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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。
含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲的有限元网格自适应分析
王永亮
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0173
摘要:
该文建立圆弧形曲梁裂纹的截面损伤缺陷比拟方案,实现裂纹大小(深度)、位置、数目的模拟。引入变截面Euler-Bernoulli梁的h型有限元网格自适应分析方法,求解含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲问题,得到优化的网格和满足预设误差限的高精度屈曲荷载和屈曲模态解答。数值算例表明该算法中网格非均匀加密可适应裂纹损伤引起的屈曲模态变化,应用于各类曲梁夹角和裂纹损伤分布工况下的弹性屈曲研究,定量分析了裂纹损伤程度对圆弧曲梁的屈曲荷载和屈曲模态的影响,检验了该文算法的精确性和可靠性。
纵向变厚度(LP)矩形钢板弹性屈曲系数的理论分析
徐冬冬, 王元清, 刘晓玲, 班慧勇, 刘明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0628
摘要:
纵向变厚度(LP)钢板因适应现代化建筑超高层及大跨度的发展使用需求,将广泛应用于工程结构中。因LP钢板几何形状的特殊性,其局部屈曲变形更容易发生在靠近薄端的位置,并且钢板局部稳定性能与相同受力状态下的等厚度钢板差异较大,需要进行深入研究。基于能量原理,采用Galerkin和Rayleigh-Ritz法(GRM),对单向均匀受压荷载作用下四种不同边界条件下的矩形LP钢板的弹性屈曲系数的计算公式进行了理论推导,并采用ANSYS有限元软件验证了公式的正确性。最后得到了不同厚度放大系数下,四种边界条件下的矩形钢板的弹性屈曲系数与钢板长宽比的关系曲线图,进一步为LP钢板的工程应用提供理论指导和设计依据。
多重四边形环索-张弦穹顶局部断索冲击分析
张超, 付馨迪, 杜修力, 颜学渊, 许莉, 贾宏宇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0781
摘要:
多重环索-张弦组合屋盖为复杂的弦支穹顶结构。任一拉索瞬断均会对屋盖结构产生十分显著的动力冲击作用。针对多重环索-张弦穹顶屋盖的结构特点,提出基于AP法的断索冲击动力分析方法。针对断索失效路径、断索持续时间、结构阻尼比及屋盖初始荷载等参数开展敏感性分析,得到适用于多重环索-张弦屋盖的断索冲击动力分析的适用参数。剩余屋盖结构的动力分析结果表明:拉索瞬断冲击下,剩余屋盖的位移及内力响应均会不同程度地大于拉索静力失效,拉索瞬断引起的冲击效应不可忽视。而且,部分结构响应的动力放大系数会大显著大于规范所推荐的放大系数DAF=2.0。最后,不同类型的拉索瞬断分析结果表明:同一重环索中任一拉索瞬断引起的动力效应大致相同;外环索瞬断引起的动力效应会显著大于其他拉索;虽然外环索和张弦索的瞬断均会引起较大的动力响应,但是两者的分布规律差异较大;多根拉索瞬断引起的动力响应并非总是大于单根拉索瞬断。
套筒连接的预制拼装桥墩抗震性能研究
徐文靖, 马骉, 黄虹, 苏俭, 李建中, 王瑞龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0667
摘要:
以灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩为研究对象,分析了地震作用下此类桥墩墩身与承台接缝处的受力机理和套筒预埋于塑性铰区对桥墩整体受力性能的影响,进行了灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩模型拟静力试验。在此基础上,采用数值模拟分析方法,建立有限元模型,比较了采用灌浆套筒连接的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩的性能差异,以及不同直径的灌浆套筒对此类预制拼装桥墩抗震性能的影响。研究表明:采用墩身预埋灌浆套筒连接的预制拼装桥墩,因套筒刚度大,易在墩身套筒连接段形成刚性区域,发生墩身曲率重分布现象,导致墩底接缝处曲率增大,应变集中。此外,灌浆套筒埋置于墩身的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩相比,等效塑性铰高度减小,位移承载能力降低,且灌浆套筒直径越大、长度越长,桥墩接缝处应变集中越明显,与整体现浇桥墩性能差异越大,导致桥墩最终破坏形式由传统的塑性铰区域混凝土破坏转变为墩底接缝处钢筋拉断。
芯筒式双法兰刚性连接平面及减震框架试验对比分析
张爱林, 王庆博, 张艳霞, 上官广浩, 刘安然
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0032
摘要:
该文提出一种芯筒式双法兰刚性连接平面钢框架及其减震框架,设计并完成了两种框架的子结构拟动力试验,通过对比分析两榀框架的滞回性能、典型部位应变变化、抗侧刚度、耗能能力等指标,研究该类框架的抗震性能。结果表明:在8度多遇及设防地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器可以提供刚度,控制层间位移角,减轻甚至避免结构塑性损伤;在8度罕遇、8度(0.3 g)罕遇、9度罕遇地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器进行滑移摩擦耗能,耗能能力稳定,有效延缓结构塑性损伤,减震框架结构刚度、耗能能力均优于平面框架,平面框架和减震框架芯筒式双法兰刚性连接节点抗震性能良好且减震框架节点抗震性能优于平面框架。
型钢高延性水泥基材料粘结性能试验研究与有限元分析
白亮, 张淼, 杨磊, 胡帅, 包正福
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0265
摘要:
为了研究型钢与高延性水泥基材料(ECC)界面粘结滑移性能,对型钢ECC试件进行推出试验,分析PVA纤维掺量、横向箍筋配箍率、ECC保护层厚度及型钢锚固长度对型钢ECC试件破坏形态、荷载-滑移曲线及粘结应力的影响,提出粘结应力沿型钢锚固长度分布规律,研究表明PVA纤维掺量和ECC保护层厚度对型钢ECC粘结应力影响较大,粘结应力最大值出现在靠近加载端的位置,随着荷载增大,等效粘结应力也相应增大。根据试验结果,建立不同状态下型钢ECC粘结应力计算表达式,提出粘结应力-滑移本构关系。在此基础上,利用非线性弹簧考虑型钢与ECC界面间的粘结性能,建立型钢ECC推出试件的有限元模型,并将有限元分析结果与试验结果进行对比,结果表明本文提出的有限元模拟方法能够准确地分析型钢ECC的粘结滑移性能。
受火后叠合板组合梁受力性能试验研究
吕俊利, 周圣楠, 吕京京, 蔡永远, 陈其超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0186
摘要:
为研究受火后叠合板组合梁的受力性能,分别对五个火灾后叠合板组合梁和一个常温下叠合板组合梁进行静力加载试验,研究了后浇层厚度、栓钉间距、预制底板在钢梁上翼缘的搁置长度、预制底板接缝形式、是否受火等因素对叠合板组合梁的破坏形态、承载能力和抗弯刚度的影响。结果表明:火灾后整体式叠合板组合梁的极限承载力较分离式叠合板组合梁提高9%;后浇层厚度和栓钉间距是影响火灾后整体式叠合板组合梁初始抗弯刚度的主要因素;火灾前后整体式叠合板组合梁在荷载作用下均发生受弯破坏,且破坏形态基本相同,但经历火灾高温作用后,整体式叠合板组合梁出现裂缝的时间提前,其抗弯承载力和延性均有不同程度的降低,本次试验中火灾后整体式叠合板组合梁在荷载作用下的抗弯承载力和延性较常温下分别降低23.3%和55.4%;分离式叠合板组合梁中预制底板接缝的存在,破坏了预制底板的连续性,造成试件发生粘结破坏,但在远离接缝处,叠合板的协同工作性能良好;提出火灾后叠合板组合梁剩余承载力和抗弯刚度的计算方法,该方法具有良好的精度。
地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法
王晓静, 赵密, 王丕光, 杜修力, 程星磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0037
摘要:
针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。
基于EEP技术的一维有限元结点位移误差计算
袁驷, 邢沁妍, 袁全
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0446
摘要:
利用单元能量投影(Element Energy Projection,简称EEP)法所计算的EEP超收敛解,在不改变有限元网格及其整体刚度矩阵的情况下,导出残差的等效结点荷载向量,只经回代过程即可得到具有更高阶精度的结点位移的误差估计,使结点位移精度得到极大提高。文中以一般的二阶常微分方程边值和初值问题为例,给出算法和相应的数值算例。从中可以看出,本法十分简单而高效:对于\begin{document}$m \geqslant {{1}} $\end{document}次单元,采用EEP简约格式和凝聚格式修正后的结点位移,分别具有\begin{document}$ O({h^{2m\, + \, 2}})$\end{document}\begin{document}$ O({h^{3m + od {\kern 1pt} (m, \, \, \, 2)}}) $\end{document}的超常规的超收敛阶。文中给出了典型算例,并对该法的进一步拓展和应用作了讨论。
胶质阻尼隔振器的力学模型及隔振性能研究
余慕春, 赵鹏, 牛智玲, 李炳蔚, 南宫自军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0119
摘要:
胶质阻尼(Colloidal damper)是由水和布满纳米微孔的疏水材料混合而成的新型隔振材料,以胶质阻尼为工作介质即可形成胶质阻尼隔振器。该文通过准静态和动态加载试验研究了胶质阻尼的迟滞特性,分析了加载频率、振幅对迟滞曲线的影响;之后建立了包含三次非线性刚度、粘性阻尼特性和干摩擦阻尼特性的胶质阻尼隔振器力学模型,以实测动态加载迟滞曲线为基础开展了模型参数识别;最后完成了胶质阻尼隔振器的隔振性能评估。研究表明,胶质阻尼隔振器具有良好的低频隔振性能和大阻尼特性,在设备减振领域具有良好的应用前景。
考虑粘结滑移的冻融损伤纤维梁柱模型研究
张艺欣, 郑山锁, 荣先亮, 王卓涵, 董立国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0657
摘要:
伸入梁柱节点以及柱与基础交界处纵向受力钢筋的粘结滑移效应会显著影响构件的侧向变形。为准确评估冻融损伤后钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)柱的抗震性能,在考虑冻融损伤不均匀分布的纤维模型基础上,以锚固区的粘结滑移效应为研究对象,首先基于拉拔试验建立可考虑冻融损伤分布的粘结强度退化规律,进而根据简化粘结应力分布假设,通过建立控制方程进行理论推导得到冻融损伤粘结滑移计算方法,并与冻融钢筋混凝土拉拔试验数据进行了对比验证。进而基于有限元分析软件OpenSEES,将该文模型嵌套于零长度截面单元中,提出可综合考虑冻融不均匀损伤与粘结滑移效应的纤维梁柱模型,根据6榀冻融RC柱拟静力加载试验数据进行了验证,并与仅考虑冻融损伤的纤维模型进行了对比。结果表明:与纤维模型计算结果相比,采用该文模型计算所得滞回曲线与试验结果吻合更好,在承载力、极限位移和累积耗能等方面的计算误差较小,表明所建模型可更为准确地反映冻融损伤后RC柱的地震响应。
火灾作用下轻型钢构件(结构)温度场类相似理论研究
邱仓虎, 张耕源, 李白宇, 王广勇, 仝玉, 刘庆
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0009
摘要:
基于传热学理论,对火灾作用下轻型钢构件(结构)的温度场类相似理论进行了研究,提出了简化后的实验模型炉内升温曲线表达式,并对表达式进行了数值模拟与实验验证,同时对有、无非膨胀型防火涂料保护的轻型钢构件(结构)温度场类相似理论影响因素进行了对比研究。结果表明:采用理论推导出时间相似常数为1的实验模型炉内升温曲线表达式,可使实验模型温度与ISO834标准升温曲线作用下的原型结构温度相同,即火灾作用下轻型钢构件(结构)温度场类相似理论成立;实验模型炉温与钢材密度、比热成负相关关系,与比表面积、尺寸相似常数成正相关关系,对于非膨胀型防火涂料保护的轻型钢构件(结构)来说,还与涂料热阻成负相关关系,与涂料厚度相似常数成正相关关系。
考虑支撑断裂及节点板作用的中心支撑框架抗震性能研究
崔瑶, 许肖卓, 林迟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0648
摘要:
中心支撑框架(CBFs)具有良好的抗震性能和经济性,是常见的抗震结构体系。CBFs通常利用支撑受拉屈服和受压屈曲行为满足延性变形需求。在以往的地震中,CBFs结构的极限破坏模式均为支撑断裂。然而,在框架分析或设计时,CBFs通常被理想化为桁架结构,即将支撑构件两端考虑为铰接或固接连接并且忽略支撑断裂行为。该文提出能考虑支撑断裂行为和节点板作用的OpenSees数值模型。通过对单支撑构件、一层、三层中心支撑框架进行建模分析,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型的有效性。采用验证后的三层框架模型进行动力增量时程分析表明,不考虑支撑断裂时,框架的倒塌储备系数偏大。建议对CBFs结构进行设计和分析时,应考虑支撑断裂和节点板作用,以合理评估其抗震性能。
工字型钢框架极限承载力分析的通用广义屈服函数
杨绿峰, 谭夏墉, 韩晶晶
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0025
摘要:
工字型钢构件空间受力下的精确广义屈服函数为隐式函数,不便使用,而现有的近似显式函数不能全面考虑截面几何参数的影响,在适用性和精度方面普遍存在问题。为此,通过合理选择工字型截面几何参数,研究建立了具有广泛适用性的工字型截面齐次广义屈服函数,据此提出了平面和空间受力下框架结构极限承载力分析的高效线弹性迭代方法。研究了工字型截面几何参数对广义屈服函数计算精度的影响;进而选择腹板面积与单翼缘面积之比γ1和翼缘宽度与腹板厚度之比γ2作为截面几何参数,通过回归分析建立了同时适用于平面和空间受力,且能够全面反映工字型截面几何特征的通用齐次广义屈服函数;通过有策略地缩减高承载单元的弹性模量,建立了工字型截面框架结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法。通过对比分析验证了该文方法具有良好的计算精度和效率、以及较强的适用性。
基于协调翘曲场的开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转一维有限元分析
文颖, 陈泽林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0639
摘要:
开口及闭口薄壁杆件约束扭转问题已由经典Timoshenko和Benscoter理论解决。然而,开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析必须考虑开、闭口部分翘曲能力的差异,翘曲剪流形成机理有待进一步研究。该文假定开、闭口截面翘曲分别满足Vlasov和Umanskii假定,考虑开、闭口截面公共节点翘曲连续性要求,建立含有待定翘曲参数的协调翘曲模型。由截面受力平衡,确定翘曲参数显式列式,提出开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转分析的一维有限元模型。算例及参数分析结果表明,基于Umanskii第二理论的I类方法在悬臂板及闭口周边引入附加剪流,影响翘曲剪应力精度。基于Umanskii第二理论的II类方法只能计算截面板件平均剪应力,无法反映真实翘曲剪流分布。基于Vlasov约束扭转假定的Beam-189单元忽略闭口周边约束效应产生的附加翘曲及剪流,影响翘曲正应力和剪应力精度。该文方法与Shell-63单元能得到基本吻合的变形与应力结果,说明一维梁元能正确反映开闭口混合薄壁截面杆件约束扭转及翘曲刚度。
船板钢焊接接头的断裂失效行为及GTN模型的数值分析
卓子超, 张庆亚, 王江超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0746
摘要:
船舶钢结构皆采用焊接方法建造而成,在实际工况及环境载荷作用下,焊接接头的力学性能及其断裂强度,直接影响船舶整体结构的强度和寿命。该文针对常用的船板钢材料(Q345和Q690),首先对母材进行单向拉伸试验,获得其各自的应力-应变曲线,进而评估其断裂性能;基于Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)损伤模型,通过程序代码的调试和一系列的数值模拟分析,提出了母材本构关系的表达函数及最优GTN模型参数,且与实测的应力-应变曲线高度吻合。同时,针对满足焊接规范要求的船板钢对接焊接头,进行了单向拉伸试验获得其应力-应变曲线;考虑焊缝微观缺陷以及焊接残余应力的影响,提出修正GTN损伤模型中的初始空穴体积分数f0和材料的幂函数塑性强化参数,预测焊接接头的断裂强度,且与试验测量数据吻合一致。
齿轨铁路轨道-简支梁桥相互作用及轨缝合理位置研究
张乾, 蔡小培, 蔡向辉, 张岷
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0269
摘要:
齿轨铁路与桥梁的梁轨相互作用对行车安全和结构稳定均产生重要影响。基于有限元理论,建立了齿轨(钢轨)-轨枕-桥梁-墩台空间耦合计算模型,分析了典型荷载作用下齿轨铁路轨道-简支梁桥相互作用。结果表明:简支梁桥上齿轨铁路梁轨相互作用强于常规桥上无缝线路,在列车纵向荷载作用下的钢轨纵向力、梁轨相对位移、墩顶纵向力、墩顶纵向位移等指标比常规桥上无缝线路大40%以上,建议增强轨道基础与梁体的约束作用,增大轨道结构纵向阻力,防止在列车纵向荷载作用下的轨道爬行。齿轨最大等效应力小于其容许应力,齿轨强度不作为结构设计的控制指标。建议齿轨轨缝与梁缝错开布置,可有效避免齿轨轨缝变化过大。
颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的力学机制
孟凡净, 刘华博, 花少震
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0341
摘要:
颗粒流润滑是一种可用于苛刻工况环境的新型润滑方式,颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的规律和特性是阐明颗粒流润滑理论的关键科学问题,另一方面也可以为极端工况环境下颗粒流润滑轴承的设计和参数选择提供技术支持。为了分析颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统宏、微观特性以及下摩擦副与颗粒润滑介质间摩擦的影响规律,构建了颗粒流润滑离散元数值模型,并对该问题进行了分析和研究。研究结果表明:颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统的减摩润滑特性具有显著影响,下摩擦副和颗粒润滑介质之间的平均摩擦系数会随着颗粒间摩擦的增大而增大;颗粒流润滑系统内的微观配位数和滑动率均随着颗粒间摩擦系数的减小而增大;颗粒润滑介质在摩擦副间隙的宏观流动行为具有明显的分层特性, 且宏观流动速度随着颗粒间摩擦的增大而减小,进一步的分析结果表明:颗粒润滑介质的波动速度是直接反映其宏观流动速度快慢的关键性参数。
基于敏感性分析的协方差随机子空间方法参数优化
刘威, 杨娜, 白凡, 常鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0223
摘要:
在工作模态分析中,结构模态的准确识别在包括结构健康监测在内的许多应用中至关重要。本文基于敏感性分析,研究了模型系统阶数N和Toeplitz矩阵行块数i在协方差驱动随机子空间法(Covariance-driven Stochastic Subspace Identification,SSI-Cov)中对模态识别结果的影响规律。结合一经典数值算例及藏式古城墙现场实测数据对SSI-Cov算法的参数优化进行了分析。根据奇异熵增量理论对系统阶数进行识别;利用Toeplitz矩阵或系统矩阵的条件数及识别结果的变异系数对Toeplitz矩阵行块数的选择进行研究,并给出参数取值建议。研究结果表明:Toeplitz矩阵或系统矩阵的条件数越小计算结果精度越高;识别频率、阻尼比的变异系数越小,对应的模态稳定图质量越好。通过奇异熵增量理论可准确识别结构的系统阶数,奇异熵增量的一阶灵敏度降至0时对应的阶数即为系统阶数N。Toeplitz矩阵行块数i的建议取值范围为\begin{document}$2\beta {{\sim 4}}\beta $\end{document}(\begin{document}$\beta $\end{document}为采样频率与结构基频的比值)。基于本文提出的参数优化方法,能有效识别藏式古城墙的动力特性,包括频率、振型和阻尼比。
高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统的研制
潘远洲, 何天虎, 辛灿杰, 关明智
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0797
摘要:
实用化高温超导带材(如Bi系与ReBCO高温超导复合带材)在高磁场下拥有较高的临界电流密度、宽泛的温度裕度、较强的抗粒子辐照能力及良好的机械特性,因此这类材料在加速器超导磁体系统、高场超导磁体、超导电力等方面表现出巨大的应用潜力。而作为典型的多层功能复合性材料,虽然高强度的基底层增强了高温超导带材拉伸强度,使其在强磁场、高载流条件下可以承受很高的应力,在其加工与运行过程中,不可避免地受到多种疲劳载荷的作用,从而其临界载流能力会显著地降低,进一步,会造成相应高温超导装置功能性难以达到设计标准等。该文介绍一种自主研制的高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统,基于该测试系统:一方面,可以实现对高温超导材料在低/变温、疲劳载荷等环境下力学、热学等宏观参数的实验表征研究;另一方面,可以对高温超导材料开展低温疲劳载荷环境下力-电弱化等临界特性的实验研究。利用所研制的低/变温疲劳性能测试系统,对受拉-压疲劳荷载下的YBCO超导带材的力学行为、载流特性开展了初步的实验研究,并分析了应力比、温度等外部环境因素对实验结果的影响规律等。结果表明:在相同的疲劳次数的情况下,YBCO超导带材的力学性能及载流特性与其应力比成明显的非线性关系。该测试系统的成功研制将为中国粒子加速器用高温超导磁体的设计与研发提供基础测试平台。
基于共旋法与稳定函数的几何非线性平面梁单元
邓继华, 谭建平, 谭平, 田仲初
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0012
摘要:
建立一个准确高效的几何非线性梁单元对于描述杆系结构的非线性行为至关重要。该文基于共旋坐标法和稳定函数提出了一种几何非线性平面梁单元。该单元在形成中把变形和刚体位移分开,局部坐标系内采用稳定函数以考虑单元P-δ效应的影响,从局部坐标系到结构坐标系的转换则采用共旋坐标法以及微分以考虑几何非线性,给出了几何非线性平面梁单元在结构坐标系下的全量平衡方程和切线刚度矩阵;在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。最后,通过多个典型算例验证了算法与程序的正确性、计算精度和效率。
新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接扭矩系数及抗剪性能试验研究
范俊伟, 杨璐, 班慧勇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0111
摘要:
为促进钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构的连接技术发展,本文介绍了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式,并设计了5个摩擦型连接接头试件。通过开展抗剪试验,研究了其扭矩系数、抗滑移系数、抗剪承载力、抗剪机理等,并与《钢结构设计标准》GB50017—2017的相关设计方法进行了对比分析。采用有限元软件ABAQUS建立了高强度螺栓连接接头试件的有限元模型,验证了有限元模型的准确性和适用性,并对该新型螺栓连接接头进行了参数分析。结果表明,本文提出的新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接方式安装简单、易于施工和拆卸,抗剪连接破坏前螺栓预拉力损失值在15%~20%以内,其抗滑移系数、抗剪承载力仍可按照现行标准进行设计计算。研究成果能够为此类新型单边连接技术的工程应用提供基础。
一种多自由度阻尼体系动力问题的高阶分析方法
李鸿晶, 杨筱朋, 梅雨辰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0162
摘要:
传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式,需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果。在本文中,我们将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形,发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法。将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段,基于多自由度体系动力响应积分解,以精细积分法结合秦九韶算法计算各时间节点的矩阵指数。逆用微分求积原理发展一种针对含有矩阵指数卷积的高精度数值方法,逐时段求解得到体系各时刻的动力响应。本文方法为动力时程高阶分析方法,全部分析过程仅表现为一系列矩阵乘法及其递推计算,无需求解方程及额外插值,一步计算便可同时获得时段内ρ个时步的全部动态响应(实际动力分析时可取ρ=10~15),具备高效显式算法的特点。由于不必直接计算动力响应积分解中的定积分项,因而避免了对动力方程非齐次项进行特殊处理时所面临的困难。数值试验进一步表明,该方法能很快收敛到精确解,具有较高的计算精度,且数值稳定性好,在较大的时间步距下依然能得到较精确可靠的结果。
基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究
刘宁, 胡梦凡, 周飞
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0076
摘要:
基于键基近场动力学理论,建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型,其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述,采用短程斥力模型描述碰撞过程,模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律,解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式,准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法,求得裂纹的起裂韧度,为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。
一种新型自复位SMA支撑的抗震性能试验研究
胡淑军, 顾琦, 姜国青, 熊进刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087
摘要:
有效提高支撑的延性和耗能能力以及减小支撑的残余变形,是提高建筑结构抗震性能和震后功能恢复能力的重要手段之一。该文基于形状记忆合金(SMA)的自复位性能和滑移螺杆摩擦耗能等思想,提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA支撑。对五个不带SMA的支撑和六个自复位SMA支撑进行低周往复加载试验研究,得到了支撑的滞回曲线、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位能力等抗震性能指标。试验结果表明:所提出的自复位SMA支撑具有良好的耗能能力、承载能力、延性及自复位能力,整个试验过程中各板件未达到屈服,且SMA可复位至初始状态,无任何构件发生损伤;各自复位SMA支撑试件的滞回曲线均较饱满且大致呈现旗帜型,最大自复位率达到93.7%。所提出的自复位SMA支撑具有良好的抗震性能,可作为自复位阻尼器使用。
冻融低剪跨比RC梁抗震性能试验研究
郑山锁, 姬金铭, 裴培, 贺金川, 张艺欣, 董立国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0770
摘要:
通过人工气候模拟实验室对6榀剪跨比为2.6的钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)梁试件进行加速冻融循环试验,继而对其进行拟静力加载试验,根据试验结果分析了冻融循环作用和混凝土强度变化对RC梁试件破坏形态、滞回曲线、承载能力、变形能力和耗能能力等抗震性能指标的影响。结果表明:冻融后混凝土抗压强度降低,内部孔隙率变大,微裂缝增多,梁试件表面出现裂缝。各梁试件在拟静力加载试验后均发生了弯剪破坏。随着冻融循环次数的增加,试件的承载能力与耗能能力逐渐退化,延性先略微增长后显著下降;随着混凝土强度等级的提高,试件受冻融循环作用造成的损伤程度有所减轻,各试件的屈服、峰值、极限承载力均有所增大,耗能能力增强,延性无明显变化。
基于Copula理论的序列型地震动随机模型
申家旭, 陈隽, 丁国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0128
摘要:
通过考虑序列型地震动中主震和余震间的空间相关性,将已有地震动物理随机模型推广至序列型地震动随机模型。依据序列型地震动的产生与传播机制,将其表示为包含16个随机变量的Fourier模型。同时,考虑主震与余震的空间相关性,基于Copula理论,将模型更准确地表示为6个二维随机变量和2个一维随机变量;进一步地,为描述地震动在局部场地上传播的过程,建立了序列型地震动的随机场模型;最后,根据1038组实测序列型地震动及5组地震动台阵数据,对模型中的物理随机变量进行参数识别和统计分析,结合Copula函数,给出了各参数的概率分布。与实测地震动对比表明,本文提出的序列型地震动随机模型,能够较为真实地再现序列型地震动的空间相关性以及地震动在局部场地的行波效应。
基于Green函数法的Timoshenko曲梁强迫振动分析
赵翔, 周扬, 邵永波, 刘波, 周仁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0708
摘要:
该文运用Green函数法求解了Timoshenko曲梁在强迫振动下的解析解,通过分析曲梁截面的力学平衡,建立了Timoshenko曲梁的振动方程。依次采用分离变量法和Laplace变换法,对不同边界的Timoshenko曲梁求解出了相应的Green函数。并且通过引入两个特征参数来考虑阻尼对强迫振动的影响。数值计算中,验证了该解析解的有效性,并对其中涉及的各种重要物理参数的影响进行了研究。研究结果表明:通过将半径R设置为无穷大,可以简化为Timoshenko直梁振动模型,在此基础上,将剪切修正因子κ设置为无穷大,可以退化为Prescott直梁振动模型,最后再把转动惯量γ设置为0,可退化为Euler-Bernoulli直梁振动模型。该文给出的数值结果验证了所得解的有效性。
水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟
华旭刚, 邓武鹏, 陈政清, 唐煜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0143
摘要:
西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。本文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明,桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2~10 m/s流速范围内(折减流速Ur=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明,上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。
钢支撑动力屈曲致扭机理及BRB减扭机理的研究
高向宇, 李杨龙, 李建勤, 徐吉民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0748
摘要:
研究了钢支撑混凝土框架结构侧移和扭转地震响应的特点,揭示了在反复加载过程中钢支撑动力屈曲会对抵抗扭矩产生影响,使结构塑性铰状态发生非均衡性变化从而导致非弹性扭转的过程。运用达朗贝尔原理研究了钢支撑屈曲使结构产生惯性力、惯性扭矩并出现非弹性扭转突增的致灾机理,并通过振动台试验、有限元非线性分析对类似性能加以验证。对比研究了防屈曲支撑对结构的抗扭效果,以及阻断结构发生非弹性扭转突增的工作机理。最后针对设计上将普通钢支撑作为中心支撑混凝土框架结构第一道抗震防线的保障条件、设置防屈曲支撑减控非弹性扭转的技术保障措施等提出了建议。
新型双钢板-混凝土组合墙轴心受压性能研究
严加宝, 陈安臻, 王涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0188
摘要:
本文提出了适用于双钢板-混凝土组合墙的新型剪力连接件。采用槽钢连接的新型双钢板-混凝土组合墙,进行了6片双钢板-混凝土组合墙轴向受压试验,研究了剪力连接件间距和混凝土材料对组合墙体轴心受压性能的影响。结果表明:连接件布置和混凝土材性对组合墙的受压力学性能有较大的影响;连接件间距的增大会降低组合墙的极限承载力和延性,对初始刚度影响较小;超高性能混凝土能显著提升组合墙的抗压承载力和初始刚度,但会导致结构延性降低。同时,本文将组合墙极限承载力试验值与中国规范和欧洲规范中的理论值进行比较,发现基于欧洲规范的承载力设计公式更加安全。
重载机车车轮擦伤下的轮轨动态响应
杨逸凡, 凌亮, 杨云帆, 王开云
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0033
摘要:
车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,首先基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型。然后采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。
不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究
王元熙, 王晨, 杜喜凯, 刘京红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0733
摘要:
钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足“大震不倒”的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。
单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力分析
乔朋, 钟承星, 狄谨, 秦凤江
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0627
摘要:
为研究单箱多室波形钢腹板箱梁桥在车轮荷载下的横向受力特点及有效分布宽度,建立了单箱单室、双室、三室波形钢腹板箱梁的有限元模型,对比分析了3种截面箱梁的横向应力和有效分布宽度的规律。通过缩尺模型梁试验,验证了有限元分析结果。通过研究发现,单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁,但按照目前规范计算波形钢腹板箱梁的有效分布宽度存在较大误差。利用有限元模型,研究了荷载横向作用位置、腹板中心间距、悬臂板长度、顶板厚度、波形钢腹板尺寸及类型等参数对单箱单室箱梁有效分布宽度的影响,结果表明荷载横向作用位置和箱室腹板中心间距是最重要影响因素。通过对参数分析结果进行曲面拟合,得到了单箱单室波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算公式;单箱多室箱梁有效分布宽度可按0.9倍的单室箱梁有效分布宽度计算。最后,以某单箱三室波形钢腹板箱梁桥为例,按照该文公式求得有效分布宽度,采用弹性框架法计算了横向单点和多点车轮荷载作用下箱梁的顶板横向应力,并与有限元模型、桥规方法计算结果进行了对比,发现:横向多点车轮加载时,忽略不同箱室有效分布宽度的差异会使横向应力计算结果偏不安全,建议采用该文提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照该文方法计算的横向应力结果更精确,与规范方法相比误差可减小20%~40%。
多边形比例边界有限元非线性高效分析方法
李佳龙, 李钢, 余丁浩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0634
摘要:
比例边界有限元法作为一种高精度的半解析数值求解方法,特别适合于求解无限域与应力奇异性等问题,多边形比例边界单元在模拟裂纹扩展过程、处理局部网格重剖分等方面相较于有限单元法具有明显优势。目前,比例边界有限元法更多关注的是线弹性问题的求解,而非线性比例边界单元的研究则处于起步阶段。该文将高效的隔离非线性有限元法用于比例边界单元的非线性分析,提出了一种高效的隔离非线性比例边界有限元法。该方法认为每个边界线单元覆盖的区域为相互独立的扇形子单元,其形函数以及应变-位移矩阵可通过半解析的弹性解获得;每个扇形区的非线性应变场通过设置非线性应变插值点来表达,引入非线性本构关系即可实现多边形比例边界单元高效非线性分析。多边形比例边界单元的刚度通过集成每个扇形子单元的刚度获取,扇形子单元的刚度可采用高斯积分方案进行求解,其精度保持不变。由于引入了较多的非线性应变插值点,舒尔补矩阵维数较大,该文采用Woodbury近似法对隔离非线性比例边界单元的控制方程进行求解。该方法对大规模非线性问题的计算具有较高的计算效率,数值算例验证了算法的正确性以及高效性,将该方法进行推广,对实际工程分析具有重要意义。
冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙力学性能研究
叶露, 王宇航, 石宇, 罗伟, 孔维博
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0005
摘要:
为研究适用于低层和多层冷弯薄壁型钢建筑的冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙(Cold-formed steel Framed Shear Wall with Slits,简称CFS-WS),该文开展了1面普通CFS-WS和3面加劲CFS-WS的拟静力试验,得到了CFS-WS的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等力学性能,提出了其抗剪承载力设计值。试验结果表明:CFS-WS加载时依靠竖缝间钢板“扭转-恢复-逆向扭转”和型钢框架变形来共同抵抗水平荷载和耗散能量,试件破坏时钢板撕裂,帽形柱端部屈曲;CFS-WS具有良好的承载力、塑性、延性和耗能能力,但其滞回曲线捏缩现象较为严重;加劲CFS-WS较普通CFS-WS而言,其抗剪刚度、承载能力和耗能能力更高,滞回曲线捏缩现象有所减轻。此外,通过加劲肋连接件将加劲肋和冷弯薄壁型钢梁柱连接成钢框架,可有效提高CFS-WS的前期抗剪刚度、承载力和耗能能力,大大改善结构的抗震性能。
松软场地上桩筏基础AP1000核岛结构的三维非线性地震反应特性
朱升冬, 陈国兴, 蒋鹏程, 陈炜昀, 高文生
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0121
摘要:
松软场地上核岛结构的地震安全正成为一个挑战性的重大工程问题。选取代表性的近场强震、中远场强震和远场大震记录作为基岩地震动,考虑场地工程地质特性、土体非线性和人工边界条件,对松软场地-桩筏基础-AP1000核岛结构三维体系进行非线性地震反应分析,结果表明:核岛结构谱加速度的卓越周期与基岩地震动的基本相同,对与核岛主体结构基本频率相近的地震动分量的反应更为强烈,冷却系统水箱“晃动水”的地震反应对核岛结构的影响类似于鞭梢效应;核岛结构的峰值加速度放大系数随结构高度增大,近场和远场强震作用时,该放大效应主要取决于核岛结构自身特性及基岩地震动经土层到核岛底部的传播;核岛结构相对其底部的峰值相对位移随结构高度增大,且远场大震作用时的反应更为强烈;随基岩峰值加速度的增大,核岛结构的峰值加速度放大效应减弱、峰值相对位移反应增大。地基柔性及土-结构相互作用的耦合效应对输入地震动具有高频过滤、低频放大效应,从而使核岛结构下部的峰值加速度显著放大、中上部的峰值加速度显著减小。
双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型
陈善富, 陈静芬, 杨凤祥, 刘志明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0018
摘要:
基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。
不锈钢焊接截面简支梁非线性变形性能研究
袁焕鑫, 陈晓婉, 蔡继生, 杜新喜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0022
摘要:
为研究不锈钢梁非线性变形性能,对5根不锈钢焊接工字形截面梁开展三点弯曲加载试验。建立了考虑不锈钢材料非线性、构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型,根据试验结果对数值模型的准确性进行验证。基于验证的有限元模型,对中国CECS 410《不锈钢结构技术规程》和Real-Mirambell建议的不锈钢梁挠度计算方法进行分析。在此基础上,根据平截面假定和不锈钢应力–应变关系曲线,提出不锈钢梁截面屈服弯矩M0.2的简化计算公式;考虑截面焊接残余应力对梁初始变形刚度的不利影响,提出针对不同材料牌号梁变形刚度的折减系数建议取值,对CECS 410和Real-Mirambell的挠度计算方法进行修正。分析结果表明,修正公式能够准确合理地计算不锈钢焊接工字形梁的挠度。
预应力钢箍加固混凝土圆形短柱轴压性能研究
谢剑, 杨丽, 徐福泉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0020
摘要:
对33个预应力钢箍加固混凝土圆形短柱(PSHC)及9个对比柱进行轴压性能试验,研究配箍率(包括钢箍间距、混凝土柱直径)、预应力比、初始轴压比等因素对PSHC承载能力和变形能力的影响。结果表明:PSHC的承载能力和变形能力相比于对比柱,可分别提高107%和540%。加固效果会随着钢箍配箍率的增加而变好;预应力比逐渐增加时PSHC承载能力逐渐增加,峰值应变逐渐降低;初始轴压比的大小不会对加固效果产生明显影响,预应力钢箍加固混凝土柱技术可以作为一种不卸荷的加固方式。此外,提出PSHC承载力计算方法,用该文试验和其他学者试验数据进行验证,计算结果与试验结果吻合良好。
自复位超弹性SMA筋梁柱节点数值模拟研究
钱辉, 李宗翱, 裴金召, 康莉萍
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0791
摘要:
为提高框架结构的耗能能力和自恢复能力,提出了基于超弹性SMA筋的功能自恢复梁柱节点。基于OpenSees有限元软件平台,采用SMA材料自复位双旗形本构模型,建立了自复位SMA筋混凝土梁柱节点有限元数值模型,进行了低周往复作用下有限元模拟,得出节点的滞回曲线与骨架曲线。通过与现有试验结果的对比,验证了节点分析模型的有效性。进行了参数分析,分别考虑了SMA材料的配置数量、配置长度和屈服强度等参数,分析了SMA材料参数对节点的滞回性能和自复位能力等性能的影响。结果表明:超弹性SMA筋混凝土梁柱节点具有较高的耗能能力和自复位能力。建立的数值分析模型能较好地模拟自复位SMA筋节点在低周往复荷载作用力下的“双旗形”滞回性能。SMA筋材力学参数对节点抗震性能有较大影响:在适筋条件下,SMA配置数量越大,残余位移越小,复位能力越强;相同条件下,SMA筋超过塑性铰长度后,对节点性能影响不大;适筋条件下,提高SMA筋的屈服强度会提高节点的承载能力以及自复位能力。
内设加劲肋空间DKT形相贯节点轴压承载力公式
张爱林, 蔡文超, 张艳霞, 邵迪楠
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0591
摘要:
以北京大兴国际机场航站楼钢结构工程为背景,在空间DKT形相贯足尺节点试验的基础上,为进一步研究节点的受力机理,对192组不同参数的节点有限元模型进行模拟分析。研究加劲肋开口尺寸、加劲肋厚度及其设置数量对空间DKT形相贯节点受力性能的影响。对设置不同加劲肋的空间DKT形相贯节点在承受轴压下的承载力设计值和极限承载力进行多元非线性回归,得到了内设加劲肋的DKT形节点承载力设计值和极限承载力的提高系数η。在现行的钢结构设计标准基础上得到内设加劲肋相贯节点承载力设计值和极限承载力计算公式。试验和有限元分析结果表明,内设加劲肋相贯节点的承载力设计值和极限承载力公式满足精度要求,可以为工程中类似节点的设计提供可靠参考。
踮脚和跳跃荷载下全装配式RC楼盖振动特性试验研究
庞瑞, 王文康, 张天鹏, 徐科
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0192
摘要:
为研究分布式连接全装配RC楼盖(DCPCD)在人致激励下的动力特性和振动响应,进行了6个足尺DCPCD试件和1个现浇对比试件的锤击法试验和在踮脚、单人跳跃荷载下的人致激励试验,研究了板缝和连接件布置对DCPCD振动特性的影响。结果表明:DCPCD与现浇楼盖的低阶振型基本相同,但自振频率略低;DCPCD与现浇楼盖有相同的振动传递机制;相同激励下DCPCD的振动响应略大于现浇楼盖,现浇楼盖的加速度峰值出现在跨中的边缘,DCPCD的加速度峰值出现在近跨中板缝的边缘;DCPCD的自振频率随连接件的增加而提高,随板缝的增加降低,连接件对频率的影响大于板缝的影响;提出了两对边简支条件下DCPCD横板向竖向自振频率与加速度计算方法,并以试验验证了所提方法的准确性。
基于截面应力法的钢-UHPC组合板初裂荷载计算方法研究
卜一之, 刘欣益, 张清华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0738
摘要:
负弯矩作用下钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板结构层的局部受拉开裂问题,是该类新型组合桥面板结构体系应用和发展的基础性研究课题。基于平截面假定和双折线UHPC拉伸本构模型,提出了能够描述UHPC结构层实际应力分布的截面应力法,用于计算这种新型结构在纯弯曲作用下的开裂荷载。通过2组4个模型试验并结合相关文献试验结果对所提出的计算方法进行了验证,研究结果表明:利用截面应力法能够较为准确的描述钢-UHPC组合板在纯弯曲作用下的开裂行为,计算给出的开裂荷载与实测值比值平均为0.95;UHPC的开裂强度仅取决于其自身材料特性,钢-UHPC组合板开裂荷载的提高不会影响UHPC层的开裂强度;UHPC层在可视裂缝出现时的应变硬化高度是组合效应及配筋对其约束的直观体现;减小纵筋保护层厚度或提高配筋率能够提高UHPC应变硬化区域高度,提高钢-UHPC组合板抗弯性能。
高强矩形螺旋钢筋约束高强混凝土剪力墙截面弯矩-曲率计算方法研究
赵花静, 李青宁, 赵珺, 李书锋, 郑玉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0603
摘要:
为改善高强混凝土剪力墙的抗震性能,将高强矩形螺旋钢筋(HRSRs)应用于高强混凝土剪力墙的约束边缘构件及墙身。通过对10个HRSR高强混凝土剪力墙抗震性能的研究,并基于对HRSR强约束作用的考虑,提出与HRSR高强混凝土剪力墙开裂状态、屈服状态、峰值状态和极限状态对应的弯矩-曲率计算方法。研究表明,该文建议的压弯构件弯矩-曲率计算公式能较为准确地描述剪力墙各阶段的荷载-变形关系,计算值与试验值吻合较好。与普通箍筋形式的高强混凝土剪力墙相比,采用连续封闭的HRSR,能够显著提高高强混凝土剪力墙截面的承载能力和变形能力。
高速动车组构架载荷特征研究
任尊松, 曹杰, 李玉怡, 王斌杰, 魏雪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0181
摘要:
高速动车组转向架构架不仅承受和传递来自一系和二系悬挂系统的载荷,而且承受来自电机、齿轮箱以及牵引制动等部件产生的载荷,因此这些载荷引起的构架结构疲劳可靠性受到广泛关注,但这些与构架结构可靠性密切相关的载荷却少有研究。本文提出解耦和降维法识别某型高速动车组构架轴箱弹簧垂向载荷、定位节点横向载荷、电机垂向和横向载荷、齿轮箱垂向载荷以及抗侧滚装置载荷,制作测力构架并首次实际线路全面测试该型动车组运行过程中载荷引起的应变信号。列车最高试验速度368 km/h。对测试数据进行处理和分析,获得了高速动车组运行工况下这些载荷的时间历程,分析了载荷的时域和频域特征,给出了轴箱弹簧载荷峰值与运行速度之间关系。采用雨流计数法统计了载荷峰谷值和频次,获得了不同速度等级下载荷谱,给出了构架200万次试验条件下的等效载荷。结果表明,轴箱弹簧载荷、定位节点横向载荷、电机载荷以及齿轮箱载荷受列车运行速度和轨道激扰影响明显,抗侧滚装置受列车速度和曲线条件影响明显,轨道随机激扰对抗侧滚装置载荷影响不明显。钢轨现场焊接接头不平顺使得轴箱弹簧承受明显的冲击载荷并作用于构架,且该冲击载荷频率一般为49~51 Hz。列车正线行驶时,轴箱弹簧载荷最大动荷系数0.23,构架侧滚和浮沉载荷系数最大值分别为0.14和0.1。电机和齿轮箱载荷峰值接近标准JIS E4208给出的动载荷值。频率幅值积可直观地表示中高频范围内载荷幅值变化特性。本文研究结果对高速动车组动力学研究和构架结构设计及疲劳试验等具有重要意义。
基于动力特性的混合结构地震响应复模态叠加法
孙攀旭, 杨红, 刘庆林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0723
摘要:
混合结构由不同阻尼特性的材料组成,确定其阻尼矩阵存在困难。分块Rayleigh阻尼模型由于数学上的简易性,被广泛用于构建混合结构的阻尼矩阵,但分块Rayleigh阻尼模型的计算精度与参考频率的选择方法直接相关。针对参考频率的选择问题,依据结构动力响应的组成和特点,提出了一种确定Rayleigh阻尼系数的计算方法,进而实现基于分块Rayleigh阻尼模型的复模态叠加法。求解结构的瞬态反应时,根据结构前两阶振型的自振频率确定阻尼系数;求解结构的稳态反应时,选择结构的基频、与外激励频率接近的结构自振频率确定阻尼系数。依据地震波的频谱特性,提出了基于地震波卓越频率的分块Rayleigh阻尼模型,并结合地震加速度的分段线性假定,建立了混合结构的复模态叠加法。在此基础上,利用三角级数展开得到组成地震波的谐波频率,进一步提出了基于谐波频率的分块Rayleigh阻尼模型和对应的复模态叠加法。算例分析结果表明,所提方法误差更小,且克服了传统方法因振型选择不唯一导致的计算结果具有不确定性的问题;与基于地震波卓越频率的复模态叠加法相比,基于谐波频率的复模态叠加法计算量更大,但计算精度更高、适用范围更广。
自复位全钢型防屈曲支撑的工作原理与滞回特性研究
徐龙河, 陈鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0034
摘要:
本文提出一种新型自复位全钢型防屈曲支撑(SC-SBRB),主要由防屈曲耗能系统和预压组合碟簧自复位系统并联组成。对其基本构造和工作原理进行了介绍,建立了能够准确描述支撑滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS有限元软件建立了具有不同设计参数的4个SC-SBRB实体模型,研究了支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性及复位性能,并与恢复力模型计算结果进行了对比分析。结果表明,低周往复荷载作用下,SC-SBRB的滞回响应呈现稳定饱满的类“旗形”特征,建立的恢复力模型能够准确地预测支撑各阶段的力学性能。SC-SBRB的自复位性能随碟簧初始预压力的增大而逐渐得到发挥,残余变形同步减小。当复位率达到1.0时,支撑最大残余变形率为0.039%,复位性能和耗能能力匹配合理。
分级地震下跨断层高铁简支梁桥行车安全与抗震设计优化研究
江辉, 王敏, 曾聪, 黄磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0599
摘要:
以跨越走滑断层的某高速铁路八跨简支梁桥为研究对象,基于OpenSEES平台建立其考虑梁-轨相互作用的线桥体系非线性数值模型,合成平行断层方向的水平地震动,分析了不同地震动强度下桥梁结构及CRTSII型板式无砟轨道结构的损伤特性,量化评定了结构构件的地震安全性。基于规范给出的轨道水平变形控制标准,评价了不同车速下线路的行车安全性,探讨了轨道结构的优化设计。研究结果表明,断层跨及其邻跨的地震响应最大,强震下面临严峻的破坏风险;地震下轨道水平变形明显,存在行车安全隐患的位置主要集中在断层跨及其两侧邻跨梁端;增加轨道侧向挡块数量可有效降低轨道水平变形,将侧向挡块增加至每跨每线6对时,罕遇地震下,除断层跨梁端处轨道的平行转角外,其余位置的轨道水平变形指标仍能满足车速为100 km/h时的行车安全限值。
覆盖岩溶临空面对水平承载桩嵌固端承载力的影响试验研究
李天雨, 范秋雁, 韩伟, 梁家珲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0704
摘要:
岩溶地区基岩岩面起伏很大,当水平承载桩嵌固在覆盖岩溶临空面附近时,覆盖岩溶临空面可能会失稳,导致嵌固端失去承载能力。本文设计了含覆盖岩溶临空面和一个软弱结构面组合地质条件下的嵌固端室内模型,考虑了临空面在桩前和临空面在桩后两种工况。进行水平加载试验后,结果表明:临空面和结构面的存在降低了嵌固端的承载力,且桩前临空面对桩嵌固端承载力的影响更显著。在此基础上,基于极限平衡法,提出了含覆盖岩溶临空面和结构面的嵌固端岩体承载力验算方法,并通过比较计算结果和试验结果,对计算假设条件和计算方法进行了验证。
摇摆双层桥梁地震反应及抗倒塌能力分析
陈敬一, 杜修力, 韩强, 周雨龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0647
摘要:
针对常规延性设计的现浇双层桥梁在地震损伤控制方面的不足,该文提出一种摇摆双层桥梁结构。采用拉格朗日方程和动量矩定理建立了可计算该类摇摆桥梁结构动力反应的刚体分析模型,分析了结构的地震反应,探讨了桥墩宽高比和桥墩尺寸参数等模型参数对其地震反应的影响,并采用脉冲近场地震动数学模型Ricker小波对结构的抗倒塌能力进行了定性和定量的分析。研究结果表明:在横桥向地震作用下,采用工程实际尺寸的摇摆双层桥梁结构在E2地震水准下未发生倒塌且上层结构未见塑性损伤;与远场地震相比,脉冲近场地震更易使结构发生倒塌;给出了结构在Ricker小波作用下的倒塌加速度谱和倒塌模式,结构抗倒塌能力随着桥墩宽高比和桥墩尺寸参数的增大而显著提高。
基于等效能量原理的延性材料J (δ)阻力曲线测试新方法研究
彭云强, 蔡力勋, 韦利明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0706
摘要:
基于等效能量原理获取的I型裂纹试样弹塑性载荷-位移关系和J积分-载荷关系半解析统一表达式,借助半解析法实现了对多种裂纹试样J阻力曲线的有效测试;采用该方法,还可很容易实现C型外缺口压缩(C-shaped outside edge-notched compression,COEC)小试样的高温J阻力曲线测试。此外,借助半解析公式确定的锐裂纹试样的实时裂纹扩展长度,亦可实现延性材料的裂尖张开位移(Crack tip opening displacement,CTOD,δ)阻力曲线测试。
方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点在地震损伤后的耐火性能分析
王文达, 陈润亭
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0259
摘要:
为研究方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点在地震损伤后的耐火性能,该文建立了有限元数值模型,并用其他研究者完成的试验数据对模型进行了验证。在此基础上分别建立了震损后组合梁节点在三种受火工况下耐火极限计算模型,分析了组合梁节点柱防火保护层在滞回加载中的脱落位置及脱落程度和三种受火工况对节点耐火极限、破坏模态的影响。结果表明:经历柱端往复荷载作用的节点随着损伤程度的不断加重,钢管应力值及变形程度明显增大;当节点在楼板以下区域受火时,随着受火时间的增长,栓钉由底部至顶部的温度梯度较明显,楼板混凝土由于栓钉的影响,温度场分布呈现波浪形;不同损伤程度及不同受火工况对节点破坏模态均影响显著,但有无考虑防火保护层脱落的节点在三种受火工况下的破坏模态均没有较大差别;在楼板以下区域受火及楼板以上区域受火两种工况下,防火层脱落对重度损伤节点的耐火极限影响显著。在楼板上下区域均受火的工况下,防火层脱落对节点的耐火极限没有显著影响。
小跨高比混凝土三点弯曲梁双K断裂参数研究
尹阳阳, 胡少伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0031
摘要:
采用小跨高比三点弯曲梁研究了混凝土的断裂性能。基于对跨高比为2.5和4的三点弯曲梁断裂参数计算公式的线性插值,给出了计算小跨高比三点弯曲梁断裂参数的公式。通过开展3种小跨高比三点弯曲梁试验及文献中的试验数据对文中公式进行了验证,结果表明:随试件高度从100 mm增大至200 mm,基于小跨高比三点弯曲梁所得的起裂断裂韧度基本保持不变,而失稳断裂韧度则逐渐增大,但增幅较小。该文所给公式计算所得的双K断裂参数与文献中已有方法所得结果基本相同。解析法得到的起裂断裂韧度与试验法所得结果吻合较好。通过对文献中的试验数据的分析,进一步验证了该文所给的方法可以用于研究小跨高比三点弯曲梁的断裂性能。
相依失效生命线工程系统抗震可靠度估计的统一RDA算法
顾倩, 夏恒, 何军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0697
摘要:
在网络连通可靠度分析的递推分解算法(Recursive Decomposition Algorithm,简称RDA)的基础上,先整合原RDA算法中分别用于不同网络赋权形式的三部分程序,发展出统一RDA算法。应用顺序复合法(Sequential Compounding Method,简称SCM)和Gumbel Copula函数分别计算RDA算法中不交最小路和不交最小割事件的联合失效概率,解决元件相依失效生命线工程系统的抗震可靠度估计问题,最终发展出相依失效生命线工程系统抗震可靠度估计的统一RDA算法。36节点格栅型网络可靠度案例计算结果表明:此方法可以用于相依失效网络系统的动力抗震可靠度估计,计算精度较高。
油垫可倾式静动压混合支承摩擦副变形
于晓东, 詹士伟, 韩飞, 王发坤, 孙帆, 黄殿彬, 焦建华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0157
摘要:
液体静压支承在高速重载工况下运行时,由于强挤压和高速剪切联合作用,微间隙油膜温度和油腔压力分布不均匀,导致静压支承摩擦副发生热固耦合变形,影响液体静压支承的承载能力和高精度稳定运行。为了解决该难题,提出一种新型油垫可倾式静压支承结构,其运行过程中可实现任意方向微摆,产生附加动压,形成静动压混合支承,达到高速重载工况条件下静压支承高精度稳定运行的目的。依据流热固耦合理论,采用ANSYS Workbench对支承摩擦副变形进行流热固耦合分析,探讨承载0 t~32 t极端工况条件下旋转工作台、可倾油垫和底座的流热固耦合变形规律。提取数据变形数据,并经Matlab编程处理后得到摩擦副变形关系,发现油腔外侧封油边边角处变形最大,此处间隙油膜最薄,最易发生摩擦学失效,成果为进一步控制摩擦副变形和摩擦学失效机理研究提供新方法。
基于监测数据的结构地震损伤追踪与量化评估方法
单伽锃, 张寒青, 宫楠
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0138
摘要:
基于延性的工程抗震设计允许结构在强地震作用下进入非线性,即允许结构产生地震损伤。从物理和力学的角度,抗震行为模拟与性态评估一般考虑地震损伤的峰值效应和累积效应。但是,由于先验性知识(如滞回耗能、承载力与变形能力)的限制,抗震研究中广泛应用的Park-Ang损伤模型较难直接用于大型在役结构的地震损伤评价。受到控制领域模型参考思想的启发,该文提出一类基于数据驱动的损伤评估模型,能自适应于不同的受力状态与破坏模式,实现综合评估震损结构峰值和累积损伤效应。利用美国NEES计划公开的足尺钢筋混凝土(RC)柱动力试验数据,研究了所提出数据驱动损伤指标与RC柱地震损伤发展的相关性与时域追踪效果,验证了评估指标能有效区分RC柱水平侧移与弯曲变形相应损伤的发展与累积差异。此类基于模型参考思想的新型损伤评估指标,不需要提前获知结构非线性特征和计算滞回耗能,可应用于基于强震观测的工程结构抗震性态评估。
碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体受压本构关系
郑文忠, 敖日格乐, 王英, 黄文宣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0739
摘要:
为考察碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体的受压本构关系及基本力学性能,完成了126个用碱矿渣陶砂砂浆和碱矿渣陶粒混凝土砌块砌筑的砌体试件的轴心抗压试验。研究结果表明:当砌块抗压强度和砌筑砂浆抗压强度相同时,由于碱矿渣陶砂砂浆收缩大,该类砌体的峰值压应变、极限压应变均低于普通混凝土砌块砌体。建立了以砌体抗压强度、砌块抗压强度和砌筑砂浆抗压强度为自变量的这类新型砌体峰值压应变、极限压应变以及弹性模量计算公式。
海上风电大直径单桩的修正p-y曲线模型
孙毅龙, 许成顺, 张小玲, 杜修力, 席仁强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0051
摘要:
单桩基础是当前海上风电常用的基础形式,常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时,API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度,引起桩基水平位移计算结果不准确。因此,分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素;对p-y曲线模型中的关键参数进行修正;根据FLAC3D数值模拟计算结果,引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响,建立修正p-y曲线模型。在此基础上,开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证,与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比;结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好,验证了建立的修正模型的合理性。
圆铝合金管混凝土短柱轴心受压承载力研究
曾翔, 吴晚博, 霍静思, 胡涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0178
摘要:
开展了6根圆铝合金管混凝土(简称“CFACT”)短柱的轴心受压承载力试验,套箍系数为0.57~1.26。分析了试件的破坏形态、轴压荷载-轴向应变曲线、截面横向变形系数、峰值荷载和延性。试验结果表明,CFACT轴压短柱发生鼓曲破坏或斜向剪切破坏;其表现出良好的组合效应,具有较高的承载能力与延性。利用ABAQUS有限元软件,结合本文建议的圆铝管约束混凝土的等效受压应力-应变关系和混凝土塑性损伤模型,建立了轴心受压荷载下CFACT短柱的非线性有限元分析模型,并对该模型进行了试验验证。为合理地对CFACT短柱进行设计,讨论和定义了其轴心受压承载力。然后,采用前述有限元模型计算了不同的套箍系数、径厚比、含铝率及材料强度的27根CFACT短柱的轴压承载力。利用试验与有限元分析得到的33根短柱的轴压承载力计算出各柱的截面组合抗压强度。通过分析发现,截面组合抗压强度与混凝土轴心抗压强度之比与套箍系数存在线性关系,进而通过回归分析建立了其组合抗压强度的计算公式。
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6-10天,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,本研究提出了一个临时医院排风环境影响的快速模拟方法。本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,说明了本方法在此次肺炎疫情防疫工作中的应用价值。
WCFT柱-钢梁节点抗震性能试验研究
黄育琪, 郝际平, 樊春雷, 薛强, 王立军, 孙晓岭, 刘瀚超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0092
摘要:
提出了壁式钢管混凝土(WCFT)柱与钢梁连接的侧板式节点。为研究其抗震性能,设计了3个侧板式节点足尺试件进行拟静力试验,分析试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度退化和节点域应变。试验结果表明:3个节点试件的节点域均处于弹性阶段,满足侧板水平及竖向强度比的侧板式节点试件破坏形态为梁端塑性铰破坏,发生梁端塑性铰破坏的节点试件具有较好的变形和耗能能力;侧板水平或竖向强度比不足100%的侧板式节点试件呈现脆性破坏特征。在试验研究的基础上,结合梁端内力传导机制还提出了侧板式节点在节点域外的三种破坏模式及相应判别公式,与试验结果基本吻合,从而为工程设计提供参考。
膨胀土地基中单桩受扭非线性分析
江杰, 王顺苇, 欧孝夺, 王智, 杨迪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0243
摘要:
膨胀土地基中桩-土相互作用较为复杂,膨胀土浸水对单桩扭矩承载特性的影响机理尚未明确。本文基于荷载传递法建立桩身位移控制方程,考虑膨胀土浸水隆起对桩侧摩阻力及桩端边界条件的影响,利用有限差分法求解出桩侧竖向摩阻力的分布。在此基础上结合边界元法提出膨胀土地基浸水后单桩受扭的非线性分析方法,揭示了桩侧环向摩阻力的分布规律,并通过模型试验验证了本文方法的正确性。研究表明:膨胀土地基浸水膨胀引起的地表隆起会使单桩的扭矩承载力大幅度降低常规的计算方法高估了基桩的极限扭矩和桩-土体系加载刚度,偏于不安全;浸水前单桩的桩身扭矩沿桩身近似线性减小,浸水后桩-土界面“滑移段”的扭矩接近于桩顶扭矩,“未滑移段”桩身扭矩近似线性减小;随着膨胀土膨胀率的增加,单桩的抗扭能力降低,且桩-土界面“滑移段”的长度也在增加。
充氢工艺对复合材料储氢气瓶残余应力的影响
江勇, 许明, 危书涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0146
摘要:
温升是复合材料储氢气瓶充氢过程中十分重要的问题,由于温度场的不均匀和材料热膨胀系数的不同,热机械耦合效应必然存在。为了研究复合材料气瓶充氢时的热机械耦合效应,本文提出了流-热-固耦合分析方法。该方法中,首先建立复合材料气瓶充氢过程的computational fluid dynamics (CFD)分析模型,采用该模型分析充氢过程气瓶的温度分布;然后,建立复合材料气瓶的热-机械耦合分析模型,将CFD模型获得的温度场输入到热机械耦合模型中,并施加位移和载荷边界条件,分析热-机械耦合效应,通过解析解和试验数据验证方法的可靠性和准确性。采用该方法研究充氢速率、充氢口位置和气瓶几何尺寸对温度场、应力场的影响,本文获得的结果将为复合材料储氢气瓶的设计和充氢工艺优化提供技术支持。
两种工况下8种腔静脉滤器疲劳强度的对比研究
王越彤, 冯海全, 王晓天, 王永刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0590
摘要:
为探索腔静脉滤器疲劳失效的原因,有必要研究滤器受到周期循环变载荷作用下的疲劳强度。应用SolidWorks软件建立8种腔静脉滤器的模型,应用有限元软件ABAQUS模拟分析8种滤器在周向脉动循环载荷和径向压缩循环载荷下的疲劳强度,并实验验证其中1种滤器的安全性。在周向疲劳分析中,8种滤器所有单元的交变应变点均处于疲劳极限曲线下方,且安全系数均大于1,满足疲劳寿命要求;在径向疲劳分析中,新型滤器和TrapEase滤器的部分单元的交变应变点位于疲劳极限曲线的上方,且安全系数均小于1,其余6种滤器均满足疲劳寿命要求。可回收滤器不一定满足10年的疲劳寿命要求,可作为临时滤器使用。通过14 d、21 d和28 d的动物实验,对3头小香猪置入Aegisy滤器,综合评价了滤器的安全性,该结果为腔静脉滤器的设计研发和临床应用提供良好的参考依据。
对称地下结构抗震分析的边界强制反应位移法
韩润波, 许成顺, 许紫刚, 蒋家卫, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0075
摘要:
基于土-地下结构体系拟静力推覆试验的需求,该文探讨一种模型侧边界强制施加水平位移的对称地下结构地震反应简化分析方法,即边界强制反应位移法。该文详细介绍了这一边界强制反应位移法的实施步骤及基本特点,并以1995年日本阪神地震中破坏的Daikai车站为算例,将该文方法、传统的强制反应位移法及动力时程方法计算结果进行了对比分析,结果表明:当模型宽度取值合理时,该文方法计算精度远高于传统的强制反应位移法,结构内力和层间位移误差在15%以内,是一种有效的对称地下结构抗震简化分析方法。同时,该文分析了拟静力模型中侧边界强制位移传递的衰减规律,可为土-地下结构体系拟静力推覆试验提供一定的参考。
基于双变量降维模型和Kriging近似的统计矩点估计法
范文亮, 袁满, 刘润宇, 杨晓阳, 李正良
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0096
摘要:
对复杂随机系统进行统计矩分析时,双变量降维近似模型一定程度上可以缓解“维数灾难”。但当系统维数较高时,双变量分量函数较多,计算量仍然较大。为此,本文将降维近似和Kriging代理模型有机结合起来,提出了一类高效、合理的改进点估计法。首先,充分考虑函数逼近和数值积分中积分点的特点,提出了“米”字形的选点策略,并基于此发展了双变量分量函数的Kriging近似模型;然后,将此近似模型用于原函数和矩函数的双变量降维近似模型中双变量分量函数的近似,分别建立了基于原函数近似和矩函数近似的统计矩改进点估计法;最后,通过多个算例对本文提出方法进行了效率和精度的分析。算例分析结果表明:基于“米”字形选点策略的双变量分量函数的Kriging近似具有较高的精度;相比于已有的基于双变量降维近似模型的统计矩点估计法,建议方法仅需较少的结构分析即可达到与已有方法相当的精度,能更好地体现精度和效率的平衡。
挤压隧道中围岩与内置高压缩性元件衬砌相互作用机制研究
吴奎, 邵珠山, 秦溯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0013
摘要:
内置高压缩性元件衬砌作为一种环向让压衬砌,能够通过高压缩性元件的压缩来适应大变形,达到让压的目的。针对挤压大变形隧道中围岩与该种让压衬砌相互作用的力学机制,采用改进的分数阶Burgers蠕变模型表征围岩的时效变形特征,推导了考虑掌子面效应和支护延迟作用下隧道位移及支护压力的解析解,并通过在Lyon-Torino Base隧道中的应用,验证了理论解答的正确性。进一步,基于理论解答,探讨了围岩分数阶阶数、支护时间、高压缩性元件的屈服应力对支护效果的影响。得到主要结论如下:随着围岩本构模型分数阶阶数的增加,围岩的变形能力越强,隧道位移和支护压力也呈现上升的趋势;衬砌的安装时间对支护效果具有重要影响。为保证围岩不产生失稳,支护结构应尽早地安装;另一方面,为确保支护压力处于衬砌结构的承载范围内,应该合理地确定高压缩性元件的长度和个数,以降低支护压力;高压缩性元件的屈服应力对隧道位移和支护压力的影响并不显著,但这不意味着可以盲目地确定高压缩性元件的屈服应力,需根据围岩性质和衬砌特性来确定其合理范围。在该范围内,既能够保证隧道稳定,也能充分发挥高压缩性元件的让压作用。
型钢混凝土异形柱框架地震损伤分析
刘祖强, 任甭优, 薛建阳, 周超锋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0123
摘要:
为实现对型钢混凝土异形柱框架的地震损伤分析,采用加权系数法建立了能够反映构件损伤、楼层损伤和整体框架损伤三者迁移演化的地震损伤模型,并对两榀型钢混凝土异形柱框架进行了地震损伤试验及有限元模拟,获得了梁的弯矩-转角滞回曲线和柱的水平荷载-位移滞回曲线,进而对试件的地震损伤指数进行了计算分析。结果表明,构件、楼层和整体框架的损伤指数变化规律与试件的破坏发展历程较为吻合,说明所建立的型钢混凝土异形柱框架地震损伤模型是合理的。基于试件的破坏状态及地震损伤分析结果,提出了型钢混凝土异形柱框架对应五个性能水平的损伤指数范围,为该类结构的震后损伤评估提供了依据。
胶结型含可燃冰砂土剪切特性的离散元模拟
王璇, 徐明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0174
摘要:
可燃冰是一种新型清洁能源,广泛分布于深海土体和常年冻土中,对其开采需要深入认识含可燃冰土体的力学特性。本文首先提出了一种胶结型含可燃冰砂土离散元模型建立方法,并利用该模型完成了排水双轴剪切试验的模拟。通过与前人试验数据对比,验证了该离散元模型的准确性,随后结合该模型分析了剪切过程中含可燃冰砂土的宏细观变化规律。结果表明:砂土抗剪强度、应变软化特性及剪胀性均随可燃冰饱和度的增加而增加;可燃冰胶结断裂数量的演化与偏应力紧密相关,偏应力达到峰值时胶结断裂数量增长速率最快;剪切过程中剪切带内外土体的胶结断裂、颗粒运动、孔隙率变化均表现出明显的差异。最后,通过对模型粘结断裂率、剪切带内外局部孔隙率等细观指标的分析,对土体的偏应力变化、体积变化等宏观现象的机理做出了更进一步的阐释。
变截面变曲率梁振型的有限元超收敛拼片恢复解和网格自适应分析
王永亮
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0065
摘要:
该文提出变截面变曲率梁振型的有限元后处理超收敛拼片恢复方法,建立各阶振型的超收敛解,并基于振型超收敛解进行变截面曲梁面内和面外自由振动的自适应分析。在位移型有限元后处理阶段,引入超收敛拼片恢复方法和高阶形函数插值技术,得到振型(位移)的超收敛解。利用振型超收敛解估计当前网格下振型有限元解的能量模形式下的误差,并指导网格进行自适应细分加密分析,获得优化的网格和满足预设误差限的高精度解答。数值算例表明该算法适于求解不同曲线形态、多类边界条件、变截面、变曲率形式的曲梁面内和面外自由振动连续阶频率和振型,解答精确、分析过程高效可靠。
真空联合堆载预压下基于指数形式渗流的砂井地基非线性固结解
江文豪, 詹良通
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0190
摘要:
基于指数形式渗流定律,通过引入e-lgσ′和e-lgk模型来考虑土体的非线性固结特性,同时考虑了真空负压沿深度呈线性衰减的特性,对真空联合堆载预压下砂井地基的固结问题进行了求解,并推导得到了砂井地基的非线性固结解。通过将本文解析解答与已有的解析解展开对比分析,验证了本文解答的正确性。根据本文解答,对砂井地基的固结性状展开了分析,分析表明:在固结初期,渗流指数m越大,砂井地基的固结速率越快;但在固结后期,m越大,砂井地基的固结速率越慢;负压传递系数kz对砂井地基固结速率的影响较小,但kz的减小会使得砂井地基的沉降速率和最终沉降量降低;压缩指数与渗透指数的比值越大,砂井地基的固结速率越慢;当m< 1时,外荷载越大,砂井地基的固结速率越小;当m>1时,外荷载越大,砂井地基的固结速率越大。
考虑面力效应的HFR-LWC梁抗爆理论模型与试验验证
陈万祥, 郭志昆, 罗立胜, 袁鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0200
摘要:
现有的抗爆设计规范通常将面力效应看作一种潜在的安全系数,而对面力作用在爆炸加载过程中的变化规律及其对结构抗力的贡献不做深入探索。该文对近距离爆炸荷载进行适当简化,并考虑面力效应的影响,建立一种基于等效单自由度(SDOF)法的梁式构件抗近距离爆炸分析模型。专门设计了一套面力加载装置,对8根考虑面力效应的混杂纤维轻骨料混凝土(HFR-LWC)梁进行抗爆试验研究,得到爆炸荷载超压时程曲线及梁的跨中位移、破坏模式等试验数据,分析了支承约束刚度、比例爆距及配筋率等对HFR-LWC梁抗爆能力和破坏形态的影响,进一步检验理论模型的可靠性。结果表明:改进SDOF模型的计算结果与试验数据吻合良好,为定量评估面力贡献和预测考虑面力效应的HFR-LWC梁爆炸动力反应提供一种有效手段。面力效应能显著提高HFR-LWC梁的抗爆性能,忽略其作用会严重低估结构的抗爆承载力。
基于数字图像相关技术测量刨花板材料力学参数
陈州, 杜新喜, 张慎, 袁焕鑫
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0014
摘要:
刨花板作为一种人造板材,其表面多孔性致使应变片的粘贴过程十分困难,且涂胶量的多少会直接影响测量的精度。基于对样品变形前后图像分析的数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术被用于测量刨花板的力学参数。相比于传统的贴应变片法,该技术具有高精度、非接触性及全场测量等优势。“横观各向同性”模型被考虑用来模拟刨花板的力学行为。于是,表征材料力学性能的弹性张量取决于5个独立的弹性参数:纵向、横向杨氏模量ELET,纵向、横向泊松比νLνT及纵向剪切模量GL。为了实现这一测量过程,刨花板被切割成一批梁样品,随后被应用于三点弯曲试验。通过比较感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)内网格节点位移的测量值与铁木辛柯梁理论解析解,及有限元模型修正(Finite Element Model Updating,FEMU)方法的应用,4个弹性参数ETGL、ELνL被成功测量。对比相关文献,本文的测量方法简单易行,测量结果准确,可应用于刨花板材料并推广至各向异性材料的弹性参数测量之中。
钢板-高延性混凝土组合低矮剪力墙抗震性能试验研究
邓明科, 刘俊超, 刘海勃, 景武斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0414
摘要:
为提高低矮剪力墙的抗震性能,提出外包钢板-高延性混凝土(HDC)组合低矮剪力墙。设计了1片HDC低矮剪力墙、2片内置钢板-HDC组合低矮剪力墙和2片外包钢板-HDC组合低矮剪力墙,通过拟静力试验,研究了轴压比、配钢形式对试件的破坏形态、滞回性能、承载能力、变形能力、耗能能力和刚度退化的影响。试验结果表明:HDC低矮剪力墙发生剪切破坏,内置钢板-HDC组合低矮剪力墙发生弯剪破坏,外包钢板-HDC组合低矮剪力墙发生弯曲破坏;与HDC低矮剪力墙相比,钢板-HDC组合低矮剪力墙的变形能力和承载力明显提高;钢板-HDC组合低矮剪力墙的峰值荷载和刚度受轴压比的影响较小;轴压比从0.5变到0.7时,内置钢板-HDC组合低矮剪力墙的变形能力降低,外包钢板-HDC组合低矮剪力墙的变形能力没有降低;提出钢板-HDC组合低矮剪力墙受弯承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好。
考虑摩擦的滑移索结构理论计算方法
陈诗再, 杨孟刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0201
摘要:
滑移索结构在工程中有广泛的应用,目前分析此类结构仍主要以数值方法为主,缺乏理论解析计算方法。且其滑移计算分析时必须充分计入几何非线性和考虑摩擦的影响。本文基于悬链线理论,首先推导了单索无应力索长的一元解析表达式;然后在此基础上,引入Euler摩擦公式,根据滑移时总无应力索长不变和张力平衡特性,分别建立了自重和集中荷载下的多跨连续滑移索的解析方程组,并将其拓展到索杆滑移结构;最后采用精度可控的Newton-Raphson迭代法求解方程组,并运用编制程序对四个算例进行了计算分析。算例结果表明:本文提出的考虑摩擦的滑移索结构的理论分析方法不仅具有较高的计算精度,而且还有较好的工程适应性和有效性,可为多跨滑移索结构的设计与分析提供理论依据。
圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究
韦建刚, 罗霞, 陈宝春, 吕健源
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0158
摘要:
以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936-2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此本文提出了新实用计算方法。
偏载状态下轧机轴承接触力学模型研究
吝水林, 孙建亮, 彭艳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0139
摘要:
本文针对板带轧制过程偏载工况下滚动轴承接触力学模型进行研究。建立了支承辊四列圆柱滚子轴承的Hertz理想接触模型、基于柔度矩阵法的轴承偏载接触力学模型。针对辊间不同载荷进行了模型数值求解,仿真模拟了理想及偏载接触过程。研究表明:偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布,15°~30°位置角的滚动体承载最大,最大接触应力呈“M”形分布;仿真结果与数值模拟结果吻合程度较好,误差不超过15%且略小于数值求解结果,在实际工程应用范围内;随着轧制载荷的增大,轴承同一列上的总径向力不断增大,偏载程度越来越严重。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据,具有重要工程意义。
角钢连接件力学性能及混凝土脱空对其影响研究
唐亮, 樊健生, 聂建国, 邱盛源, 徐国平, 宋神友
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0621
摘要:
对于采用角钢连接件的钢壳沉管隧道结构,上翼缘板和角钢相连部位不利于混凝土流通、振捣和排气,浇筑时易产生混凝土脱空现象。基于实际工程和规范建议设计了9组足尺推出试件,包含3种脱空深度(0 mm、10 mm及20 mm)。为了减少试验本身的离散性,每组均有3个试件,共计27个试件。试验中所有试件均发生混凝土压溃破坏,相比于无脱空试件,脱空试件的混凝土压溃区域更小且角钢变形更大。相比于无脱空试件,脱空深度为10 mm和20 mm时,连接件的承载力折减可达16.5%和37.5%,刚度折减可达48.4%和70.6%。比对文献中62组试件以及文中3组试件的试验结果发现,Kiyomiya和Kimura提出的回归公式具有较高的准确度和较小的离散性,日本《钢-混凝土三明治结构设计指南》的公式则比较保守;此外基于现有试验数据通过参数回归的方式,提出了新的角钢连接件承载力计算公式,该公式具有更好的精度和适用性。在该文中提出的回归公式和混凝土脱空力学模型的基础上,提出了考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力修正公式,通过文献中3组试件及该文6组试件进行验证,结果表明该修正公式具有较高的准确度和较小的离散性。
锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究
龚帆, 齐盛珂, 邹易清, 林才奎, 王琛, 周海俊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
摘要:
该文通过试验研究了锈蚀高强钢丝的锈蚀形貌、产物、力学性能,为其检测评估提供依据。用高分辨率X射线衍射仪和场发射环境扫描电镜分析高强钢丝锈蚀产物,用华朗-3DX+非接触式三维扫描仪确定其截面特性沿钢丝轴向的变化情况,还采用MTS试验机对其进行静力拉伸和疲劳加载试验。通过分析三维扫描数据确定锈蚀高强钢丝表面形貌,基于实测锈蚀高强钢丝力学性能建立本构关系模型参数与锈蚀率的退化关系。试验结果表明:高强钢丝锈蚀截面面积的变异性随锈蚀程度增加越来越显著;极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa;断后伸长率在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%;疲劳寿命在锈蚀率大于4.16%时小于200万次;锈蚀率对高强钢丝弹性模量无明显影响。根据试验结果综合完善了现有规范对锈蚀高强钢丝等级划分的指标值。
场地校正的地表PGA放大系数概率模型研究
唐川, 陈龙伟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0023
摘要:
地表峰值加速度PGA是抗震设计规范和地震预警系统中重要的参数指标,场地PGA估计是工程抗震的必要基础。该文选取日本具有地表和井下记录KiK-net台网的40个台站,研究场地PGA放大系数fPGA的概率分布特征,指出fPGA在给定地震动强度输入情况下基本服从对数正态分布,其概率分布参数(即均值和标准差)与场地土层特征相关;fPGA的概率分布参数与单独的场地工程参数Vs30Vs20以及场地覆盖层厚度D的相关性较小,但与这些特征参数的线性组合具有一定相关性;通过数据挖掘,建立fPGA概率分布参数与Vs30Vs20以及D线性组合之间的关联性;采用fPGA概率模型,可以给出多概率水平下地表PGA的预测,实测数据检验了提出的PGA概率预测模型的可靠性。通过该文建立的地表PGA概率预测方法,可为地震预警及烈度速报技术中,地表PGA概率预测的场地校正技术提供一种可行的途径。
平面曲梁面外自由振动有限元分析的p型超收敛算法
叶康生, 梁童
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0694
摘要:
该文用p型超收敛算法对平面曲梁面外自由振动问题进行求解。该法基于频率和振型结点位移在有限元解答中的超收敛特性,在单元上建立振型近似满足的线性常微分方程边值问题,用更高次元对该线性边值问题进行有限元求解获得各单元上振型的超收敛解,将振型的超收敛解代入Rayleigh商,得到频率的超收敛解。该法作为后处理法,修复计算分别在各个单元上单独进行,故通过少量计算即能显著提高频率和振型的精度和收敛阶。数值算例显示该法稳定、高效,值得进一步研究和推广。
新型旋转放大式黏弹性阻尼器性能试验研究
李宏男, 李元龙, 黄宙, 付兴
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0213
摘要:
本文提出了一种新型旋转放大式黏弹性阻尼器,该阻尼器利用杠杆原理将梁柱节点处相对较小的转角变形成倍放大。通过放大转角变形,充分发挥阻尼器的耗能能力,可实现更理想的减震控制效果。首先介绍了该阻尼器的基本构造及工作原理,并加工制作了实物模型;进而对其进行频率相关性、变形相关性以及疲劳性能加载试验,探究其最大阻尼力、等效剪切刚度、每循环耗能和等效粘滞阻尼比等力学性能指标的变化规律;并与传统无放大功能转角阻尼器的力学性能进行了对比,验证了所提阻尼器的耗能放大能力。试验结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,滞回性能稳定,抗疲劳性能良好;与传统转角无放大功能阻尼器相比,其耗能能力最大可提高4.42倍。
斜向三维隔震支座的非线性力学性能试验及数值模拟研究
张莉莉, 刘文光, 许浩, 杨杰, 何文福
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0006
摘要:
该文针对三维隔震结构较高竖向承载力和减震效果的需求,基于铅芯橡胶支座提出了斜向三维隔震支座,并基于铅芯橡胶支座的非线性力学本构模型,建立了考虑压缩应力及刚度衰减影响的三维隔震支座非线性竖向刚度计算模型。进行了倾斜角度分别为12°和15°的三维隔震支座模型力学性能试验,试验结果得到了该三维隔震支座滞回模型呈现出加载和卸载非平行特征,竖向刚度呈现非线性变化,以及角度和竖向位移对力学性能的影响规律。进一步对理论与试验结果进行对比分析,三维隔震支座的试验结果与理论计算值吻合。最后利用通用有限元软件建立不同倾斜角度的三维隔震支座数值分析模型,基于计算理论、静力试验及数值仿真结果分析了摩擦系数、剪应变、倾斜角度对三维隔震支座非线性竖向刚度的影响。
HDC与RPC加固RC柱轴心受压性能试验研究
邓明科, 李睿喆, 张阳玺
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0045
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)和活性粉末混凝土(RPC)围套加固钢筋混凝土(RC)柱的轴心抗压性能,设计制作了8个RC方柱,其中4个采用HDC加固、3个采用RPC加固、1个未加固作为对比试件,通过轴心受压试验,研究了加固层材料、加固层受压方式和加固层是否配置钢筋网对试验结果的影响,分析了各试件的破坏形态、荷载-位移曲线和应变发展规律。试验结果表明:加固柱的破坏形态得到改善;配置钢筋网的加固层整体性较强;加固层与混凝土界面具有可靠的粘结强度,两者变形协调;加固试件的承载力和变形能力均有所提高;加固层直接受压的加固试件承载力提高幅度较大。通过分析加固层的工作机理,考虑了加固层应力滞后的影响,给出加固试件的受压承载力计算公式,其计算结果与试验结果较为吻合。
环氧沥青铺装对钢桥面板受力影响试验研究
王石磊, 齐法琳, 柯在田, 高岩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0690
摘要:
某悬索桥钢箱梁采用正交异性钢桥面板,运行数年后钢桥面板构件连接部位出现了4种疲劳裂纹,为考察新换环氧沥青混凝土铺装对疲劳敏感部位受力影响,建立了有限元模型,开展了长达6年的现场试验,试验涵盖原铺装、铺装铲除、新铺装三种状态,测试了疲劳敏感部位的受力及构件变形规律,开展了考虑温度影响的疲劳寿命改善效果分析研究。结果表明:6年试验期内环氧沥青混凝土铺装与钢桥面板组合受力处于稳定状态,在低温环境下,疲劳敏感部位1~4应力改善效果分别为80%、14%、32%、46%;4个疲劳敏感部位应力与温度线性关联,线性速率分别为−4.00、0.64、1.89、1.91;将实测应力统一至年均温度后,新铺装对部位1疲劳寿命相对改善较大,约提高了2.95倍,对部位4疲劳寿命改善次之,约提高1.64倍,对于部位2、3疲劳寿命改善效果不明显,高温环境下部位2、3开裂可能性仍较大。
单轴对称十字型钢混凝土短柱轴压性能试验研究
周天华, 余吉鹏, 李亚鹏, 张钰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0050
摘要:
为研究单轴对称十字型钢混凝土柱轴压性能,对9根短柱进行轴压试验,试验参数为十字型钢偏心率、混凝土强度、含钢率和配箍率。试验得到试件破坏形态、荷载-变形曲线、应变变化规律,分析了组合柱受力机理及各参数对其轴压性能的影响,基于Mander本构模型,通过划分不同的混凝土约束区,提出该组合柱轴压承载力计算方法。结果表明:试件破坏集中在纵向H型钢偏心方向远侧;型钢、纵筋、箍筋及混凝土协同工作,各种材料强度充分利用;试件轴压承载力和延性随十字型钢偏心率和箍筋间距增大而降低;混凝土强度和含钢率提高,试件轴压承载力提高,但试件延性随混凝土强度提高而显著降低;采用中国JGJ138-2016、欧洲EC4和美国ACI318-14计算的试件轴压承载力均偏低,本文提出的轴压承载力计算方法计算值与试验值吻合良好。
行程敏感式液阻减振器动力学特性的三维流-固耦合有限元仿真分析
徐文雪, 吕振华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0584
摘要:
建立了缸壁槽形行程敏感式减振器较精细的三维流-固耦合动力学仿真分析模型,利用基于ALE流-固耦合、滑移网格流-流耦合的同步化迭代流-固耦合计算方法及动网格控制方法求解减振器内部的稳态及瞬态流-固耦合动力学响应,进行了部分实验验证。量化分析了缸壁槽形行程敏感式减振器的高速阻尼特性、冲击阻尼特性和活塞偏置、缸壁槽通流面积及结构变化对阻尼特性的影响,结果表明:活塞沿压缩行程方向偏置后的阻尼特性是有利的,而沿伸张行程方向偏置的状态是不利的;缸壁槽的附加泄流作用可削减减振器在地面冲击激励下阻尼力的瞬间冲击峰值;多缸壁槽形行程敏感式减振器的阻尼特性表现出单条缸壁槽作用结果的叠加效应;缸壁槽对阻尼力的减弱比例随活塞速度幅值的减小而增大;缸壁槽在高速工况下被开启及关闭的瞬态过程中伴随有阻尼力波动现象,可通过适当延长缸壁槽端部收缩段加以改善。这些分析结论对于此类液阻减振器的变阻尼特性匹配设计具有重要的价值。
低扭转刚度悬索桥扭转发散特征及抗风对策
刘黎阳, 张志田
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0002
摘要:
柔性悬索桥容易出现气动失稳现象。悬索桥的静风失稳特性已经被国内外较广泛地研究过,这类结构的静风失稳表现为加劲梁突然增大的、沿桥跨方向对称分布的扭转变形。伴随该类扭转发散的另一现象是主缆卸载至空缆悬挂状态。当加劲梁扭转刚度极低时,中小跨度人马吊桥扭转发散形式与传统公路悬索桥扭转发散形式有实质性的不同,表现为非对称分布的单拐点或多拐点扭转锁定,扭转锁定后两主缆张力并不卸载反而出现急剧张紧的现象。采用数值方法研究了抗风措施,结果表明增加主梁扭转刚度不仅能实质性地提高扭转发散临界风速,而且可以将发散形式从反对称扭转锁定转变为传统的对称扭转模式。对反拉抗风缆截面积、张力、安装角度以及矢跨比的抗风效果进行了参数化的分析,结果表明反拉抗风缆的最佳安装角度在15°~45°,其抗风效果随着截面积、张力以及矢高的增加而增加。综合材料用量与抗风效果等因素,建议抗风缆面积为主缆面积1/3,反拉张力为恒载效应的1/4,地形允许的情况下尽量增加矢跨比。
基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型
余波, 凌干展, 范志宏, 杨绿峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0153
摘要:
针对传统模型采用一致协调浓度矩阵和Taylor级数展开难以兼顾计算精度、效率和数值稳定性的缺陷,研究提出了一种基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型。首先通过引入等效扩散时间,将氯离子的时变扩散控制方程变换为等效常扩散控制方程;然后基于伽辽金加权余量法,建立了基于集中浓度矩阵的氯离子时变扩散有限元模型;进而结合Padé级数展开技术,提出了基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型;最后通过与传统有限元模型、解析模型和自然暴露试验数据的对比分析,验证了该模型的有效性。分析表明,与传统的一致协调浓度矩阵相比,采用集中浓度矩阵具有更高的计算精度,而且可以避免振荡和负值等数值不稳定性问题;与传统的Taylor级数展开相比,采用Padé级数展开只需较小的尺度因子就可以保证计算精度,计算效率大幅提高;该模型不仅可以同时兼顾计算精度、效率和数值稳定性,而且对空间离散网格和时间步长的依赖性相对较小。
环境温差下FRP-混凝土界面粘结行为分析
董坤, 郝建文, 李鹏, 郭海燕, 杨树桐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0783
摘要:
为明确环境温差对纤维增强聚合物(FRP)加固混凝土构件的界面粘结性能的影响,基于粘结界面的双参数内聚力指数模型,建立了FRP-混凝土粘结结点在温差作用下的界面微分平衡方程,采用边界条件叠加的方法,解析推导了界面相对滑移、界面剪应力和FRP应力-应变分布计算公式。基于解析理论模型,提出了FRP-混凝土界面最大承载温差的计算方法,分析了粘结长度、温差变化和粘结层数对界面粘结性能的影响。结果表明:该文推导出的理论公式计算结果与界面试验结果吻合良好,建立的解析理论模型能够较好地预测温差作用下FRP-混凝土界面粘结行为;界面最大承载温差随粘结长度的增加存在上限值,且由于界面粘结性能的退化,FRP温度应力的最大值出现在达到界面最大承载温差之前;界面剪应力集中在粘结端部区域,受温差变化和FRP粘结层数影响较大,且当环境温差进入胶黏剂玻璃化转变区域后影响最为明显。该结论可用于强日照和高温车间等大温差环境下桥梁和建筑加固构件的温度应力分析和界面承载力评估。
扣压力失效状态下WJ-8扣件垂向力学行为研究
高亮, 赵闻强, 侯博文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0004
摘要:
为研究扣件扣压力失效对车-轨系统动力性能的影响,通过建立WJ-8扣件精细化分析模型研究了扣件在不同受力阶段的垂向非线性刚度行为,提出了改进的抗拉刚度双线性模型和不受拉弹簧模型用来表征扣压力失效的扣件,并分析了不同扣件失效类型对车辆-轨道系统动力响应特性的影响。分析结果表明,扣件垂向刚度可离散为抗拉刚度与抗压刚度。当上拔力超过扣件扣压力后,扣件的垂向抗拉刚度迅速减小,无法保持对钢轨上移的约束作用。扣件扣压力失效和完全失效都削弱了钢轨的约束,增大了钢轨振动。其中扣压力失效主要增加钢轨在8 Hz~50 Hz范围内的振动,完全失效下钢轨振动在全频段内都有所增加。
部分预制装配型钢混凝土短柱抗震性能试验研究
杨勇, 张树琛, 薛亦聪, 于云龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0702
摘要:
为了充分发挥预制装配结构在施工性能及型钢混凝土结构在抗震性能方面的优势,提出了部分预制装配型钢混凝土柱(PPSRC柱)及预制装配型钢混凝土空心柱(HPSRC柱)。PPSRC柱由高性能混凝土预制部分与普通强度混凝土现浇部分组成;为进一步减轻柱自重,HPSRC柱保持柱横截面空心。结合2个系列10个试件的拟静力试验,对PPSRC短柱与HPSRC短柱的抗震性能进行了研究。通过对试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、变形及耗能能力的研究,对柱截面形式、现浇混凝土强度、轴压力、配筋率及配箍率对PPSRC短柱和HPSRC短柱滞回性能的影响进行了分析。研究结果表明:配筋率较低的PPSRC短柱与HPSRC短柱的最终破坏形态为弯剪破坏,其余配筋率较高的试件均发生剪切破坏;所提出的预制高性能混凝土外壳、型钢及现浇混凝土能较好地协同工作,试件柱身未发现明显的纵向黏结裂缝;由于柱芯混凝土的存在,PPSRC短柱比HPSRC短柱表现出更好的耗能及变形能力;轴压力较低、配箍率较大、现浇混凝土强度较高的试件表现出更好的耗能及变形能力。基于试验结果和现行规范,提出了PPSRC短柱与HPSRC短柱的受剪承载力计算式,其计算值与试验值吻合较好。