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基于时间有限元的弹簧摆动力学新解法
陈德坤, 丁幸波, 温新婕, 刘曼兰, 兰朋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0124
摘要:
弹簧摆问题是一种刚柔耦合的非线性动力学问题,随着电力技术的发展,弹簧摆在高压电塔减震方面获得了大规模的应用,但其动力学仿真还存在很多不完善之处。对此该文提出了一种利用时间有限元与保辛递推算法求解弹簧摆问题的新方法。该方法通过对弹簧摆的非线性摆动问题进行了近似积分处理,并对作用量采用矩形和梯形积分的方法获得保辛递推的形式。在提高求解速度的同时,提高了长时间求解的数值稳定性。为了体现了该文方法在求解内共振系统上的速度和稳定性优势,同已有结果进行两次对比,显示本算法较传统算法的计算速度、时间稳定性与精度上均存在一定优势。最后初步讨论了采用该方法求解大摆角混沌问题的途径。
基于视觉分区的结构振动模态测试方法
吕钧澔, 校金友, 文立华, 杨永超, 刘海晴
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0058
摘要:
为提高单目视觉方法进行模态测试的精度,提出了一种可估计分区视场大小及分区数的分区模态测试方法。考虑到低分辨率图像和运动模糊对振动测量精度的影响,建立了测量视场参数与测量精度的关系,通过求解最优的测量视场参数,估计出分区视场大小及分区数量;将整体结构的全局视场进行分区,展开振动模态测试,通过合并分区视场的频响函数获得整体结构的频响函数,采用PolyMAX方法辨识得到结构的模态参数;通过悬臂梁的模态实验,验证了该文所提基于视觉分区的模态测试方法的有效性。结果表明:该文的方法可有效提高振动响应的测量信噪比和模态参数的辨识精度。
带开孔板剪力键的钢-UHPC组合板受弯性能试验研究及数值模拟
周敏, 肖靖林, 杨腾宇, 聂建国, 樊健生
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0239
摘要:
研究了一种采用开孔板(PBL)剪力键的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合板,可用作大跨度桥面板或楼板。基于某特大跨度组合梁斜拉桥的桥面板设计,完成了3块钢-UHPC组合板和1块钢-C60组合板的足尺模型试验,探究剪力连接件种类、数量和混凝土材料对组合板受力性能的影响。试验结果表明:在集中荷载作用下,钢-UHPC组合板发生典型的弯曲破坏,而钢-C60组合板发生冲切破坏;钢-UHPC组合板的承载力、刚度和延性均远优于相同厚度的钢-C60组合板;在3块钢-UHPC组合板试件中,含较多开孔板剪力键的试件表现出最佳的受力性能。基于ABAQUS建立钢-UHPC组合板的精细有限元模型,模型的预测结果与试验得到的荷载-位移曲线吻合良好,进一步利用有限元模型开展了参数分析。
风震耦合作用下高层建筑主体结构和玻璃幕墙的性能研究
任重翠, 李建辉, 唐意, 刘军进, 严亚林, 郝玮, 孙超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0223
摘要:
为研究风、地震单独及耦合作用下,主体结构和玻璃幕墙的性能变化和相互影响,基于高烈度区98 m高框架-核心筒结构,依据规范要求增设玻璃幕墙形成总体有限元分析模型,根据场地条件选取三组三向地震动记录,并通过1∶440缩尺模型风洞试验获得不同重现期的风压时程,采用非线性动力时程分析方法,研究风、地震单独与耦合作用对主体和玻璃幕墙结构受力性能的影响。结果表明:主体结构对玻璃幕墙的影响大于玻璃幕墙对主体结构的影响,在风、震单独及耦合作用下,主体结构的层间变形大于玻璃幕墙自身变形。在设防大震和超烈度大震作用下,主体结构的非线性响应和玻璃幕墙的破坏范围随荷载增大而增大,结构变形增长大于基底剪力;风作用下玻璃幕墙未破坏,主体结构处于弹性阶段,结构基底剪力、顶点位移和最大层间位移角呈线性增长;与单独大震作用相比,在1.1倍100年重现期风压和大震耦合作用时,结构出现扭转效应,层间位移角之比由1.0增至1.3,主体结构和玻璃幕墙的非线性响应大于风震单独作用时的简单叠加,其中结构顶点位移和最大层间位移角为单独作用时求和值的121%、106%。在大震及风震耦合作用下,玻璃幕墙容易发生破坏的位置为平行地震作用主向的侧面。
形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究
张锡成, 胡成明, 吴晨伟, 韩乙楠, 张玉涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0123
摘要:
古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。
基于Sigma点全局迭代参数卡尔曼滤波的折线型本构模型参数识别
杨纪鹏, 夏烨, 孙利民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0242
摘要:
折线型本构模型控制参数少,物理意义明确,但其数学表达式复杂因而识别困难。针对折线型本构模型的参数识别,提出基于Sigma点变换的全局迭代参数卡尔曼滤波算法。所提方法以待识别参数作为状态向量,降低状态向量维度,减少计算量;基于Sigma点卡尔曼滤波避免求解雅克比(Jacobian)矩阵,实现非连续型函数本构模型的参数识别;通过设定目标函数进行全局迭代,以获得最优解。由于非线性系统下一时刻响应与历史路径有关,量测更新时由初始时刻计算到当前时刻。最后,在地震荷载下,将隔震支座系统简化为单自由度双线性模型,将桥墩简化为单自由度Takeda模型,根据本文所提出的方法理念,分别基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)、容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman filter,CKF)和球面单纯形径向容积正交卡尔曼滤波(spherical simplex-radial cubature quadrature Kalman filter,SSRCQKF)采样规则识别折线型本构模型参数。结果表明所提方法能够准确识别非线性参数,同时具有较强的鲁棒性,不同滤波器收敛过程及结果也有所差异。
吊顶主次龙骨节点受剪和受弯性能试验研究
王勇, 蒋欢军, 吴宸
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0266
摘要:
近年来发生的地震中吊顶的震害显著,主次龙骨节点失效是吊顶破坏的主要原因之一。为评估吊顶主次龙骨节点的受剪和受弯性能,对其开展单调加载和低周往复加载试验,考察了节点的破坏模式、承载力、变形能力、滞回性能和耗能能力,建立了节点的易损性曲线。研究结果表明,主次龙骨节点主轴受剪和次轴受剪的破坏模式分别为节点剪切破坏和节点面外弯曲并脱出,主次龙骨节点受弯的破坏模式是节点脆性脱出破坏。对比节点主轴受剪,节点次轴受剪时强度更低,但节点变形能力更强。对比节点主轴受弯,节点次轴受弯时强度更高,但节点转动能力稍低。主次龙骨节点受剪和受弯时的荷载-位移滞回曲线捏拢效应显著,耗能能力不强。易损性分析表明,主次龙骨节点次轴受剪和主轴受弯时更容易破坏。
穿越非均匀土体埋地管道地震离心实验研究
张宏涛, 赵宇飞, 高明旭, 高建岭
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0747
摘要:
穿越非均匀土体经历不同地震作用的埋地管线的变形和残余强度严重影响着管道的安全。该文采用离心振动台分别平行于埋地管道长度方向输入0.6 g和0.3 g峰值地面加速度地震波,研究了埋地管道在一系列地震作用和不均匀土体变形共同作用下的响应,得到了PVC和铝合金两种埋地管道穿越软土/硬土土体的地震响应规律。地震引起不均匀土体的瞬时变形,导致埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中,管道拉伸应变幅值软土要大于硬土,而压缩应变幅值正好相反,硬土中管道拉伸应变幅值小于压缩应变幅值,硬土中管道压缩应变幅值受地震烈度影响比软土大。地震引起的土体永久变形对埋地管道残余变形影响很大,硬土中的管道残余应变为压应变,软土中管道的残余应变为拉压应变交替分布。
基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究
潘毅, 包韵雷, 刘永鑫, 李爽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0871
摘要:
针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。
建筑结构抗震“体系能力设计法”综述
叶列平, 金鑫磊, 田源, 陆新征, 缪志伟, 曲哲, 林旭川, 卢啸
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0173
摘要:
建筑结构是由不同力学单元组合形成的复杂系统,从系统层次控制结构在强震下的动力响应与损伤过程对结构抗震设计具有重要意义。为使建筑结构具有“稳定、有序、渐进、可控”的地震损伤机制与破坏模式,预先设计明确的损伤机制和提高结构整体屈服后刚度是有效途径。在此背景下,“体系能力设计法”得以提出和发展。体系能力设计法通过在体系层次设置主、次结构,使结构的弹塑性动力响应受控于抗震能力较高的主结构,从而实现性态控制。该文综述了体系能力设计法中的关键科学问题在近年来的重要发展,并探讨了体系能力设计法的工程指导意义与未来发展方向。
复合加固震损RC框架抗震性能试验研究
褚云朋, 施毕新, 钟燕, 龚寅东, 封天赐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0194
摘要:
碳纤维布和角钢混合加固后能有效提高结构承载能力及延性,发挥二者材料性能各自优势。采用纤维布、纤维布加角钢及增设斜支撑3种方法对震损RC框架进行加固,开展低周往复加载的抗震性能试验研究,结果表明:(1)采用纤维布加固后未能明显提高节点协调梁柱变形能力,梁端破坏严重,节点处纤维布随混凝土一起脱落;承载力未恢复到震损前承载力。(2)复合加固后节点及柱脚均未发生明显破坏,实现了强节点弱构件的抗震设计原则;采用斜支撑加固后,能明显提高框架承载力及刚度,但发生锚栓失效,导致承载力快速降低,故应提高锚栓承载富余量。(3)复合加固后试件承载能力明显提高,滞回曲线更饱满,累积耗能能力更强,经受循环加载次数明显增多,承载力降低系数减小,角钢提高了节点抗破坏能力,角钢与支撑配合使用更能明显提高试件刚度及承载力。(4)综合考虑抗震性能、经济性、加固工艺,选用CFRP布与角钢复合加固工艺,能很好地实现对震损框架的加固。
基于车辆响应的无砟轨道路基不均匀沉降评价指标理论研究
钟阳龙, 马超智, 高亮, 蔡小培, 赵闻强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0854
摘要:
路基不均匀沉降的合理评价对于保障高速铁路运营安全和指导线路养护维修至关重要。传统路基沉降评价多基于沉降幅值单一指标,缺乏对车辆运营速度、路基沉降波长的综合考虑。该文基于建立的精细化多车-无砟轨道-路基耦合动力学模型,分析了路基不均匀沉降下的车辆动力学响应特征以及运营速度、沉降波长及幅值对车辆响应的影响规律,在此基础上提出了沉降时变率指标用于路基不均匀沉降评价。结果表明,沉降时变率能融合车辆运营速度、沉降波长、波幅三者对高速列车动力学响应的共同影响。沉降二阶时变率和轮轨垂向力、轮重减载率安全性指标呈显著的线性映射关系;沉降一阶时变率和车体加速度等舒适性指标呈较为显著的线性映射关系;并提出了轮重减载率、车体加速度与沉降时变率的拟合公式。研究成果可为高铁线路设计和养护维修提供参考。
磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动分析的时域显式方法研究
陆周瑞, 陈冉, 苏成
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0321
摘要:
轨道不平顺所引起的磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动问题是磁浮列车行驶过程中需要关注的重点问题之一,传统的随机振动方法在解决这类问题时存在工作量大、计算效率低等问题。分别从磁浮车辆系统和桥梁系统出发,首先建立磁浮车辆系统响应和桥梁系统响应关于车桥相互作用电磁力的时域显式表达式;然后利用车轨间的电磁力方程及几何相容条件,构建电磁力关于轨道不平顺的时域显式表达式;进一步推导得到轨道不平顺作用下磁浮车辆系统和桥梁系统关键动力响应显式表达式。在此基础上,利用统计矩运算法则,直接获得磁浮车辆系统和桥梁系统关键响应的演变统计矩;也可以利用轨道不平顺的数字生成技术,结合随机模拟法,获得车桥耦合系统关键响应的统计信息。在上述过程中,由于车桥耦合系统关键动力响应的显式表达式已先行构建完毕,因此大幅提升了随机振动分析的计算效率。以二自由度磁浮车辆与桥梁耦合模型为例,阐明了方法列式过程。磁浮列车过多跨简支梁桥的数值算例结果表明,时域显式法具有理想的计算精度和效率。
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,本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。
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。
钠基、钙基蒙脱石低含水率状态下基质势能的多元动力学研究
江舒棋, 赵红华, 张超, 张大帅, 王小红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0102
摘要:
基于分子动力学和元动力学(Metadynamics)的研究方法,探索了钠基蒙脱石和钙基蒙脱石在低含水率状态下的基质吸力,建立了含水率在5%~30%的土水特征曲线,通过曲线对比发现钠基蒙脱石与钙基蒙脱石的基质吸力均随含水率的升高而指数下降,并且在含水率小于20%时,钠基蒙脱石的基质吸力略小于钙基蒙脱石,含水率大于20%后钠基蒙脱石基质吸力略大于钙基蒙脱石。得到钠基蒙脱石在5%含水率时的基质吸力约为4.2 GPa,钙基蒙脱石在5%含水率时的基质吸力约为4.4 GPa。该研究结果为众多吸力测量的实验值和理论模型提出的预测值提供了参考。
基于等效刚度法的车体结构碰撞建模与参数优化
张敬科, 朱涛, 雷成, 王小瑞, 杨冰, 肖守讷, 阳光武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0012
摘要:
针对轨道车辆碰撞动态行为数值模拟效率低、耐撞性分析手段缺乏的问题,提出了基于等效刚度法的车体结构碰撞建模和参数优化方法。基于等效刚度法和简支梁弯曲应变能相等的原理,提出了中空型材截面梁等效为实芯截面梁后抗弯刚度相等的条件,推导了二者结构等效参数的求解公式,利用多岛遗传优化算法对等效参数进行了优化;详细对比了车体结构等效模型和原模型主要振动模态频率,证明了等效模型能够较好的反映原模型的动态特性,验证了车体结构等效模型的有效性;对比分析了某城轨车辆车体结构等效前后的一阶垂弯和一阶扭转频率,以及两种结构车辆在15 km/h的碰撞工况下车体的速度、加速度、能量、界面力等主要碰撞响应的变化趋势及误差。研究结果表明:中空型材结构等效模型能够较好的反映原结构的动态特性,整车车体结构的一阶垂弯和扭转频率的相对误差分别为2.19%和4.21%;碰撞过程中,两种模型车体的乘员安全性主要考核指标误差均小于10%;车体等效模型在碰撞仿真中的应用具有可行性和有效性,与原模型相比,单元数量减少38.91%,CPU计算耗时缩短27.63%。
基于概率的高层建筑地震需求模型与风险评估
郑晓伟, 李宏男, 张营营, 尹世平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0329
摘要:
本文提出了基于贝叶斯理论的地震风险评估方法,综合考虑了地震危险性模型、输入地震动记录、结构参数和需求模型的不确定性,并以云南大理地区1970-2017年间的地震数据为研究基础进行了详细讨论。首先,在传统基于概率地震危险性分析方法的基础上,提出了基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法。通过贝叶斯推断,确定了地震概率模型中未知参数的后验概率分布;其次,通过贝叶斯理论建立了基于概率的地震需求模型,并在易损性中考虑了需求模型认知不确定性的影响;最后,以42层钢框架-RC核心筒建筑为例,开展了地震作用下的风险评估。研究表明:(1)基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法,能够获得更为合理的危险性模型;(2)忽略需求模型中参数不确定性的影响,将错误估计结构的地震易损性;(3)不同加载工况将对高层建筑的地震风险产生显著影响。本文所提出的概率风险评估方法,提供了可以考虑固有不确定性和认知不确定性的有效途径,有助于推动高性能结构地震韧性评价和设计理论的发展。
采用单侧角钢的梁柱可更换连接件抗震性能试验研究
孙东德, 杨勇, 周会垚, 薛亦聪, 于云龙, 冯世强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0122
摘要:
采用单侧角钢的可更换梁柱连接件是指在梁柱连接处设置钢连接件,连接件腹板设置摩擦耗能黄铜片,同时翼缘单侧通过可更换角钢连接,并在连接件及钢梁内部张拉预应力钢绞线。结合2个未设置可更换角钢试件、1个双侧设置可更换角钢试件及5单侧设置可更换角钢试件的低周反复加载拟静力试验,重点对单侧设置角钢的可更换梁柱连接件的破坏形态、承载能力、耗能能力、刚度退化等抗震性能及自复位能力开展了研究。研究结果表明:设置角钢对试件的抗震性能有较大提升,单、双侧设置角钢对连接件抗震性能的影响差距较小,且单侧设置角钢具有避免影响梁上楼板的布置与施工的优势;增厚连接段翼缘对试件抗震性能提升有限,通过在薄翼缘连接件上设置角钢能够达到与厚翼缘连接件相当的效果,其更加经济适用;单侧设置角钢的梁柱连接件震后可方便的更换受损角钢构件从而恢复试件的抗震性能,且震后更换更厚角钢可实现抗震性能的超越。该新型采用单侧角钢的可更换梁柱连接件经合理设计与控制,可以很好地实现“中震复位,大震更换”机制,为抗震设计提供参考。
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:
本文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六个经验参数。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,并对比了单轴受拉、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,本文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。
类旗帜型滞回模型体系的近断层等损伤位移谱
胡进军, 刘巴黎, 谢礼立
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0231
摘要:
面向于近断层区域自复位体系的抗震设计需求,为了揭示自复位体系的弹塑性行为,基于Park-Ang双参数损伤模型建立了类旗帜型滞回模型的等损伤位移谱,研究损伤指标模型参数和滞回模型参数对位移谱的影响,分别对比分析了等损伤与等延性位移谱以及近断层脉冲型与无脉冲地震动作用下等损伤位移谱的差异,通过回归分析建立等损伤位移谱预测方程。研究表明:采用脉冲周期进行周期标准化能够反映脉冲效应在短周期段内对位移谱的局部放大作用,同时能降低中长周期段内位移谱的离散性;极限延性系数对短周期段内位移谱值的影响超过20%;等损伤及等延性位移谱的对比分析说明,累积滞回耗能对自复位体系位移需求的影响不能忽视;与无脉冲地震动位移谱值相比,近断层脉冲型地震动位移谱值在标准化周期约为0.5和1.0时增大20%左右。构建的等损伤位移谱预测模型可用于近断层区域自复位体系位移响应的预测。
多源激励下冷连轧F5轧机振动问题研究
张义方, 肖彪, 闫晓强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0006
摘要:
某厂1550冷连轧机在轧制薄规格带钢时F5轧机发生强烈振动,现场测试发现振动谱图中存在144 Hz的优势频率,经分析与F5轧机固有频率接近,同时发现带钢激励谱图与压下系统伺服阀输出油压谱图中存在多个激励频率。为探索振源并抑制振动,依据工业现场实验得出振动是由带钢与液压压下系统共同激励诱发产生。通过求解带钢-液压压下激励模型并仿真分析获得不同激励频率组合形式对轧机系统的影响特性,基于此提出一种通过在压下控制系统中添加抑振器来抵消特定频率从而获得预想组合激励形式的方法来抑制振动,实施后获得良好抑振效果。研究内容为分析冷连轧机振动机理和拓展轧机抑振方法提供参考。
引气混凝土在自然条件下的吸水模型研究
杨琦, 李克非
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0165
摘要:
引气混凝土在自然环境下中的冻融损伤源于外部环境水分的侵入、混凝土的毛细孔-气孔系统的不断饱和。通过对气体分子扩散过程的讨论,修正了基于Fagerlund经典长期吸水理论的气孔饱水度变化预测模型,并采用引气砂浆的吸水实验结果证明了修正模型优于传统模型。结合自然条件下的干湿交替过程,提出了引气混凝土在自然条件下的吸水模型,包括两个阶段:自然环境中孔隙饱水度随环境干燥和降水作用而变化,以及外部侵入水分对毛细孔-气孔系统的饱和过程。前者利用干湿交替作用下混凝土表面湿润深度与平衡时间比的概念建立了自然条件吸水过程与连续吸水过程的联系,后者使用修正的气孔饱水度模型计算气泡持续饱水过程。将两阶段使用寿命模型应用于某大型铁路基建工程,结合当地气象数据与预设混凝土特性,得到了满足工程使用寿命的冻融耐久性关键设计参数。
冷却塔群塔风致干扰脉动风压频谱特性与相关性
陈翰林, 赵林, 张栋, 刘鑫, 任翔, 葛耀君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.09.0683
摘要:
冷却塔群塔干扰效应研究通常面向塔筒等效静风荷载,缺少群塔组合对于脉动风压干扰特性的研究。该文选取矩形布置的八塔组合为研究对象,对群塔进行刚性模型同步测压风洞试验。基于不同风向角条件塔筒表面的脉动风压时程,研究了测点之间的脉动风压相关性,分析了关键测点风压频谱与环向整体合力频谱的相关性,比较了环向整体阻力(顺风向合力)与升力(横风向合力)的功率谱受扰特性,并基于试验数据给出了关键点风压以及合力的功率谱拟合表达式。频谱分析结果表明:干扰会增大结构敏感区域内的升力功率谱密度取值,由此引起的动力放大效应亟需关注。该文关于脉动风压干扰的研究策略和结论可为类似群体建/构筑物组合气动干扰效应分析提供借鉴思路。
基于集成学习的FRP加固混凝土梁抗弯承载力预测研究
张书颖, 陈适之, 韩万水, 吴刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0422
摘要:
为解决当前纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测中模型不统一、计算繁琐、精度有限等问题,建立了统一化的抗弯承载力预测模型。根据既有文献收集外贴式、端锚式和嵌入式三种FRP典型加固方式加固钢筋混凝土梁试验数据,确定影响加固梁承载力的关键因素,通过XGBoost(极限梯度提升树)算法训练回归各影响因素与加固后梁抗弯承载力间的非线性映射关系,得到统一化的FRP加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测模型。随后在测试样本集上对该模型的预测精度进行了验证,与基于支持向量回归(SVR)和人工神经网络(ANN)两种代表性机器学习算法得到的预测模型进行了横向对比,并分析了不同加固方式下的预测精度。研究结果表明:本文得到的基于XGBoost的抗弯承载力预测模型拟合优度R2=0.9417,可见整体精度较高,有良好的性能;相比基于传统机器学习算法SVR和ANN建立的预测模型,基于集成学习算法XGBoost的拟合优度分别提升了8.00%及6.70%,均方根误差减少了33.94%和30.72%,平均绝对误差减少了32.38%和30.51%,表明基于XGBoost的模型精度更高,远优于SVR和ANN;基于XGBoost的模型在外贴式、端锚式和嵌入式加固方式下拟合优度分别达到0.9472、0.9631和0.9278,可见预测精度均表现优良,精度相当,说明该模型可以统一考虑三种不同加固方式;通过分析输入参数的特征重要性,说明了该模型的合理性。研究成果可为实际桥梁工程中FRP加固设计应用提供参考。
海上风力塔架结构模型振动台试验研究
申民宇, 祝磊, 贾军波, 李爱群
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0015
摘要:
目前风力发电技术发展迅速,风电塔架结构作为风机的主要支撑结构,其在地震作用下的安全性十分重要。对于此种三脚架结构还未进行过振动台试验研究,所以该文利用地震模拟振动台试验的方法对海上风力发电塔三脚架结构1∶20比例模型进行了系列的试验,研究了模型结构的动力特性,以及在加速度峰值0.3 g、0.6 g和0.9 g作用下结构的地震反应。试验模型分为在三脚架桩基础高1.3 m处设置支护以及撤掉支护(模拟桩基础失效)两种情况。相较于设置支护的情况,撤掉支护后模型结构的加速度动力响应略有减小,XY两方向的峰值加速度下降幅度分别为9.87%和5.40%。此外,结合有限元软件ABAQUS对模型结构进行弹塑性时程分析,并将模拟结果与试验结果进行对比分析,两者结果基本一致,起到了相互验证的作用,并为该原型结构的弹塑性时程分析提供了参考。
无粘结预应力CFRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究
孙艺嘉, 吴涛, 刘喜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0940
摘要:
建立无粘结预应力FRP筋张拉锚固体系,对8根以CFRP筋为非预应力筋的无粘结预应力CFRP筋轻骨料混凝土梁与1根普通混凝土对比试件进行两点对称加载,观察其破坏过程与破坏形态,分析了混凝土种类、预应力度和净跨长度对开裂弯矩、弯矩-跨中挠度曲线、裂缝宽度等受弯性能的影响。从等效轴向刚度思想出发,修正了现有的以钢筋为非预应力筋的无粘结预应力FRP筋梁的挠度与裂缝宽度计算模型,并基于试验结果对修正模型的适用性进行了评估。结果表明:无粘结预应力CFRP筋试件正常使用极限状态主要由裂缝宽度控制,最大裂缝宽度达到限值0.5 mm时,试件所受弯矩处于极限弯矩的41%~52%;总配筋量相同的前提下,提高预应力度有利于延缓构件开裂;增大非预应力与无粘结预应力CFRP筋配筋量均可起到改善刚度、抑制裂缝开展的作用;修正的程东辉模型与修正的孟履祥模型能够准确预测配置非预应力CFRP筋的无粘结预应力CFRP筋轻骨料混凝土受弯构件正常使用阶段的挠度。
基于粘结-滑移的FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁裂缝宽度计算方法
孙艺嘉, 吴涛, 刘喜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0771
摘要:
将纤维增强筋(FRP筋)混凝土梁裂缝的开展过程视作FRP筋由两侧混凝土中拔出的过程,建立了基于粘结-滑移的FRP筋轻骨料混凝土梁裂缝宽度微分方程。根据规范给出的裂缝宽度限值,合理确定滑移量上限,提出并引入了适用于梁正常使用阶段的FRP筋钢纤维轻骨料混凝土“低滑移”阶段粘结-滑移本构模型。进而,在明确最大裂缝间距lmax、裂缝宽度放大系数h2/h1与裂缝截面纤维混凝土残余应力σfib等特征参数的基础上,利用迭代算法建立了FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁最大裂缝宽度计算模型。基于正常使用阶段裂缝宽度实测数据对建议模型的适用性进行评估,结果表明:裂缝宽度限值0.5 mm内,建议模型能够准确预测FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁的最大裂缝宽度。
HRB600钢筋屈曲受力性能试验研究
杨红, 蒋惠, 冉小峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0198
摘要:
HRB600高强钢筋已纳入我国钢筋产品国家标准,并商业化生产,但关于其非弹性屈曲受力性能、考虑屈曲的低周疲劳损伤模型的研究成果很少。对于HRB600高强钢筋的原状试件,该文完成了10个单调受压屈曲试验、16个考虑屈曲的循环拉压试验,测量了屈曲钢筋的平均应力-平均应变曲线和跨中横向位移,分析了非弹性屈曲对HRB600钢筋受压强度退化的影响,以及屈曲方向对试件强度退化、疲劳损伤的影响,提出了适用于HRB600高强钢筋、可考虑屈曲效应和不同加载方式影响的修正低周疲劳损伤模型。研究结果表明:单调受压屈曲时HRB600钢筋屈曲方向稳定,随长径比增大钢筋屈曲后强度退化加快;循环加载时HRB600钢筋屈曲方向不稳定,导致局部塑性应变集中和疲劳损伤对钢筋屈曲后强度退化的不利影响减轻;传统低周疲劳损伤模型明显低估了HRB600钢筋屈曲后的疲劳损伤,修正疲劳损伤模型能合理地考虑屈曲对HRB600钢筋低周疲劳损伤和断裂的影响。
基于综合管廊功能极限状态的接口转角限值研究
钟紫蓝, 王晓静, 杜修力, 胡正一, 李立云
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0757
摘要:
针对地下综合管廊受邻近工程施工扰动时的功能完整性问题,基于管廊接口附近节段发生刚体转动假定,针对典型综合管廊接口止水失效模式建立了管廊接口转角与细部尺寸的几何关系式,初步探究不同横截面尺寸管廊在正常使用极限状态下接口止水失效所对应的管廊接口转角限值。以廊内管线极限拉伸和压缩应变量为依据,给出管廊内不同直径的管线达到承载能力极限状态时所对应的管廊转角限值。分析结果表明:管廊接口止水失效对应的转角限值与接口密封形式及管廊横截面几何尺寸有关;廊内管线破坏时的管廊接口转角限值主要受管廊横截面宽度和管线直径影响;当管廊横截面宽度小于10 m、廊内管线直径小于公称直径DN500时,管廊接口止水失效对管廊功能完整性能起控制作用;当管廊截面宽度大于10 m且内部管线直径大于DN500管径,廊内管线破坏先于管廊接口止水失效。综合考虑管廊接口止水失效和廊内管线破坏两种失效模式所给出的管廊接口转角限值,可为管廊接口防水及结构安全设计提供参考。
基于极限分析的三叶墙抗压强度预测模型研究
蒋宇洪, 杨娜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0941
摘要:
该文以极限分析法为基础,将有限元塑性极限分析下限法运用于砌体结构三叶墙的抗压强度预测。结合常见受压三叶墙破坏模式,基于材料试验和小型砌体试件试验赋予了本构模型参数。在此基础上,考虑了不均匀压应力边界条件,提出了三叶墙抗压强度预测模型。根据文献的试验数据,利用该模型预测了多个三叶墙的抗压强度,并与试验结果和抗压强度预测公式的结果进行了对比,说明了该模型的准确性。
基于因子分析的地震动特征提取及潜在破坏势评估
胡进军, 刘巴黎, 谢礼立
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0436
摘要:
基于多种地震动强度指标,采用因子分析提取地震动强度指标的特征因子,将提取的主因子进行线性组合,构造地震动多元强度主因子。以不同恢复力模型的单自由度以及多自由度体系为研究对象,基于2766条地震动记录,选取9个基本强度指标并采用因子分析提取其特征,同时对构造的地震动多元强度主因子与不同结构损伤指标进行相关性分析。研究结果表明:不同场地类别下各地震动强度指标所属的主因子趋于稳定;通过因子分析提取的两个主因子具备较好的可解释性;场地类别、强度折减系数和恢复力模型对构造的地震动多元强度主因子与结构损伤指标的相关性影响较小;构造的地震动多元强度主因子考虑了更多地震动信息,保持了其与不同结构损伤指标稳定且良好的相关性。
考虑数值积分算法的实时子结构试验稳定性研究
李宁, 鲁旭杰, 周子豪, 李忠献
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0767
摘要:
实时子结构试验是研究动载荷下结构行为和性能的高效试验方法之一,持续受到国内外学者的青睐。稳定性是保证实时子结构试验顺利进行的必要条件,该文对实时子结构稳定性研究进展进行了分析介绍。以单自由度实时子结构试验为例,使用z变换将单自由度结构运动方程离散后引入CR积分算法,用闭环传递函数的极点分布情况对结构的稳定性进行判断,并得到系统的稳定域。对该文方法和已有的连续稳定性分析方法,研究了子结构划分和阻尼比对试验稳定性的影响,并对比了两种方法的结果。同时使用数值模拟和试验证明了该文方法的正确性和可靠性。研究结果表明:结构的质量比、刚度比对实时子结构试验系统的稳定性起决定性作用。增大结构的阻尼比可以改善系统稳定性。对CR法而言,当积分算法的步长小于0.01 s时,两种方法绘制的稳定域基本相同,此时可以直接使用连续方法进行稳定性分析。反之,当积分步长大于0.01 s后,就必须考虑积分算法对系统稳定性造成的改变,此时建议使用该文方法进行稳定性分析,结合时滞考虑实际积分算法的影响。
静动力弹塑性分析的杆系离散单元计算理论研究
许玲玲, 叶继红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0768
摘要:
杆系离散单元法的现有研究成果均假定接触本构模型的切向弹簧仅用于描述剪力引起的纯剪切变形,这与弯曲梁理论下剪力引起的变形情况不相符。该文针对该问题重新定义了切向弹簧,并根据能量等效原理系统推导了不考虑或考虑剪切变形工况接触本构模型的切向接触刚度系数计算公式。在此基础上,提出了杆系离散单元精细塑性铰法以描述结构的塑性开展问题,推导了颗粒间的弹塑性接触本构模型。采用自编程序对两个大型网壳结构分别进行了静、动力弹塑性行为分析,验证了接触本构模型正确性和精细塑性铰法的适用性。该文将杆系离散单元法的基本计算理论系统化,并补充了杆系离散单元法的弹塑性计算理论,为结构静、动力分析提供了新思路。
钢筋混凝土框架柱延性破坏准则研究
付国, 何斌, 刘伯权
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0780
摘要:
现有框架柱破坏准则多为构件塑形变形程度的定性描述,未考虑变形能力强弱对构件性能退化和破坏的影响。该文研究钢筋混凝土框架柱延性大小、轴压比、配箍率等参数与抗震性能退化之间的量化关系,提出了一种改进的延性破坏准则,采用统计分析方法并借鉴阿伦尼乌斯公式提出了破坏指数计算式。结果表明,提出的延性准则较好地实现了柱破坏的量化表征,105个低周反复加载试件和9个单调加载试件在4种情况下破坏指数平均值均接近1.0,标准差在0.2~0.4,考虑配箍率和承载力退化后的破坏指数可更好地定义构件破坏。综合29根框架柱的试验现象、破坏特点和破坏指数统计结果,给出了延性准则对应的破坏标准,研究成果可为混凝土柱抗震性能评估提供参考。
基于非局部LSM优化的近场动力学及脆性材料变形模拟
马鹏飞, 李树忱, 王修伟, 王曼灵
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0188
摘要:
在经典近场动力学模型的基础上,通过小变形假定将近场动力学中的微模量与经典理论中的弹性常数建立联系,引入可以反映非局部作用特性的核函数提高计算精度,利用刚度等效的方式建立有关微模量的线性方程组,并通过寻求不定线性方程组最小二乘(LSM)最小范数解的方式对近场动力学中微模量进行优化,根据二次规划得到最优非负模量。利用优化后的方法对二维平板在单轴和双轴荷载作用下的变形及含预制裂纹脆性材料在荷载下的裂纹扩展进行了模拟并将结果与理论经典近场动力学方法结果对比。结果表明:优化后的方法可以较好的反映结构在荷载条件下的变形与破坏特性,与经典方法相比材料变形模拟在最大误差及误差范围具有良好的改善,并且模拟裂纹扩展过程在同等计算成本下具有更优的收敛速度及收敛结果,进一步验证了所提出方法的有效性,有着较为广泛的应用前景。
角柱失效下钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌能力研究
王景玄, 杨永, 周侃, 李秋颖
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0147
摘要:
为研究角柱失效工况下钢管混凝土组合框架的抗连续倒塌性能,该文设计了1/4缩尺比例的两层两跨钢管混凝土柱-组合梁平面框架试件,对拆除角柱构件的剩余结构进行单调静力加载,获得该类结构的荷载-位移关系曲线、整体/局部破坏模式以及构件关键部位的应变曲线;在此基础上,采用能量等效原理分析该类结构的倒塌等效动力效应,并对该类结构的抗倒塌能力进行简要评估。研究结果表明:角柱失效工况下,钢管混凝土柱-组合梁框架受力过程主要经历了四个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、内力重分布阶段和破坏阶段;试件整体破坏主要集中于失效跨,破坏特征主要以钢梁断裂和扭曲变形为主,且二层钢梁先于一层钢梁发生破坏;压型钢板组合板受力过程中与钢梁发生局部分离,部分栓钉拔断;失效跨二层钢梁翼缘开裂时,框架内力通过相邻柱向一层钢梁传递。基于试验结果和能量平衡原理的结构动力响应简化评估方法,发现角柱失效工况下该类结构仍具有15.3%的抗连续倒塌剩余能力。
基于稀疏观测识别高层剪切框架结构参数与未知地震作用
雷鹰, 戚铖恺, 吴嘉敏, 黄金山, 杨宁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0716
摘要:
地震作用下高层建筑结构状态识别具有重大意义。高层剪切框架结构因其自由度多,使得结构状态和性能参数识别的难度增加,尤其是在未知地震作用下。该文分别基于弱震、强震作用下结构绝对加速度响应的稀疏观测,在课题组最新提出的广义未知激励下扩展卡尔曼滤波(GEKF-UI)方法的基础上,提出了两种方法,分别适用于未知弱震下线性高层剪切框架与地震激励的识别,以及未知强震下非线性高层剪切框架结构与地震激励的识别。第一种方法基于结构模态展开与GEKF-UI相结合,采用相对坐标系下的结构运动方程及绝对加速度的稀疏观测,进行线性结构系统和未知地震激励的同时识别,不仅能有效地降低结构状态的维度且不增加未知激励的维度。第二种方法针对强震作用下的非线性高层结构系统,提出了一种子结构与GEKF-UI相结合的方法,同时识别非线性高层结构参数与系统状态以及未知强震激励,通过将子结构边界力作为附加未知激励,且无需观测边界处的响应,进行各子结构的独立并行识别,避免了误差累积。该文采用2个数值算例分别对两种方法进行验证,结果表明所提方法均可有效识别未知地震激励下的高层建筑状态与参数,并同时识别未观测的地震激励。
水泥混凝土路面板早龄期徐变效应研究
胡昌斌, 孙增华, 王丽娟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0103
摘要:
基于微预应力-固结理论徐变模型,综合考虑材料、结构以及环境参数影响,建立三维路面板早龄期力学行为仿真程序,开展了路面板三维结构徐变效应研究。研究显示,徐变对路面板早龄期作用是一种松弛效应,显著降低了路面板早龄期翘曲和应力;徐变对路面板早龄期行为的影响量级与温度梯度、板边约束的影响相当;徐变效应受板边约束、温湿度梯度和整体温度条件显著影响,空间位置存在不均匀分布特性,徐变作用下应力最大松弛位置向受约束的板边中部靠近;路面板徐变松弛效应有显著经时特性,前7天徐变效应最为显著,60天后趋于稳定;面板温度梯度与整体温度提高,徐变松弛效应显著增加。理论比较显示,忽略温度对徐变的影响会低估高温、高估低温条件下的徐变效应,工程中可基于徐变效应设计降低路面板早龄期初始翘曲与初始应力。
中式高耸古木塔风压分布与体型系数风洞试验研究
李雨航, 邓扬, 李爱群, 许涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.09.0623
摘要:
中式高耸古木塔是世界建筑文化遗产的重要组成部分之一,是中国的建筑瑰宝。风灾是最为常见的自然灾害之一,因此,古木塔在风荷载作用下风压与风荷载分布是需要特别关注的。该文开展了高耸古木塔风洞试验,研究了门窗封闭状态下,墙面与各层屋檐区域的风压分布规律,并计算了木塔各区域体型系数。在试验基础上,计算了风荷载层间力与倾覆弯矩,并与实测结果进行了对比。结果表明:木塔迎风面中上部风压系数最大,而背风面风压系数为负,与现代建筑表面风压分布相似,但木塔表面形状特殊,屋顶及斜侧面等位置的风压分布具有独特性。对比分析结果表明:根据风洞试验结果计算的风荷载与现场实测结果趋势一致,基底剪力与弯矩误差小于14%。该文通过风洞试验获得了复杂中式高耸古木塔的风压分布规律,可为高耸古木建筑的保护提供技术基础,也为类似仿古建筑抗风设计提供参考。
基于三维能量屈服准则的新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算方法
林拥军, 徐文强, 杨敏润, 奉鑫, 余国菲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0149
摘要:
已有新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度的计算方法分为考虑正应力和不考虑正应力2类,两类方法不仅存在理论依据不充分的问题,而且计算精度也有待提高,能够考虑正应力以及正应力为0的统一计算公式还未见报道。根据剪切试验破坏特征、机理,分析新老混凝土无锚筋结合面破坏机构,基于三维能量屈服准则、虚功原理和塑性极限分析理论,详细推导新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度理论计算公式。引入考虑正应力和粗糙度的综合影响系数,基于已有剪切试验数据并借助三维曲线拟合技术对理论公式进行修正,得到新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算公式。采用不同方法对27个新老混凝土无锚筋结合面压(拉)剪复合受力试验试件以及30个新老混凝土无锚筋结合面纯剪试验试件进行抗剪强度计算,对比分析结果表明:统一计算方法理论依据充分、计算简便,既可用于压(拉)剪复合受力构件,也可应用于纯剪受力构件;对于压(拉)剪复合受力试验试件,该文方法计算值与试验值的偏差率大都在±15%以内,统一计算公式的计算精度高于已有考虑正应力的计算方法;对于纯剪试验试件,该文方法计算值的偏差率大都在±20%以内,除计算低强混凝土试件偏差率较大之外,统一计算公式的计算精度明显高于已有不考虑正应力的计算方法。
基于两种轨道线路建模方法的地铁车轮磨耗预测对比分析
黎嘉欣, 陶功权, 刘希政, 梁红琴, 温泽峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0117
摘要:
轨道线路对车轮磨耗具有重要影响。建立地铁车轮磨耗预测模型,模型包括车辆动力学模型、基于Hertz理论和FASTSIM算法的轮轨局部接触模型、基于/A-磨损率函数的磨耗模型、平滑与更新策略以及轨道线路模型。对比分析等效轨道线路法与真实轨道线路法两种轨道线路建模方法在建模复杂度、车轮磨耗预测结果与计算效率方面的差异。利用实测的车轮磨耗对/A-磨损率函数进行修正,并对磨耗预测模型进行验证。结果表明:与等效轨道线路法相比,真实轨道线路法建模较为复杂,但其可以更好地模拟实际轨道线路;二者磨耗预测结果差异较小,且均与实测结果较为吻合,但前者计算效率约是后者的3.7倍。采用等效轨道线路法建模可以较好地兼顾计算精度与效率。
模糊变量与随机变量组合时模糊可靠度计算方法研究
周建方, 郑鼎聪, 高冉, 冷伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0736
摘要:
对现有的随机应力、模糊强度可靠度计算方法进行了系统的分析研究,将其分成模糊变量直接转化为随机变量、由模糊强度的隶属函数直接构造模糊失效事件的隶属函数、可能度法和实用计算法四类,根据模糊失效概率的属性又可分成定量计算法和模糊计算法两类;得到了在定量计算方法中,广义密度函数法与面积法等价,当量密度函数法与截集法等价,真正独立的主要方法为广义密度函数法、当量密度函数法和直接转化法三种等结果;对强度模糊隶属函数为线性、正态分布情况推导了有关公式;通过算例给出了各主要方法的计算结果,其值相差较大,因此,哪种方法更合理还必须作进一步研究。
考虑粘滑效应的核电站环行起重机地震瞬态响应分析
张欣刚, 王海明, 姚文莉, 齐朝晖, 何颖
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0133
摘要:
核岛安全壳-吊车耦合体系在强震下的可维持性是影响核安全的关键因素之一。为揭示粘滑效应对体系抗震性能的影响,首先采用修正的LuGre模型描述驱动轮与轨道之间stick-slip行为。随后,引入线性互补问题描述各叠放部件的非光滑接触,建立考虑多点摩擦接触的环行起重机刚柔耦合动力学模型。最后,选取代表性的强震记录作为基岩地震动,对多工况下的地震瞬态响应进行分析,揭示耦合体系地震响应机理。研究结果表明:制动轮与轨道之间的摩擦力是将体系维持在既定位置的关键,动力学模型必须考虑粘滑效应;跳轨行为受三向地震共同影响,水平强震和竖向弱震亦可诱发跳轨;瞬时跳轨诱发瞬时冲击,峰值轮压可达静轮压的10倍,主钩峰值拉力达静拉力的2.5倍,须安装隔震装置避免钢丝绳破断。
大直径钢管混凝土柱-H型钢梁间竖向荷载传力机制研究
温福平, 赵宪忠
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0187
摘要:
为研究大直径钢管混凝土柱与H型钢梁之间竖向荷载的传力机制,本文基于Winkler地基Timoshenko梁理论建立了可表征节点构造的地基梁模型,给定边界条件,获得了钢梁竖向荷载传递至节点后的荷载分布解析解。与有限元分析结果对比验证合理后,采用该地基梁模型探究了不同节点构造形式对竖向荷载传递的影响,结果表明:相比于仅布置内加强环式构造,内加强环与锚板式组合构造可更加有效地将钢梁竖向荷载传递至内部混凝土,使内部混凝土承担更多钢梁竖向荷载,提高了钢管与混凝土的共同工作性能。由参数分析可知,增大竖向劲板厚度和混凝土强度是提高内部混凝土承担竖向荷载的有效方法;并以此通过多元回归分析,给出了钢管管壁和内部混凝土承担钢梁竖向荷载比例的函数关系表达式。本文研究成果可为大直径钢管混凝土柱-H型钢梁节点设计提供参考。
循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究
苗胜军, 杨鹏锦, 王辉, 梁明纯, 王亚欣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0235
摘要:
针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。
超高韧性水泥基复合材料多次冲击压缩性能及本构关系
谢磊, 李庆华, 徐世烺
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0860
摘要:
利用直径80 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行了超高韧性水泥基复合材料(ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)在多次冲击压缩荷载下力学性能的研究,分析了试件的应力-应变曲线随冲击次数的演化规律, 并与其他纤维增强混凝土进行对比。试验结果表明:在多次冲击荷载作用下由于损伤的累积导致加载应变率随冲击次数增加而大致呈指数递增,UHTCC的峰值强度随应变率增大而近似线性递减,峰值应变和累积吸能值逐渐增加,单次吸能值随冲击次数的增加呈先增后减的变化趋势。通过对本构模型进行探讨后发现,热激活损伤演化(TADE)模型能较好地描述UHTCC在首次冲击下的力学响应,但无法反映其在多次冲击下力学性能的演化规律;基于Weibull分布的损伤演化模型能够较好地描述UHTCC在多次冲击下的累积损伤演化规律及应力-应变曲线,在经历3次冲击作用后根据损伤程度的计算可认为试样已完全破坏,但此时试样通过PVA纤维的桥连作用仍能保持为整体,具有良好的抗破碎性。
盾构隧道新型分布榫式管片结构的局部原型试验研究
刘迅, 封坤, 肖明清, 何川, 李策
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0913
摘要:
大直径盾构隧道在穿越复杂地层或水下环境时,环间常设置加强措施以控制环间错动与张开变形。为探明环间设置分布式凹凸榫的新型分布榫式管片结构力学特性与破坏机理,针对佛莞城际狮子洋隧道所采用的环间分布四榫式原型管片,开展了考虑相邻环错缝拼装组合的局部原型试验,详述了结构变形、环缝错台、接缝张开的变化规律与特征,对裂缝发展规律与最终破坏形态进行了研究。研究结果表明:新型分布榫式管片结构变形可分为中间块内弧面钢筋处于弹性时的线性增加阶段和进入塑性后的非线性增加阶段;新型分布榫式管片结构环间变形首先表现为错台,环间作用由接触面摩擦提供,当分布式凸榫与凹槽接触后环间变形表现为转动张开,纵向螺栓受弯、凹凸榫构造受剪,环间作用最终转变为弯剪结合;管片结构初始裂缝出现在中间块拱顶边缘位置,其破坏机理为:管片结构内弧面混凝土开裂导致钢筋承受截面拉力、裂缝不断加深加宽,随后管片受拉侧钢筋进入塑性,结构最终失稳破坏。研究结果可为大直径盾构隧道的设计与分析提供参考。
带可更换耗能钢棒的装配式混凝土单侧屈服梁柱节点抗震性能试验研究
朱云青, 吴京, 童超, 柳东森, 谢鲁齐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0280
摘要:
提出了一种新型的钢筋连接器——可调组合钢筋连接套筒,并基于此组装了一套耗能连接件。对耗能连接件开展了轴向的低周往复加载试验,验证了其荷载传递的可靠性以及优异的耗能性能。将耗能连接件内置于装配式混凝土框架梁端底部,提出了一种带可更换耗能钢棒的单侧屈服梁柱节点(REDB-SYBC)。对试件开展拟静力试验研究,分析节点的损伤分布、破坏形态、滞回特性、耗能能力等抗震性能。试件滞回曲线稳定饱满无捏缩,抗震性能良好。试验结果表明:新型节点单侧屈服的变形模式减少了楼板的变形与损伤,充分发挥了梁底连接件的耗能能力,其主要损伤及破坏均发生在梁底耗能钢棒上, 实现了损伤集中的设计目标以及“强柱弱梁”的抗震设计原则;利用新型连接套筒的内部空间即可实现耗能钢棒的更换,经过更换和修复后的节点各项抗震性能与初始节点基本相当。
琼州海峡海床地震反应特性的一维非线性分析
陈国兴, 夏高旭, 王彦臻, 金丹丹
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0167
摘要:
深软海床上修建跨海通道并确保其地震安全是一项重大的工程挑战。选取拟建琼州海峡海底隧道沿线4个典型钻孔剖面进行一维非线性地震反应分析,研究了输入地震动特性、土体动力本构模型的选取对海床非线性地震反应特性的影响。结果表明:与MKZ模型相比,DCZ模型能更好地模拟地震动的某些高频和中-长周期分量在海床土层中的传播;海床35 m以浅和80 m~160 m深土层对0.6 Hz~1.1 Hz地震波传播的放大效应显著。对于0.2 g基岩地震动水平,海床地表峰值加速度达0.297 g,相当于地震烈度Ⅷ度水平,这与历史最大影响烈度是一致的;依据海床场地效应特征,累积绝对速度CAV是一个更合适的地震动强度指标。在周期0.05 s~0.5 s范围内,依据《中国地震动参数区划图》反应谱设计跨海通道将偏于不安全。
高温后高强Q690钢材循环加载试验及本构模型研究
胡婉颖, 余玉洁, 田沛丰, 聂熙哲, 丁发兴, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0024
摘要:
钢材经历火灾高温和冷却后其材料力学性能会发生不同程度退化,已有研究主要关注过火后钢材的残余静力性能。为研究经历火灾高温且不同方式冷却后高强钢的残余静力和滞回性能,对于历经500 ℃~1000 ℃高温后高强Q690在自然冷却和浸水冷却后的钢材进行了单调拉伸试验以及4种不同加载制度下的循环加载试验。结果表明,当过火极限温度不高于600 ℃时,在自然冷却和浸水冷却模式下,高温后Q690钢材单调拉伸和循环荷载下强度发展基本与常温未处理钢材类似。未过火高强Q690钢在循环荷载下表现出应变强化和循环软化效应。过火温度高于600 ℃且自然冷却下,过火后Q690钢随过火温度提高,其初始屈服强度下降。在浸水冷却下,过火冷却后高强钢初始屈服强度提升。且在循环荷载作用下,高温过火后Q690钢均表现出更为显著的应变强化效应,以及在等应变幅循环下均由未过火状态时的循环软化逐步转化为高温过火后的循环硬化效应。根据试验结果拟合了过火后Q690钢的Chaboche循环本构模型参数,可用于火灾后Q690钢结构的残余抗震性能评估。
水下爆炸荷载作用下圆柱结构反射压力解析计算方法研究
闫秋实, 张志杰, 王丕光, 宝鑫, 李述涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0249
摘要:
为助于桥梁、码头等近海结构的抗爆和防护设计,该文拟针对近海结构中常见的等截面圆柱结构,提出一种计算水下爆炸情况中冲击波作用下圆柱分布反射压力的高效解析算法。基于绕射波浪理论,该文根据水体状态方程和边界条件,在柱坐标系下通过分离变量法推导圆柱结构反射压力的时域解;通过数值模拟对比验证该文提出的反射压力时域解的计算精度,数值算例表明二者计算误差在工程允许范围内;基于考虑水体压缩性的时域子结构分析方法,通过对比该文提出的未考虑水体压缩性的解析方法,分析了水体压缩性对反射压力的影响。
消能限位型钢支撑抗震性能试验研究及结构地震易损性分析
刘春阳, 孙鹏, 赵兴权
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0196
摘要:
该文提出一种消能限位型钢支撑以期改善建筑结构抗震性能,设计了5个钢支撑,设计参数为限位位移、限位块数量、钢芯截面尺寸及长度。通过低周往复加载试验对5个钢支撑的破坏特征、滞回特性、骨架曲线和刚度等抗震性能进行了研究。基于IDA分析评估了含钢支撑框架结构模型的抗地震倒塌性能。结果表明:该钢支撑构造合理,滞回性能稳定;增设限位块后可发挥限位作用,并可提供较大的附加刚度;限位块数量和截面尺寸以及其与支撑工作段连接面焊缝的刚度影响附加刚度的提升程度;该文提出的钢支撑各阶段刚度计算公式所得结果与试验值符合较好,可为钢支撑设计提供参考;设置含有限位块的消能限位型钢支撑结构的倒塌储备系数提高,有利于改善底层柔性结构的抗倒塌能力。
基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究
杨超, 陈梦成, 张明阳, 李骐, 方苇, 温清清
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0042
摘要:
混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。
钢筋混凝土柱地震破坏模式判别的两阶段支持向量机方法
李启明, 喻泽成, 余波, 宁超列
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0937
摘要:
研究提出了一种钢筋混凝土(RC)柱地震破坏模式判别的两阶段支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)方法。根据RC柱的三种地震破坏模式(弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏),建立了RC柱地震破坏模式判别的两阶段SVM模型;基于270组试验数据,利用十折交叉验证和网格寻优方法确定了两阶段SVM的关键模型参数(即惩罚参数和核函数参数)的最优取值;同时,利用基于SVM的回归特征消去法(SVM-RFE),分析了轴压比、剪跨比、箍筋间距与截面有效高度比(s/h0)、纵筋参数和箍筋参数等特征参数对RC柱地震破坏模式的影响程度;通过与两种经典机器学习方法和五种传统破坏模式判别方法的对比分析,验证了该方法的有效性。分析结果表明:所提出的两阶段SVM方法对于三种破坏模式的判别准确率都能达到90%以上,整体判别准确率比经典的机器学习方法提高10%以上,比传统的地震破坏模式判别方法提高20%以上;对于RC柱是否发生弯曲破坏,剪跨比和纵筋参数的影响较大,其次是箍筋参数和s/h0,而轴压比的影响相对较小;对于RC柱是否发生弯剪破坏,纵筋参数的影响较大,其次是剪跨比和s/h0,而箍筋参数和轴压比的影响相对较小。
钢渣粗骨料混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究
薛刚, 赵玉杰, 周海峰, 孙立所
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0053
摘要:
为了研究钢渣粗骨料在混凝土中的适用性及钢渣粗骨料混凝土单轴受压性能,进行了钢渣骨料的物理化学性能试验,并对钢渣粗骨料的稳定性进行测试;在此基础上,制备了6组不同钢渣粗骨料掺量的钢渣混凝土立方体及棱柱体试件,研究了钢渣混凝土的单轴受压性能。结果表明:该文选用的钢渣的游离氧化钙含量、浸水膨胀率、压蒸粉化率均满足相关规范要求,适用于混凝土骨料;钢渣粗骨料混凝土破坏的脆性特征更加明显,比普通混凝土的抗压强度有明显提高;钢渣混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度比值为0.83~0.9。可依据过镇海本构模型及Wee模型对钢渣混凝土本构关系进行分段描述,分段式本构模型与实测钢渣粗骨料混凝土的应力-应变曲线基本吻合。
轴向往复荷载作用下圆钢管混凝土柱恢复力模型研究
蔡文哲, 史庆轩, 王斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0796
摘要:
为研究钢管混凝土柱的轴向恢复力模型,设计制作了8个钢管混凝土柱试件并对其进行轴向往复加载,分析其受力机理和恢复力特性。基于试验结果,选用退化三线型模型,建立了钢管混凝土柱无量纲骨架曲线模型,并提出其轴拉与轴压方向的峰值承载力和位移的计算方法。鉴于钢管混凝土试件在轴拉与轴压方向受力机理的差异,对滞回曲线的正负向选用不同的滞回规则,建立了相应的卸载刚度函数。据此提出了钢管混凝土柱的轴向恢复力模型,并与试验滞回曲线进行对比,验证了恢复力模型的合理性,所建立的恢复力模型可为斜交网格结构体系的弹塑性分析提供依据。
节点板式连接对H形钢支撑面外稳定性能的影响
张文元, 曾立静, 齐欣, 赵增阳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0865
摘要:
为研究节点板对H形支撑面外弯曲约束能力和对支撑稳定承载力的影响规律,设计并制作了12个带有节点板的H形支撑(支撑系统)模型试件。进行了轴向等幅往复循环加载条件下的试验研究,得到了支撑端部的节点板连接净距等对支撑稳定承载力的影响规律,建立了往复循环加载条件下受压时支撑稳定承载力的退化准则和屈曲后承载力的建议取值方法。使用有限元方法对试验结果进行了精细化数值模拟,二者吻合效果良好。据此,对带有节点板的支撑系统进行了足尺模型的大规模参数分析。结果表明,支撑长细比、节点板厚度、支撑端部的节点板净距、支撑与梁柱夹角等参数对支撑稳定承载力和节点板面外转动刚度具有显著影响。基于这些关键参数对支撑端部弯曲约束能力的影响规律,并考虑尺寸效应,给出了板式连接节点对支撑面外转动刚度和支撑计算长度系数的建议取值公式,可以用于支撑的稳定承载力计算。
一种考虑高阶振型影响的模态条件均值目标谱方法研究
高嘉伟, 杜轲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0029
摘要:
采用传统条件均值谱作为目标谱匹配选波未能有效考虑结构的高阶振型影响,针对这一缺陷,在条件均值谱方法的理论基础上,提出了一种考虑高阶振型影响的模态条件均值谱方法。该方法以振型参与质量系数作为权重,将各振型下的条件均值谱组合起来,得到一条新的目标谱,称为模态条件均值谱。设计了一座30层的钢框架-中心支撑结构,分别生成其主周期的条件均值谱、模态条件均值谱以及一致危险谱作为目标谱,各选取11条地震动进行结构动力时程分析。结果表明,考虑了结构高阶振型影响的模态条件均值谱方法得出的结构响应,明显大于不考虑高阶振型影响的传统条件均值谱的结果。建议此方法推广用于高层工程结构作为目标谱。
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。
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。本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。
钢-超高性能混凝土组合箱梁静力性能试验研究与数值模拟
杨松, 陈钒, 齐兵, 赵国军, 王哲, 樊健生, 丁然, 韩玉珍
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0290
摘要:
以云南红河特大桥为工程背景,设计2个钢-超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,以下简称UHPC)组合箱梁节段模型试验,主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型,通过试验结果验证模型并开展参数分析,研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响,给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明:钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好;按最大裂缝宽度进行验算,等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍;UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大;综合考虑经济性及受力性能,建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm,配筋率不宜超过1.4%,栓钉间距最大不超过450 mm。
钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计
金双双, 谢雨, 白久林, 李梦依
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0885
摘要:
两边连接屈曲约束钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等优点;而且在结构中布置灵活,能够减小对框架柱的作用力,避免框架柱过早发生破坏。为确定墙体在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥,提出了钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计方法。设定结构预期的整体破坏模式和目标位移,基于能量平衡原理计算结构的设计基底剪力,采用剪力比将双重抗侧力结构体系离散为钢板剪力墙体系和框架体系并计算设计楼层剪力,进而完成钢板墙的截面设计。按照塑性内力分配机制和钢板墙屈服后的性能,计算框架结构梁、柱的内力需求,完成钢筋混凝土框架的截面设计。分别对5层和10层结构进行基于能量平衡的大震塑性设计,并采用时程分析法对结构进行非线性动力分析,对比研究了两个结构的损伤机制、最大层间位移角、楼层剪力比和残余位移。分析结果表明:所提出的设计方法能够实现结构预期的整体破坏模式,并满足结构大震抗震性能要求。
缺陷可检修型半灌浆套筒连接高应力反复拉压性能试验研究
解琳琳, 钟勃健, 苗启松, 陈曦, 孙海林, 杨参天, 冯雪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0054
摘要:
为解决灌浆套筒饱满度缺陷引起的连接性能不可靠问题,研究团队前期提出了一种缺陷可检修型半灌浆套筒连接。为明确高应力反复拉压荷载下该套筒的连接性能,该研究考虑2种钢筋直径、4种灌浆缺陷率和2种修补方式影响,制作了26个试件进行高应力反复拉压试验,对比分析无缺陷、不同缺陷和缺陷修补套筒连接的破坏形态、承载力和变形能力的异同。结果表明:反复拉压荷载对较高缺陷率试件影响显著,当缺陷率达到一定阈值时,试件出现钢筋滑移破坏,承载力和变形能力显著低于无缺陷构件,该阈值随着钢筋直径的增大而减小;对于直径为20 mm、缺陷率为60%的试件,在钢筋尚未屈服前即发生粘结滑移破坏;无缺陷和缺陷修补试件破坏模式则均为钢筋拉断,且承载力和变形能力基本一致,采用灌浆料和植筋胶修补均可满足规范要求,验证了新型套筒修补的合理性和可靠性。
装配式钢结构箱形柱塞焊-芯筒式法兰连接性能试验研究
张艳霞, 金博文, 黄哲文, 刘梓洋, 江锟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0930
摘要:
为解决装配式钢结构中箱形柱全熔透焊接节点施工工序复杂、现场施工效率低、人工成本高的问题,提出一种箱形柱塞焊-芯筒式法兰连接节点及其设计方法。设计了3组不同构造形式的塞焊-芯筒式法兰连接节点、1组无芯筒法兰连接节点和1组无连接箱形柱构件,并对其进行了拟静力试验研究。试验结果表明:相较于无芯筒法兰连接节点,塞焊-芯筒式法兰连接节点初始刚度提高16.6%,最大承载力平均提高9.97%,芯筒的设置能够大幅提升节点的力学性能;相比于10.9级高强螺栓,12.9级高强螺栓较大的预拉力使法兰板间挤压力增大,限制法兰板间开口,提高了节点的整体刚度;设置法兰板加劲肋能够保护法兰与柱壁的焊缝,对节点的力学性能有较小提升;塞焊-芯筒式法兰连接节点与无连接箱形柱构件具有相近的滞回性能,结构设计时可按刚接进行计算,并且相较于传统焊接节点施焊简便,可以在实现现场高效装配的同时控制工程成本。
基于改进统计矩点估计法和最大熵原理的结构整体可靠度分析
王涛, 李正良, 范文亮
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0092
摘要:
结构整体可靠度评估一直以来是结构可靠度领域研究的热点与难点。该文将结构整体可靠度分类,并给出其对应功能函数的统一描述;结合提出的有效维度两步分析法和共轭无迹变换法,发展了改进统计矩点估计法;结合最大熵原理和改进统计矩点估计法,提出了适用于两类结构整体可靠度的统一分析方法;通过2个数值算例对该文方法进行了验证。算例分析结果表明:同一精度水平下,该文方法的计算效率较传统的三变量降维近似统计矩点估计法高2.3倍~2.6倍;该文方法具有高的精度水平,其最大相对误差低于2%,适用于结构整体可靠度评估。
基于坡面卸荷的土质边坡应力状态及稳定性分析
杨奎斌, 朱彦鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0753
摘要:
边坡稳定性分析中极限平衡法难以考虑土体应力状态,坡体滑面应力计算又长期停留在数值方法上。为解决这一问题,提出坡面卸荷应力等效思路,将坡面按半无限边界考虑后利用弹性理论求解坡体应力,并根据滑面应力进行稳定性安全系数计算,最后结合多个算例将潜在滑动面位置、滑面应力分布、安全系数与已有理论进行比较。研究结果表明:坡面卸荷应力等效思路概念清晰,符合边坡受力特征,且通过该思路求得的滑面应力与有限元分计算结果基本一致,搜索得到的潜在滑动面位置,以及对应的稳定性安全系数与有限元强度折减法、极限平衡法计算结果十分接近。此外,该计算方法还能有效与支护结构预应力结合,体现预应力的加固作用。
基于非接触式观测技术的再生骨料混凝土断裂性能分析
吴恺云, 罗素蓉, 郑建岚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0067
摘要:
采用非接触式观测技术(DIC)和传统电测法,对不同再生粗骨料取代率(0%、30%、50%、70%、100%)的混凝土进行三点弯曲梁断裂性能试验,得到双K断裂参数、裂缝口张开位移(CMOD)、裂缝尖端张口位移(CTOD)、裂缝扩展长度(∆a)以及裂缝扩展路径,验证DIC非接触观测技术的有效性。结果表明:当再生骨料取代率为100%时,起裂韧度和失稳韧度分别下降了15.81%和15.39%;随着再生骨料取代率的增大,P-CMODP-CTODP-∆a曲线下降段斜率增大;DIC方法能够有效捕捉到裂缝的扩展过程,并且与夹式引伸计测得的CMOD值二者吻合良好;CTOD的DIC实测值和公式计算值变化趋势较为一致;在试验结果的基础上,通过P/Pmax与∆a/∆ac的关系拟合曲线,可以获得不同再生骨料取代率的试件在不同荷载下的∆a估算值。
不同细骨料下不锈钢管混凝土构件受弯性能研究
张伟杰, 廖飞宇, 侯超, 任彧, 谈建俊, 任梦璐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0746
摘要:
为考察不同细骨料种类对不锈钢管混凝土的受弯性能的影响,进行了24根不锈钢管混凝土构件在纯弯荷载作用下的力学性能试验研究。试验的主要参数为:细骨料种类、截面形状和剪跨比。基于试验结果,对比了不锈钢管原状海砂混凝土、不锈钢管淡化海砂混凝土和不锈钢管普通河砂混凝土3类构件的破坏模态,并分析了各主要参数对试件荷载-变形关系曲线、受弯承载力和抗弯刚度的影响规律。试验结果表明:采用原状海砂和淡化海砂取代普通河砂,对不锈钢管混凝土构件受弯承载力和刚度的影响较小。建立了不锈钢管混凝土纯弯构件的有限元分析模型,并利用模型对影响构件力学性能的重要参数进行了分析,在此基础上提出了圆形和方形不锈钢管混凝土受弯承载力的简化计算公式,可为相关工程实践提供参考。
附加惯容器的层间隔震系统简化分析及地震响应研究
刘德稳, 招继炳, 周旺旺, 刘阳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0912
摘要:
层间隔震技术是一种新的减震控制方法。建立了附加惯容器的层间隔震混合控制系统分析模型,推导了附加惯容器的层间隔震混合控制系统的动力特性公式,分析了模型计算参数对动力特性的影响。建立了基于反应谱的地震响应预测公式,并采用时程分析法进行验证。研究了附加惯容器的层间隔震混合控制系统的响应控制效果,对关键参数的影响进行了分析。研究结果表明:惯容器对层间隔震结构的地震响应具有一定的控制作用,所建立的分析方法能较好预测附加惯容器的层间隔震混合控制系统的地震响应,惯容器可实现对位移及加速度双控制的目标。研究结果可作为附加惯容器的层间隔震结构地震响应预测分析方法,并为层间隔震混合控制系统设计提供参考。
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,本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}${E_c}$\end{document}与纯弯等效弯曲刚度\begin{document}${E_c}Is$\end{document}。然后,将隔震橡胶支座等效为符合\begin{document}${E_c}$\end{document}\begin{document}${E_c}Is$\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}$\left( {{F_H}} \right)$\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。接着以上解答,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,又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,可为工程提供实际应用价值。最后,还可采用文本的理论方法,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。
基于极限平衡理论的钢与混凝土组合框架结构抗震分析
王玉良, 赵敏, 郝际平, 薛强, 姜维山
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0238
摘要:
基于极限平衡理论建立一种钢与混凝土组合框架结构罕遇地震作用时简化分析方法。首先,通过理论分析和试验现象,确定组合框架破坏机制;其次,基于极限平衡原理,根据结构在地震作用下达到极限状态时变形和内力分布规律,分别计算框架顶部侧移等于H/50、H/40和极限荷载对应侧移值时组合框架抗震强度,计算结果与国内外十九榀组合框架低周反复荷载试验结果吻合较好,说明此计算方法可有效地预测组合框架结构在罕遇地震下的抗震强度;最后,提出通过对组合框架变形能力和抗震强度同时进行控制,以使结构满足罕遇地震下抗震要求的简化方法。
基于Cohesive单元的石拱桥主拱圈二相数值模拟方法
赵超, 戴志成, 钟新谷, 陈倩倩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0826
摘要:
为解决石砌体材料非均质的描述问题,提出一种基于Cohesive单元的石拱桥主拱圈两相数值模拟方法。视石砌体为两相材料(砌块和砌缝),采用实体单元模拟砌块并引入非线性本构描述其破坏行为,在相邻砌块间插入Cohesive单元考虑砌缝砂浆的剪切和拉伸破坏。通过室内试验与数值模拟对比验证方法的有效性及适用性,分析了砌缝抗剪摩擦系数μ、加载位置等敏感参数对拱桥承载力的影响。结果表明:基于Cohesive单元的石砌体两相数值模型,可以有效描述石砌体材料的非均匀性及石拱桥的破坏过程(尤其是砌缝剪切滑移破坏行为),可为石拱桥极限承载力评估提供重要信息,如荷载-位移曲线、破坏模式等。此外,研究结果还发现主拱圈破坏机制由拱的受弯、受剪特性决定,并与砌缝抗剪摩擦系数μ强相关。
基于虚拟激励法列车脱轨系数概率统计研究
周子骥, 张楠, 孙琪凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0927
摘要:
为探讨高速铁路列车脱轨系数安全指标的随机特性,基于虚拟激励法与极值理论,采用多体动力学理论与有限元法建立车桥随机振动模型。采用垂向密贴、横向线性蠕滑轮轨关系建立车-桥耦合系统动力学方程;运用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列频率点处简谐荷载的叠加,将非平稳问题转化为确定性的时间历程问题,通过分离迭代法求得轮轨力功率谱;基于调制函数,采用谐波叠加法在每一时刻求和得到轮轨力时程样本;通过极值理论探究脱轨系数最大值概率分布函数并求得其最大值。同时讨论了不同挠跨比情况下,轮轨力功率谱的平稳特性。基于该计算模型,以24.6 m混凝土简支梁为研究对象,研究不同车速下脱轨系数极值分布情况。研究结果表明:极值分布能很好的求得不同车速下的脱轨系数极值;速度越大,脱轨系数极值分布的离散型越强,对应的99.73%置信度脱轨系数值越大;置信度99.73%对应极值能较好的控制住时域样本最大值;就所研究的工况而言,桥梁变形对轮轨力功率谱平稳特性的影响很小。
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。本文采用离散元PFC2D-GBM (Grain-Based Model)模型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。
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。
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,本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。
外挂墙板采用耗能连接钢框架结构抗震性能研究
种迅, 朱东, 蒋庆, 黄俊旗, 冯玉龙, 宋磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0279
摘要:
本文提出一种适用于钢框架和整间外挂墙板间的耗能连接方式。为研究这一连接方式对钢框架抗震性能的影响,对两榀分别采用X型和U型钢板消能器作为耗能连接的钢框架和一榀作为对比的纯钢框架试件进行了拟静力试验研究,并对所采用的两种消能器进行了拟静力试验研究。结果表明:X型钢板消能器疲劳加载阶段发生核心板局部屈曲,最终核心板在根部发生疲劳断裂;U型钢板消能器整个加载过程中仅出现轻微裂纹,疲劳性能较好;两种消能器滞回环均较为饱满,均存在屈服后强化现象。由于核心板的薄膜效应,X型钢板消能器强化更明显;三榀钢框架试件的破坏模式相同,外挂墙板和耗能连接未改变钢框架本身的损伤机制;试件GKJ-1由于X型钢板消能器的薄膜效应,导致外挂板在加载后期受拉产生裂缝,且最终一侧螺栓被剪断而破坏;试件GKJ-2加载结束后消能器未出现任何破坏现象,外挂板也未发现任何破坏现象;采用耗能连接的外挂墙板对钢框架的初始刚度、承载力和耗能能力均有一定程度贡献。
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。计算的结果表明:悬浮隧道结构在非饱和淤砂层体系中相比饱和淤砂层体系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。
高温下不同比例钢筋混凝土柱力学性能相似性有限元分析
蔡新江, 夏玮超, 毛小勇, 田石柱
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0890
摘要:
为研究高温下缩尺模型和足尺模型力学性能的相似性,力求通过缩尺模型结果反推得到足尺模型的耐火性能,设计12根钢筋混凝土柱的足尺模型,并基于相似理论建立对应的2/3、1/2和1/3缩尺模型,同时,根据缩尺比调整各组缩尺模型的实际升温曲线、轴力和位移加载速率,并基于ABAQUS软件对各组模型进行耐火性能分析,对比各组原型化的缩尺模型和足尺模型的高温力学性能。研究结果表明:通过调整结构相似关系、时间相似关系和温度场相似关系,经过原型化的缩尺模型和足尺模型的截面温度分布、柱顶轴向位移、耐火极限和极限承载力均具有较好的相似关系,即通过缩尺模型柱可以相对较为准确地反映足尺模型柱的耐火性能。
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。本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,同时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。
卵石倾角对砂卵石地层隧道开挖影响的细观力学研究
张佩, 刘泽昊, 齐吉琳, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0314
摘要:
在实际工程中,椭圆形或亚圆形的卵石以不同角度在地层中层状分布。针对卵石倾角对砂卵石地层施工力学行为的影响,将地层材料视为由卵石和土体基质组成的混合材料,建立砂卵石地层二维细观有限元模型,开展不同卵石倾角下的隧道开挖数值计算。通过围岩应力模拟值和理论值的对比,对细观分析模型的适用性进行了验证。在此基础上,从围岩应力和围岩变形两个角度,对不同倾角下的隧道开挖围岩反应进行了分析。结果表明:当卵石倾角从0°增大至90°时,围岩塑性区的形态和范围均发生变化,且拱腰处的围岩竖向应力不断增大。在给定的计算条件下,地表沉降最大值以每10°相对增幅5.17%的速度线性增加,地表沉降槽宽度系数呈现出先增加后减小的趋势,在卵石倾角为30°时取得最大值;地中沉降最大值和地中沉降槽宽度系数随深度的变化关系均可以采用幂函数形式的公式进行描述。
基于物理机制的随机地震动场中供水管网抗震功能反应分析
缪惠全, 李杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0243
摘要:
城市供水管网是生命线工程的重要组成部分,由于受到工程场地地震动随机性的影响,其系统结构响应和服务功能也应呈现显著的随机性。传统的埋地管线地震反应分析既不能考虑管网拓扑结构的影响,也难以反映随机地震动的作用,同时,管线的结构响应未能落实到系统的功能性评价之上。为了解决上述三个难题,该文在工程场地地震动随机场物理模型的基础之上,通过引入埋地管网地震反应分析模型,结合概率密度演化方法,实现了具有非线性特性的埋地管网的随机地震反应分析;进而,结合管网流体的瞬变流分析理论,实现了城市供水管网的动态抗震功能反应分析,为供水管网的抗震功能可靠度研究奠定了基础。
地铁上盖层间隔震建筑设计研究
解琳琳, 王心宇, 李爱群, 苗启松, 閤东东, 孙海林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0214
摘要:
层间隔震技术是提升地铁上盖结构抗震性能的有效措施。为识别影响该类结构关键设计指标的控制因素,从而指导该类结构的精细设计,依托一大底盘-双塔楼地铁上盖层间隔震工程案例,考虑了3种塔楼方案和4种隔震层方案,设计了12个分析案例。基于精细模型分析了塔楼、隔震层和大底盘相对刚度比和隔震层屈重比对9个关键设计指标的影响规律,包括塔楼和大底盘的中震减震系数、大震最大层间位移角和楼面绝对加速度,以及隔震层的大震位移、极大面压和极小面压,识别了影响各设计指标的关键影响因素。结果表明:对于塔楼,减震系数和楼面最大绝对加速度的控制因素是隔震层刚度和屈重比,减小两者可以取得更好的控制效果,增大塔楼刚度也会存在一定的控制效果,但相对有限;增大塔楼刚度和减小隔震层刚度及屈重比可以一定程度控制塔楼最大层间位移角,当两者达到一定程度后控制效果均趋于稳定。对于大底盘,塔楼和隔震层对其设计指标影响相对较小。对于隔震层,隔震层刚度及屈重比是大震隔震层位移的主要控制因素,其减小会显著增大该位移;塔楼刚度是极大面压的控制性因素,刚度的增大会带来重力的增大,从而带来极大面压的增大;增大塔楼刚度和减小隔震层刚度均可显著控制支座中的拉应力,其中塔楼刚度的增大效果更为突出。该研究的相关成果可为地铁上盖层间隔震建筑的抗震性能控制和设计提供参考。
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:
本文通过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三类,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。
含转动摩擦型干式梁-柱节点的新型装配式混凝土框架结构抗震性能研究
杨参天, 李爱群, 贾军波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0345
摘要:
本研究提出了一种转动摩擦型干式装配梁-柱节点(Rotational Friction Dissipative Joint, RFDJ),具有刚度、屈服弯矩易调控和变形、耗能能力强的特点。为了研究RFDJ对于装配式框架结构抗震性能的影响并验证其可行性,本研究以含RFDJ和灌浆套筒柱脚节点的新型装配式框架结构体系(Novel Precast Concrete Frame, NPCF)作为研究对象,基于2个不同楼层数量的传统现浇框架结构(Reinforced Concrete Frame, RCF)分析案例,综合考虑总起滑弯矩比(ρ)和3种起滑弯矩(Ms)分布模式影响,设计了120个NPCF结构分析案例,开展了多遇和罕遇地震作用下的结构非线性时程分析,结果表明:RFDJ具备用于装配式框架结构的可行性,可实现等同或优于RCF的抗震性能;ρMs分布模式是决定NPCF抗震性能的关键设计参数;结构响应随ρ的增加而降低;Ms分布模式对结构的地震响应控制机制具有显著影响,均匀累积分布模式可以最小的ρ值实现最好的层间位移角控制效果,且有利于节点深化设计和施工。该研究成果可为含干式梁-柱节点的装配式框架结构的研发和设计方法的研究提供参考。
扰流板对分离泡诱导下平屋盖表面风荷载的影响研究
董欣, 邹云峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0872
摘要:
通过风洞测压试验,研究对比了设置扰流板前后,分离泡诱导下平屋盖表面风压特性的变化;基于此,分析了扰流板作用机理,并给出了扰流板的推荐倾角。研究了平屋盖表面风压分布及统计值的变化,结果表明:设置扰流板后,除迎风前缘附近,屋面平均和脉动风压均减小;分离区内风压偏度和峰度值显著降低,非高斯脉动特性减弱。探讨了扰流板对于顺风向和横风向风压相关特性的影响:顺风向风压相关性减弱;横风向风压相关性的减弱仅体现在迎风前缘附近。给出了平屋盖表面风荷载整体合力(矩)的变化,发现当扰流板倾角为0°、10°和20°时,整体合力均值分别减小6.3%、8.2%和6.6%;倾覆力矩均值分别减小18.2%、21.9%和23.3%。基于所得风荷载,对平屋盖整体结构进行静力响应分析,发现设置扰流板将减小主体结构柱底轴力、柱底弯矩和跨中位移,最大降幅分别为13.1%、15.6%和10.1%。综合风压统计值、风压相关性、整体合力和内力响应指标,指出分离泡诱导下,所考察工况范围内的平屋盖表面扰流板推荐倾角为10°。
人行桥人致横向振动的新型模型—IP-K模型
贾布裕, 茅思奕, 陈扬文, 颜全胜, 余晓琳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0178
摘要:
目前关于人行桥人致横向振动的机理仍不明确,在这个领域依旧存在着争论和不足。主要有两种主要模型被用于解释人行桥人致大幅横向振动:同步锁定模型和倒摆模型。同步锁定模型认为桥上人群会受桥梁振动影响而逐渐调整步频和桥梁发生同步现象,导致桥梁发生大幅横向振动。而倒摆模型却认为人群调整步频产生的同步现象并不是桥梁大幅横向振动产生的前提条件,认为:即使行人不进行步频调整,其人-桥相互作用引起的自激力同样足够引起振动失稳。目前倒摆模型被认为更具普适性,但其仍存在一个被质疑的问题:采用倒摆模型得到的行人正常步频下的速度同相自激力分量系数\begin{document}${c_p}$\end{document}远小于实测值。产生这个问题的原因极有可能是倒摆模型忽视了实际中真实存在的同步效应。鉴于此,本研究提出了一种新型的人行桥人致横向振动模型:IP-K(Inverted Pendulum - Kuramoto)模型。其主要原理为:以倒摆模型为核心框架,同时将Kuramoto生物同步模型引入到倒摆模型,使其能考虑人群和桥梁振动之间的同步效应,以此使倒摆模型更合理、更接近实际。所提模型被应用于千禧桥北跨,验证了其有效性;同时讨论了行人步频分布参数、行人数量、行人对桥梁振幅的敏感系数等一系列关键参数对\begin{document}${c_p}$\end{document}的影响;并建立了一般线性非稳定/稳定的判定依据。本研究所提方法将为人行桥人致横向振动的机理的揭示提供有力的理论依据。
基于BP神经网络的RC框架结构地震易损性曲面分析:考虑地震动强度和持时的影响
程诗焱, 韩建平, 于晓辉, 吕大刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0837
摘要:
与短持时地震动相比,长持时地震动会加剧结构的损伤,增加结构的失效概率,因此有必要更充分地研究地震动持时特性对结构地震易损性分析结果的影响。该文提出了一种基于BP神经网络的地震易损性曲面分析方法,使用神经网络模型,综合考虑地震动强度和持时特性对结构地震需求的影响,并进行地震易损性分析,得到不同损伤水平下考虑地震动持时特性的结构易损性曲面。选用3个不同高度的钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别选择具有长、短持时特性的2组地震动记录为输入,采用BP神经网络模型建立地震动强度指标与结构响应间的关系,在此基础上得到目标地震易损性曲面,并对该方法的有效性进行讨论。分析结果表明,研究建立的BP神经网络模型精度较高,依据该方法可得到可信的损伤概率分析结果。相比于传统方法,神经网络可以更为有效和准确地建立持时与结构损伤的相关关系,得到考虑持时特性的易损性分析结果。该文的方法亦可进一步拓展,将更多地震动特性纳入地震易损性分析过程,具有明确的应用前景。
现代有轨电车线路扣件系统模态与钢轨波磨关系研究
张昭, 杨新文, 马骙骙, 赵治钧, 陆文学
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.12.0906
摘要:
为了预防有轨电车扣件系统中弹条断裂病害的发生,对现代有轨电车钢轨-扣件系统进行有限元模型建立,并在考虑弹条正常安装状态预应力的基础上,对不同轨下垫板刚度的扣件系统进行模态分析,利用统计方法研究了列车速度、波磨波长、弹条模态及轨下垫板刚度之间的相关关系,结果表明:弹条小圆弧处断裂与其中高阶模态有关,大圆弧处断裂与其中低阶模态有关,现代有轨电车系统的列车通过频率主要分布于500 Hz以下频段;随着轨下垫板刚度增加,弹条模态固有频率提高,受轨下垫板刚度影响较大的弹条模态固有频率的频段为196.64 Hz~258.31 Hz、630.16 Hz~673.51 Hz;在列车车速(30 km/h~70 km/h)和钢轨波磨波长(25 mm~80 mm)等概率分布的条件下,3种典型弹条断裂形式出现的概率分别为3.5%、36.3%、25.9%,改变车速及波长范围即可进行指定线路的弹条断裂形式概率分析,从而有针对地进行养护维修、伤损检测计划的安排。
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。本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。
基于偶极子模型的双小行星系统平衡点特性研究
李旭, 钱霙婧, 杨晓东, 张伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.11.0824
摘要:
针对主星是细长型小行星,而次星是小而规则天体的双小行星系统,采用偶极子—粒子模型,建立了普适性的引力场模型,研究了系统平衡点附近的局部动力学及周期轨道问题。研究了同步状态下系统参数对平衡点位置、稳定性和变化趋势的影响,并给出了非共线平衡点的线性稳定域,计算了在非同步双小行星系统的等效平衡点的轨迹。结合路径搜索修正法和伪弧长延拓方法得到同步双小行星系统共线平衡点附近的1∶1共振轨道族。该研究能为双小行星系统探测中轨道设计问题提供理论基础。