留言板

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

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

优先发表

优先发表栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章,这些文章目前处在编校过程,尚未确定卷期及页码,但可以根据DOI进行引用。
显示方式:
边柱失效后预应力拼接连接装配式结构抗连续倒塌机理研究
余洋, 李治, 肖龙山, 耿松源, 钱凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0366
摘要:
为了研究边柱失效工况下预应力拼接连接装配式结构的抗连续倒塌机理,在实验室开展了4个1/2缩尺预制梁-柱子结构模型试验。试验采用静载方式研究了3种预制装配式连接类型的抗连续倒塌性能。试验结果表明:采用不同连接类型的预制装配式子结构表现出不同的破坏模式;预应力拼接连接是一种有效抵抗连续倒塌的连接方式;采用混合连接结构抗力总是大于或等于钢绞线与角钢连接单独连接抗力之和;较高初始预应力可以增大试件在小变形阶段的抗力,但是会明显降低其大变形阶段的抗力。最后,通过商用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立有限元模型,并在验证模型之后分析了试验中没有量测的关键结果,比如梁端弯矩变化,随后对关键设计参数开展了拓展参数分析。有限元结果表明:采用有粘结预应力较无粘结预应力结构抗力提高明显。当增大混凝土强度时,结构抗力也会随之提升。增大轴压比,会加重边柱的P-Δ效应,从而降低结构的变形能力和极限承载力。
饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析
许民泽, 崔春义, 李静波, 王广兵, 苏健, 高凌霞
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.S044
摘要:
为进一步研究饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性问题,以某单层双跨地铁车站为研究对象,综合考虑场地类别、地震动不确定性的影响,采用u-p格式饱和两相介质有效应力动力求解方法,建立饱和砂土场地-地铁车站结构体系耦合动力非线性分析数值模型,选取最大层间位移角为结构损伤指标,基于增量动力分析IDA法获得结构在地震作用下动力响应数据,进而构建地铁车站结构的地震易损性曲线,并求得结构在各级地震动作用下的不同破坏状态超越概率。分析结果表明:当PGA<0.7 g时,饱和砂土场地中地铁车站结构以发生中等损伤和轻微损伤为主;当PGA≧0.7 g时,结构以严重损伤为主,并且向坍塌发展。此饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析流程方法,可为地铁车站抗震设计和减灾预测评估提供参考。
考虑材料非线性的RC双曲冷却塔风致破坏过程
张军锋, 裴昊, 朱冰, 刘庆帅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0324
摘要:
为明确RC双曲冷却塔的极限静风荷载及其风致破坏过程,以一座大型冷却塔为例,采用ABAQUS中分层壳单元模拟塔筒的混凝土和双向钢筋网,在线性计算和非线性计算验证的基础上,采用弥撒开裂模型和双线性模型模拟混凝土和钢筋的非线性受力特征,分析了自重+风荷载(工况I)和自重+冬温+风荷载(工况II)两种工况下的静风破坏过程,并结合荷载位移曲线、内力、应变和应力的发展和分布探究了其破坏机理。结果表明,对于工况I,风荷载系数为λ=1.384时,首先在迎风子午线相对高度hs/Hs=0.37位置因子午向受拉出现环向裂缝且为贯通裂缝,之后整个迎风区的环向裂缝不断增加并沿环向扩展,迎风区内表面和侧风区外表面也因环向弯矩而出现子午向裂缝,开裂位置的钢筋应力迅速增加,荷载位移曲线也由线性进入非线性并且迎风区和侧风区位移迅速增加,迎风区和侧风区内力也表现出明显的重分布特征,最后因混凝土持续开裂和喉部区域双向钢筋屈服而破坏,极限风荷载系数为λ=2.007。对于工况II,温度效应的计入使λ=1.0时即在侧风区上部首先出现子午向裂缝,子午向裂缝开展也较工况I略严重,但因温度的弯矩效应有限,其荷载位移曲线和工况I基本一致,且仍以迎风区环向开裂最为显著,结构破坏依然由风荷载控制,最终的极限荷载荷载系数为λ=1.842。
生土结构预应力加固抗震试验研究
高幸, 王维玉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.S042
摘要:
生土结构预应力加固技术是针对碹窑结构缺陷提出的新型抗震加固技术。预应力加固主要分为预应力穿墙螺栓拉结、预应力钢拱圈支撑和预应力钢绞线拉结三大类型。对加固后的碹窑进行原位爆破试验,试验结果表明:预应力加固结构体系对窑身y方向的抗震性能提升显著;预应力穿墙螺栓在爆破激励下对窑脸起到明显的拉结作用;碹窑内部门洞处应力集中,加固设计时应重点关注。该加固技术适合在张家口境内村镇普及推广,具有重要的科学理论价值、现实意义与应用前景。
新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究
谢梦洁, 邹昀, 王城泉, 钱慧超, 曹岚, 陈明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0461
摘要:
为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能,以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数,进行4根试件的受弯试验,结果表明:波纹钢能较好地与混凝土协同工作,有效加强钢-混界面,避免纵向滑移破坏的发生,但是波纹钢轴向刚度较小,几乎没有抗弯贡献;预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大;抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算,发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用,提高试件的抗弯承载力与延性;相比于直钢板组合梁,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力;随着混凝土强度提高,承载力略有提升;下翼缘钢板厚度增加,承载力显著提高,对刚度影响不大;刚度、承载力随预应力度提高而提高,但是延性变差。最后,建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。
具有耗能减震层的连体结构减震分析
刘良坤, 潘兆东, 谭平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.S037
摘要:
基于能量集中耗散的理念,提出在连体结构一侧塔楼设置减震层,形成具有耗能减震层的连体结构控制体系,并利用达朗贝尔原理推导了该体系的振动微分方程,研究了三种不同结构形式的连体结构控制体系最优参数特征及减震效果。结果表明:这三种连体结构控制体系的最优阻尼系数与刚度随减震层位置的上升呈下降趋势,其中最优阻尼变化相对平稳,而最优刚度则变化较大;当减震层设置在低楼层时,可以获得相对较好的减震效果,且在偏刚塔楼设置减震层的减震效果更佳,但最优参数数值更大;左右塔楼的减震效果存在一定差异性,其中左塔楼楼层响应呈现出减震层位置越低效果越好的趋势更加明显,右塔楼则在减震层位置附近的楼层具有较好的减震效果;连体结构设置减震层后,其顶层响应抑制效果显著。
剪跨比对CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究
金浏, 夏海, 蒋轩昂, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0028
摘要:
剪跨比对FRP抗剪加固梁的裂缝开展和破坏模式有重要影响,但对FRP加固梁抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少。采用三维细观数值模拟方法,考虑混凝土细观组成的非均质性及碳纤维布(CFRP)与混凝土之间的相互作用,建立了CFRP加固无腹筋钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型。在验证细观模拟方法合理性的基础上,拓展模拟与分析了剪跨比对CFRP加固钢筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响机制与规律。研究结果表明:剪跨比对CFRP抗剪加固梁剪切破坏模式影响较大,剪跨比越大,加固梁愈趋近于延性较好的斜拉破坏;剪跨比对CFRP加固梁抗剪承载力有较大影响,对抗剪强度尺寸效应影响较小;剪跨比对加固梁中的CFRP剪切贡献影响较大,剪跨比越大,CFRP对加固梁的抗剪效果越好,其中对中型剪跨比(λ=2.5)的梁加固效果最有效。
CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能尺寸效应的细观分析
金浏, 李秀荣, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0435
摘要:
为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式,该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用,建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上,扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明,1)一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高,但其延性会降低;2)该文工况中,CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势,存在着明显尺寸效应行为;3)在经典材料层次尺寸效应律基础上,提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4),模拟结果证实了公式的合理性。
充气薄膜管气-膜耦合作用的有限元分析
王晓峰, 付慧杰, 杨庆山
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0395
摘要:
充气薄膜管通过内充气压获得刚度和承载力。荷载作用下的变形会导致内充气压改变,进而引起结构刚度的变化,体现为内充气体与外围薄膜耦合作用。该文采用有限元方法对充气薄膜管的气-膜耦合作用及其随影响因素的变化规律进行数值分析。通过将内充气体等效为小扰动线性有势流体以考虑内充气体与外围薄膜的耦合作用;通过将有限元分析结果与相应的试验结果进行对比,验证考虑气-膜耦合作用有限元模型的正确性和精确性;通过将分析结果与内充气体被等效为外围薄膜静力边界条件情况下的计算结果进行对比,研究气-膜耦合作用对充气薄膜管褶皱临界荷载和极限承载力的影响及其随初始内压、长细比、端部约束类型以及轴向荷载的变化情况。研究结果表明,气-膜耦合作用对褶皱临界荷载和极限承载力具有重要影响,且呈现非单调变化的特点,在影响因素的变化范围内,出现极大值或(和)极小值。该文的研究成果揭示了充气薄膜管的气-膜耦合作用规律,有助于深入认识充气薄膜管的力学行为,确保空间充气薄膜结构设计计算的可靠性。
CFRP环带拉索静力拉伸试验及数值模拟
范凌云, 高婧, 李锦峰, 周海俊, 徐恭义
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0447
摘要:
铰销式CFRP环带是一条具有单向纤维的CFRP连续层带,以类似于赛道的方式分层缠绕在2个分离的销钉上,荷载通过销钉进行传递。进行了层压型CFRP环带静力拉伸试验,分析了试验过程中的荷载与应力关系、试件裂纹发展过程以及破坏模式,同时建立了有限元模型与试验结果进行了对比验证。在此基础上,通过对构造参数进行分析,研究了关键参数对CFRP环带的受力特点、应力分布、破坏模式及承载力的影响。研究结果表明,环带的荷载传递效率较直线条带有所下降,极限荷载为条带的81%;环带承载过程中,伴随着分层现象的出现和纵向裂纹的发展,最后在直曲相交段发生脆性破坏;随着曲线段曲率、环带厚度、摩擦系数的改变,环带各层和各部分的应力最大值均有不同程度的变化,但应力最大值出现的位置总是发生在直曲相交段或直线接头外侧;曲线段的应力分布受构造参数影响更大,虽然应力水平不高,但对环带整体的承载情况和破坏模式有较大影响。
我国震害预测工作的沿革与发展
孙柏涛, 李洋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST04
摘要:
在我国地震灾害预测的理论、技术和实践已经有40年的历史,由于政府、社会和公众对防灾减灾意识的逐渐增强,该学科得到了较为广泛的应用,使其成长为地震工程领域比较受关注的学科之一。该文拟从时间节点维度和政府、社会和公众应用的视角阐述其沿革、发展和应用延伸的历程。总体来说,震害预测的发展过程是按照以下的脉络延展的:1)初期只是针对典型区域内几类建(构)筑物的单体,目的是找出不同类型结构抗震的薄弱环节,为其减灾和加固提供基础依据;2)而后,重点转向了工作区域内不同结构的群体抗震能力和可能造成的损失及人员伤亡的分布,目标放到了城市、区域的规划、防灾准备和震时的应急评估;3)近十余年,保险业为了厘定保额和赔率,推动了群体震害预测和灾害风险评估工作;4)目前,由于政府的大量投入和指导,并分类推进全社会的灾害风险评估和治理,使得震害预测工作迎来了新的发展契机。随着不同的发展阶段,震害预测理论和方法的研究都得到了逐步完善、深化和延伸。本文仅从一个侧面概述了震害预测发展历程,难免挂一漏万和出现评论上谬误,供本行业从业人员讨论。
基于微观机制的复杂应力状态下钢材韧性断裂行为研究
叶继红, 范志鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0394
摘要:
韧性断裂是钢材最常见的破坏形式,研究钢材韧性断裂机理并准确预测钢材韧性断裂行为具有重要的理论意义和工程实用价值。基于微观机制的断裂预测方法对研究钢材韧性断裂行为有较好的适用性。该文基于体胞模型空穴演化机理改进了现有的韧性断裂模型,校核了Q345钢材断裂模型参数。此外,在韧性断裂模型中引入损伤因子,以考虑应力状态在加载过程中的变化,使断裂模型能准确描述每一加载时刻的累积损伤值。文末采用Fortran语言将断裂模型编写USDFLD子程序,并将其植入有限元程序ABAQUS,对一组十字型刚节点试件单轴拉伸试验进行数值模拟。结果表明,该断裂模型在拉-剪复合应力状态下具有良好的预测精度,且能够准确捕捉钢材断裂起始位置及裂缝扩展路径。该文改进的韧性断裂模型也可用于其它韧性金属材料断裂预测分析。
基于有限元模型修正的土木结构损伤识别方法
翁顺, 朱宏平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.ST02
摘要:
基于有限元模型修正的结构损伤识别方法计算过程直观、物理意义明确,能同步识别结构损伤位置和损伤程度,是结构损伤评估最直接的依据。该文介绍了基于有限元模型修正的损伤识别方法基本原理与过程,总结近三十年来有限元模型修正技术的发展。土木工程结构模型复杂性(包含大量单元、节点、待修正参数等)导致有限元模型修正过程效率低,详细介绍了基于子结构有限元模型修正的土木工程损伤识别方法在提高计算效率方面的优势。将两种有限元模型修正方法应用于一栋超高层建筑数值模型的损伤识别,说明两类方法在土木结构损伤识别中的特点。土木工程尺度大而结构损伤通常发生在局部区域,子结构方法将整体结构的分析转换为对若干独立子结构的分析,通过少数局部子结构的模型修正实现损伤识别,避免重复分析大尺寸整体结构,为大型结构基于有限元模型修正的损伤识别开辟高精度和高效率的途径。
边坡渐进破坏多参量评价指标
卢应发, 张凌晨, 张玉芳, 李健, 刘珉玮, 朱蕾
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0286
摘要:
传统的强度折减法就是以强度折减表征岩土体破坏后区的软化力学行为,该折减系数实质为描述边坡的整体稳定系数,但物理意义不明显。边坡稳定性是一个与众多因素相关的复杂科学课题,当边坡局部处于破坏后区应力状态时,其整体并不一定发生破坏,这种由破坏区和非破坏区组成的整体实质为非稳定力学系统,难以用连续介质力学的方法获得真实解。该研究提出了描述边坡点、面(滑面)和体(滑体)的多参量稳定性评价指标;定义了点破坏、面破坏(破坏面积比、破坏应力率、破坏应变率、摩擦力变化系数、正压力变化系数、下滑力变化系数、滑面位移变化系数等)和体破坏(富余摩阻力稳定系数、主推力稳定系数、富余摩阻力稳定系数、综合位移稳定系数、富余位移稳定系数等)边坡多参量稳定性评价指标,用来对边坡点破坏、滑面扩展、连通等实施全方位演化过程描述。并充分利用部分强度折减法、理想弹塑性模型、全过程本构模型等揭示滑坡点、面和体多参量随位移和力的变化规律;以传统和推广的不平衡推力条分法为例,利用多参量描述边坡的渐进破坏过程,揭示了在边坡临界状态一步一步移动过程中点、面及体的全过程多参量稳定性演化特征。大冶市桃花山边坡计算结果表明:多参量稳定性评价指标可以较好地描述桃花山边坡各特征量的演化规律,且基于理想弹塑性模型的部分强度折减条分法点、面描述参量(破坏率、破坏比等)的值小于全过程剪应力-应变本构模型的值,边坡整体稳定系数(主推力法、综合位移法和富余位移法)描述指标大于全过程剪应力-应变本构模型,但富余摩阻力法稳定系数则相反等。该研究重点是建立了边坡多参量稳定性评价指标,并使传统的稳定系数可以和该文建议的方法加以比较,为边坡监测预警提供了理论支撑。
RC框架梁柱子结构抗连续倒塌性能不确定性分析
陈泽帆, 林楷奇, 陆新征, 李易
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0464
摘要:
近年来,结构的抗连续倒塌问题在国内外引起了广泛关注。RC框架作为实际工程中最常见的结构形式被广泛研究。然而,已有RC框架梁柱子结构的连续倒塌性能相关研究多基于确定性分析且主要针对静力拆除构件工况。该文基于OpenSees分别建立了典型RC框架梁柱子结构的静力和动力连续倒塌分析有限元模型,通过试验对比验证了模型的准确性。在此基础上,考虑结构截面几何属性、材料特性等不确定性因素,基于拉丁超立方抽样生成不同模型并分析了结构不确定性对RC框架梁柱子结构静力和动力抗连续倒塌性能的影响。参数不确定性分析结果表明:悬链线机制对RC框架梁柱子结构的抗连续倒塌性能十分重要;而以梁端转角达到0.20 rad作为RC框架梁柱子结构动力失效指标在一定程度上偏于保守。参数敏感性分析结果表明:纵筋屈服强度、极限强度为影响RC框架梁柱子结构抗连续倒塌能力的主要因素。
设置耗能壳板的高强钢圆管桥墩轴压试验研究
李海锋, 舒智, 谢彩霞, 洪依萍, 陈赛剑
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0486
摘要:
为探讨设置耗能壳板的新型高强钢圆管桥墩的受力机理,对4组共8个新型Q460高强钢圆管桥墩试件开展相应的轴压试验研究,获得各试件破坏的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线。通过对比分析轴压作用下试件的破坏模式、承载能力、延性性能等力学特征,探讨设置耗能壳板后高强钢圆管桥墩承载能力和变形性能的变化规律。试验结果表明,新型高强钢圆管桥墩试件的轴压破坏可分为根部“象脚式”破坏、高强螺栓被剪断、上下端部“压扁式”破坏三种类型。设置耗能部件后,轴向荷载作用下高强钢圆管桥墩的承载能力和延性性能均有提高,尤其是构件承载能力提高效果更为显著。低屈服点耗能钢板的强度和厚度对试件的承载能力均有影响,随着低屈服点钢板强度和厚度的提高,试件的轴压承载能力随之提高;且低屈服点钢板厚度对试件轴压承载力的影响更显著。
基于SBFEM和机器学习的薄板结构缺陷反演
赵林鑫, 江守燕, 杜成斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0416
摘要:
将比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method,SBFEM)和机器学习算法相结合,基于Lamb波在含缺陷薄板结构中传播时结构的动力响应变化定量反演结构中的缺陷信息。SBFEM通过改变裂纹所在子域的比例中心位置反映不同的裂纹信息,减少了需要进行重划分的网格数量,大大提升了计算效率,能够提供足够多的反映缺陷特性的训练数据;基于极限学习机的人工神经网络机器学习模型避免了传统反分析问题求解的目标函数极小化迭代过程,能在极快的学习速度下保证缺陷反演的精度。因此,提出的缺陷反演模型大大减少了运算时间成本。若干数值算例表明:建立的反演分析模型能够根据含缺陷的薄板结构Lamb波传播时观测点的动响应信号,准确地探测出薄板结构中的开口裂纹状缺陷的位置和大小等信息,并具有很高的反演效率,且在信号含有噪声的情况下仍具有较好的鲁棒性。
飞机整体结构件的“加工变形-疲劳寿命”多目标结构优化方法
秦国华, 郭翊翔, 王华敏, 侯源君, 娄维达
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0517
摘要:
在毛坯制造过程中,材料力学性能的非均匀性导致铝合金厚板内产生残余应力,以致在后续的高速切削加工过程中,随着材料的大量去除,残余应力的释放使得整体结构件发生变形,严重影响着整体结构件的尺寸稳定性。因此,研究零件结构与零件变形之间的关系对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。首先,将铝厚板内残余应力的释放合理地等效为外载荷的施加,利用材料力学弯曲变形公式建立铝厚板在厚度方向上加工变形的挠度模型。由实际加工测量可知:加工变形的公式解析值、有限元仿真值与实际测量值吻合得很好。为了进一步分析零件结构与疲劳寿命之间的关系,通过名义应力法对零件的最小疲劳寿命与疲劳载荷下零件的最大应力进行等效以简化分析,对部分具有代表性的结构进行静力分析后将其作为样本进行神经网络拟合,得到了以三个腹板位置为输入、零件最大加工变形及最大疲劳应力为输出的神经网络模型。最后利用神经网络模型构建了一个使得最大加工变形和最大疲劳应力都尽可能小的多目标优化问题,使用遗传算法求解该多目标问题后取得的最优解为:三个腹板与零件底部距离分别为8.868 mm、27.992 mm、28.000 mm,此时零件的最大加工变形为0.088 mm,最小的随机疲劳载荷寿命为4.432×107次。
基于能量等效原理的金属材料硬度预测方法
张志杰, 郑鹏飞, 陈辉, 蔡力勋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0249
摘要:
硬度是一种广泛应用于材料科学与工程实际中的力学性能参数。基于能量等效原理,对于均匀连续、各向同性、应力-应变关系符合Hollomon律的金属材料,提出了一种获取布氏、洛氏硬度的半解析预测模型,已知材料的Hollomon律参数即可预测其布氏、洛氏硬度。使用少量有限元计算确定出预测模型的待定参数,再进行更广泛的有限元计算验证预测模型,结果表明,模型预测效果良好。选取6种延性金属材料完成了布氏、洛氏硬度试验,采用该文方法预测的硬度值与试验结果吻合良好。
输电塔线体系力学模型研究进展
陈波, 宋欣欣, 吴镜泊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.08.ST07
摘要:
输电塔线体系是重要的电力能源基础设施,长期于野外恶劣环境下服役,其高柔特性使得它在强烈外荷载作用下的响应较为显著。国内外发生了很多输电线路在强风强震、覆冰、腐蚀等作用下的破坏事故,造成了严重的损失。因此,国内外积极开展了输电线路的监测评估与防灾减灾的研究和工程应用工作。输电塔线体系力学模型的建立是开展输电线路监测评估和防灾减灾的基础和关键。输电线从力学角度而言是具有小应变、大变形特征的悬索,表现出显著的几何非线性效应。输电塔线体系的力学模型相比于传统高耸塔架结构而言非常复杂,它综合了有限元、随机振动、变分理论、风工程、地震工程、结构分析理论等多学科理论,相关研究工作还不完善。该文以输电塔线体系的力学模型为研究对象,全面综述了目前塔线体系力学模型方面的研究现状,对比分析了不同模型的优缺点,总结了该研究方面存在的不足并就将来的发展进行了展望。
高层建筑中伸臂桁架的耗能性能研究
甄伟, 邱意坤, 杨青顺, 张万开
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.ST08
摘要:
伸臂桁架是超高层结构中的关键构件,改善其耗能能力对提升结构的抗震性能具有重要意义。常见的伸臂桁架形式主要有普通支撑型伸臂桁架、屈曲约束支撑型(BRB)伸臂桁架和阻尼型伸臂桁架等。该文从框架-核心筒-伸臂桁架结构体系入手,对普通支撑型、屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架的受力性能和耗能性能进行了研究。结果表明,结构采用不同的伸臂桁架会对其在地震作用下的地震能量输入和耗能分布产生一定影响。和普通支撑桁架体系相比,屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架结构体系具有更好的耗能性能。此外,在对核心筒的损伤程度控制方面,阻尼型伸臂桁架的作用更加明显,而在整体结构的位移响应控制方面,BRB伸臂桁架的效果最好。
不锈钢复合钢材钢结构研究进展
班慧勇, 梅镱潇, 石永久
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.ST01
摘要:
不锈钢复合钢材兼具不锈钢优良的耐腐蚀性能和传统结构钢材的高强度、低成本特点,应用于钢结构工程中具有综合力学性能更优、施工简单周期更短、设计使用年限更长、全生命周期成本更低、综合社会效益更高等显著优势,尤其适用于对耐腐蚀性要求较高的工程结构。目前不锈钢复合钢材已在高层建筑幕墙和铁路钢桥面板中得到了成功应用,为了继续推广其在结构工程领域中的应用发展,亟需加强从相关基础力学性能和关键应用技术角度进行的研究与讨论。详细介绍了不锈钢复合钢材的生产制造和工程应用等产业基础,并对国内外学者针对不锈钢复合钢材在材料和构件层面力学性能开展的研究进展进行了全面综述,包括材料的拉伸性能、冷弯性能、高温性能、断裂与疲劳性能、滞回性能、动态力学性能、耐腐蚀性能、界面性能等基本力学性能和构件的稳定性能、残余应力、焊接接头性能、缺陷修复以及有限元模型的相关研究。该文可为进一步在结构工程领域开展不锈钢复合钢材的相关研究、设计与应用实践提供参考。
隔震建筑橡胶柔性管道易损性模型研发及应用
解琳琳, 闫海洋, 曾德民, 李爱群, 杜志超, 钟勃健
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0415
摘要:
隔震技术是实现建筑地震韧性的有效手段,隔震层中存在大变形需求的柔性管道功能重要,但现阶段缺乏该类管道的地震易损性模型和损失后果函数,因而隔震结构的韧性评价体系还有待进一步完善。针对这一问题,以橡胶柔性管道为对象,基于前期开展的管道试验,明确了该类管道的2个关键损伤状态,建立了公称内径50 mm和100 mm的柔性管道的地震易损性模型。综合考虑各种成本,提出了修复费用后果函数,根据24个试件拆卸和安装时间数据确定了修复时间后果函数,从而建立了上述管道的损失后果函数。在此基础上,以一5层RC框架隔震结构为例,考虑公称内径和设计长度影响,设定了6种管道方案,评价了结构在设防地震与罕遇地震作用下的韧性水准。结果表明:在设防地震与罕遇地震作用下柔性管道修复费用占比最高可达88.5%和29.4%,但其修复工时对建筑修复时间的影响基本可以忽略;设防地震下加大设计长度可使管道修复费用得到有效控制,但罕遇地震下由于变形大,当管道长度小于相关规范建议值时增大管道长度也无法有效避免管道破坏,反而会导致管道修复费用增大。该研究的相关成果可为隔震建筑地震韧性设计和评价提供重要参考。
锈蚀焊接空心球节点随机抗压承载力研究
赵中伟, 吴刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0472
摘要:
焊接空心球节点(WHSJs)自1966年由刘锡良教授提出以来,已经广泛的应用于空间网格结构中,至今已有55年的应用历史。由于环境的侵蚀、后期维护不到位等原因,焊接球节点锈蚀的现象屡见不鲜。本文针对随机锈蚀后焊接空心球节点的抗压承载力的变化规律进行了研究,基于随机有限元分析方法进行了大量的随机数值分析,研究了锈蚀深度概率分布模型对抗压承载力折减系数的影响;利用曲线拟合技术提出了折减系数下限和上限曲线的理论计算公式;通过随机有限元的大量分析结果揭示了抗压折减系数随锈蚀深度概率分布模型的变化规律;提出了用于预测抗压折减系数概率分布模型的拟合公式;通过对具有不同几何参数的焊接空心球节点的分析,得到了本文结论对不同几何尺寸下焊接球节点的适用性。研究结果表明,所提出的方法可以准确确定随机锈蚀焊接空心球节点抗压承载力折减系数的随机概率分布模型,可为随机锈蚀焊接球节点承载力的评估提供理论分析基础。
正常固结非饱和黏性土的三剪边界面模型研究
胡小荣, 蔡晓锋, 陈昊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0462
摘要:
将三剪统一强度准则分别与非饱和土的单应力变量理论和双应力变量理论相结合提出了正常固结非饱和黏性土的三剪强度准则,在此基础上采用等量代换法与坐标平移法分别推导出可以反映土体全应力状态效应的三剪破坏应力比。将该三剪破坏应力比引入非饱和黏性土修正剑桥模型的屈服面方程以确定初始边界面,采用径向映射法则确定后续边界面,根据插值函数得到加载面上的塑性模量,据之建立了非饱和黏性土单应力变量和双应力变量下分别采用等量代换法和坐标平移法的4个三剪弹塑性边界面模型并对这4个模型做了单调和循环压缩荷载试验验证。结果表明,所建模型均能较好地反映土的变形特征,但相比之下,双应力变量下建立的模型相对单应力变量下建立的模型更接近试验结果,采用等量代换法建立的模型相对坐标平移法更接近试验结果的特点。真三轴数值模拟结果表明,单调加载时,相同应力条件下中主应力影响系数增大会引起非饱和土强度增大;循环加载时,最小主应力或中间主应力的增大均会引起土体抗剪强度的增大,且荷载振幅越大,非饱和土的轴向应变随之增大。比较4个边界面模型在真三轴应力状态的模拟结果表明,单调加载时,非饱和黏性土在双应力变量下的模拟抗剪强度值相对较大;循环加载时,单应力变量下所得塑性变形相对较大。
深埋地下结构地震反应分析的局部反应加速度法
许紫刚, 杜修力, 徐长节, 吴晔
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0406
摘要:
城市地下结构逐渐呈现埋深更大化、断面复杂化、空间立体化等特点,中国现行《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909−2014)推荐采用的反应位移法和反应加速度法在计算大埋深或复杂断面地下结构的动力反应方面存在一定的局限性。在广义反应位移法和传统反应加速度法的基础上,该文提出一种适用于深埋地下结构地震反应分析的局部反应加速度法,该方法只需确定局部区域自由场加速度和土层剪力;结合某深埋圆形断面的隧道结构,以整体动力时程分析方法为基准,分析了不同模型高度和结构刚度工况下局部反应加速度法的计算效果。结果表明:该文提出的局部反应加速度法是一种操作简便的实用分析方法,并且当模型高度取为地下结构高度的5倍时,可以获得较为准确的结构反应。
考虑惯容的颗粒阻尼器等效力学模型及其受控结构稳态解研究
黄绪宏, 许维炳, 王瑾, 闫维明, 陈彦江
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0359
摘要:
颗粒阻尼技术因减振效果好、作用频带宽等优点使其在土木工程领域中具有良好的应用前景,然而因其具有高度复杂的非线性力学特性,并缺少合理的力学模型,限制了其在实际工程中的应用和发展。鉴于此,以土木工程应用为背景,在不考虑阻尼颗粒发生堆积的前提下,通过引入惯容器来考虑颗粒群滚动对阻尼器减振机理及减振效果影响,建立了考虑惯容的多颗粒阻尼器等效单颗粒力学模型;结合颗粒运动状态,分别进行了未碰撞时及碰撞发生后多颗粒阻尼器单自由度结构的响应分析,重点探讨了惯容系数对未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞发生后周期2次碰撞稳态解析解的影响规律,并采用数值仿真和试验方法进行验证。结果表明,考虑惯容属性后等效模型能够进一步明晰多颗粒阻尼器由于颗粒群滚动引起的非线性特性,惯容系数对多颗粒阻尼器未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞后周期运动解析解存在的边界条件及稳定性具有显著影响。进行的周期2次碰撞理论解析为颗粒阻尼器进一步参数影响分析及减振机理分析提供理论基础。
界面分形参数对法向接触刚度影响的研究
范立峰, 赵璐, 聂雯, 刘小明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0477
摘要:
基于最小二乘法将分形表面简化为三角函数叠加。为了计算界面接触刚度,采用弹塑性有限元方法确定了基体最优建模厚度,定量表征了法向接触压力、法向接触变形及法向接触刚度的关系,研究结果揭示了粗糙面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度的作用机制。结果表明:(1)存在基体最优建模厚度,可有效提高粗糙面接触刚度的计算效率;(2)法向接触刚度随法向接触变形及法向接触压力的增加呈现非线性增加趋势;(3)表面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度影响显著,法向接触刚度随分形维数增加而增加,但随特征尺度参数增加而减小。
基于修正GTN模型的不锈钢管剪切过程韧性断裂准则研究
董建鹏, 王时龙, 周杰, 杨波, 马驰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0303
摘要:
为了改善修正Gurson-Tvergaard-Needleman模型(修正GTN模型)无法准确模拟不锈钢管剪切过程的缺陷,本文在原模型基础上,构造了一个与位移相关的损伤函数作为新的断裂准则。同时,在ABAQUS中采用隐式向后Euler应力更新算法编制了改进后模型的VUMAT用户子程序,实现了其数值求解。最后进行了SUS304不锈钢管剪切试验,通过分析对比试验数据与改进后模型的模拟结果,验证了本文所提出的方法的准确性。
单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压性能试验研究
周天华, 余吉鹏, 张钰, 李亚鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0333
摘要:
为研究单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏心受压性能,进行8根单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压试验,分别研究不同加载方向十字型钢偏心率和荷载偏心率对试件破坏模式、侧向挠度、荷载-挠度曲线和极限承载力的影响规律,建立该组合柱正截面受压承载力计算方法。结果表明:根据荷载偏心率的不同,组合柱表现出小偏心受压破坏和大偏心受压破坏两种形态,组合柱截面应变符合平截面假定。正向偏心时,十字型钢偏心率增大,试件极限承载力和变形能力小幅降低;负向偏心时,十字型钢偏心率对发生小偏心受压破坏的试件偏压性能影响较小,发生大偏心受压破坏的试件极限承载力随十字型钢偏心率增加略有提高;荷载偏心率增大,试件初始刚度和极限承载力降低。将单轴对称十字型钢偏于安全地换算成H型钢,采用规范JGJ 138−2016计算换算截面试件偏压承载力,计算结果偏于保守,采用该文提出的方法计算的试件偏压承载力与试验值吻合较好。
锈损冷弯薄壁卷边槽钢短柱受压承载力试验研究
徐吉民, 幸坤涛, 高向宇, 徐善华, 郭小华, 聂彪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0376
摘要:
为研究锈损对冷弯薄壁型钢短柱受压承载性能的影响,设计加工了6个轴压及6个绕强轴偏心受压短柱试件,首先通过拉伸试验,分析了材料力学性能与锈蚀程度间的关系,然后对试件进行承载力试验,分析其破坏模式、极限承载力及变形特征等特性,结果表明:锈损钢材的屈服、抗拉强度、弹性模量及伸长率均随锈蚀程度的增加呈线性下降趋势。锈损未使短柱试件的最终破坏模式发生变化,但随着偏心距的增大,试件由腹板局部屈曲变为以畸变屈曲为主的耦合破坏模式;在相同锈蚀率条件下,轴压试件的极限承载能力较偏压试件退化更明显。采用ABAQUS有限元软件对试件进行数值模拟,计算结果表明其能够较好的预测试件承载力及屈曲行为。
基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用
叶继红, 王佳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.ST03
摘要:
杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。
考虑组合作用的钢-混凝土组合梁抗剪承载力
丁发兴, 王恩, 吕飞, 王莉萍, 余玉洁, 黄青玲, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0479
摘要:
针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状,笔者采用合理的材料本构关系,通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析,确定了组合梁界限剪跨比,揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律,以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017−2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。
地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析
马蒙, 李明航, 谭新宇, 曲翔宇, 张厚贵
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0421
摘要:
轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响,对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试,同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗糙度均进行了测试。基于车辆-轨道耦合频域解析模型计算了轨道动力响应,比较了不同轮轨激励模式对计算结果的影响。同时,在同一区间隧道内实测了钢轨振动响应,用以验证不同激励模式计算结果的准确性。结果表明:美国谱和Sato谱会低估车轮不圆顺典型波长控制频段的振动响应,从而难以准确获得8 Hz~200 Hz频段的振动响应;按能量叠加方法获得的轮轨耦合不平顺谱可反映完备的轮轨激励信息,以此作为激励,在8 Hz~200 Hz频段,可计算获得与实测值更相近的模拟计算结果。
质量调谐-颗粒阻尼器复合减振体系的力学解析及优化分析
王宝顺, 何浩祥, 闫维明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0463
摘要:
针对调谐质量阻尼器(TMD)和颗粒阻尼器的减振特点及各自不足,提出将并联式单向单颗粒阻尼器(PSSPD)与TMD有机结合的复合减振技术方案—PSSPD与TMD并联体系。在深入剖析其减振特性的基础上,将颗粒与受控结构之间的碰撞力等效为脉冲力,建立复合减振体系力学模型和方程。采用时域和频域结合的方法并对模型进行分析并求解,使求解过程直接、无需求解微分方程且易于求解特殊激励形式动力响应。提出简谐激励下复合减振结构系统的最优减振参数设计方法,对该系统进行性能参数分析,验证了力学模型的精度及优化方法的可行性。建立该复合减振体系在地震动下的参数优化方法并对其合理性和准确性进行验证。最后,对PSSPD、TMD及复合减振体系的减振机理、性能及减震效果进行深入分析。结果表明:基于时频域解析的复合减振体系力学模型能够直观体现其减振机理,求解过程清晰且精度高,参数优化分析方法合理、可行且准确;复合减振体系有效克服了TMD和PSSPD的不足,具有更佳的减震效果、更宽的减振频带及更强的鲁棒性。
中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能研究
袁鹏, 陈万祥, 郭志昆, 王英杰, 范鹏贤
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0377
摘要:
BFRP(basalt fiber reinforced polymer)筋是一种取代钢筋用于土木工程领域的新型纤维复合材料,中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能是保证其协同作用承受动荷载的重要前提。该文根据正交试验方法设计了16组粘结试件,利用MTS试验系统对不同加载速率(0.005 mm/s~5 mm/s)下的BFRP筋-混凝土试件进行了中心拉拔试验,研究了加载速率、混凝土强度及BFRP筋直径等因素对粘结性能的影响。在现有粘结强度计算模型的基础上,对粘结特征参数进行了修正,提出了中低加载速率下的BFRP筋-混凝土动态粘结强度计算公式,进一步建立了BFRP筋-混凝土粘结滑移本构关系模型。结果表明:BFRP筋-混凝土粘结试件主要发生拔出破坏与劈裂破坏,粘结滑移过程可分为滑移段、下降段和残余段;粘结强度随加载速率和混凝土强度的增大而增大,而随纤维筋直径的增大却显著减小;理论计算结果与试验结果吻合良好,为预测中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能提供一种有效手段。
对称和非对称型摩擦耗能连接的抗震性能与设计方法研究现状
Kim EngChouery, 樊奎, 贾良玖
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0412
摘要:
该文综述了对称和非对称型摩擦耗能连接40多年以来的发展历史和研究现状。摩擦耗能连接可用于结构的减震耗能,通过合理设计可实现地震作用下带摩擦耗能连接结构的低损伤,提高结构的韧性。研发滞回性能稳定、重复性好的摩擦耗能连接是相关研究的主要目标之一。该文从微观和宏观两个方面介绍了金属滑移面之间的摩擦磨损机理,从摩擦磨损的角度讨论了不同摩擦片材料对摩擦连接减震性能的影响。描述了螺栓预紧力大小对摩擦连接减震性能的影响,也总结了摩擦连接的抗腐蚀和抗火性能。阐述了摩擦耗能连接在钢结构支撑、梁柱节点和柱脚节点的应用,并介绍了相关节点的设计方法。对此类连接的关键技术进行了总结,并对该技术的后续研究进行了展望。
基于三维形貌和剪胀效应的软-硬节理抗剪强度模型
金磊磊, 魏玉峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0109
摘要:
上、下盘抗压强度不一致的软-硬节理的抗剪强度难以准确获取,应用Barton模型等常用的岩石节理抗剪强度模型也不能准确表征这类特殊节理的抗剪强度。借助三维激光扫描和3D打印技术,浇筑了具有自然节理形貌上下盘抗压强度相同以及上下盘抗压强度不同的人工节理试样,并对其进行常法向应力下的剪切试验。分析了法向应力、三维形貌特征以及节理强度比对软-硬节理的抗剪强度和剪胀角的影响。试验结果表明:节理抗剪强度与法向应力、节理强度比和节理粗糙度呈正相关;剪胀角与法向应力呈负相关,与节理强度比和节理粗糙度呈正相关。通过研究剪胀角在剪切过程中随法向应力和节理强度比的演化规律,建立了含有三维形貌参数和节理强度比的岩石节理抗剪强度模型。通过与Barton模型的对比分析,验证了所提出模型的可靠性。采用该文模型计算云南某水电站库区内不稳定斜坡平硐内出现的软-硬节理的抗剪强度,计算结果和试验值较为接近,论证了该模型的适用性。
考虑微观结构影响的混凝土界面过渡区裂隙渗流-溶蚀耦合模型
王志良, 张跃, 申林方, 李泽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0444
摘要:
根据四参数随机生长法生成了混凝土界面过渡区(ITZ)的微观结构,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别模拟速度场和浓度场的演化,建立了考虑微观结构影响的ITZ裂隙渗流-溶蚀耦合过程的数值模型。结合2个经典算例,验证了计算模型在处理溶质对流-扩散及反应-扩散问题方面的准确性。最后讨论了渗流流速、Ca(OH)2含量以及Ca(OH)2排布状态等因素对ITZ裂隙渗流-溶蚀耦合作用特性的影响。研究表明:裂隙初始渗流流速越快,壁面的溶蚀速率越快,其整体孔隙率增加越快。ITZ的Ca(OH)2含量越高,在壁面处其与流体的接触面积越大,溶蚀现象越易发生,并导致裂隙内Ca2+浓度也相应的增加。如果溶蚀出来的Ca2+得不到及时运移,将反过来抑制Ca(OH)2的进一步溶蚀,故ITZ裂隙的渗流-溶蚀过程受控于Ca(OH)2含量与Ca2+浓度的综合作用。对于Ca(OH)2不同排布状态的ITZ裂隙,由于渗流受到微观结构的影响,溶蚀过程稳定后其相对渗透率水平生长最大,均匀生长次之,竖向生长最小。
基于节点构形度均衡化的单层网壳结构优化设计研究
朱南海, 李杰明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0441
摘要:
为实现网壳结构节点连接能力的均衡分布,改善结构性能,提升其极限承载力。基于构形易损性理论建立了衡量结构节点构形度差异性的评价指标,用以评价结构节点连接性能的差异性。在此基础上,将构件截面尺寸作为优化变量,以节点构形度差异系数最小化为优化目标,并考虑结构位移、构件长细比、强度及稳定性等约束条件,采用粒子群算法优化结构构件的截面尺寸。结果表明,节点构形度差异系数能准确反映网壳节点连接性能的差异性,通过粒子群算法优化结构构件的截面尺寸,可实现结构节点连接性能的均衡分布,改善结构在地震作用下的倒塌模式,有效提升了结构的整体性能。
含双槽钢截面可更换耗能梁段的高强钢框筒结构滞回性能研究
程倩倩, 连鸣, 关彬林, 张浩, 苏明周
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0338
摘要:
为了研究含双槽钢截面可更换耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS-RDSL)的滞回性能,利用ABAQUS有限元分析软件建立了2/3比例的单层单跨HSS-FTS-RDSL子结构试件的有限元模型,对耗能梁段所用钢材进行循环加载试验得到其循环本构,验证了有限元模型的准确性和适用性。建立了16个足尺子结构有限元模型,分析耗能梁段长度比、裙梁净跨高比、耗能梁段腹板加劲肋间距、连接处螺栓直径和加固板厚度对结构滞回性能的影响规律。研究结果表明:HSS-FTS-RDSL子结构主要通过双槽钢截面耗能梁段进入塑性耗散地震能量,其余构件基本处于弹性状态或者轻微发展塑性;随着耗能梁段长度比的增加,结构承载力、刚度和耗能能力逐渐降低,耗能梁段超强系数减小,建议耗能梁段长度比取0.84~1.40;双槽钢截面可更换耗能梁段可较好地应用于净跨高比不超过4.6的裙梁中;改变耗能梁段加劲肋间距对结构承载力、刚度和耗能能力影响较小;减小螺栓直径会使连接区域螺栓滑移提前,对结构刚度和承载力影响较小;减小加固板厚度会增加连接变形,降低耗能梁段的塑性变形程度。
水泥混凝土路面早龄期应力行为试验研究
胡昌斌, 孙增华, 王丽娟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0458
摘要:
为了解路面板早龄期应力性状与行为特征,基于福建夏季高温、冬季低温、隧道恒温进行了3种典型环境条件的路面板早龄期行为现场试验。采用无应力圆筒装置去除路面板温湿度无应力应变,基于应变历史结合步进法考虑徐变松弛获得路面板典型监测位置应力性状和时程。同步监测路面板早龄期温度场和整板翘曲,比较路面板早龄期应力与温度梯度、翘曲变形的相互关系。研究显示,路面板早龄期应力一般存在压应力、拉应力、应力波动循环3个阶段,应力波动循环初期存在一个松弛阶段。路面早龄期应力主动影响因素有水化放热、环境场温湿度变化、翘曲变形和重力的联合作用,初期水化热升降温效应显著,后期温度翘曲效应显著。被动影响因素有水泥混凝土早龄期行为、结构约束、边界条件等。夏季施工面板早龄期应力和翘曲量级显著高于冬季,隧道恒温条件下面板由于湿度收缩会形成板角始终向上的凹形固化翘曲。早龄期应力波动和松弛过程的存在,造成路面板初期运营的一段时间的应力与后期正常服役期并不相同,需要规避可能与设计状态不符的初期不利工况。
弱耦联体系地震响应的隔离分析求解
文嘉意, 谢强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0330
摘要:
弱耦联体系由一系列支柱结构及柔性连接件组成,结构整体性差,支柱与连接件材料的阻尼特性差异显著。这两个特点造成了采用结构整体振型以及比例阻尼的常规抗震计算方法在处理弱耦联问题时的局限性。因此,从支柱及连接件的隔离体分析出发,构建考虑二者非比例阻尼的运动控制方程,并在频域对耦合的方程进行求解,从而避免对整体振型正交性条件的使用。通过弱耦联体系实例的振动台试验验证,在不同地震动输入下,此方法计算的顶部最大位移误差在1.2%到5.8%之间。与传统振型叠加法计算结果的对比分析证明:采用整体振型以及比例阻尼会高估弱耦联体系支柱间的耦联作用,从而造成更大的系统性误差。
连续梁桥边墩不均匀沉降下轨道层间变形协调关系及动力学应用
冯玉林, 蒋丽忠, 陈梦成, 周旺保, 刘祥, 张云泰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0373
摘要:
高速铁路连续梁桥边墩沉降将造成其上简支与连续梁桥的共同变形,边墩不均匀沉降差引起的轨道几何形位改变直接影响列车运行平稳性和安全性。该文基于APDL建立考虑引桥与路基及其上轨道结构影响的高速铁路CRTS II型无砟轨道-变截面连续梁桥系统精细化仿真模型,通过大量的仿真计算,探明了边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的轨道层间变形协调机理。基于线性回归方法获得了不同连续梁桥跨度条件下,边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的层间变形协调关系的定量函数表达式,进而采用该仿真模型、文献模型及列车-轨道-桥梁耦合动力学理论验证其拟合精度和正确性。最后基于定量函数表达式研究了边墩不均匀沉降差对列车运行平稳性和安全性的影响。结果表明:三种模型计算结果吻合良好,说明该文定量函数表达式具有较高精度;在边墩不均匀沉降工况下,存在激振频率接近车体自振频率的临界跨度,发生共振时,显著恶化列车运行平稳性;采用大跨度连续梁桥可有效降低边墩不均匀沉降差、提升乘坐舒适度、降低轮轨力及缓和列车与轨道动态作用效应;沉降差小于25 mm时,轮重减载率随跨度的增大而显著减小。
砂土中水平条形锚板竖向拉拔承载力计算统一方法研究
姚琛, 胡伟, 孟建伟, 雷勇, 曾兴, 郑恒良
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0431
摘要:
水平锚板竖向拉拔承载机制与承载力计算理论的研究目前存在人为区分浅埋、深埋,但界定标准又极不统一的问题。本文通过总结水平条形锚板竖向拉拔承载机理,提出了可描述极限拉拔下锚周土体滑动面随埋深比连续演化的对数螺旋线形态函数,建立了无需区分浅埋、深埋的极限承载统一力学模型。根据锚板埋深、滑动面交点与锚板距离和滑动面上切线为竖直线时对应点到锚板距离三者的大小关系,分3种情况开展极限平衡分析,推导出水平条形锚板竖向拉拔极限承载力计算统一理论解。结果表明:新的力学模型很好地反映了锚周土体滑动面随埋深比的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋。应用9种方法对5个试验案例(松砂、密砂)进行对比计算分析,统一理论解法排名第2,显示出具有较强的适应性。
含弹簧阻尼装置空间机器人捕获卫星操作力学分析及缓冲、柔顺控制
朱安, 陈力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0038
摘要:
为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程;基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程,且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算;针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案;通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。
改进的新型全装配式组合梁抗剪连接件试验研究
王宁, 侯和涛, 仇锦, 刘锦伟, 臧增运
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0077
摘要:
该文主要研究一种改进的新型全装配式组合梁结构,主要包括:全预制混凝土楼板、TJ型紧固件(抗剪连接件)、C型钢导槽、钢梁,其具有无现场湿作业,安装制作精度要求低,可局部更换、循环使用等优点。为研究此新型组合梁连接件的抗剪性能,在考虑钢导槽间距、紧固件预紧力、紧固件类型等因素的基础上,设计制作了6组试件,共12次推出试验。根据螺杆顶帽的不同,紧固件类别分为A、B两类,A类紧固件的螺杆端部万向铰为工厂加工成型,B类紧固件的螺杆端部万向铰为德国产的标准件(直接拧入螺杆端部即可,无需加工螺杆端部)。在试验参数的基础上,建立了紧固件和新型组合梁的有限元模型进行对比分析。结果表明:A类各试件表现出良好的残余强度稳定性,B类试件的荷载滑移曲线较A类曲线更为光滑,具有明显的强度下降段;组合梁连接件拆卸后重新安装不会导致抗剪性能的降低;组合梁连接件受力后不拆卸并复拧(再次施加扭矩)后抗剪性能有所提升;300 mm钢导槽间距试件的抗剪性能明显优于450 mm与600 mm;该文提出的紧固件预紧力计算公式与试验和有限元模拟结果吻合较好,建立的有限元模型能够较好地模拟紧固件的抗剪性能。
方钢管螺旋筋混凝土柱偏压性能试验及参数分析
陈宗平, 黄乐彰, 谭秋虹
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0171
摘要:
为研究方钢管螺旋筋混凝土柱的偏压力学性能,以螺旋筋间距、径宽比、长细比、偏心率、纵筋直径及方钢管壁厚作为变化参数,设计并完成了18个试件进行偏心受压加载试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态,获取了试件荷载-跨中挠度曲线及钢材应变分布状况,分析了各变化参数对试件偏压力学性能的影响规律。结果表明:螺旋筋间距和径宽比能够有效地提升试件延性和抗弯刚度;随着长细比的增加,试件各项力学性能均有所下降;随着偏心率增加,试件的极限承载力、延性及抗弯刚度均有明显下降,而耗能系数则有所提升。最后采用了纤维模型法编制的程序计算了试件的偏压极限承载力,其计算值与试验值吻合较好,并以该程序为基准进行拓展参数分析,提出了试件的最优化配钢方式及设计建议。
CFRP加固火灾作用后圆钢管混凝土构件的侧向撞击性能研究
纪孙航, 王文达, 鲜威
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.08.0586
摘要:
建立了火灾作用后和碳纤维增强复合材料(CFRP)加固受火后圆钢管混凝土构件的侧向撞击数值模型,通过不同试验分别验证了模型的准确性。分析了加固受火后构件的撞击全过程,对比了构件的撞击力、跨中挠度和截面弯矩。对构件的抗撞击承载力和抗弯承载力,塑性变形和吸能能力,以及内力分布与发展进行了分析,并给出构件在撞击荷载作用下跨中最大挠度简化计算公式,最后讨论了CFRP加固方式对受火后构件撞击性能的影响。结果表明:采用CFRP加固受火后构件的撞击力平台值和平均截面弯矩提高,跨中挠度和撞击持续时间明显减小,CFRP加固对构件的抗撞击性能和抗弯能力提升显著;构件的抗撞击承载力、抗弯承载力和吸能能力随着受火时间的增加逐渐降低;构件在跨中产生不同程度的塑性变形,其主要通过形成塑性铰吸收能量;在峰值阶段构件的弯矩和剪力分布形态与相应静态荷载作用时差异明显,但在平台阶段时其分布形态与静态荷载作用时一致;简化计算公式可以很好地计算构件撞击后的跨中最大挠度,CFRP加固方式对受火后构件的抗撞击性能影响明显。
带剪切连梁双柱式桥墩地震响应特性振动台试验研究
谢文, 何天涛, 孙利民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0411
摘要:
为了研究剪切连梁对双柱式桥墩地震响应的影响,本文将双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩置于全桥模型中开展振动台试验研究,其中带剪切连梁双柱式桥墩沿墩等间距附有5根剪切连梁。因此设计了一座几何相似比为1/70且包含桥墩(含双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩)、主塔、主梁、群桩和模型土等在内的斜拉桥试验模型并开展振动台试验,比较研究人工波、El Centro波和Mexico City波等不同频谱特性地震作用下双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的地震响应特性。试验结果表明:与双柱式桥墩结果相比,在人工波、El Centro波和Mexico City波作用下,带剪切连梁双柱式桥墩的墩底最大应变明显减小,表明附加的剪切连梁可有效降低墩柱的弯矩应变响应,实现了剪切连梁起分散墩柱受力的作用;与振动台输出最大加速度相比,三条地震波作用下带剪切连梁双柱式桥墩的墩底加速度放大1.4-1.8倍,表明桩-土-结构相互作用对纵向加速度产生不利影响,具有明显放大效应;地震输入的频谱特性明显影响双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的加速度、位移和应变等地震响应,且其影响程度取决于地震输入卓越频谱与结构频率特性之间的相关关系。
不同循环上限荷载下泥质石英粉砂岩力学特性试验研究
苗胜军, 王辉, 黄正均, 梁明纯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0465
摘要:
通过开展循环加卸载转单调加载试验和疲劳破坏试验,揭示循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和力学响应特征。试验与研究结果表明:当循环上限荷载位于疲劳强度前后,试件的轴向和横向累计残余应变由单调递增凸曲线向凹曲线延伸,滞回环间距由“疏-密”向“疏-密-疏”发展,残余应变率和滞回环相对面积由L形向U形转化;弹性模量由初始快速上升、下降、缓慢稳定发展三个阶段向单调递减凹曲线转凸曲线衰减;而横向-轴向应变比则由单调递减凹曲线,转变为单调递增凸曲线,然后向凹曲线延伸;随上限荷载的增加,循环加卸载3000次后泥质石英粉砂岩抗压强度先增大后减小,最大增幅较单轴抗压强度高13.62%,而当上限荷载小于单轴压缩弹性上限时,循环荷载作用后的岩石抗压强度略小于单轴抗压强度;当试件发生疲劳破坏时,疲劳寿命与上限荷载呈幂函数分布,疲劳强度约为单轴抗压强度的80%~89%。试件弹性模量整体随着循环上限荷载先增大后减小,而横向-轴向应变比则随上限荷载的增加而增大;提出了循环荷载的“薄弱结构断裂效应”和“压密嵌固效应”,探讨了循环加卸载过程中多孔弱胶结岩石的强度变化特征和力学参数演化机制。
混凝土微观力学基础研究进展及应用展望
胡传林, 王发洲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.08.ST09
摘要:
混凝土是现代土木工程建设的基础和关键结构材料,现代工程建设的发展对混凝土性能提出新的挑战。水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化最重要的产物(约占水化产物的70%),也是混凝土中最重要的胶结性物质,起到胶结砂石骨料、发挥强度的关键作用。在微观尺度上,C-S-H是一种多孔介质材料,组成结构十分复杂。因此对C-S-H微观力学性能进行解析和设计,是认识和提高水泥基材料宏观力学性能的关键,同时也是混凝土研究领域的基础科学问题。本文旨在介绍混凝土微观力学性能表征方法、混凝土微观力学计算理论以及其在混凝土应用过程的新发现,同时展望混凝土微观力学在工程建设中的应用。
含减震外挂墙板的装配式框架结构协同抗震性能研究
种迅, 侯林兵, 解琳琳, 王心宇, 陈曦
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0471
摘要:
针对前期提出的一种围护-主体协同减震装配式结构新体系,即含减震外挂墙板的装配式框架结构,开展了抗震性能研究。首先基于前期试验提出了适用于该类结构的多尺度数值模拟方法,进而通过一栋RC框架结构明确了该类结构的协同减震机理,最终基于28个案例揭示了刚度比和屈服力比对其减震机理的影响规律。结果表明,多尺度数值模拟方法可较好模拟该类结构的损伤演化模式和受力特征;减震外挂墙板中所配置的U型阻尼器可先于主体结构屈服耗能,有效控制结构响应,显著降低梁柱构件损伤程度,但不改变主体结构的损伤演化模式;随着关键设计参数(刚度比和屈服力比)的增大,结构层间位移角减震率和阻尼器耗能占比整体逐渐增大,当关键设计参数达到一定值后,两者趋于稳定。本文的研究成果可为主体和围护协同一体化工作的高性能结构体系研发提供参考。
考虑基础结构损伤的无砟轨道-车辆耦合动力模型及其求解
舒瑶, 蒋忠城, 张俊, 张波, 刘国云, 杨新文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0305
摘要:
为了探究无砟轨道结构损伤与车轨动态相互作用的相互影响机制,基于经典的车辆-轨道耦合动力学理论,利用混凝土弹性损伤本构考虑无砟轨道结构的损伤效应,将车辆简化为多刚体系统,并假定随机性的轨面不平顺以单节车长为周期重现,利用Hertz非线性接触实现车辆系统与含损伤无砟轨道系统的垂向传力耦合,从而建立考虑轨道结构损伤效应的无砟轨道-车辆垂向耦合周期性动力模型;为了加速该同时包含材料非线性和接触非线性的动力模型求解的收敛速度,采用隐式动力预测-校正算法和轨道-车辆系统交叉迭代的求解策略,实现了含损伤无砟轨道-车辆垂向耦合动力模型的隐式快速求解。
固端法:二维有限元先验定量误差估计与控制
袁驷, 袁全
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST05
摘要:
文[1]分析了矩阵位移法的求解策略,揭示了一维有限元的误差主要来自于丢失了的各个单元的“固端解”,并创立和发展了超收敛计算的单元能量投影(Element Energy Projection,简称EEP)法。文[2]进一步挖掘其潜力,对一维有限元提出先验定量误差估计的“固端法”,用EEP公式事先定量地估算出各单元的误差,从而可以不经有限元计算而一举得到所需的网格划分。本文尝试将“固端法”拓展到二维有限元,以Poisson方程为例,用EEP技术预先做出误差估计,并直接给出满足精度要求的网格划分。本文对这一最新进展做一简要介绍。
基于圆孔扩张理论的桩基水平承载力计算方法
张小玲, 赵景玖, 孙毅龙, 许成顺
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0278
摘要:
近年来,我国城市的基础设施建设规模不断扩大,桩基础是基础设施建设中常用的基础形式,其水平承载特性的分析计算是桩基设计中的重要问题。基于Vesic圆孔扩张理论,分析了水平荷载作用下桩侧土体的实际受力状态,推导了基于应力增量的桩侧土抗力的计算公式,进而提出了考虑摩擦效应的桩土相互作用的计算方法;并基于MATLAB编写了相应的分析程序,通过开展案例分析,验证了该计算方法的有效性;最后基于所建立的桩基水平承载力的力学模型,探讨了荷载、桩径等因素对水平受荷桩的承载特性的影响规律。
焊接工艺对不锈钢角焊缝连接试件力学性能影响研究
李志林, 杨璐, 崔瑶, 尹飞, 梁耀华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0232
摘要:
对12个奥氏体型及12个双相型不锈钢正面角焊缝和侧面角焊缝连接试件进行了单调拉伸试验,考察了不同焊接工艺对角焊缝连接力学性能的影响。结果表明:采用氩弧焊焊接工艺的不锈钢角焊缝试件破坏面与电弧焊焊接工艺的试件破坏面形状相差较大,后者破坏面更加光滑;同时由于受到复杂应力的作用,正面角焊缝试件的真实破坏角度并不为相关规范规定的理论值45°;对于奥氏体型不锈钢角焊缝,氩弧焊试件与电弧焊试件的强度比分别为1.03 (正面角焊缝试件)及1.13 (侧面角焊缝试件),相对变形量之比为1.46及1.11;而对于双相型不锈钢角焊缝,两者的强度比分别为1.12和1.04,相对变形量之比为1.66及1.45;氩弧焊试件表现出了更好的力学性能。对于两种不锈钢材料,正面角焊缝强度均远大于侧面角焊缝的强度,建议在工程设计和相关规范的编制/修订中考虑正面角焊缝强度提高的影响。
横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压力学性能研究及承载力计算
张世钧, 邹昀, 王城泉, 吴艺超, 陈明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0423
摘要:
为研究横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱的双向偏压力学性能,对两根横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱试件展开了双向偏压加载试验,探究了不同偏心距对试件在双向偏压荷载下的荷载-变形曲线、破坏模态和截面应变发展状况的影响,分析了波纹板与钢管、混凝土之间的相互作用机理。在试验基础上运用有限元模拟,分析了偏心距、加载角度、钢管厚度、波纹板厚度等多种参数对横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压荷载下承载力、延性、刚度等力学性能的影响规律,得出钢管厚度增大柱的极限承载力显著提高,加载角度对极限承载力影响不大等主要结论。最后,参考欧洲《EC4》规范钢混组合柱承载力的计算方法,提出了横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压承载力实用计算公式,以期为工程实践提供参考。
基于计算机视觉人行桥挠度影响线非接触式识别
朱前坤, 陈建邦, 张琼, 杜永峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.08.0557
摘要:
该文将便携式相机与无线传感器结合,开发了一种人致挠度影响线非接触式识别系统,避免了传统识别方法需要长时间阻断交通、耗费大量人力物力等不足,可用于运营状态下的桥梁影响线识别。通过便携式相机获取桥上行人行为,引入遮挡模型改进YOLO算法识别桥上行人,跟踪目标行人坐标变化得到行人位置信息,结合无线传感器得到的行人荷载作为结构输入数据。通过视觉识别技术跟踪结构行为获得人行荷载作用下的位移响应作为结构输出数据。根据结构输入输出数据反算人行荷载作用下桥梁挠度影响线。对初始影响线进行高阶滤波处理,消除环境和其他因素干扰,然后利用多项式分段拟合实测桥梁影响线进而得到具有准静态特性的挠度影响线,可为结构工程师准确高效地提供桥梁损伤检测依据。
端板连接可更换Q235耗能梁段钢框筒子结构滞回性能及其影响因素研究
关彬林, 连鸣, 苏明周, 张浩, 程倩倩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0317
摘要:
对2个2/3缩尺的单跨双半层含端板螺栓连接Q235耗能梁段钢框筒子结构试件进行了两阶段低周反复荷载试验,以研究其抗震性能、耗能梁段的可更换性和耗能梁段长度的影响。采用耗能梁段腹板试样的拉压往复试验结果标定了混合强化模型参数,利用子结构试件的试验结果验证了有限元模型的有效性,并研究了耗能梁段长度和腹板面积的影响。研究结果表明:耗能梁段的可更换最大层间位移角分别可达到0.43%、0.39%,耗能梁段的替换可以使结构的性能恢复到初始水平,耗能梁段的超强系数和破坏塑性转角分别大于Popov等建议的1.5和AISC341所给的限值0.08 rad;子结构有良好的延性,耗能梁段长的子结构的延性系数、累积耗能大于耗能梁段短的子结构的相应值;破坏模式为耗能梁段加劲肋倒角处的焊缝裂纹扩展延伸引起的腹板撕裂;建议耗能长度取柱中心距的0.10倍~0.24倍,长度比取0.55~1.32;耗能梁段腹板面积对子结构的承载力、累积耗能影响较大。
工字形钢筋混凝土矮墙抗剪承载力研究
马佳星, 陈柯宇, 王银辉, 李兵
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0337
摘要:
工字形钢筋混凝土(RC)矮墙在双主轴向均具有较高的强度和刚度,常用于低、中层建筑及核电站设施中。现有规范在预测工字形RC矮墙抗剪承载力时存在考虑参数不足、未考虑翼缘影响等问题,计算值于试验值相比离散性也较大。本文建立了一个包含有152个试件的参数详尽的工字形RC矮墙试验数据库。并以此为基础,比对分析了多国规范的在预测此类墙抗剪承载力上的表现。同时,基于腹板裂纹分布,建立了考虑翼缘影响的工字形RC矮墙抗剪承载力计算模型,并利用力平衡推导出相应公式。结果表明,较各国规范,本文提出的公式预测精度更高,所得计算值与实测值之比的均值为1,变异系数也较小。其成果可为RC剪力墙的设计和规范公式的修订提供指导。
对角槽钢加劲钢板剪力墙抗震性能试验研究
牟在根, 杨雨青
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0312
摘要:
为研究大跨高比的对角槽钢加劲钢板墙结构,该文对3个1/3缩尺的钢板剪力墙试件进行了拟静力试验研究,包括一个拼接式钢板剪力墙和2个拼接式-对角槽钢加劲钢板剪力墙。试验结果表明钢板剪力墙有良好的耗能能力,对角加劲钢板墙滞回曲线饱满呈梭形。槽钢的两个翼缘与钢板连接,形成具有更大抗扭刚度闭口截面,在加载过程中避免了加劲肋的扭转而导致加劲效果降低。对角布置的槽钢加劲肋具有较大的抗弯刚度,在弹性阶段提高钢板的弹性屈曲荷载,限制钢板平面外变形;在弹塑性阶段能起到增大拉力带的作用,提高结构承载力。推导了框架柱的剪力、轴力和弯矩计算公式,结果表明对角槽钢加劲形式对边缘构件的附加轴力和剪力作用较大,因此在设计时应考虑加劲肋的支撑作用。
H型钢梁与矩形钢管混凝土柱平齐式端板单边螺栓连接节点弯矩-转角分析模型
赵均海, 樊军超, 高伟琪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0436
摘要:
为预测通过平齐端板和单边螺栓连接的钢管混凝土节点的弯矩-转角关系,该文提出基于极限弯矩、初始转动刚度和形状参数的三参数指数模型。考虑节点的可能破坏模式,提出节点极限弯矩的计算方法,基于组件法建立节点初始转动刚度分析模型,仅需节点构造尺寸和材料特性便可得到节点的极限弯矩和初始转动刚度预测值。弯矩-转角关系模型、极限弯矩计算方法、初始转动刚度模型和预测的节点破坏模式与试验结果均吻合较好。该文提出的分析模型简便、准确,避免大量试验研究和有限元模拟,能够适用于半刚性组合框架节点的分析和设计。
索强化剪式铰机构力学性能研究
俞锋, 许贤, 罗尧治
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0390
摘要:
剪式铰机构的开合过程易于控制,为可展结构的一个重要分支。基于剪式铰的可展结构展开成形后,由于剪式铰单元杆件间的相对转动特性使得结构刚度较低,在受力时表现出较强的几何非线性。为增强基于剪式铰的可展结构的刚度,该文采用索来强化剪式铰机构。该文推导了规则的索强化剪式铰单元的轴向刚度和抗弯刚度计算公式,揭示了索强化剪式铰单元承载能力和单元组成构件的相关关系,给出了有限质点法计算框架下的索强化剪式铰机构的计算分析方法,并对一个典型索强化剪式铰拱的受力性能和断索行为进行了分析。研究结果表明:索强化后的剪式铰机构在不影响机构可展性的同时提高了机构的刚度和承载能力。
泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究
朱翔, 尹曜, 王蕊, 康苗
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0428
摘要:
为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。
考虑脉动风场的3 MW风机钢塔筒基础底板脱开失效概率
蒋友宝, 刘志, 贺广零, 彭穗湘, 郑峻林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0426
摘要:
本文采用谐波合成法按Davenport风速谱和Kaimal风速谱分别模拟了某陆地风电场的脉动风速时程。根据相应高度处的平均风速,并结合伯努利理论,得到风荷载时程。建立某3 MW风机钢塔筒有限元模型,并考虑风机气动推力、塔筒风荷载时程和重力二阶效应的影响,求解钢塔筒的动力响应。考虑作用效应时程变化及材料容重变异性,采用Monte Carlo方法按规范准则分析该风机基础底板脱开失效概率,并研究对应可靠指标随基础底板半径变化的规律。结果表明,无论是正常运行工况还是极端荷载工况,该风机塔筒底部总弯矩和总剪力近似完全相关,且变异系数较大;选用Davenport风速谱时正常运行和极端荷载工况下基础底板脱开失效概率分别约为0.008 20和0.0188,选用Kaimal风速谱时对应失效概率分别约为0.0107和0.0281;基础底板不脱开失效的可靠指标会随着半径增大而提高,当半径增加至1.2倍时,两种工况下可靠指标提高均不少于39.90%。
基于实时混合试验误差累积规律的时滞影响修正方法
周子豪, 李宁, 李忠献
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0442
摘要:
为减小实时混合试验中的时滞影响,通常要对数值子结构计算得到的控制指令进行在线时滞补偿。为了保障实时性,要求作动器的负载不宜过大并处于最佳的性能区间。由于大比尺实时混合试验中物理子结构负载较大,对控制系统和作动器性能都提出较高的要求。此外,目前时滞补偿算法是无法完全消除时滞影响的,也即,时滞普遍存在于实时混合试验中且无法避免。针对上述问题,基于双显式数值积分算法的误差累积规律,本文提出了一种可以在试验后对试验结果进行修正以消除时滞不利效应的方法。首先分析了时滞对于实时混合试验结果的影响,对较大时滞情况下,尽管系统稳定,但可能得到“错误”的试验结果。其次,通过理论推导,证明提出方法的合理性和适用性;最后,通过四种实时混合试验工况的模拟,验证物理子结构分别为线性刚度、线性阻尼、非线性刚度以及非线性阻尼构件的时滞修正效果。结果表明,所提出的方法可以显著降低时滞对于试验结果的影响;该方法对试验中时滞补偿效果不理想的情况,可以对位移、速度和加速度结果进行修正。
复合加固圆形短木柱轴心受压应力-应变关系
阿斯哈, 周长东, 杨礼赣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0231
摘要:
内嵌钢筋外包CFRP(carbon fiber reinforced polymer)布复合加固方法可以有效提升古建木柱的承压和变形能力,加固效果显著。为了建立复合加固木柱轴心受压应力-应变模型,同时考虑内嵌钢筋数量以及CFRP布加固量等因素的影响,该文完成了42根复合加固木柱的轴心受压试验。试验结果表明:复合加固方法能够提高木柱的受压承载力、改善木柱的延性;由于木材存在有不可避免的初始缺陷,木柱的破坏主要发生于初始缺陷较为集中的区域。相同测点处,木材、CFRP布和钢筋的荷载-应变曲线分布相近,表明木材与CFRP布和钢筋黏结性能良好,三者能够协调变形、共同工作。基于既有的相关研究,通过对试验数据的拟合分析,给出了复合加固木柱轴心受压峰值应力和峰值应变的计算公式,进而提出了三折线型和多项式型复合加固木柱的轴心受压本构模型。考虑到木材材质的离散性,加固木柱的模型计算曲线与试验曲线基本吻合,验证了所得应力-应变模型的可靠性。
基于长短时记忆神经网络的大跨拱桥温度-位移相关模型建立方法
郑秋怡, 周广东, 刘定坤
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0323
摘要:
建立温度-位移相关模型是开展基于位移响应的大跨桥梁性能评估的关键步骤。该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络的多元温度-位移相关模型建立方法。充分利用LSTM神经网络能够考虑位移时滞效应和适合处理超长数据序列的优势,采用自适应矩估计方法对LSTM神经网络进行优化,并引入丢弃正则化技术提升模型的预测能力。在此基础上,基于一座三跨连续系杆拱桥长期同步监测的温度和位移数据,讨论了影响该桥主梁竖向位移的主要温度变量,并建立了多元温度-位移的LSTM神经网络模型,与基于误差反向传播(BP)神经网络的多元温度-位移相关模型进行了比较。研究结果表明:构件有效温度与主梁竖向位移具有明显的非线性关系,构件间温差和主拱温度梯度与主梁竖向位移呈线性相关性;主拱有效温度和主梁与主拱的温差是引起该桥主梁竖向位移的主要温度变量;相比于BP神经网络模型,该文提出的LSTM神经网络模型能够大幅降低温度位移的重构误差和预测误差。
基于等几何方法的压电功能梯度板动力学及主动振动控制分析
刘涛, 汪超, 刘庆运, 胡文锋, 胡晓磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0266
摘要:
针对表面粘贴有压电层的功能梯度板的动力学及主动振动控制问题,建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中,功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布,并假设电势沿着压电层的厚度方向呈线性变化。利用线性压电本构方程以及哈密顿变分原理,推导了压电功能梯度板的相关等几何分析有限元方程。通过分析压电智能结构的静态弯曲行为验证了该方法的有效性与精确性。运用模态叠加技术与Newmark-β直接积分法分析了两种不同结构的压电功能梯度板的动力学响应与主动振动控制问题。在主动振动控制分析中,引入了物理中面的概念避免当传感器与驱动器分别粘贴于功能梯度的上、下表面时,由拉伸-耦合效应引起的控制不稳定的问题,并着重分析了振动控制过程中两种结构传感器层和驱动器层的电压响应。
简化三阶矩拟正态变换及其在结构可靠度分析中的应用
秦琪, 张玄一, 卢朝辉, 赵衍刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0015
摘要:
针对三阶矩拟正态变换理论公式系数形式复杂及现有相关系数的转换公式适用范围未明确的问题,通过对公式系数进行简化和对相关系数的讨论,提出了独立随机变量和相关随机变量的简化三阶矩拟正态变换模型,并给出了相关系数转换公式的简明适用范围。通过将提出的简化三阶矩拟正态变换模型与一阶可靠度分析方法(FORM)结合,发展了随机变量分布未知条件下的可靠度分析方法,并采用数值算例验证了该方法的准确性和适用性。研究结果表明,所提出的简化三阶矩拟正态变换模型具有较高的准确性和适用性,能够与FORM分析方法结合,实现随机变量分布未知条件下的结构可靠度分析。
确定混凝土开裂与拉伸强度及双K断裂参数
管俊峰, 刘泽鹏, 姚贤华, 李列列, 何双华, 张敏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0084
摘要:
该文考虑混凝土材料的非均质特性,发展了确定无尺寸效应的混凝土开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数的断裂理论与相应方法。基于三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的断裂试验,确定出对应的开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数,并与试验强度值及由双K断裂模型确定的双K断裂参数进行了比较,从而验证了所提模型与方法的合理性与适用性。基于确定的材料参数,分别建立了混凝土起裂与断裂破坏的全曲线,给出了确定无尺寸效应起裂韧度的混凝土试件最小理论尺寸。建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式,对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载,以及不同混凝土的起裂韧度进行了成功预测。
震损钢筋混凝土柱剩余能力的数值模型
李磊, 罗光喜, 王卓涵, 郑山锁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0789
摘要:
基于PEER数据库中公开的钢筋混凝土(RC)框架柱试验资料和已有地震损伤指数模型,总结了RC框架柱在产生不同损伤等级时对应的破坏特征,提出了相应的损伤等级评定标准。研究了RC框架柱在地震损伤过程中混凝土和钢筋的损伤演化规律,分别建立了震损RC框架柱损伤区不同位置处混凝土和钢筋的损伤演化方程,提出了考虑震损RC框架柱初始损伤的混凝土模型和钢筋模型。基于OpenSEES平台和纤维模型,建立了一种直接基于材料本构关系的震损RC框架柱的数值模型,该模型考虑了损伤区不同位置处截面材料的损伤差异以及同一截面不同位置处材料的损伤差异。任意选取已有的13根RC框架柱试验资料对震损RC框架柱的数值模型计算结果进行校验。结果表明该文模型能够较为准确的预测震损RC框架柱的剩余抗震能力。研究结果为震后RC结构的性能评估和加固决策提供分析模型。
超高性能混凝土板冲切与弯曲性能研究
樊健生, 王哲, 杨松, 陈钒, 丁然
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0349
摘要:
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,简称UHPC)桥面板具有良好的应用前景。桥面板在车轮荷载作用下存在冲切和弯曲问题,以此为背景设计了系列UHPC板件试验,主要研究板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响,分析了不同试件的破坏模式、挠度、应变分布以及整体延性等,并提出UHPC板抗冲切极限承载力计算方法。试验结果表明:UHPC板的破坏模式包括冲切破坏、弯曲破坏和二者混合的冲弯破坏;相比于C50混凝土板,UHPC板的刚度、抗冲切承载力及位移延性有显著提高;随着板厚增大、保护层厚度减小、加载区域增大,UHPC板的抗冲切承载力提高。经过试验数据验证,抗冲切及抗弯承载力的计算值与试验值吻合良好。
跨断层土木工程研究与实验装置研发现状
谢礼立, 徐龙军, 陶晓燕, 杨绪剑
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0346
摘要:
确保跨地震断层土木工程结构和设施的安全,减轻因断层错动造成的工程灾害损失是建设具有韧性的土木工程系统无法回避的难题。随着我国重特大工程建设向深地、深海和中西部地区的转移,跨断层土木工程安全问题日益突出。通过对近年来典型大地震断层区的地质、工程结构和设施灾害的回顾和分析,指出开展跨断层土木工程结构和设施的破坏性实验研究、研发断层模拟实验装置的必要性和紧迫性。分析阐述了国内外跨断层土木工程结构和设施的损伤和破坏机制与减灾技术研究现状,探讨了借助地震振动台模拟断层运动开展跨断层结构试验研究存在的问题,总结了地震断层模拟实验装置研发面临的主要难题。以期能为断层模拟试验装置的研发、设计制造、规划建设和相关试验研究提供参考与借鉴。
基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析
李振眠, 余杨, 余建星, 赵宇, 张晓铭, 赵明仁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0357
摘要:
局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验,进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析,对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明:VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力,模拟管道屈曲和屈曲传播行为,计算结果符合实际情况,与压溃试验、传统有限元方法符合较好,并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势,可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。
基于PCA及PSO智能算法的地震动合成方法—以中国西部中强地震为例
胡进军, 张辉, 靳超越, 王中伟, 胡磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0293
摘要:
地震动数值模拟方法可为地震危险性评估和结构抗震设计和评估提供地震输入,但是由于地震动模拟参数的不确定性以及模拟技术的局限性,模拟的地震动与目标地区的实际地震动特征可能存在较大差异。随着区域强震观测数据的增多,应考虑将目标区域的实测地震动特征融合到模拟的地震动中,以体现该区域地震动的特征。但是目前尚无成熟、合理的基于目标地区实际地震动合成设计地震动的方法。为了解决此问题,该文采用机器学习中的智能算法结合区域实际观测记录合成地震动时程。基于主成分分析算法从庞大的目标区域地震动数据库中提取表征本区域地震动特征的母波,采用合理的地震动模型构建区域地震动目标谱,再应用粒子群算法快速求解地震动的母波组合系数,使加权得到的反应谱与目标谱匹配,最终使得合成的地震动既满足目标谱的频谱特征、又符合本地实际地震动的时频特征。基于该文提出的方法,以中国西部地区的强震数据为基础,验证了方法的可行性和有效性,为考虑区域差异特征的地震动合成提供了新的思路和方法。
基于刚度和位移带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法
门进杰, 霍文武, 兰涛, 雷梦珂, 史庆轩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0370
摘要:
带可更换构件的RCS混合框架结构作为一种新型的可恢复功能结构,其抗震设计方法尚不明确。基于其结构受力特性及现行抗震规范中性能水准的划分,提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准,明确了结构在不同性能水准下的受力状态和指标限值。将弹性刚度比和屈服位移比作为结构设计控制参数,提出了基于双参数的带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法, 并给出了抗震设计的具体实施步骤和构件截面设计方法。通过非线性静力分析及动力时程分析,对一幢3层带可更换构件的RCS混合框架结构进行抗震设计。分析结果表明:结构能满足预期的不同性能水准,所提抗震设计方法是有效性的。
水平渗流作用下无黏性土接触冲刷细颗粒起动机理分析
张力, 梁发云, 王琛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0388
摘要:
为了在细观层面上研究水平渗流作用下无黏性土接触冲刷的临界水力条件,构建了粗-细粒土层接触面上细粒土的两种冲刷起动模型。根据细粒土滑动和滚动两种失稳模式进行受力分析,并采用层流假设对流动切应力进行分析。提出了上部为粗粒土、下部为细粒土的无黏性土接触冲刷水平临界水力梯度的理论计算公式,依据试验中接触面可动细粒土起动位置的特征对公式进行了简化,并通过试验数据将本文公式与已有经验公式进行了对比,验证了其适用性。研究结果表明:水平临界水力梯度受粗-细粒土的粒径比和可动细粒土粒径的影响较大,受粗粒土孔隙率影响较小。该值与粒径比和粗粒土孔隙率成负相关,与可动细粒土粒径成正相关。当粗-细粒土粒径比不大于10时,接触冲刷不发生;当粒径比大于10且小于50时,临界水力梯度取决于粒径比和可动细粒土粒径的影响;当粒径比大于50时,临界水力梯度受可动细粒土粒径的影响较大。该文提出的公式中,可动细粒土的粒径值di由接触面上细粒土粒径分布特征决定,在计算时建议其取值不大于细粒土特征粒径d50;当细粒土粒径分布特征未知时,可取细粒土的特征粒径d15
改进滞变阻尼模型的时域计算方法
孙攀旭, 杨红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0313
摘要:
依据基于复阻尼模型的滞变阻尼模型,创建了改进滞变阻尼模型在复数域内的拉氏运动方程以及对应的时域运动方程。改进滞变阻尼模型克服了复阻尼模型的时域发散问题,并能保证有阻尼自振频率随损耗因子增大而减小。依据外激励加速度的识别方法,结合改进滞变阻尼模型的时域运动方程特点,分别提出了基于傅里叶变换的时域计算方法和基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法。算例分析表明:基于傅里叶变换的时域计算方法是一种全局过程的计算方法,可计算任意时刻的结构动力响应,但计算量大;基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法是一种时域逐步计算方法,计算量小,适用范围更广,但计算误差不易估计。
高延性混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究及承载力计算
邓明科, 宋诗飞, 张敏, 马福栋, 陈尚城, 张阳玺
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0381
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)加固钢筋混凝土梁的受剪性能,该文对7根HDC加固梁及4根未加固梁进行静力试验,研究剪跨比、配箍率、加固层厚度和加固层附加箍筋对钢筋混凝土梁破坏形态、荷载-挠度曲线、受剪承载力以及裂缝的影响。结果表明:采用HDC面层对钢筋混凝土梁进行受剪加固,可以显著提高梁的受剪承载力;HDC面层可以代替部分箍筋的受剪作用,改善钢筋混凝土梁的剪切破坏形态;加固试件在达到极限位移之后,试件的完整性较好,剩余承载力较高。基于试验结果,利用桁架-拱模型,提出了HDC加固钢筋混凝土梁的受剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好。
温度和损伤程度对砂岩渗透特性影响的试验研究
卜宜顺, 杨圣奇, 黄彦华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0374
摘要:
岩石的渗透特性与许多地下工程的稳定与安全有关,而深部岩石工程环境所处的温度、应力以及自身损伤情况对渗透特性也有较大的影响。因此,有必要开展损伤岩石在不同温度、应力情况下渗透特性研究。利用GCTS高温高压动态岩石三轴仪、岩石全自动气体渗透率测试系统,对不同损伤程度砂岩进行了不同围压和实时温度的渗透特性试验。试验结果表明:不同损伤程度砂岩的渗透率与围压之间呈现幂函数负增长关系,在低围压向高围压过渡过程中,高损伤试样渗透率出现较大的跌落;不同损伤程度砂岩渗透率与温度关系为负相关,高损伤试样渗透率随着温度增加下降得更加缓慢;随着损伤程度的增加,砂岩渗透率呈现出低围压情况下先略微下降再上升,高围压情况下逐渐上升的特征。低围压状况下,损伤程度较高的试样之间渗透率差异较大。
新冠肺炎疫情临时医院排风的环境影响快速模拟方法
顾栋炼, 张银安, 刘华斌, 马友才, 曹晓庆, 吕中一, 解琳琳, 许镇, 徐永嘉, 郑哲, 杨参天, 陆新征
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0047
摘要:
2019年末爆发的新型冠状病毒肺炎疫情对现有医疗系统造成了巨大压力,各地开始建设新型冠状病毒肺炎的集中治疗临时医院。临时医院排风口排出的气体可能对临时医院新风口或者周围环境造成污染。由于临时医院的设计和建造周期只有6 d~10 d,因此排风环境影响分析一般需要在几小时内完成。基于上述背景,该研究提出了一个临时医院排风环境影响的快速模拟方法。该方法以开源流体力学计算软件FDS为基础,实现了临时医院建筑的快速建模、基于云计算平台的分布式计算、以及有害空气流动的监测和可视化,为临时医院设计阶段的快速分析提供了专门工具。并以武汉雷神山医院为案例,说明了该方法在此次肺炎疫情防疫工作中的应用价值。
高强度结构钢系列的疲劳裂纹扩展速率试验研究
童乐为, 任珍珍, 景爽, 牛立超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0246
摘要:
为研究高强度结构钢的疲劳性能,对Q460C、Q550D、Q690D和Q960D四种国产高强钢母材进行了疲劳裂纹扩展速率试验。每种钢材均取3个10 mm厚的C(T)紧凑拉伸试样,在应力比R=0.1的条件下施加恒幅疲劳荷载,利用显微镜目测记录每个试样的裂纹扩展长度a和对应的循环次数N。对每个试样的试验结果,分别采用七点递增多项式法、Smith法和割线法进行处理,计算裂纹扩展速率和应力强度因子幅值数据组,得到对应于Paris公式中的参数,比较不同方法拟合结果的优劣性并分析原因。再将同种钢材三个试样的数据合成一组,同样采用三种方法计算,并与单试样数据的结果作对比。最后给出了四种钢材Pairs公式中的疲劳裂纹扩展速率参数,并与其他文献中各种结构钢疲劳裂纹扩展速率的参数值进行对比评价。研究表明该文高强度结构钢的疲劳裂纹扩展速率会随着强度的提高而降低,并且这四种高强钢的疲劳裂纹扩展速率都比BS7910中针对普通强度结构钢推荐的疲劳裂纹扩展速率要低。
不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究
孟龙, 黄瑞源, 蒋东, 李平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
摘要:
采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和加温装置,在不同温度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下对3种不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,得到了温度和应力率耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度及相应的破坏形态。实验结果表明:混凝土材料的动态劈裂强度随应力率的增加而增加,且应力率相近时,其动态劈裂强度随温度的增加而明显降低。在此基础上,给出了描述混凝土材料在不同温度下的动态劈裂强度与应力率关系的表达式并确定了相关材料参数。通过对不同应力率和温度耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度进行横向对比发现:混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是其动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。
结构胶侧扭约束玻璃柱轴压承载力设计方法研究
黄小坤, 段树坤, 刘强, 崔明哲, 聂建国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0280
摘要:
玻璃柱在工程应用中的一种形式是采用结构胶将其与玻璃面板连接,结构胶对玻璃柱的约束效应能改善玻璃柱稳定性。考虑结构胶对玻璃柱的侧向弹簧约束及扭转弹簧约束作用,基于平衡方程推导了结构胶约束玻璃柱的轴压临界荷载公式,讨论了结构胶弹性模量及玻璃柱的柱高、截面高度、截面厚度对临界荷载的影响,发现结构胶弹性模量、玻璃截面厚度影响最为显著。基于等效刚度法将临界荷载公式推广至夹层玻璃柱。针对工程实践中常用的硅酮结构胶,提出了结构胶约束玻璃柱在轴压荷载作用下考虑玻璃开裂及结构胶破坏的承载力设计准则,并通过有限元模型计算验证了理论研究的合理性。
中高应变率和不同温度下离子型中间膜的拉伸力学性能及本构关系
陆钰佳, 陈素文, 张洋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0204
摘要:
为系统研究中高应变率和不同温度下离子型中间膜的拉伸力学性能,进行了1 s−1~800 s−1和−40 ℃~60 ℃下的系列动态拉伸试验。基于试验结果,确定了离子型中间膜的关键力学参数,并着重分析了温度和应变率的影响:随着应变率的升高和温度的降低,离子型中间膜的初始弹性模量、屈服强度和抗拉强度均普遍提高,但极限应变有所降低。基于G’SELL本构模型,建立了离子型中间膜的本构关系,根据试验结果标定了模型参数,模型预测结果与试验曲线吻合较好。采用应力补偿更新算法开发了用户子程序,实现了该文所提出的本构关系在LS-DYNA中的应用,并通过数值结果与试验结果的比较验证了用户子程序的有效性。
考虑局部屈曲的H形截面钢构件单轴压弯恢复力模型研究
陈乐川, 程欣, 陈以一
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0326
摘要:
考虑局部屈曲影响的恢复力模型是对薄柔框架结构进行抗震分析的基础。为得到H形截面钢构件绕不同主轴压弯的截面层次的弯矩-曲率恢复力模型,对薄柔H形截面钢构件单轴压弯的滞回性能进行了有限元参数分析。基于试验及参数分析结果,建立了考虑板件局部屈曲相关作用引起的各项退化的恢复力模型,该模型按照退化阶段加载刚度是否有滞升现象分成两种退化模型,绕强轴压弯与腹板有屈曲的绕弱轴压弯采用一般退化模型,腹板无屈曲的弱轴压弯采用刚度滞升模型。通过与多个不同宽厚比、轴压比组配截面的试验与有限元分析结果进行对比,证明了所提恢复力模型正确性与适用性。该文提出的模型体现了薄柔H形截面在屈曲后仍具有一定的延性和耗能能力,这表明在抗震设计中是可以利用的,为轻钢体系建筑的性能化设计提供了设计依据。
热-力-粘弹耦合多孔FGVM梁的动力学特性
周凤玺, 蒲育
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0235
摘要:
研究了初始轴向机械力作用下三参数Winkler-Pasternak粘弹性地基上多孔功能梯度粘弹性材料(FGVM)梁在热环境中的自由振动特性。考虑满足热传导方程的稳态温度分布以及材料性质的温度相关性,采用Kelvin-Voigt模型并由含孔隙率修正的混合幂率梯度分布来表征内含均匀孔隙FGVM梁的材料属性。基于n阶广义梁理论,在Hamilton体系下建立该系统动力学模型的控制方程;应用扩展型广义Navier法得到固支-固支、固支-简支、简支-简支这3种边界FGVM梁耦合振动输出响应的精确解;通过算例主要探究了梁理论、边界条件、热-力耦合效应、粘弹性地基系数、结构内阻尼系数、孔隙率、材料梯度指标、跨厚比以及振型阶次等诸多参数对FGVM梁动力学特性的影响。
高延性混凝土加固蒸压加气混凝土砌体墙抗震性能试验研究
邓明科, 马向琨, 张伟, 李宁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0336
摘要:
蒸压加气混凝土(AAC)砌块砌体墙自重轻,但其抗震性能较差,为提高该类墙体的抗震性能,提出采用高延性混凝土(HDC)面层和条带对其进行加固。设计制作了4个无筋砌体墙和2个构造柱约束墙体试件,其中2个试件采用HDC面层加固,2个试件采用HDC条带加固,通过拟静力试验,研究AAC砌体墙的破坏形态、滞回性能、承载力及变形能力等性能。试验结果表明:HDC面层可改变AAC墙体的破坏模式;对于无筋砌体墙,加固后试件的承载力、变形及耗能能力均得到了不同程度的提高,墙体裂缝数量明显减少,刚度退化较为平缓;对于构造柱约束墙体,单面HDC面层使加固试件的侧向刚度、水平承载力及耗能能力均大幅提高,且加固试件具有较高的残余承载力,墙体的开裂和损伤程度较小。基于试件的破坏形态,提出加固墙体的水平承载力计算方法,其计算结果与试验结果吻合较好,可为HDC加固AAC砌块墙体的承载力计算提供参考。
新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究
韩建平, 章全才
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0168
摘要:
提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。
基于NSGA-II的城市桥梁系统震后可恢复性分析与优化
寇峥, 李宁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0290
摘要:
城市桥梁是经济和社会发展的重要基础设施,特别是重要桥梁以及由其构成的网络在灾难发生后如何快速恢复,对社会安定和地区发展十分重要。近年来抗震韧性倍受关注,如何考虑结构可恢复性并将韧性纳入桥梁系统抗震性能综合评估和优化,还存在很多问题尚待研究。该文定量分析桥梁震后恢复过程、剩余功能和修复时间与韧性指标间的联系,建立城市桥梁系统性能评估方法。由桥梁不同损伤状态计算不同恢复过程的剩余功能、修复时间、可恢复性和震后经济损失;对震后恢复过程的功能函数模型给出建议,量化不同震后恢复策略的影响;将韧性纳入城市桥梁系统抗震性能框架中,提出城市桥梁系统震后可恢复性评估框架,对风险高低不同采用不同的修复过程;对震后经济损失、可恢复性和震前修/改造成本采用多目标优化算法NSGA-II求解震前提升韧性优化策略,用于抗震加固措施的选取。通过案例给出了方法流程,也为城市桥梁系统地震韧性提升提供了新思路。
基于无人机与计算机视觉的中国古建筑木结构裂缝监测系统设计
杨娜, 张翀, 李天昊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0263
摘要:
中国古建筑木结构中裂缝繁多,裂缝成因与发展规律复杂,易引起木结构构件脆断,从而严重威胁中国古建筑木结构健康情况。该文基于无人机与计算机视觉技术设计了一套适用于中国古建筑木结构裂缝的监测系统,该监测系统包含无人机系统、相机系统和图像处理系统。在无人机系统中,该文设计了一款适合于中国古建筑木结构裂缝监测的无人机,并分析其悬停拍照的可行性。在相机系统中,进行了相机畸变矫正、像素解析度标定,并提出了一种改进的SIFT+RANSAC方法以提高裂缝图像拼接精度。在图像处理系统中,选择了适用于中国古建筑木结构裂缝图像的预处理方式,并将Hessian矩阵与自适应阈值分割法融合,有效地提取了中国古建筑木结构裂缝特征,进而通过计算机视觉测量方法准确识别构件和裂缝的尺寸。最后,基于中国古建筑木结构亭子模型验证了所提出中国古建筑木结构裂缝监测系统的可行性。
基于脉冲激励下钢轨振动响应的扣件失效识别方法
侯博文, 李佳静, 高亮,