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象,但相同CFRP配纤率下,不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小,可以忽略。
改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法
孙宝印, 申伟, 孙天舒, 欧进萍
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0306
摘要:
充分利用结构在地震作用下的局部非线性特征,数值子结构方法将原本复杂的结构非线性分析转化为以初始弹性刚度迭代的主结构等效线弹性分析和屈服构件隔离子结构非线性分析。由于主结构采用常刚度迭代分析收敛速度较慢,尚有一定局限性,于是,本文提出一种改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法。在主结构系统中,将塑性自由度位移场作为基本未知量,设计牛顿算法进行非线性迭代分析,并由隔离子结构跨平台非线性分析计算得到屈服单元的内力和切线刚度。最后,对一平面15层3跨钢结构进行地震弹塑性时程分析,模拟结果表明:本文提出的方法是准确、可靠的,接近传统牛顿算法的二次收敛,且对于局部非线性结构系统,需要集成和分解的矩阵规模远小于传统方法。
高强度耐火钢高温冷却后力学性能试验研究
楼国彪, 费楚妮, 王彦博, 陈林恒
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0380
摘要:
该文对国产Q460FR、Q420FR、Q345FR等高强度耐火钢进行了200℃~800℃高温过火、自然冷却后的拉伸试验,在获得高强度耐火钢高温冷却后的应力-应变关系曲线和力学性能参数,并与普通结构钢的高温冷却后力学参数进行对比后,给出了屈服强度和抗拉强度变化系数拟合公式。研究表明:国产高强度耐火钢在高温冷却后的屈服强度和抗拉强度均得到提高,弹性模量基本稳定。该文研究的结果可以用来评估耐火钢结构火灾后的承载性能。
考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析
白久林, 李晨辉, 龚彦安, 王宇航
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0453
摘要:
在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,本文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。
滑移索结构分析的精确三维有限元法
陈诗再, 杨孟刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0642
摘要:
针对现有滑移索结构分析方法适用范围有限、精度不高的缺点,提出了一种通用、高精度的三维滑移索单元法。首先,基于悬链线理论和Euler–Eytelwein公式,同时考虑了温度效应和滑动摩擦,分别建立了已知单元无应力索长和已知张拉力的三维滑移索单元的基本方程组;同时,利用矩阵微分从单元基本方程组导出了单元的切线刚度矩阵;然后,建立了滑移索结构从张拉到后期加载的全过程精细化分析流程,可实现自动调用建立的各类索单元,准确分析各滑移点的摩擦;最后,通过3个算例的计算并与现有理论解、数值解和试验结果的比较来验证该文所提出方法的可靠性和有效性。结果表明,该文提出的三维有限元法准确可靠,计算效率较高,适用于工程中各种滑移索结构的高精度非线性分析。
考虑附加抗力影响的单桩水平受力分析方法
黄申, 翟恩地, 许成顺, 孙毅龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0227
摘要:
单桩基础受水平荷载作用时,桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩,同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响,该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型,结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应,推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解;采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型,推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型,在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上,得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解,桩端水平剪力的离散数值解;进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法,并编制了程序。通过对比试验数据,初步验证了该文方法的正确性,进行了水平承载力的参数分析,结果表明:随着长径比的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小;而随着桩直径的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。
基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真研究
沈佳兴, 陈宇, 徐平, 于英华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0776
摘要:
为准确计算钢-BFPC结合面的实际接触面积比进而建立基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真方法。通过对结合面接触拓片离散化处理建立钢-BFPC结合面实际接触面积比的计算方法,编制了相应的计算程序,分析不同结合面压力对实际接触面积比的影响规律。以计算的实际接触面积比为基础,建立了钢-BFPC结合面虚拟材料仿真分析模型。分别通过虚拟材料仿真和实验研究了钢-BFPC结合面试件模态特性并将两种方式结果对比分析,结果显示两者的固有频率最大相对误差为+6.48%且振型一致,证明了钢-BFPC结合面实际接触面积比的离散计算方法和虚拟材料仿真方法的准确性。
基于Park-Ang损伤模型的网壳结构地震作用下双参数准则研究
华文, 叶继红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0375
摘要:
基于性能的抗震设计方法要求将结构划分为多个性能状态,并合理定义结构的性能指标。本文首先基于Park-Ang损伤模型,根据网壳结构的位移与耗能在地震作用下的响应特点,提出由最大变形与塑性耗能两项无量纲参数非线性组合的双参数模型。其次,结合我国抗震规范、网壳结构自身特性与以往学者的研究成果,通过四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4将网壳结构划分为五种性能状态:基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏与倒塌。再次,通过216组考虑不同跨度、矢跨比、屋面质量、杆件尺寸与地震作用的覆盖性算例,拟合得到模型的待定参数取值,进而提出适用于网壳结构的双参数准则,在四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4处相应的指标(D)值分别为0.3、0.6、1.0与∞。最后,以两个大型网壳振动台试验验证准则的有效性和普适性。结果表明,本文提出的双参数准则与各性能点的指标值能够体现网壳结构的性能状态,具有良好的有效性和普适性。该准则可服务于网壳结构基于性能的抗震设计方法与地震风险评估。
岩石-混凝土界面拉伸断裂性能的率相关性研究
姚洁香, 董伟, 钟红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0532
摘要:
本文研究了应变率(10−5/s~10−2/s)对岩石混凝土复合试件抗拉性能及断裂性能的影响。通过轴向拉伸试验和三点弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载,通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数,分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明:随应变率的增大,断裂能和起裂断裂韧度增大,临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小,断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。最后,本文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。
高延性波纹钢板剪力墙抗震性能研究
李思达, 王皓, 刘晓刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0851
摘要:
本文提出了一种具有高弹塑性屈曲荷载、大延性变形能力的梯形波纹钢板剪力墙,并通过试验研究和数值模拟,研究了墙板参数对其滞回特性、失效模式和抗震性能指标的影响规律。研究结果表明,波纹钢板剪力墙试件表现出优秀的滞回特性,墙板屈曲均发生在变形较大的弹塑性阶段,弹塑性屈曲位移角可达2%以上;墙板宽厚比的增大可以显著提高屈曲位移角和承载能力,面外波折角度的增大能够一定程度提高屈曲位移角和承载能力;墙板宽高比的增大会减小屈曲位移角,并导致屈曲后承载力退化加快。
跨音速流中壁板流固耦合效应的形态演化分析
安效民, 冯家悦, 周悦, 孙伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0444
摘要:
高速飞行器部件多采用轻质薄壁加筋结构,当飞行器长时间跨音速或低超音速飞行时,这种薄壁结构在非定常气动载荷的作用下会表现出强非线性的流固耦合特征,其中激波运动、边界层效应、流动分离等流场非线性与几何大变形等结构非线性相互耦合作用会使壁板产生失稳行为,引起结构疲劳或损毁。该文基于CFD/CSD耦合数值模拟技术,预测和判别壁板在跨音速气流中随马赫数变化过程中响应形态,发现在跨音速区内会出现明显的单模态颤振形式。随马赫数的增大大,其形态演化次序为稳态收敛、第一模态极限环振荡、屈曲、稳态收敛、跨音速颤振、非共振型极限环振荡、共振型极限环振荡、高频周期振荡、高频非周期振荡、第一模态极限环振荡到稳态收敛的过程。当壁板厚度增加、来流密度减小,演化形态会发生变化。同时,当考虑非定常加速效应和粘性效应后,会出现一定的延迟和阻尼效应,对高频非周期振荡起到抑制作用,这对于降低结构的疲劳损伤有积极效果。
钢纤维混凝土多轴损伤比强度准则
丁发兴, 吴霞, 向平, 余志武, 聂磊鑫
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0372
摘要:
以损伤比强度理论为基础,建立了钢纤维混凝土真三轴损伤比强度准则,并根据钢纤维混凝土试验资料,推荐了钢纤维混凝土损伤比变量表达式中的6个经验参数。利用钢纤维混凝土在单轴、双轴和三轴受力状态下的应力-应变曲线试验结果验证了损伤比取值合理性,对比了单轴受拉、单轴受压和双轴等压等典型受力状态下钢纤维混凝土和普通混凝土损伤比变量取值的差异。通过与国内外共104组钢纤维体积率为0.5%~2.5%的钢纤维混凝土三轴强度试验资料的比较,表明六经验参数钢纤维混凝土损伤比强度准则的三维破坏包络面接近已有认识;通过与国内外强度准则比较,表明损伤比强度准则与钢纤维混凝土三轴试验数据有较高的吻合度。对于围压三轴受力状态,提出简化的钢纤维混凝土常规三轴强度准则,并与已有常规三轴强度准则进行比较分析。此外,对于材料处于二轴受力,推荐了简化的损伤比二轴强度准则中的经验参数取值。
基于改进萤火虫算法的有限元模型修正
刘纲, 陈奇, 雷振博, 熊军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0271
摘要:
针对标准萤火虫算法后期收敛速度慢、收敛精度低、易陷入局部最优解的问题,提出了参数自适应策略的改进萤火虫算法,建立了基于改进萤火虫算法的有限元模型修正方法。通过隔代随机吸引度因子扩大了算法搜索路径,提升了算法遍历性,避免计算陷入局部最优;通过自适应步长因子使得算法寻优过程中能随迭代次数逐渐减少随机搜索范围,从而提高收敛速度。单、多峰测试函数计算结果表明,改进算法显著提高了收敛速率与收敛精度;简支梁数值算例与某刚构桥实桥有限元模型修正结果表明,简支梁参数最大误差由初始的66.7%降低至修正后的1.08%,刚构桥频率最大误差由14.47%降低至3.25%。所提方法具有良好的更新精度,适用于大型复杂结构的有限元模型修正。
粘弹性流体法向力作用下的抽油杆柱横向振动仿真
王树强, 董世民, 张洋, 位中达
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0487
摘要:
聚合物抽油机井抽油杆柱在粘弹性流体井筒内偏心运动时,抽油杆柱受到交变粘弹性流体法向力的作用。该文指出了交变粘弹性流体法向力是抽油杆柱横向振动的激励。考虑抽油杆柱所受粘弹性流体法向力与抽油杆柱横向振动位移的耦合关系,建立了受粘弹性流体法向力作用的抽油杆柱在油管内横向振动仿真的力学和数学模型。采用有限差分法和Newmark法实现了对抽油杆柱在油管内横向振动的仿真计算。分析了抽油杆柱在初始偏心和粘弹性流体法向力激励下的横向振动规律。仿真结果表明:抽油杆柱的任何初始偏心都会导致在全井范围内发生杆管碰撞现象;抽油杆柱下冲程杆管碰撞更为剧烈,且泵端附近碰撞力最大;由于粘弹性流体法向力的存在,杆柱与油管壁的接触碰撞更加频繁,加剧了杆管偏磨。所建立的粘弹性流体法向力作用下的抽油杆柱横向振动仿真模型对于聚驱井杆管偏磨分析、扶正器的优化配置具有指导作用。
自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能研究
邓露, 刘文豪, 刘定荣, 何钰龙, 刘艳芝
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0344
摘要:
该文通过ABAQUS有限元软件对自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能进行了研究,通过已有试验结果验证了有限元模型的准确性,基于此模型讨论了钢材强度等级、钢板厚度、螺钉直径以及不同中间钢板厚度对螺钉双面剪切连接的破坏模式和抗剪承载力的影响。结果表明,螺钉双面剪切连接构件的破坏模式可分成3类,分别为:承压破坏、承压-剪切破坏和剪切破坏。螺钉双面剪切连接抗剪承载力随着钢材强度等级和钢板厚度的增加而提高并趋于稳定;随着螺钉直径的增加,螺钉双面剪切连接抗剪承载力呈线性增加;在一定范围增加中间钢板厚度也可显著提高螺钉双面剪切连接抗剪承载力。最后,将数值模拟结果与中美欧规范计算值进行比较分析得出,当钢板发生承压破坏时,中国、欧洲和AISC规范公式计算值偏于保守,AISI规范计算值较接近有限元值;当螺钉发生剪切破坏时,AISI和中欧规范过于保守。AISC规范公式计算值与有限元值吻合较好,因此,当螺钉发生剪切破坏时,使用AISC规范公式计算具有一定参考价值。
改进共旋坐标法的Timoshenko梁单元非线性分析
李东升, 高严培, 郭鑫
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0508
摘要:
为提高空间Timoshenko梁单元非线性问题的计算精度,在共旋坐标法的基础上,提出了一种改进的Timoshenko梁单元几何非线性分析方法。首先利用虚功原理得到改进空间梁单元的刚度矩阵;其次使用有限质点法中的逆向运动思路计算单元局部坐标系下的刚体旋转矩阵;之后根据整体坐标系与局部坐标系之间旋转角度的转化以及微分关系,求得空间梁单元的切线刚度矩阵;最后编制了相应的有限元程序,对多个经典的大变形结构进行几何非线性分析。计算结果印证了本文所提出改进方法的正确性,同时与传统共旋坐标法相比,具有更高的精度。
独立式石箍窑洞振动台试验研究
张风亮, 潘文彬, 刘祖强, 胡晓锋, 赵湘璧
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
摘要:
根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明,独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大, X向动力放大系数最大处为拱顶,Y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移出现在窑顶,最大侧移角为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。
基于不同规范设计的现役RC框架损伤分析及可修复性能评估
孙小云, 韩建平, 黄林杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0702
摘要:
我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于GBJ 11−1989、GB 50011−2001、GB 50011−2010三次抗震设计规范所设计,由于建筑功能的需求,常见框架结构的首层层高明显高于其他层,易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其他层的三栋现役RC框架为分析算例,综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素,利用OpenSees有限元分析软件,分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析,研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明:相对于GBJ 11−1989和GB 50011−2001,基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构损伤最小,对于潜在薄弱层的加强效果更加明显;中、大震水平,三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低,但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构损伤较严重,较难修复;特大震水平,基于GBJ 11−1989和GB 50011−2001抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大,基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构倒塌概率相对较低,但其修复需较大的经济投入。经过规范的依次修订,在特大震水平,基于GBJ 11−1989至GB50011−2010抗震设计规范设计的结构中结构构件的失效率逐渐降低;基于GB 50011−2001和GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构中,柱以延性破坏为主,但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构中,柱发生明显的脆性破坏。
北疆供水一期工程膨胀性渠坡滑动破坏机制与稳定分析
赵凌峰, 张凌凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0711
摘要:
北疆供水一期工程属于季节性供水工程,渠道运行多年渗漏现象严重,渠坡滑动破坏现象频发。为深入探究渠坡的滑动破坏机制,首先对渠基土开展力学特性研究,然后利用其强度特性变化规律对渠坡的不同工况进行数值模拟分析。结果表明:(1)在湿干-冻融循环条件下,膨胀土的抗剪强度\begin{document}${c} $\end{document}\begin{document}$\varphi $\end{document}值与弹性模量\begin{document}${E} $\end{document}衰减严重,白砂岩的\begin{document}${c} $\end{document}值随含水率的增加劣化明显而\begin{document}$\varphi $\end{document}值基本不变,戈壁料\begin{document}${c} $\end{document}\begin{document}$\varphi $\end{document}值受含水率和循环条件影响不显著;(2)通水期间,多次湿干-冻融循环后渠坡均未发生滑动破坏,原因在于渠坡结构面上静水压力的法向分量增加了渠基土沿滑动面的抗滑力,切向分量减少了渠基土沿滑动面的下滑力,提高了渠坡的安全稳定性;(3)停水期间,湿干-冻融循环和膜后水位耦合作用导致渠坡发生滑动破坏,膨胀土性能衰减、白砂岩遇水软化以及膜后水位引起孔隙水压力变化是其主要诱因,浅层土体置换、受力结构优化和降低膜后水位能够起到缓解作用;(4)现有排水井对渠坡无抗滑作用,将排水井移至渠坡中部局部稳定性提升最显著且单桩保护范围最大,分别为44.3%和45m2
全装配式自复位防屈曲支撑滞回模型及其性能试验研究
金双双, 李盈开, 周建庭, 杜轲, 白久林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0218
摘要:
为减小防屈曲支撑的震后残余变形,降低结构的修复难度和成本,该文提出了一种采用组合碟簧实现复位的全装配式自复位防屈曲支撑,该新型支撑通过设置BRB系统承载力和SC系统预压力的比率,可有效控制滞回曲线的特性。文中阐述了该支撑的构造和工作原理,推导了循环加载下的理论滞回模型,并据此设计制作了3个不同组合的全装配式自复位防屈曲支撑,通过拟静力试验分析对比了残余变形和滞回耗能等特性,探讨了自复位效果和破坏模式。试验结果表明:新型全装配式自复位防屈曲支撑滞回曲线有明显的旗帜型特征,滞回性能稳定;组合碟簧自复位系统大幅减小了支撑的残余变形,复位效果明显;理论滞回模型与试验结果基本吻合,是一种十分有效的自复位减震阻尼器。
基于设计地震动的覆盖层场地空间自由场构建
韩鲁, 宋志强, 王飞, 刘云贺
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0255
摘要:
地震波在覆盖层场地的传播、透射及反射特性异常复杂,合理构建及表达覆盖层场地空间自由场是非一致地震动输入的关键。建立了覆盖层场地空间任一点地震动关于入射SV波、P波时程和入射角的表达式,基于地表水平和竖直两向设计地震动获得入射SV波和P波时间历程及入射角,考虑界面多次反射和土层阻尼引起的幅值衰减,构建了基岩-覆盖层场地空间自由场。与La Cienega场地实测台阵记录对比结果表明:不同深度的特征点两向地震动模拟值与实测记录符合良好,场地任意点水平和竖直地震动时程具有空间非一致性。该文提出的空间自由场构建方法为覆盖层-坝体系统非一致地震动输入提供基础。
液化侧向扩展场地刚性排水管桩群桩振动台试验研究
陈志雄, 李康银, 王成龙, 丁选明, 蒋雪峰, 陈育民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0374
摘要:
地震作用下土体发生液化侧向扩展对建筑物极具破坏性,特别是对建筑物的桩基、高架桥梁等,消除和减小土体液化扩展引起的对结构安全的危害具有极大的意义。刚性排水管桩由圆形空心刚性桩与排水体结合而成,其在具有排水功能的同时,又具有较大的承载力,但是目前针对刚性排水管桩群桩抗液化性能的研究仍十分有限。基于振动台试验,开展了桩顶承台竖向荷载作用下刚性排水管桩群桩与普通桩群桩处理液化侧向扩展场地的振动响应对比研究,分析了地基土的超孔压比、加速度、平均沉降、承台位移、挡板位移以及桩身弯矩等。研究结果表明:刚性排水管桩地基与普通桩地基相比,超孔压、桩身弯矩、地基沉降、承台位移、岸壁位移明显减小,而加速度增大,充分表明刚性排水管桩的抗液化效果显著。
结构有机玻璃的工程应用与研究进展—第30届全国结构工程学术会议特邀报告
王元清, 孙洲, 王综轶, 郑宝锋, 汤月生, 欧阳元文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.ST03
摘要:
有机玻璃是一种热塑性塑料,它在建筑和结构中的应用日渐增多。与普通玻璃相比,有机玻璃具有无自曝风险、可本体聚合、密度低等诸多优点,但是它也存在防火性能不佳、蠕变问题显著等缺点。该文介绍了一些国内外著名的有机玻璃建筑物或结构,以及学者们对有机玻璃材料和结构所作的相关研究。提出了目前有机玻璃结构设计中存在的问题,并且给出了有机玻璃结构设计的相关建议,为相关研究和设计人员提供参考。
钢管含粗骨料超高性能混凝土短柱轴压性能研究
曾彦钦, 徐礼华, 吴方红, 余敏, 池寅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0354
摘要:
考虑钢纤维掺量、粗骨料替代率和钢管厚度三个参数,设计制作了14根短柱试件。通过全截面轴心受压试验,考察了试件的破坏形态、荷载-变形曲线、荷载-应变曲线和极限承载力,分析了各参数对短柱轴心受压性能的影响规律。试验结果表明:当套箍系数0.217≤ ξ < 0.883时试件主要呈现剪切破坏形态;套箍系数0.883 ≤ ξ ≤1.431时试件主要呈现腰鼓破坏形态。在相同钢管厚度下,粗骨料的掺入能有效提高试件承载力。参考已有钢管混凝土规程,提出了CA-UHPCFST短柱轴心受压承载力计算公式,可供工程设计参考。
基于多种风险因素的矸石山边坡风险评价
杜岩, 白云飞, 谢谟文, 张晓勇, 马国星
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0427
摘要:
该研究应用可拓理论综合考虑影响矸石边坡稳定的8种风险指标,建立了一套新的矸石边坡稳定性风险评价模型。与传统可拓理论评价模型相比,新模型在可拓距计算方面进行改进,并采用主客观权重相结合的综合分析法对8种风险指标进行权重分析,降低了传统理论算法在边坡稳定性风险评价过程中的系统误差。选取王家岭矸石边坡为案例,经新的边坡稳定性风险评价模型得出,2020年7月7日~2020年8月14日的风险等级变量特征值由原有的1.284上升到2.263,风险等级由低风险上升至中低风险等级,实现了现场矸石山边坡风险的定量评价。通过多个矸石边坡案例应用研究,发现改进的稳定性风险评价模型所得风险等级变量特征可与现有的边坡稳定性评估技术结合使用,实现矿山边坡安全指标与风险指标的综合评价。此外,该方法可以分析现场的实时监测数据,为矿山边坡安全风险评价提供一种客观简便的分析方法,进而有效改变目前矿山边坡工程监测重采集、轻分析的现状。
基础竖向多频参数激励下圆弧拱平面内动力失稳研究
钟子林, 刘爱荣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.ST06
摘要:
地震波、冲击波、环境振动激励会通过地基基础传递到拱上,致使拱发生动力失稳失去承载能力。为深入研究拱在基础竖向激励下的动力稳定性,该文基于能量法,建立了基础竖向激励下圆弧拱平面内动力稳定能量方程,利用哈密顿原理得到了拱面内径向和切向振动的耦合控制方程,求解了圆弧拱平面内失稳前的动轴力与动弯矩解析解。引入拱轴线不可压缩假设,解决了圆弧拱平面内动力控制方程的解耦问题。利用伽辽金法建立了基础竖向多频激励下圆弧拱平面内二阶常微分动力稳定方程,运用多尺度法推导了基础竖向多频激励下圆弧拱平面内动力失稳的临界激励频率解析公式,得到了圆弧拱同时发生一阶反对称参数共振和二阶正对称共振失稳的动力不稳定域,并利用有限元数值分析验证了理论解析解的正确性。进一步分析了拱矢跨比、长细比和圆心角对动力不稳定域的影响。
高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究
傅继阳, 吴玖荣, 徐安
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.ST07
摘要:
高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。
薄柔H形截面双向压弯钢构件极限承载力研究
杜辉波, 程欣, 张超, 陈以一
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0390
摘要:
为探究薄柔H形截面双向压弯构件的极限状态性能,采用ABAQUS建立了不同轴压比、腹板和翼缘宽厚比的H形截面构件在不同加载角度下的参数分析模型,分析中考虑了材料非线性、几何非线性及残余应力的影响,并基于已有试验数据验证了该模型的适用性。基于经典弹塑性稳定理论,提出了用于确定双向压弯构件极限状态判定准则,对于塑性铰截面定义为截面出现塑性铰时达到其极限状态;对于由局部屈曲控制的薄柔截面其极限状态为屈曲起始时刻,且该准则能够准确识别出板件局部屈曲的发生。通过最小二乘法拟合得到双轴弯矩极限相关曲线,呈现出腹板和翼缘宽厚比及轴压力的复杂相关影响关系。提出了考虑材料的强化作用和板件相关作用的极限相关计算公式,能够良好地预测H形截面双向压弯构件的极限承载力,且不受截面分类的限制,具有良好的适用性。
基于主动学习Kriging模型的直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析
李正良, 王成, 王涛, 汪之松, 李佳鸿
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0430
摘要:
直立锁缝屋面系统由于自重轻、柔性大,在强风作用下常发生风揭破坏。为减少风揭破坏的发生,进行直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析极为必要。鉴于此,该文提出了基于主动学习Kriging模型的Monte Carlo法(AK-MCS)的直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析方法。首先,建立直立锁缝屋面系统力学模型以分析其破坏模式,并推导其失效准则对应的极限状态函数;其次,结合AK-MCS法和推导的极限状态函数建立了直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度分析方法;最后,以典型实际工程的直立锁缝屋面系统为例进行了抗风揭可靠度分析。分析结果表明: (1)本文方法兼顾精度与效率,与拉丁超立方抽样的Monte Carlo法(LHS-MCS)相比,其计算的可靠度指标的相对误差为3.74%,而计算成本仅为LHS-MCS法的25.1%;(2)本文方法计算所得的直立锁缝屋面系统可靠度指标β=2.7703,相比规范要求的可靠度指标偏低,建议在支座与屋面板锁缝处采取相应的加强措施。
冻融作用对自密实轻骨料混凝土声发射特性影响
李京军, 闫珺, 牛建刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0373
摘要:
为研究冻融后自密实轻骨料混凝土单轴压缩下的声发射(AE)特性,对未掺引气剂的自密实轻骨料混凝土试件进行0次、50次、100次快速冻融试验。结果表明:随着冻融次数增加,试件轴压应力-应变曲线趋于完整,峰值应力有明显降低;声发射峰值频率主要位于15 kHz~45 kHz, 85 kHz~105 kHz, 235 kHz~255 kHz和285 kHz~320 kHz 4个“优势频段”区间,对应于混凝土内部预存裂纹或孔隙压密,骨料/砂浆界面增强层的开裂,粗骨料断裂破坏以及砂浆的开裂。受冻后的试件在轴压作用经历拉伸裂缝与剪切裂缝之间的交替转化,最终形成主裂缝导致破坏。冻融作用以及应力水平变化对AE信号源分布有较大影响,随着应力水平的增加,AE信号源趋于活跃,且在试样断裂面有聚集趋势。
含外部输入的非线性自回归模型及其在实时混合模拟中的应用
陈梦晖, 徐伟杰, 高小殊, 郭彤, 陈城
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0365
摘要:
传统实时混合模拟对数值子结构多采用有限元计算,对于较复杂或自由度较多的结构,容易导致计算机在指定积分步长内无法完成结构下一步响应的计算。为了提高计算效率,该文提出一种基于代理模型的实时混合模拟方法,采用含外部输入的非线性自回归模型代替有限元计算。以非线性数值子结构和自复位阻尼器试验子结构组成的单自由度体系为对象,使用数值模拟的数据来训练代理模型,并对该模型进行实时混合模拟试验验证。试验结果表明,基于代理模型的实时混合模拟与传统实时混合模拟结果十分接近,具有替代后者的潜力。
考虑混凝土软化效应的钢筋与混凝土粘结强度计算模型
兰官奇, 王毅红, 刘乐, 刘喜, 宋梅梅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0433
摘要:
通过钢筋与混凝土拉式粘结试验,测试了高强度带肋钢筋与不同强度等级混凝土的粘结强度,分析了带肋钢筋与混凝土的粘结受力机理;采用双线性软化本构对开裂区的软化行为进行描述,建立了综合考虑开裂区及未开裂区混凝土影响的粘结强度理论计算模型;研究了开裂区不同径向位移分布对计算结果的影响,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了计算模型的有效性。结果表明:模型采用基于等效弹性假设的开裂区径向位移分布时,计算值与试验值最为吻合,但却过高的估计了低强度混凝土试件的粘结强度;为确保有足够的安全储备,建议采用弹性假设作为开裂区混凝土径向位移分布。
单齿切削破碎非均质花岗岩微宏观机理研究
刘伟吉, 王燕飞, 郭天阳, 罗云旭, 祝效华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0213
摘要:
深部难钻地层岩石硬度大、可钻性差等问题是制约深层非均质硬地层钻井提速的瓶颈问题,深入研究其切削破碎机理对于提高钻进速度、降低钻井成本有重要意义。该文采用离散元PFC2D—GBM (Particle Flow Code 2D—grain-based model)来模拟硬脆性的非均质花岗岩,研究了不同液柱压力、晶粒尺寸、晶粒随机分布特性、钻齿倾角、切削深度和速度等条件下的单齿切削破碎花岗岩机理。研究发现:晶间剪切裂纹和晶内拉伸裂纹是切削过程中花岗岩产生的两种主要裂纹类型;切削力随着切削行程表现出明显的波动,切削力大小急剧增大和降低,并且随着液柱压力、切削深度和切削齿倾角的增大表现得更加明显;液柱压力、晶粒尺寸和晶粒的随机分布特性对切屑形态有很大影响,相比之下,与上述三个因素相比,切削深度、刀具前角和切削速度对切屑形态影响不大。研究结果对于深入认识花岗岩切削破碎机理有重要意义,可为改进破岩钻头的设计提供依据。
考虑淤砂层的理想流体层中悬浮隧道管体动力水荷载研究—SV波
林亨, 吴冬雁, 赵俊亮
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0295
摘要:
为研究地震SV波对复杂海水环境中悬浮隧道管体动力水荷载的影响,考虑海洋沉积淤砂层的作用构建理论分析模型。根据不同介质材料的波动方程和位移势函数,结合地震SV波传播过程中的边界条件,基于MATLAB推导并求解了不同交界面处地震SV波的透射和反射系数理论方程。通过数值算例,分析了淤砂层饱和程度、入射波角度和锚索布置形式等参数对悬浮隧道管体动力水荷载的影响。计算结果表明:悬浮隧道结构在非饱和淤砂层体系中,相比在饱和淤砂层体系中承受更大动力水荷载的影响;较厚淤砂层对悬浮隧道在地震SV波作用下更为有利;增加锚索支撑刚度和减小锚索布置间距,能够降低地震SV波对悬浮隧道动力水荷载的影响。
一种新的混凝土各向异性弹塑性损伤本构模型及其数值实施
焦延涛, 程立平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0297
摘要:
该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型,以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制,建立了拉、压不同的两种损伤演化方程,用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外,根据应变等效假设,假定有效构型和损伤构型的应变相等,该方法不仅大大简化了模型的推导过程,而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算,也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现,损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现,从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明:该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为;对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明:该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点,计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况,计算效率也更高。
距离最小化数据驱动计算方法中平衡因子取值影响研究
张玉辉, 姜清辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0199
摘要:
数据驱动计算方法将联立平衡微分方程、几何方程及物理方程的显式求解问题转变为最优化问题,优化目标在于搜索匹配最可能的静力许可应力场、变形许可应变场及应力-应变数据分配方案。在线弹性框架下,探讨了平衡因子取值关于材料常数的量级m和平行偏离程度r对算式收敛速率和性能的影响。结果表明:在松弛问题中,应力可行解和应变可行解关于m的线性收敛比分别为1/(1+m2)和m2/(1+m2),而r的增大则会使二者的收敛速率均降低。分配的数据点在原优化问题中受整型约束的限制,在相邻迭代步间变化率越小,算法早熟收敛现象越显著。r等于0时,数据点在相空间内沿直线路径逼近精确解,在m取1时有着最小的渐进线性收敛比;当r不为0时,数据点的迭代路径不再保持为直线。对于收敛速率较慢的分量,迭代终止时与参考解的偏差幅度增大。精确解附近的数据点密度能够很好保障算法的计算精度,从而降低计算结果对平衡因子取值的敏感性。
独柱墩-自浮式防船撞装置波浪荷载研究
王君杰, 叶乔丹, 王昌将
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0316
摘要:
针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系,开展室内波浪力试验并总结相关规律,利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况,利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素,计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明:自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪,使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化,可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右,防撞装置的惯性力系数达到2.125左右,接触力系数达到1.340左右。
拉筋对两层两跨钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响
丁发兴, 许云龙, 王莉萍, 尹国安, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0693
摘要:
本文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究,分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型,在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能的影响规律。分析结果表明:柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用,进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力,间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比,挖掘了钢梁的耗能潜力;柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力,分别达70%、20%和50%以上。
基于非局部Biot理论的循环荷载下饱和土地基动力特性研究
丁海滨, 管凌霄, 童立红, 徐长节, 颜建伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0712
摘要:
为探究循环动荷载下,孔隙尺寸对饱和土地基动力特性的影响,利用虚位移原理及Newmark积分法对非局部Biot模型进行了空间及时间离散,并采用有限单元法编制了循环荷载下饱和土地基动力响应的计算程序。随后,将该程序计算得到的饱和土一维固结结果和二维单相弹性地基的动力响应结果与已有文献对比,验证了该程序的正确性。最后,研究了循环荷载下孔隙尺寸效应对一维饱和地基,二维饱和地基及饱和路基动力特性的影响。结果表明,荷载频率较高时,随着非局部参数的增加,饱和土地基的动力响应明显滞后,孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响明显,即荷载频率较高时,孔隙尺寸效应不可忽略。
外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土压弯构件Nu -Mu相关曲线研究
张颖, 赵晖, 王蕊, 陈鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0637
摘要:
外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土构件结合了中空夹层钢管混凝土(CFDST)与不锈钢的优点,在桥墩、海洋平台与输电塔结构中有广泛应用前景。为此,本文基于前期试验,采用自编纤维模型法程序对225个外包不锈钢管CFDST压弯构件进行了系统分析。研究了各参数对该类压弯构件典型N/Nu-M/Mu曲线的影响,并将相关曲线与普通外包碳素钢管CFDST构件进行了对比,最后提出了该类压弯构件N/Nu-M/Mu相关曲线方程。分析结果表明:本文自编纤维模型法程序可较好预测外包不锈钢管CFDST构件压弯承载力以及N/Nu-M/Mu曲线的发展;混凝土强度、内管径厚比、钢材屈服强度、空心率、名义含钢率与长细比影响N/Nu-M/Mu曲线的形状;由于不锈钢材料明显的应变强化效应,相比于外包碳素钢管CFDST构件,外包不锈钢管CFDST构件的N/Nu-M/Mu曲线接近于钢结构;基于试验与参数分析结果以及外包碳素钢CFDST计算公式,得到了外包不锈钢CFDST相关曲线特征点公式和曲线方程,与程序计算结果吻合较好。
基于SiPESC平台的声子晶体能带结构分析算法研究及软件实现
姜殿恒, 陈飙松, 张盛, 李云鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0563
摘要:
为了快速准确的分析声子晶体的能带结构,本文基于工程与科学计算仿真平台SiPESC开发了一类高效三维声子晶体能带结构分析软件。软件针对能带结构分析过程中计算量庞大的Hermitian矩阵的广义特征值求解问题和边界约束节点匹配问题提出了相关软件设计方案。针对Hermitian矩阵的广义特征值求解,在实对称矩阵子空间迭代法的基础上,发展了Hermitian矩阵子空间迭代法。针对边界约束节点匹配问题,本文将三维周期性条件划分为点、边、面约束分别处理。针对面约束,本文使用定位格匹配策略将单层的点-点匹配更改为两层的点-定位格-点加速匹配。开展了与多物理场分析软件COMSOL进行数值算例对比。使用三维局域共振声子晶体算例验证了软件在满足数值精度的前提下计算效率高于对比软件。通过大规模模型算例验证了软件具有高效的大规模计算能力。
钢筋混凝土柱纯扭破坏尺寸效应数值分析
金浏, 祝华杰, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0288
摘要:
在地震作用下,钢筋混凝土柱时常会受到扭矩的作用,而扭矩的存在会改变钢筋混凝土柱的破坏模式。为探究钢筋混凝土柱纯扭破坏的尺寸效应行为,采用三维细观数值模拟方法,考虑了混凝土细观组分的非均质性及钢筋与混凝土间的粘结滑移作用,建立了钢筋混凝土柱的纯扭作用数值模型。模拟分析了结构尺寸、纵筋率、配箍率和截面形状对钢筋混凝土柱抗扭破坏的影响。结果表明:钢筋混凝土柱扭转破坏表现为脆性特征,名义抗扭强度表现出明显的尺寸效应;纵向配筋对扭转强度尺寸效应影响不大;方形截面柱比圆形截面柱具有更强的尺寸效应;箍筋可以提高扭转强度,且可以削弱名义抗扭强度的尺寸效应。最后,修正了Bažant尺寸效应律,建立了全结构尺寸范围内的名义抗扭强度预测公式。
装配式干式连接剪力墙的设计方法研究
沈绍冬, 苏宇坤, 潘鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0446
摘要:
近年来,装配式剪力墙在实际工程中得以广泛应用。在其施工过程中,水平向相邻的两块预制墙板通常通过预留的后浇带装配在一起。然而,该方法仍然需要大量的现场浇筑作业,降低了施工效率。因此,干式连接成为了提高装配式结构施工效率的优化方案之一。该文针对一种新型装配式干式连接剪力墙的数值模拟及其设计方法开展了研究。首先,建立了单层装配式干式连接剪力墙的有限元模型,并对其模拟了与前序拟静力试验相同的加载方案。模拟结果与试验结果吻合较好,从而验证了模型的有效性。基于以上建模方法,建立了2个具有不同参数的10层干式连接剪力墙的有限元模型,开展了Pushover分析,优化了干式连接件在高层结构中的设计。根据数值分析结果,提出了装配式干式连接剪力墙在高层建筑结构中基于振型的设计公式。
红砂岩剪切储能与最大剪应变特征试验研究
王云飞, 马勇超, 李志超, 王立平, 荣腾龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0470
摘要:
为了明确干燥和饱水红砂岩剪切强度、剪切储能与剪应变特征,在岩石剪切试验系统进行了不同法向应力作用下干燥和饱水红砂岩剪切试验,详细分析了法向应力和饱水作用对红砂岩剪切强度、剪切应变能密度和剪应变的影响规律。结果表明:剪力-剪切位移曲线,干燥状态线性段明显,饱水状态屈服段明显,法向应力在10 MPa~20 MPa,剪切强度和剪切位移增加显著,法向应力在20 MPa~40 MPa切向位移变化很小;压剪应力状态下的粘聚力和内摩擦角明显低于三轴压缩应力状态下的粘聚力和内摩擦角,饱水使三轴应力路径下的粘聚力和内摩擦角都弱化,而压剪应力路径下只对内摩擦角弱化。法向应力小于20 MPa时,剪切强度劣化率随法向应力的增加线性增大,法向应力在20 MPa~40 MPa时,剪切强度劣化率在一定值上下波动。峰值剪切应变能密度与法向应力之间存在良好线性变化规律,随法向应力增大,饱水对峰值剪切应变能密度的影响增加。干燥和饱水红砂岩峰值剪切应变能密度分别趋于定值1.4579 MJ/m3和1.0033 MJ/m3,饱水使峰值剪切应变能密度的劣化率趋于31.18%。根据峰值剪应变随法向应力的变化规律,构建了干燥和饱水红砂岩剪应变经验强度准则。所得成果对红砂岩工程设计及工程稳定性分析具有一定参考价值。
非均质材料与位错交互能的数值等效夹杂算法
李璞, 朱凯, 侯佳卉, 谢东东, 钱厚鹏, 金晓清
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0229
摘要:
工程结构中的夹杂物和位错会极大地影响材料的力学性能和服役寿命。以往的解析解主要关注特定形状(如圆形、椭圆形)夹杂物与位错之间的相互作用。当采用数值方法计算时,由于位错的奇异性,即使是商用有限元软件也会面临处理上的困难。该文基于数值等效夹杂算法并结合快速傅里叶变换,求解了无穷体内夹杂物与刃型位错的交互能,有效地规避了数值奇异性问题。相对误差的范数分析结果表明,在杂质附近所产生的应力扰动对最终结果具有较大影响。该文计算方法能够更加精确地确定应力扰动场,并显示出优越的数值收敛性和稳定性。在求解任意形状杂质与位错相互作用问题中,该文提供了一种便捷且有效的计算方案。
基于微秒脉冲激励的飞翼模型等离子体流动控制试验研究
牛中国, 梁华, 蒋甲利
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0615
摘要:
为了改善飞翼布局的大迎角气动特性,采用飞翼全模和半模分别在低速和跨声速风洞中开展了微秒脉冲介质阻挡放电等离子体流动控制的试验研究。通过流动显示和测力的试验方法研究了等离子体流动控制的主要作用机制和激励频率与激励电压等对飞翼模型失速特性的影响规律,验证了微秒脉冲介质阻挡放电等离子体流动控制技术从低速到亚声速的有效性,有效的试验最高马赫数达到0.6、雷诺数达到3.05×106。试验研究表明:微秒脉冲介质阻挡放电等离子体通过非定常微尺度压缩波扰动的形式作用于翼面流场,通过频率耦合机制减弱模型的前缘分离涡、抑制翼面的流动分离;无量纲频率F+是影响等离子体流动控制效果的重要参数;在低速风洞试验风速V=30 m/s时,无量纲频率F+=0.35-1.06的控制效果较好,可将模型的最大升力系数提高25%以上、失速迎角推迟4°;在跨声速风洞试验马赫数Ma=0.6时,无量纲频率F+=0.22和F+=0.44的控制效果较好,可将模型的最大升力系数分别提高4.72%、4.77%,失速迎角分别推迟2°、1°;激励电压越高激励强度越大、等离子体流动控制效果越好。
带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究
王先铁, 贾子涵, 谢川东, 郭艺伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0360
摘要:
针对自复位节点复位阶段抗力大的问题,提出了带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点。为研究节点的抗震性能和自复位性能,对5个足尺梁柱节点试件进行低周往复荷载试验,对其受力性能进行理论分析,建立节点的恢复力模型。结果表明:带开槽耗能板的自复位节点具有良好的耗能能力、承载能力和自复位性能,滞回曲线呈典型的“双旗帜”形。4.00%位移角时节点残余变形较小,除耗能板外其余部件均保持弹性,震后更换耗能板即可快速修复。节点的自复位性能随耗能板单个板条宽度的增大而降低,耗能能力随单个板条宽度的增大而提高;耗能板厚度和宽度越大,节点的耗能能力和承载力越强,自复位能力越弱;钢绞线初始预应力对节点的承载力、初始刚度和自复位能力均有显著影响,但对节点耗能能力影响很小。恢复力模型与试验结果吻合较好。
基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法
徐磊, 崔姗姗, 姜磊, 任青文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0610
摘要:
混凝土损伤开裂表现出明显的跨尺度特征,其演化过程与细观材料结构直接相关。如何在兼顾效率和精度前提下分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程一直是比较棘手的问题。在假定处于弹性阶段的混凝土为宏观均匀材料和处于损伤开裂阶段的混凝土为细观非均匀材料的基础上,提出了一种基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法。该方法通过在分析域内布置宏细观双重网格分别建立宏观尺度和细观尺度有限元计算模型,通过宏观尺度至细观尺度的自适应转换在分析过程中动态确定宏细观协同分析的宏观区域和细观区域,通过基于形函数插值的多点位移约束实现宏细观协同有限元模型中的非协调重叠网格连接。算例分析表明,采用本文方法不仅可通过考虑损伤开裂区的细观材料结构保证模拟精度,亦可通过在分析中自适应确定细观尺度分析区域提高模拟效率。
张弦双向网格型单层柱面网壳稳定性及可靠度分析
张中昊, 段皓鹏, 于艳春, 支旭东, 范峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0438
摘要:
在双向网格型单层柱面网壳面外布置弦杆和拉索形成张弦结构体系,有效地增强了结构的承载能力。本文针对40 m、50 m、60 m跨度网壳,分析了网壳随预应力、矢跨比、初始缺陷以及拉索强度等参数变化对结构静力稳定性能的影响,并结合100 m和120 m大跨度网壳算例,论证了该结构体系的实用性。基于ANSYS和MATLAB响应面法,分析了网壳在承载力失效和变形失效两种失效形式下的的可靠度,获得了失效概率、可靠指标及其灵敏度和相关性。结果表明,布置弦杆和拉索后结构稳定承载力最大可提高744%。100 m跨度网壳的稳定承载力的失效概率为1.026 54×10−1,其可靠度相对较低。跨度小于60 m网壳的稳定承载力和变形的失效概率极小。网壳中拉索强度是影响结构稳定承载力的主要因素,大跨度网壳中拉索的影响相对减弱。拉索强度及弦杆内、外径对结构变形均产生一定影响。
复合受剪钢纤维再生混凝土破坏机理及强度计算
陈宇良, 姜锐, 陈宗平, 张绍松
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0677
摘要:
为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能,以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数,设计了102个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态,获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线,深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明:随着法向应力的增大,剪切强度逐渐增大;随着取代率的增加,掺量为0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小,掺量为1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小;与掺量为0%的钢纤维再生混凝土相比,掺量为1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了10.77%;提出了剪切强度公式,所得计算值与试验值吻合良好。
超高性能RPC钢筋网加固混凝土界面粘结性能试验研究
卜良桃, 徐博煜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0469
摘要:
针对现有混凝土加固技术导致的耐久性弱、承载力低的问题,本文基于活性粉末混凝土钢筋网加固混凝土技术(Technical for strengthening concrete structures with reactive powder concrete and bar mesh, RPCBM),展开了双面剪切试验。本文评估了各试件的抗剪强度、破坏形态与荷载位移曲线,系统性地探讨了粗糙度、植筋率、钢筋网规格对RPCBM加固旧混凝土结构界面剪切性能的影响。结果表明:RPCBM加固混凝土结构的界面抗剪强度和延性提升幅度较大,具有良好的粘结性能。在一定范围内,随着粗糙度增大,粘结界面抗剪强度提高;植筋率增高,抗剪强度与延性增强;钢筋网规格是改善界面延性的重要因素。在此基础上,为了更好地计算RPCBM加固混凝土的界面粘结强度,本文基于以上数据建立了粘结界面抗剪强度的模型,提出了综合计算RPCBM加固普通混凝土(Ordinary concrete, OC)界面抗剪强度的公式,试验结果与理论分析吻合较好,为工程实践中加固材料的选择和改进施工方法提供了理论依据。
嵌入式毂节点刚度及其单层球面网壳承载力研究
张晓磊, 李会军, 陈旭, 朱志强, 喻晓晨
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0388
摘要:
嵌入式毂节点是我国自行设计研制出来的一种新型装配式节点,具有施工方便、外形流畅、定位精度高等优点,属于典型的半刚性节点。但目前对此类节点的研究尚不够深入,现有规范尚未涉及此类半刚接单层球面网壳的相关理论计算公式和设计要求。基于此,采用ANSYS软件建立了嵌入式毂节点的精细化模型,基于幂函数模型拟合了节点的转角-弯矩公式,同时,探讨了不同跨度和矢跨比下节点刚度对单层球面网壳稳定承载能力的影响。研究表明:嵌入式毂节点在平面外弯曲时的弯矩-转角曲线以及在扭转作用时的扭矩-转角曲线均与幂函数模型吻合良好;网壳结构承载力对节点弯曲刚度的敏感程度要大于节点轴向刚度,且极限承载力对节点刚度的敏感程度会随着结构跨度或矢跨比的增大均呈现减弱的趋势。
INFLUENCE OF DAMPING MODELS ON DYNAMIC ANALYSES OF A BASE-ISOLATED COMPOSITE STRUCTURE UNDER EARTHQUAKES AND ENVIRONMENTAL VIBRATIONS
FEI Yi-fan, TIAN Yuan, HUANG Yu-li, LU Xin-zheng
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0500
摘要:
Structural design simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations has received a lot of attention in recent years. Base-isolated composite structures are typically used in the above-mentioned structural design. The corresponding analysis involves validating structural safety under earthquakes and human comfort under environmental vibrations through a time-history analysis. Thus, a reasonable damping model is essential. In this work, the representatives of viscous damping model and rate-independent damping model, namely the Rayleigh damping model and uniform damping model, were adopted to investigate the influence of damping models on the time-history analysis of such structural designs. The energy dissipation characteristics of the above-mentioned damping models were illustrated via a dynamic test of recycled aggregate concrete specimens. A case study was performed on a base-isolated steelconcrete composite structure. The dynamic responses under the excitation of earthquakes and environmental vibrations were compared using different damping models. The uniform damping model was found to be more flexible than the Rayleigh damping model in dealing with excitations with different frequency components. The uniform damping model is both theoretically advantageous and easy to use, demonstrating its potential in dynamic analysis of structures designed simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations.
基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究
郭涛, 张纹惠, 王文全, 罗竹梅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0566
摘要:
由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(\begin{document}$ {m^*} = 14.8 \sim 280 $\end{document})、阻尼比(\begin{document}$ \zeta = 0.0012 \sim 0.036 $\end{document})和质量-阻尼比组合\begin{document}$ {m^*}\zeta $\end{document}对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生“弱锁定”现象,Re=100~130时,发生传统的“锁定”现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现“相位突变”现象;\begin{document}$ {m^*} $\end{document}\begin{document}$ \zeta $\end{document}对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合\begin{document}$ {m^*}\zeta $\end{document}相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),\begin{document}$ {m^*} = 14.8 $\end{document}的高质量比系统比\begin{document}$ {m^*} = 148 $\end{document}的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为“2S”模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着\begin{document}$ \zeta $\end{document}的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。
基于变弯度技术和协同射流的混合流动控制技术研究
陈诚, 陈其盛, 黄江涛, 聂胜阳, 张文琦, 焦瑾
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0479
摘要:
现代飞机强调高速巡航特性且兼顾隐身特性,因此翼型往往采用厚度较小,前缘半径不大,弯度不大的薄翼型。这类翼型的低速气动性能较差,容易失速,限制了这类飞机的短距起降特性和载重能力,因此需要借助流动控制技术来改善低速特性。本文讨论新型的协同射流主动流动控制技术,同变弯度技术包括后缘变弯和前缘下垂技术等被动流动控制技术相结合,探索混合流动控制技术的流动控制机理和控制效果。基于数值模拟的结果发现:仅采用单一的流动控制技术在薄翼型上得到的控制效果有限,而将协同射流同变弯度技术结合的混合流动控制技术可同时发挥不同流动控制技术的优点(例如协同射流引起的后缘失速的推迟,下垂前缘带来的前缘失速推迟,后缘襟翼带来的零升迎角减小)。本文提供的混合流动控制方案可以将薄翼型的最大升力系数提升至CLmax=3.3127,相对原始构型提升了96%,具有广阔的工程应用前景。
空间结构压杆的套管加固失效模式试验研究
曾滨, 许庆, 陈映, 王春林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0598
摘要:
空间结构压杆失稳是结构失效的重要原因之一。利用套管加固空间结构压杆以抑制压杆屈曲,增加构件的极限承载能力和延性。通过对不同壁厚、套管与内压杆间隙和内压杆外伸段长度的12根试件进行轴压试验,得到加固前后试件的极限承载能力、破坏模式和延性变化。加固后试件的极限承载能力最大提高了146%,且外套管壁厚越大,内压杆外伸段越短,承载力越高;内压杆与外套管间隙越大,承载力略有下降。加固试验中构件的破坏模式由加固前的整体屈曲失稳变化为加固后的整体失稳、内压杆端部外伸段失稳和两种耦合失稳,且壁厚越小,易发生整体失稳,外伸段越长,易发生内压杆端部失稳,间隙对失稳形态影响不明显。此外,加固后试件延性均大于未经加固内压杆,经过合理设计延性指标能够增加一倍以上。
基于Timoshenko梁理论的钢-混组合梁动力刚度矩阵法
孙琪凯, 张楠, 刘潇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0301
摘要:
基于Timoshenko梁理论提出了适用于分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法,该计算模型中考虑了钢-混结合面剪切滑移、剪切变形和转动惯量的综合影响。动力刚度矩阵推导过程中未引入近似位移场或力场,因此,计算结果是准确的。与其他Timoshenko梁模型最大的不同是假设混凝土子梁和钢梁分别具有独立的剪切角,这个假设更加符合组合梁的实际运动,因此,计算结果更加准确。与已发表文章中的试验梁频率计算结果作对比分析;并讨论了不同剪力键刚度、跨高比时,剪切变形和转动惯量对钢-混组合梁自振频率的影响。结果表明:相对于已有的Euler-Bernoulli组合梁、子梁转角相同假设的Timoshenko组合梁模型,文中计算方法具有更高的计算精度,尤其是对于高阶频率;频率越高、剪力键刚度越大或跨高比越小,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差越大;对于1阶、2阶和3阶频率,高跨比分别大于10、18和25后,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差小于5%。
典型激励下调谐质量惯容系统TMIS的轻量化结构控制
张瑞甫, 曹嫣如, 潘超, 胡岫岩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0328
摘要:
经典调谐质量减振系统往往需要较大的附加质量和相应的额外安装空间,为其实际使用带来不便。惯容系统是一种新型的高效振动控制装置,具有两端点惯性、表观质量增效和耗能增效等特性,其中表观质量增效特性可以实现轻量化结构振动控制。该文聚焦具有轻量化控制特征的广义调谐质量惯容减振系统(Tuned mass inerter system, TMIS),陈述其基本原理与典型拓扑形式。考虑地震作用、风荷载与人致激励三种典型动力激励,提出适用于广义TMIS的基于性能需求的优化设计方法获得惯容系统的参数,在使结构满足性能目标的同时降低所需调谐质量的大小。通过与经典调谐质量减振系统进行对比,说明调谐质量惯容系统的轻量化减振控制优势,并通过典型案例及其动力响应分析加以验证。研究表明:TMIS是一种高效的结构振动控制装置,在多种典型灾害下均能有效实现结构减振控制的性能目标与减小调谐质量需求的轻量化目标,为结构振动控制问题的解决提供了便利的新选择。
火灾下四种不同边界双向板的极限承载力计算
朱三凡, 董毓利, 张大山, 段进涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0039
摘要:
为进一步了解不同边界条件下双向板的极限承载力计算方法,该文在已有研究的基础上针对四种不同边界双向板进行了研究。基于塑性铰线理论板块平衡法和能量法,给出了火灾作用下三边简支一边固支、三边固支一边简支、两长边固支两短边简支、两长边简支两短边固支四种不同边界钢筋混凝土双向板极限承载力的计算公式。该公式考虑了大挠度下的薄膜效应影响,计算结果与试验结果有较高的一致性,两种方法计算结果存在2%左右的偏差。在整合其他边界双向板计算公式的基础上,提出了火灾下各种边界双向板极限承载力计算的通用公式,能为工程设计和下一步研究提供参考。
基于修正的软化拉压杆模型的RC框架边节点受剪性能研究
熊学玉, 谢一凡, 姚刚峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0192
摘要:
在软化的拉压杆模型(softened strut and tie model, SSTM)基础上,针对边节点受力特点,建议采用更准确的混凝土斜压杆倾角计算公式,并基于44个RC框架边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线的试验数据,拟合了软化混凝土本构曲线,提出修正的软化拉压杆模型(modified softened strut and tie model, MSSTM)。使用传统SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型分别对91个边节点受剪承载力(其中56个发生节点核心区剪切破坏)、26个边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线进行计算。结果表明:MSSTM模型对受剪承载力以及剪应力-剪应变骨架曲线的预测效果整体优于SSTM模型和约束斜压杆模型。就承载力而言,SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型的计算值与试验值之比的均值分别为1.028、1.203和0.995,变异系数分别为0.230、0.273和0.164。MSSTM模型计算结果更准确且离散性更小。此外,MSSTM模型可较好预测应力-应变曲线上的特征参数,尤其是峰值剪应力和开裂刚度。两者计算与试验结果比值的均值分别为1.14和1.02。
火灾下钢筋混凝土简支板力学响应机理
丁发兴, 王文君, 蒋彬辉, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0664
摘要:
拉力膜理论针对的是板大变形下开裂状态的研究,对于火灾下板发生大变形尚未开裂的机理缺乏合理的解释。为此笔者采用合理的材料热工性能和热-力耦合本构关系,应用ABAQUS有限元软件对火灾下钢筋混凝土简支单向板和双向板的温度场和热力耦合场进行了三维实体有限元分析,在实验验证的基础上深入探讨火灾下混凝土和钢筋的应力变化规律以及钢筋混凝土简支板的力学响应机理。分析结果表明:(1) 简支板发生了激烈的应力重分布现象,其变形过程经历弹性、弹塑性、塑性以及受拉开裂四个阶段,在弹塑性和塑性阶段板底混凝土双向受压的倒拱效应使得双向板抗火性能优秀;(2) 当火灾下钢筋混凝土简支板实验没有达到力学响应的受拉开裂阶段时,板底直接受火区域不会出现开裂现象;(3) 与单向板相比,双向板进入塑性与受拉开裂阶段的时间大幅度延长,且塑性与受拉开裂阶段变形速率减缓,因此其抗火性能更优。
以结构反应均值估计为目标的时程分析输入地震波选择研究
张锐, 王东升, 孙治国, 李宏男, 刘文锋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0521
摘要:
地震动输入是导致结构时程分析结果不确定性的最重要的影响因素,如何选择地震波实现对结构反应的“准确、有效、一致”估计是时程分析中的一项重要任务。本文对以结构反应均值估计为目标的时程分析选波问题,基于目标谱法进行了系统深入的研究。针对谱匹配,引入具有明确物理含义的权重系数,对提出的可考虑多振型影响的双指标多频段工程经验选波法和理论更加完备的最小二乘加权调幅选波法,进行了详尽的算例分析。研究表明,双指标多频段经验法可满足现有规范要求。通过与国内学者、人工波方法和NGA-West2强震数据库选波模块的比较,论证了加权调幅法在估计结构反应均值方面具有可靠的准确性,并具有广泛的适用性,也包括减隔震结构。通过比较研究也进一步明确了加权调幅法的优势在于可明显降低结构反应的离散性,更适于长周期结构的弹塑性时程分析。针对目标谱选择,提出以Newmark三联谱作为目标谱的选波方法,拟解决长周期及超长周期结构的选波问题。
波动谱元模拟中透射边界稳定性分析
章旭斌, 谢志南
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0428
摘要:
无限域波动数值模拟中,人工边界的稳定性是获得可靠模拟结果的前提。具有高阶精度的谱元法和透射边界两者结合的数值模拟方案显示出较好的模拟精度和数值稳定性,然而仍然存在数值失稳现象,其失稳机理和稳定条件尚不明确,相应的理论分析极为欠缺。该文针对透射边界在高阶谱元法中的稳定性,依据高阶谱单元中非等间距节点的周期延拓特点,通过构建内域和边界数值格式的向量形式来分析人工边界反射系数。进而保证边界对谱元法中存在的真实模态和虚假模态的反射系数均小于等于1,从而得到透射边界的稳定条件,其表现为无量纲边界参数和谱元参数之间的关系,其含义为透射边界人工波速与介质物理波速的比值限定在一定范围内。同时揭示了透射边界引发高频失稳的机理,即边界对谱元法中虚假模态的反复反射放大所致。最后采用数值实验验证了透射边界稳定条件。
自复位桥墩耗能钢筋合理配筋率的设计方法研究
鲍泽华, 李建中, 李永兴, 钟学琦
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0425
摘要:
自复位桥墩在地震作用下损伤较小,近年来受到了工程界的关注。无耗能装置的预应力摇摆墩耗能能力小,导致其在地震作用下产生较大的位移响应。为了增加无粘结预应力摇摆墩的耗能能力,通常会在墩底采用耗能钢筋。研究结果表明:增加耗能钢筋的用量,可以提高桥墩的耗能能力,但同时也会增加桥墩震后残余位移。然而,现有研究很少涉及耗能钢筋的合理配筋率问题。本文采用非线性时程分析方法,从自恢复指标λ对不同周期结构地震位移反应的影响入手,结合耗能钢筋配筋率ρ与自恢复指标λ的对应关系,提出了自复位桥墩耗能钢筋合理配筋率的设计方法。即不同周期自复位桥墩的耗能钢筋合理配筋率可通过其λ推荐值及ρ-λ关系得到。最后,以一座四跨连续梁桥为例,验证所提耗能钢筋合理配筋率设计方法的合理性。研究结果表明,当结构周期比η<1.0时,λ推荐值为1.2;当结构周期比1.0\begin{document}$\leqslant $\end{document}η\begin{document}$\leqslant $\end{document}2.0时,λ推荐值为2.0;当结构周期比η>2.0时,本文推荐耗能钢筋配筋率为0.5%。
剪切型金属阻尼器恢复力模型研究
卜海峰, 蒋欢军, 和留生
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0435
摘要:
剪切型金属阻尼器在新建工程及结构抗震加固工程中已得到了较广泛的应用,其恢复力模型是进行整体结构非线性地震反应分析的基础。为了更准确地描述剪切型金属阻尼器的剪力-变形滞回关系,提出了一种考虑性能退化的新型恢复力模型。通过独立参数控制恢复力模型,以考虑剪切型金属阻尼器在大变形下的强度退化、刚度退化、耗能能力退化等特征。根据所提模型,采用C++语言开发了能够用于剪切型金属阻尼器抗震分析的计算程序,并将其嵌入到结构通用分析软件OpenSees中。最后,使用该模型对现有钢连梁和钢板剪力墙两类剪切型金属阻尼器进行了模拟。结果表明:该文建立的恢复力模型能较准确地模拟试验结果,能够反映剪切型金属阻尼器包括大变形阶段在内的整个变形阶段的滞回性能。该模型可用于安装了剪切型金属阻尼器的整体结构非线性地震反应分析。
一种抗震性能化设计方法及在防屈曲支撑钢框架结构中的应用
邱灿星, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0463
摘要:
本文围绕防屈曲支撑钢框架结构提出了一种新的抗震性能化设计方法。在选取性能目标时,为了兼顾建筑中结构主体和非结构成分的地震安全,该方法选取了峰值层间位移角、峰值楼面加速度和残余层间位移角共同作为性能目标。首先,以等效单自由度体系的弹塑性时程分析计算结果进行参数分析,掌握防屈曲支撑钢框架结构随基本周期和强度折减系数变化的地震响应规律;随后,根据结构动力学理论将单自由度体系的计算结果推广至多自由度体系;最后,基于此发展出一种新的抗震性能化设计方法。为演示和论证该方法的有效性,本文选取了一栋六层防屈曲支撑钢框架结构的基准模型进行抗震设计,并开展一组地震动作用下的弹塑性时程分析。抗震性能评估的结果表明,由该方法设计的结构能够较好地同时满足多个设计目标的要求。本文的设计方法对于其他类型结构的抗震设计也具有一定的借鉴价值。
定点锤击及现场列车作用下浮筑隔振效果对比试验及预测方法研究
李昊, 杨维国, 邹晓光, 刘佩, 王萌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0495
摘要:
通过现场及线下试验,测试了整体浮筑隔振措施在实际列车激励与定点锤击激励下的振动响应,分析了2种荷载激励下隔振效果的差异,并对定点锤击激励的有效性和准确性进行评价。结果表明:列车及定点锤击荷载激励下,浮筑隔振可显著减小振动加速度响应,两种荷载激励下浮筑隔振体系的特征峰值和各频段能量分布走势相近。锤击激励下的计权Z振级隔振量略低于列车激励,其隔振效果偏于保守,可见针对浮筑隔振系统的效果评价实际列车激励方式要优于定点锤击激励方式。最后结合理论及试验分析,提出针对受振体柔性支撑浮筑隔振体系的隔振效果预测方法,可为类似隔振措施的评估和比选提供参考。
防撞击X型阻尼器及新型耗能减撞站房柱力学性能研究
尹曜, 朱翔, 王蕊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0358
摘要:
针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要,该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱,保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析,并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证,包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型,从而优化单个防撞击X型阻尼器截面,使其耗能最好,并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明:在撞击荷载作用下,采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量,而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝;加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升,但结构柱的塑性应变也会随之增加;整体而言,新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力,保障了结构柱的安全。
基于应变模态响应重构的损伤识别方法
邹云峰, 卢玄东, 阳劲松, 何旭辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0419
摘要:
土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义,也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数,或者需要准确获取结构外部载荷信息,极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性,该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中,提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型,以损伤结构测量的信号输入,通过基于经验模态分解的应变重构方法,可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据,通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算,求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息,通过高效的时域应变重构,能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性,开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究,探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响,结果表明,该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤,对测量噪声具有较强的鲁棒性。
核电厂预应力混凝土安全壳中氯离子扩散系数的预测方法
曾滨, 荣华, 蔡达华, 张江涛, 耿岩, 郑建军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0381
摘要:
氯离子扩散系数是评价沿海环境中核电厂预应力混凝土安全壳耐久性的重要参数。该文基于两尺度方法,通过分析双轴等压下水泥浆基体、界面和混凝土细观结构,建立了水泥浆基体和界面毛细孔隙率与预应力之间的定量关系。为了量化预应力对微裂纹闭合、产生和扩展的影响,提出了临界毛细孔隙率与预应力之间的经验公式。将混凝土模拟成由骨料、界面和水泥浆基体组成的三相复合材料,获得预应力混凝土氯离子扩散系数比。通过与试验结果比较,校正了经验公式中的两个参数。用三组试验数据初步验证了该预测方法的有效性。
输电线路防舞阻尼器系统参数分析及设计研究
黄赐荣, 楼文娟, 徐海巍, 张跃龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0522
摘要:
针对目前覆冰导线舞动频发现状,提出了一种通过在导线靠近输电塔位置处设置阻尼器来减振耗能从而实现输电线路舞动抑制的方法。基于Hamilton原理运用多阶伽辽金函数推导得到了导线-阻尼器系统的广义运动方程,并以某750 kV单档八分裂输电线路为例进行运动方程特征值分析,得到了导线-阻尼器系统的动力特性,探索了导线的垂度参数、阻尼器安装位置、阻尼系数及刚度系数等对系统等效阻尼比的影响,阻尼器安装位置越靠近跨中,系统的最大阻尼比提升效果越明显,两侧对称安装阻尼器可以有效地减小最优阻尼系数。采用数值算例和有限元数值仿真技术比较了粘滞阻尼器与负刚度阻尼器(NSD)对导线系统的减振效果,并针对NSD提出了参数的优化设计方法。研究表明:相比传统阻尼器,NSD可以在较低阻尼系数下有效地提高系统各阶的最大阻尼比,且能够明显降低导线系统的自振频率;系统所能达到的一阶最大阻尼比对NSD安装位置的变化不敏感;通过有限元仿真证实了,基于NSD的输电导线阻尼器设置方案相较于传统阻尼器方案具有更好的防舞性能。
城市高架桥拆除爆破振动信号的非线性特征分析
谢全民, 贾永胜, 姚颖康, 丁凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0395
摘要:
为研究高架桥拆除爆破振动响应动力学机制,分析爆破振动、塌落振动时间序列的动力学因素,将拆除爆破振动响应时间序列进行相空间重构,通过吸引子、Lyapunov指数、关联维数、Kolmogoro熵等核心参量计算,分析高架桥拆除爆破振动响应信号混沌特征。经过计算,爆破振动及桥体塌落冲击作用下振动响应信号相空间重构后具有奇怪吸引子,且Lyapunov指数、Kolmogoro熵均大于0。研究表明:高架桥拆除爆破振动信号具有典型的混沌特征,为混沌非线性理论引入爆破振动危害效应分析领域奠定了理论基础。
基于空间位形的在役索膜结构有限元模型修正与安全评估
丁一凡, 刘宇飞, 樊健生, 刘家豪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.ST08
摘要:
索膜结构的内力分布与空间位形相互关联,受施工阶段的几何找形与服役阶段的结构损伤、性能退化等影响,在役索膜结构的实际位形与设计状态有所差异,结构的服役性态未知,工程上的安全评估难以操作且并无可靠方法借鉴。该文提出了一种基于空间位形指标的在役索膜结构有限元模型修正方法,以模型中拉索的初始预应力作为优化参数、以结构关键节点坐标的匹配作为模型修正目标函数,通过构建基于结构特征点空间位置信息的目标函数来反映有限元模型与实际结构的吻合度,设计ABAQUS与MATLAB联合仿真优化程序,利用全局搜索和局部优化实现模型修正。现场试验采用三维激光扫描获取在役索膜结构空间位形信息,基于实测数据对有限元模型进行修正。修正后模型与实际结构受力状况更为接近,与索力的实测结果对比表明,有限元模型的索力由修正前最大偏差10%~30%降低至10%以下,验证了方法的有效性与准确度。最后,利用修正后的有限元模型实现了在役索膜结构的安全评估。
考虑垂度影响的拉索-双粘滞阻尼器系统振动分析
孙利民, 狄方殿, 陈林, 邹易清
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0262
摘要:
随着斜拉索长度的不断增加,在索近梁端单点安装阻尼器已经难以满足拉索减振的需要。同时,已有研究表明索垂度会减弱索端阻尼器的减振效果。因此,针对超长斜拉索,考虑垂度的影响,分析了斜拉索上两处安装粘滞阻尼器(拉索-双粘滞阻尼器)系统的复模态特性。考虑实际中阻尼器一般安装于近索锚固端位置,推导出了该情况下系统模态阻尼比的近似解析表达式,进行了阻尼器参数对索阻尼的影响分析和优化。结果表明:对于双阻尼器系统,垂度仍对拉索对称振动模态的阻尼比有减弱效果,对反对称振动模态无影响;阻尼器对称安装于索两端时,即使考虑垂度索所获得的最优阻尼相比于安装单个阻尼器时可以提高至2倍,能有效解决单阻尼器提供阻尼不足的问题。双阻尼器同端布置相比于仅安离索端较远的阻尼器时,索单阶最优模态阻尼无提高,但对于同时抑制拉索高、低阶振动具有优势。
基于iBeam3单元逆有限元法的冻土区管道变形研究
朱梦杰, 任亮, 李宏男, 王嘉健, 尤润州
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0334
摘要:
形状传感技术结合了应变-形状算法,使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化,可实现动态实时监测。该文提出了一种基于iBeam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。首先建立了基于iBeam3单元的逆有限元法的理论框架模型;其次试验验证了其合理性;然后设计了冻土区管道变形试验,结合应变传感器所测表面应变信息建立逆有限元分析模型;最后实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果表明,该方法不仅能实时监测管道随土体冻融循环的完整变形过程,而且可以保证精度。在解决寒区管道结构健康监测问题上潜力巨大。
基于DT-Ⅲ型扣件安装的e型弹条静力学分析
刘艳, 刘欢, 李秋彤, 姜秀杰, 袁贤浦, 朱哲皓
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0586
摘要:
扣件系统的安装状态直接影响弹条疲劳寿命的预测结果。目前,e型弹条失效及疲劳性能的现有研究大多基于简化加载方式(先将弹条插入插孔,后抬升趾端位移)模拟扣件安装过程,忽略了扳手对弹条中肢的约束,弹条跟端和后拱的逐步抬升及弹条跟端与铁垫板承台之间摩擦的影响。以DT-Ⅲ型扣件系统为例,提出了基于扣件现场安装,拉拔e型弹条中肢的加载方式,建立精细化分析模型,与简化加载工况对比分析,并通过现场安装及简化安装测试验证。结果表明:现场安装应变测试的实测表面最大主应变值与简化加载试验结果相近,但方向角与后者相差约5°。现场安装加载工况的弹条最大主应变全局最大值位置,随弹条插入深度增加而发生显著变化;当弹条处于过安装状态时,应变全局最大值阶跃式增长,位置跳变至弹条中肢与铁垫板插孔挤压处。为准确评估与预测e型弹条疲劳寿命,仅可采用现场安装加载工况进行疲劳分析;若对弹条进行强度大小分析,为节约计算时间,也可采用简化加载工况近似模拟。
考虑震源和场地特征的近断层地区竖向地震动合成研究
李宁, 刁泽民, 李忠献
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0232
摘要:
近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视,该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型,考虑模型参数相关性并保留其变异性,使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性);绘制残差图分析了统计效果,验证了回归所得参数的显著性;对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异,以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度,验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数,可考虑强度和频率非平稳性);与乘系数法相比,该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律;可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法,用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计,也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。
考虑温度效应的软土固结蠕变耦合模型
邓岳保, 毛伟赟, 俞磊, 朱瑶宏, 谢康和
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0292
摘要:
软土的固结蠕变是软土地基及构筑物长期变形和稳定性的重要影响因素。在涉热岩土工程兴起和逐渐发展的背景下,研究软土在热力耦合作用下的固结蠕变特性并建立力学模型,对于评估涉热工程软土场地长期变形及稳定性具有重要意义。对此,针对典型滨海软土开展热固结蠕变试验,得到热固结蠕变特性及相关参数取值,建立考虑温度效应的固结蠕变经验公式。结合弹黏塑性理论和热固结理论,推导考虑温度效应的固结蠕变耦合力学模型。在合理性验证基础之上开展算例分析,结果表明:新型热固结蠕变耦合模型能反映土体变形的弹性、塑性、黏性和热胀冷缩属性,能描述土体的热孔压、热回弹和热沉降现象,还能分析软土长期变形的温度效应和时间效应;该成果为软土场地涉热岩土工程问题分析提供了可供参考的理论基础。
非线性能量阱振动抑制效果理论分析与试验研究
楼京俊, 李爽, 柴凯, 卢锦芳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0224
摘要:
针对潜艇机械设备周期性运转产生的宽频线谱难以消除问题,开展了简谐激励下非线性能量阱振动抑制效果与结构参数优化研究。建立机械设备耦合非线性能量阱的动力学模型,利用增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论分析了系统周期解及其稳定性;以系统振动能量为评价准则,探讨了阻尼、质量比和刚度3个参数对非线性能量阱振动抑制效果的影响规律;进一步,在质量比\begin{document}$ \varepsilon = 0.05 $\end{document}时,通过局部优化得到了非线性能量阱阻尼与刚度区间,并对振动抑制效果鲁棒性进行了研究。理论研究表明:增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论三者相结合,与Runge-Kutta法计算结果吻合良好,能够有效构建耦合系统周期解完整图像;弱阻尼是非线性能量阱具备良好吸振效果的先决条件,对于参数优化后的非线性能量阱,在外界激励频率\begin{document}$ \pm $\end{document}20%以及激励幅值\begin{document}$ \pm $\end{document}50%变化范围内都具备良好的振动抑制效果,鲁棒性较佳。设计了一种可垂向承载的柔性铰链型非线性能量阱原理样机,并开展了台架试验,验证了理论研究成果的正确性。
基于等几何分析的参数化曲梁结构非线性动力学降阶模型研究
郭玉杰, 吴晗浪, 李薇, 李迎港, 吴剑晨
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0285
摘要:
模型降阶方法通过构造全阶模型的低阶近似模型有效提升了求解效率,同时也保留了原阶模型的主要信息从而保证了较高的计算精度。对于结构非线性以及参数化的模型降阶问题,常需要重复计算刚度矩阵等非线性以及参数依赖项,求解效率较低。此外,当参数化模型的几何形状改变时,往往需要重复进行CAD与有限元(FEA)模型的转换,这对于复杂结构较为耗时。等几何分析采用描述几何形状的非均匀有理B样条(NURBS)插值物理场,实现了CAD与FEA模型的统一,消除了两者之间繁琐的模型转换过程,其具有几何精确、高阶连续等优点,并且几何形状在细化过程中保持不变,非常适合于薄壁类结构的分析以及参数化表达。该研究结合等几何分析、特征正交分解(POD)以及离散经验插值方法(DEIM)研究参数化的平面曲梁结构的非线性动力学模型降阶问题。数值结果表明,基于等几何分析的POD-DEIM降阶模型能够显著提升平面曲梁结构的非线性动力学计算效率,并且该模型对于参数化以及变载荷等情形显示出了良好的适应性。
砂土可视化直剪试验与剪切带形成机制研究
王子寒, 张若钰, 景晓昆, 肖成志, 黄达
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0283
摘要:
通过对常规直剪仪进行可视化改造,并结合数字图像变形量测技术,探究了不同尺寸砂土试样在剪切过程中剪切带的形成机制和扩展过程,归纳了试样尺寸对砂土强度指标的影响,并针对典型尺寸试样总结了不同剪切时刻、不同法向应力下剪切带(尤其是副剪切带)的演化规律,同时对试验中发现的拱形破坏区域进行受力分析,对主/副剪切带的强度参数进行了对比。结果显示:试样尺寸影响强度指标,当长边与短边之比大于2时,试验结果偏离平均值,当比值大于4时,会造成严重误差;剪切破坏区域不是始终沿水平剪切缝发展,而是在上盒中下部逐渐形成一条向上凸起的弧形副剪切带,剪切破坏区域沿着主、副两条剪切带而展开;随着剪切位移的增加,以及法向应力的减小,拱形破坏区域会逐渐减小;拱形副剪切带上的正应力和剪应力均大于水平主剪切带;而主/副剪切带的强度指标基本一致,间接证明了副剪切带存在的合理性。
现代有轨电车小半径曲线桥桥墩横向刚度研究
谢铠泽, 赵佳, 赵维刚, 王新敏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0649
摘要:
现代有轨电车小半径曲线桥梁桥墩横向刚度对线路的平顺性有重要影响。基于有限元法,建立曲线桥梁-无缝线路空间耦合作用计算模型,以某(35+40+40+35) m曲线钢-混组合桥为例,分析了多种因素对轨向不平顺的影响。结果表明:曲线桥上无缝线路会因纵、横向梁轨耦合作用引起中长波的轨向不平顺;轨向不平顺幅值与桥墩纵向刚度、轨温变化幅度、扣件纵向阻力极限荷载正相关,与桥墩横向刚度、曲线半径、扣件纵向阻力弹塑性临界位移负相关,其中曲线半径影响最为显著;曲线半径从150 m增加至600 m,中点弦测法、矢距差法所确定的轨向不平顺幅值降幅均超过60%;确定了有轨电车常用跨度连续梁桥在不同曲线半径条件下对应的桥墩横向刚度限值,其中钢-混组合桥对应桥墩横向刚度限值是同等条件钢筋混凝土桥的1.2~2.0倍。建议曲线桥上无缝线路设计中优化锁定轨温,或采用小阻力扣件,可有效降低因梁轨相互作用引起的轨向不平顺幅值和桥墩横向刚度限值。
一维传热方程瞬态问题解析解及其应用
仝睿, 付浩, 宋二祥
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0304
摘要:
探究路基及浅层土体的温度随深度的分布规律,对冻土区域路基的合理设计有重要意义。该文根据实际浅层土体温度边界情况,建立了一维传热瞬态模型并给出其解析解,通过与数值模拟及现场测试结果的对比验证了解析解的正确性。仔细考察介质分层情况下的热传导过程发现,传热问题在一定程度上存在与波动问题类似的现象,即在分层界面处有热传导的反射与透射,结合对解析解的分析及数值模拟,对此种“温度波”现象进行了论证分析,发现此种波总是伴有明显的衰减。此外,还探讨了解析解在冻深估计、有关模型试验中几何相似关系的确定、“覆盖效应”数值模拟等方面的应用。
考虑两类装配式节点非线性行为的框架结构响应分析
许伟志, 王曙光, 贲驰, 宋宝玺, 李威威
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0270
摘要:
装配式混凝土框架结构在我国应用广泛,目前主要按“等同现浇”原则进行设计和结构计算。然而,由节点非线性行为不同引起的结构响应差异不可忽视。本文考虑到两类典型的装配式节点非线性行为与现浇节点的区别,研究了这些区别对框架结构地震响应产生的影响。对于效仿连接节点,由其构造形式分析了节点的受力机制,并据此解释了其与现浇节点在试验现象上的差异,提出了两类节点无量纲化的滞回模型,并通过已有试验结果验证了所提模型的合理性。对于非效仿连接节点,从设计角度出发,系统研究了后张无黏结混合装配预应力混凝土节点的力学行为。研究内容采用动力时程分析方法,从结构位移响应、梁柱延性需求、残余变形等方面揭示了装配式框架与现浇框架的差异。本文的研究结果对装配式框架结构在高地震烈度区的应用具有实用的参考价值。
腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁抗剪性能研究
杨远龙, 孙天培, 韩劲钧
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0251
摘要:
外包U形钢-混凝土组合梁具有承载力高、延性好等优势,其施工工艺也顺应了目前建筑结构装配式发展的趋势。本文采用与钢腹板一体的嵌入式抗剪连接件,设计了九个腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁(WUSCB)的剪切性能试验,考虑了剪跨比、混凝土翼板宽度、连接件间距及倾角、底部纵筋直径、栓钉和箍筋设置、U形钢腹板高厚比等参数的影响,分析并总结了各试件的破坏模式,基于剪力-跨中挠度曲线对比分析了各试件的承载力和延性等抗剪性能指标,基于剪跨区U形钢腹板等效应力的分布形式研究了剪力传递机理。采用ABAQUS有限元分析软件,针对WUSCB试件建立了有限元模型,进行了剪跨比、混凝土翼缘板宽度、腹板高厚比和底部纵筋配筋率四个参数的影响规律分析。基于试验结果和有限元参数分析结果,提出了WUSCB的抗剪设计方法,该方法考虑了混凝土、U形钢腹板和底部纵筋销栓作用对抗剪承载力的贡献,能较准确地预测WUSCB的抗剪承载力。
天然橡胶支座大变形压剪性能的双非线性超弹性理论和实验研究
杨静, 潘文, 苏何先, 何颖成, 管庆松, 张岩岩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0325
摘要:
基于非线性固体力学已经形成与材料微观结构紧密结合的发展局面,该文从微观上橡胶的超弹性本构方程出发,推导出单层橡胶内任一点的竖向应力满足调和函数,进一步对竖向应力积分得到单层橡胶的单轴等效弹性模量\begin{document}${E_{\rm c}}$\end{document}与纯弯等效弯曲刚度\begin{document}${E_{\rm c}}I_{\rm s}$\end{document}。将隔震橡胶支座等效为符合\begin{document}${E_{\rm c}}$\end{document}\begin{document}${E_{\rm c}}I_{\rm s}$\end{document}的均质体,建立橡胶支座在两种外部荷载同时作用下,能宏观反映剪切变形与弯曲程度的偏微分平衡方程,并得到通用解答,解决了橡胶支座竖向与水平两种荷载耦合作用时大剪切变形的几何非线性问题。在此基础上,开展了足尺隔震橡胶支座压剪实验,依据实验剪切模量\begin{document}$G$\end{document}和水平剪应变\begin{document}$\gamma$\end{document}曲线,得到的支座水平推力\begin{document}${{F_{\rm H}}}$\end{document}\begin{document}$\gamma $\end{document}的实验曲线与理论曲线几乎完全重叠,即通过将材料非线性引入以上微分平衡方程,实现了超弹性橡胶支座大剪切变形的双非线性问题。通过以上解答,得到了隔震橡胶支座内力分布规律,对判断支座薄弱部位有明确的指导意义。随后,对隔震橡胶支座比较重要的两个特性(剪应变相关性,轴压力相关性)进行了对比分析,结果表明,随着轴力增大,橡胶支座的P-Δ效应并不明显,而橡胶内应力的变化不可忽视,同时,剪应变越大,压力相关性越强。可以采用该文的理论方法,通过传感器监测到支座内部应力反演支座水平推力与位移,从而实现地震作用时隔震建筑的健康监测。
矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点力学性能试验研究
张艳霞, 刘梓洋, 徐斌, 孙宇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0111