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北疆供水一期工程膨胀性渠坡滑动破坏机制与稳定分析
赵凌峰, 张凌凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0711
摘要:
北疆供水一期工程属于季节性供水工程,渠道运行多年,渗漏现象严重,渠坡滑动破坏现象频发。为深入探究渠坡的滑动破坏机制,首先对渠基土开展力学特性研究,然后利用其强度特性变化规律对渠坡的不同工况进行数值模拟分析。结果表明:在湿干-冻融循环条件下,膨胀土抗剪强度\begin{document}${c} $\end{document}\begin{document}$\varphi $\end{document}值与弹性模量\begin{document}${E} $\end{document}衰减严重,白砂岩\begin{document}${c} $\end{document}值随含水率的增加劣化明显而\begin{document}$\varphi $\end{document}值基本不变,戈壁料\begin{document}${c} $\end{document}\begin{document}$\varphi $\end{document}值受含水率和循环条件影响不显著;通水期间,多次湿干-冻融循环后渠坡均未发生滑动破坏,原因在于渠坡结构面上静水压力的法向分量增加了渠基土沿滑动面的抗滑力,切向分量减少了渠基土沿滑动面的下滑力,提高了渠坡的安全稳定性;停水期间,湿干-冻融循环和膜后水位耦合作用导致渠坡发生滑动破坏,膨胀土性能衰减、白砂岩遇水软化及膜后水位引起孔隙水压力变化是其主要诱因,浅层土体置换、受力结构优化和降低膜后水位能够起到缓解作用;现有排水井对渠坡无抗滑作用,将排水井移至渠坡中部,局部稳定性提升最显著,且单桩保护范围最大,分别为44.3%和45 m2
压弯剪扭实腹型钢混凝土柱抗震性能试验研究
陈宇良, 吉云鹏, 陈宗平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0133
摘要:
为研究型钢混凝土(SRC)柱在压弯剪扭复合受力状态下的抗震性能,以截面尺寸、型钢含钢率、纵筋配筋率、体积配箍率和栓钉位置为变化参数,完成了12根型钢混凝土柱和1根钢筋混凝土(RC)对比柱的压弯剪扭低周反复试验。观察了试件在复合受扭状态下的破坏形态,对比分析了各试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能及延性性能。结果表明:在压弯剪扭受力状态下,所有试件均发生弯扭破坏;荷载-柱顶位移滞回曲线呈饱满的梭形,扭矩-扭转角曲线为捏拢的“S”形;增大截面尺寸和配筋率可有效提高SRC柱的抗扭和抗弯承载力;峰值荷载前,抗扭刚度的退化速率明显快于抗弯刚度的退化速率,增大型钢含钢率和配筋率可延缓SRC柱的刚度退化;SRC柱的抗弯耗能能力优于抗扭耗能能力,扭转延性大于弯曲延性;与方形截面相比,矩形截面具有更好的扭转变形能力;在工字钢翼缘上焊接栓钉可有效提高SRC柱的抗震性能;根据现行规范和试验数据,提出SRC柱构造设计的相关建议和扭转耗能退化的经验公式。
基于徐变损伤理论的早龄期大体积混凝土化学-热-力多场耦合模型研究
王晴, 任晓丹
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0757
摘要:
受水化放热的影响,大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用,极易发生损伤、开裂等不利行为,会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题,该文基于经典损伤理论框架,发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型,综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而,基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系,引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变,根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形,并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。最后,结合相应的显式求解算法,将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析,并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明,该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟,对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。
垂索-辅助索系统的建模与固有特性
孙测世, 焦德望, 赵碧航, 谭超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0136
摘要:
辅助索被认为是长索振动控制中一种富有潜力的手段。为研究安装辅助索后系统的固有特性及其随关键参数的变化规律,建立了由N根垂索和M道辅助索组成的索网系统的模型,得到其无量纲运动方程,引入边界条件、连续条件和平衡条件进行求解。将模型退化到双索-辅助索系统,求得其无量纲频率方程。采用数值分析研究了Irvine参数λ2、辅助索刚度和位置、波速比η等关键参数对系统频率和模态的影响。研究表明,当两索参数相同时,垂度仅影响反相频率,故同相振动和反相振动的ω-λ2曲线分别表现为“穿越”(cross-over)现象和“转向”(veering)现象。当λ2为某特定值时,任意辅助索刚度下的一阶反相振动频率均等于一阶同相频率,从而频率曲线均通过第一个“穿越”点。两索参数相同时,增大辅助索刚度仅提高系统反相振动频率,但其增幅不超过1。两索波速不同时,系统所有频率均随波速差异增大而发生往高阶的“跳阶”(jumping)现象,且频率阶次越高“跳阶”次数越多。
基于非定常气动力降阶的AGARD445.6硬机翼不同迎角颤振研究
容浩然, 戴玉婷, 许云涛, 杨超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0559
摘要:
以AGARD445.6硬机翼为研究对象,发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法,计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应,结果表明:初始迎角小于7°时,该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低;初始迎角7°~10°,颤振速度随着迎角增大而增加。在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型,准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力,并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性;建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型,预测机翼不同初始迎角的颤振特性。基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明:小迎角时,随着迎角的增加广义力系数幅值比增加,导致颤振速度的下降;迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布,导致一扭广义力系数幅值比降低,从而增加该机翼颤振速度。
海域地震动竖向加速度反应谱阻尼修正系数
刘名吉, 胡进军, 石昊, 谭景阳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0788
摘要:
该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录,利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响,提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型,与陆域DMF模型进行了对比,并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱,最后对残差及标准差进行分析。研究表明:地震类型对DMF的影响可以忽略;可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响;由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著;阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值;残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型,为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。
三棱直线桁架的连续体等效及承载特性研究
胡文华, 高家旺, 冯晶晶, 朱东方, 曹东兴, 吴瑞琴
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0715
摘要:
随着大型装备制造及航天工程的发展,桁架在结构轻量化设计中的作用越来越显著。针对桁架结构各方向上不同的承载需求,利用连续体等效方法研究了三棱直线桁架的承载特性。考虑桁架截面特征,基于能量等效原则将离散桁架等效为连续介质梁模型,获得连续介质梁模型的等效刚度和等效质量,对比验证了桁架结构的数值计算频率和等效梁模型的理论推导结果,研究了在改变桁架横截面边长比例时其横向弯曲刚度和频率的变化趋势,分析了单胞形式对桁架横向弯曲刚度及频率的影响。研究结论对桁架结构在工程中的应用有一定的指导意义。
拉筋对两层两跨钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响
丁发兴, 许云龙, 王莉萍, 尹国安, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0693
摘要:
该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究,分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型,在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明:柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用,进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力,间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比,挖掘了钢梁的耗能潜力;柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力,分别达70%、20%和50%以上。
锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响
李鑫波, 贡金鑫, 李文旭
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0719
摘要:
为研究锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响,该文对36个不同锈蚀率的钢衬里板进行了单轴拉伸试验,分析了锈蚀钢衬里板的力学性能退化机理和退化规律;建立了锈蚀钢衬里板的本构模型;根据试验结果,提出了考虑不同锈蚀率的钢衬里撕裂准则和锈蚀模拟方法;通过数值模拟,分析了锈蚀对安全壳钢衬里撕裂的影响;最后对比了该文模拟方法与美国核管理委员会(NRC)方法的差异,并给出了NRC方法中锈蚀影响系数的取值建议。结果表明:随锈蚀率增大,钢衬里板的弹性模量变化不大,但其屈服强度、峰值强度、峰值应变和断裂应变大致呈线性退化规律;该文建立的锈蚀钢衬里板的本构模型与试验结果吻合良好;随锈蚀率增大,安全壳钢衬里发生撕裂时的内压逐渐降低,且当锈蚀率为50%时,内压降低29.06%;与NRC方法相比,该文方法能直观反映不同锈蚀率对钢衬里的影响,更能接近实际锈蚀情况;对于NRC所建议的锈蚀影响系数,锈蚀率小于20%时,可取上限值,锈蚀率为20%~40%时,建议取最佳估值,而锈蚀率超过40%后,应当取下限值。该文研究工作可为安全壳钢衬里锈蚀后的性能评估提供借鉴和参考。
单煤堆封闭煤棚内瞬态自然对流的数值研究
王文玥, 崔会敏, 韩智铭, 刘庆宽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0077
摘要:
近年来环境友好型的封闭式煤棚被广为采用,而煤堆放热会造成环境局部过热进而影响舒适度及作业人员身体健康,随之煤棚内对流换热问题成为关注重点。为了降低煤堆放热带来的危害,需要了解煤堆放热过程中传热流动机理,该文采用CFD数值模拟方法,对存储单煤堆的封闭式大跨度煤棚内的自然对流现象进行研究。在非定常条件下,研究了固定瑞利数下煤堆附近传热特点和流动转捩情况;研究了不同瑞利数下煤棚内流动结构的对称性和非对称结构出现时间,以及在充分发展阶段流动表现出的非定常特性。结果表明:煤棚内瞬态流动会经历三种不同发展阶段:初始阶段、演化阶段和充分发展阶段。在演化阶段,羽流分离脱落会推动煤棚内非对称流动结构形成,非对称现象出现的时间会随瑞利数增大而提前。在充分发展阶段,煤棚内流动呈现无规则的非定常湍流状态,且达到充分发展状态的时间随瑞利数增大而推迟。
大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究
周涛, 邓宇, 陈晓虎, 王文熙, 周明星, 华旭刚, 陈政清
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0661
摘要:
主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明:宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。
分离式减震榫的阻尼力模型研究—基于Ramberg-Osgood模型
魏标, 闵浩峥, 汪伟浩, 李姗姗
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0097
摘要:
如何更好地模拟分离式减震榫在地震过程中的滞回性能,是分离式减震榫减震设计中的重要组成部分。针对从材料层次描述分离式减震榫在往复荷载作用下力学性能的理论研究相对不足的问题,提出一种基于Ramberg-Osgood模型推导分离式减震榫骨架曲线的计算方法,并基于该方法提出一种适用于工程计算的双线性本构的简化算法。通过ABAQUS有限元软件对比Ramberg-Osgood模型,Chaboche本构和理想弹塑性本构下分离式减震榫骨架曲线的差异,并以一座通用的两跨32 m双线铁路预应力混凝土简支梁桥为背景,分析双线性本构简化算法在桥梁抗震设计中的适用性。结果表明:基于Ramberg-Osgood模型推导的分离式减震榫的骨架曲线,能够较好拟合Chaboche本构下的骨架曲线;在近断层脉冲地震动作用下通过双线性本构计算得到的支座位移峰值和墩底弯矩峰值,与Chaboche本构下得到的计算结果的平均误差分别为−2.67%和6.56%。该文提出的双线性模型的简化方法用于桥梁工程抗震设计是安全且合理的。
半预制装配式地下车站侧墙底节点抗震性能试验研究
冯帅克, 郭正兴, 刘毅, 潘清, 徐军林, 汪国良, 邢琼
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0655
摘要:
针对半预制装配式地下车站结构,提出一种新型的车站外侧墙与底板连接节点,该节点通过车站单侧半预制墙板与底板伸出的竖向U型钢筋搭接连接来实现侧墙与底板间的内力传递。为研究该节点的抗震性能,结合实际工程设计制作了3个连接区位置各不相同的足尺预制拼装节点试件和1个现浇对比节点试件。以拟静力试验为基础,结合有限元分析,研究了节点的破坏形态、承载能力、滞回性能以及U型筋搭接连接的传力性能。研究表明:U型钢筋的搭接连接能够有效传递钢筋应力;预制拼装节点在其连接区内可能出现U型筋弯弧内部混凝土的压碎破坏以及U型筋弯弧段的断裂破坏,两种破坏形态均始于钢筋与混凝土之间的粘结退化;将U型筋搭接连接区设置于车站侧墙的腋板加强段,可以使预制拼装节点呈现出与现浇节点基本相同的承载能力、破坏形态以及滞回性能;在保证不出现钢筋粘结失效的前提下,设置于腋板加强段之外的U型筋搭接连接区可以有效提高节点的抗剪承载力。
键槽装配式拼缝受剪性能试验研究与理论分析
王维, 李爱群, 王星星
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0667
摘要:
为了提高装配式RC剪力墙结构中装配式拼缝的受剪性能,提出新型键槽装配式拼缝。开展键槽装配式拼缝的受剪性能试验研究,研究不同的键槽倾角、键槽高度和轴压比对其承载力和刚度的影响,进而揭示其失效破坏模式。在此基础上,对键槽装配式拼缝的受力性能进行理论分析,推导其相应的承载力计算理论公式,并利用试验结果对理论分析结果的有效性进行验证。研究结果表明,键槽的设置能够有效提高装配式拼缝的抗剪承载力,与平行装配式拼缝相比,键槽装配式拼缝的峰值荷载提高百分比大于15%。当键槽倾角在45° ~ 90°范围内时,键槽可以有效提高键槽装配式拼缝的峰值荷载,且设置不同键槽倾角的键槽装配式拼缝的峰值荷载相差不多。随着键槽高度的增大,键槽装配式拼缝的开裂荷载和峰值荷载均略有提高,当键槽高度在5 cm ~ 7 cm范围内时,键槽装配式拼缝的峰值荷载相差不多。随着轴压比的增加,键槽装配式拼缝的峰值荷载逐渐增加。基于剪切-摩擦理论建立的键槽装配式拼缝峰值荷载的计算公式,理论公式计算值和试验值吻合较好。
复合受剪钢纤维再生混凝土破坏机理及强度计算
陈宇良, 姜锐, 陈宗平, 张绍松
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0677
摘要:
为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能,以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数,设计了102个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态,获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线,深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明:随着法向应力的增大,剪切强度逐渐增大;随着取代率的增加,掺量为0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小,掺量为1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小;与掺量为0%的钢纤维再生混凝土相比,掺量为1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了10.77%;提出了剪切强度公式,所得计算值与试验值吻合良好。
基于Pasternak海床模型的椭圆余弦波浪荷载作用下埋置管线动力响应解析解
张治国, 叶铜, 张成平, PanY T, 沈安鑫, 吴钟腾
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0190
摘要:
通过两阶段分析方法,针对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应进行了探究。首先,基于椭圆余弦波理论,采用Biot固结方程推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管线所受的周期波浪压力;然后,将管线考虑为动力Pasternak海床模型上的Euler-Bernoulli梁,将波浪动荷载施加到管线上获得无限长管线的动力响应偏微分控制方程;利用Fourier变换和Laplace变换并借助卷积定理得到管线挠度、速度、加速度、转角、弯矩和剪力的动力响应解。通过与三维有限元数值算例及既有试验结果对比验证了解析解的正确性与适用性。最后,对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应特性进行了敏感参数分析,结果表明:波浪高度H显著影响了波面形状与海床内波浪力大小,不同浪高下管线转角、弯矩和剪力的变化更明显,而挠度、速度和加速度响应敏感性则较低。
不同强度钢筋受压屈曲性能及材料本构模型
杨红, 苏星宇, 赵银
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0076
摘要:
长径比和屈服强度是影响受压钢筋屈曲性能的主要参数,已有研究成果重点分析长径比的影响,关于屈服强度对钢筋屈曲后强度退化规律的系统性研究成果很少。本文完成了长径比分别为4, 5, 6, 6.25, 8, 9, 9.375, 10, 12 和15的HRB400钢筋、HRB500钢筋试件的单调受压屈曲试验,测量了各屈曲钢筋试件的平均应力-平均应变\begin{document}$ ({\bar \sigma _{\text{s}}} - {\bar \varepsilon _{\text{s}}}) $\end{document}曲线和跨中横向屈曲位移。结合作者已完成的HRB60钢筋的相应试验结果,分析了屈服强度、长径比和屈曲方向对屈曲钢筋受压强度退化的影响,对比了D-M模型计算的\begin{document}${\bar \sigma _{\text{s}}} - {\bar \varepsilon _{\text{s}}}$\end{document}曲线与不同强度、长径比钢筋试件的屈曲受力性能差异。通过分析各类误差产生的原因,提出了可合理考虑长径比、屈服强度对屈曲效应影响的修正D-M模型。研究结果表明,由于不同强度钢筋的\begin{document}${\varepsilon _{\text{u}}}$\end{document}\begin{document}${\varepsilon _{{\text{sh}}}}$\end{document}\begin{document}${f_{\text{y}}}$\end{document}\begin{document}${f_{\text{u}}}$\end{document}等力学性能参数不同,钢筋试件屈曲受力性能存在差异;较小长径比的钢筋受压屈曲后平均应力能继续提高,较大长径比的钢筋受压屈曲后无法达到屈服强度;不同长径比或屈服强度的钢筋试件屈曲方向存在差异;D-M模型的计算结果与三种强度钢筋的屈曲受力性能试验结果相比有明显误差;修正D-M模型可直接用于不同屈服强度钢筋,且能合理考虑长径比和屈服强度对屈曲钢筋\begin{document}${\bar \sigma _{\text{s}}} - {\bar \varepsilon _{\text{s}}}$\end{document}曲线的影响。
基于解析方法的FRP增强混凝土梁失稳前断裂过程分析
刘决丁, 范向前, 叶宇霄, 葛菲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0081
摘要:
为研究FRP增强混凝土梁失稳前断裂过程,本文基于混凝土断裂力学理论和非线性FRP-混凝土界面粘结滑移规律,建立了一个跨中裂缝导致界面脱粘的粘聚区模型,采用解析方法推导了FRP增强混凝土梁界面剪切应力、FRP拉应力以及失稳前断裂韧度的公式,为分析FRP-混凝土界面脱粘提供了一种有效的方法,并开展了动态荷载下4种不同初始缝高比(0.2、0.3、0.4和0.5)的FRP增强混凝土梁三点弯曲试验。结果表明,FRP增强混凝土梁的起裂荷载和阻裂荷载随着初始缝高比的增大而逐渐减小,但初始缝高比为0.4时,试件起裂最晚;起裂韧度和阻裂韧度不随初始缝高比的变化而变化,表现出与其他文献类似的规律,验证了断裂韧度解析解的正确性。
混凝土动态双轴压缩强度准则细观研究
李健, 金浏, 余文轩, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0091
摘要:
由于物理试验设备和条件限制,目前对混凝土动态双轴压缩强度准则的研究仅停留在低应变率范围(10−5/s~10−2/s)。针对这些强度准则在更高应变率范围内是否适用,该研究建立了细观随机骨料模型,对边长100 mm的混凝土立方体试块开展了动态双轴压缩细观模拟分析。研究了应变率和侧应力比对混凝土动态双轴压缩破坏模式及压缩强度的影响,建立了适用于更高应变率的动态强度准则。研究结论:相同侧应力比下,随应变率增大,混凝土内部损伤区域增多,动态压缩强度增大;相同应变率下,随侧应力增大,混凝土破坏模式由柱状压裂变为片状劈裂,动态压缩强度先增大后减小。现有的混凝土动态双轴压缩强度准则在应变率为10−5/s~1/s时很难适用,而该研究建议的强度准则适用于更高的应变率范围,并且得到了不同物理试验的初步验证。
柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱受压性能研究
甘丹, 周泉霖, 闫标, 岳孟谣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0058
摘要:
钢管约束混凝土柱的钢管通常在柱端设缝以使其不直接承受荷载。本文主要对两种设缝模式的方钢管约束型钢混凝土柱(仅柱两端设缝、柱两端和柱中均设缝)的受力性能进行分析对比。以钢管宽厚比、荷载偏心率为主要变化参数,对柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱进行了受压力学性能试验。分析对比了各组试件的破坏模式、承载能力及钢管应力发展规律,结果表明:设缝模式对试件破坏形态无明显影响,柱中设缝后试件轴压承载力略有提高,而偏压承载力呈降低趋势。采用精细化的有限元模型进行了参数分析,依据试验及有限元结果,提出用于计算构件弯矩增大效应的刚度折减系数计算公式,进而建立柱中设缝构件偏压作用下的承载力计算方法。
长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析
景铭, 韩庆华, 芦燕, 齐朋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0101
摘要:
本文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。
内置非贯通型钢STRC柱压弯承载力计算研究
王秋维, 赵航, 史庆轩, 王璐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0144
摘要:
采用内置型钢短柱对钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱节点进行增强。为明确该节点中内置非贯通型钢STRC柱的控制截面位置及压弯承载力,进行了内置不同长度型钢STRC柱及无型钢对比试件的拟静力试验及有限元模拟研究,分析了试件的受力机理及压弯承载力,探讨了型钢长度和钢管约束等因素的影响。研究结果表明:随着内置型钢长度增加,破坏截面有从型钢-混凝土过渡截面转移至柱根的趋势;增大钢管径厚比会削弱其抗弯贡献,从而减小过渡截面压弯承载力,影响破坏截面位置。基于试验及有限元分析结果,提出柱根及过渡截面压弯承载力计算模型,建立内置型钢临界长度的确定方法,研究结果为STRC柱的设计及节点中型钢的参数确定提供理论依据。
单跨两层含减震外挂墙板装配式混凝土框架拟静力试验研究
种迅, 霍璞, 沙慧玲, 蒋庆, 李浩然, 侯林兵, 冯玉龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0214
摘要:
本文在对一个含减震外挂墙板平面框架(简称“减震结构”)以及一个作为对比的纯框架(简称“抗震结构”)进行混合试验的基础上,进一步对其单跨两层试验子结构进行了拟静力试验,研究了两结构在水平地震作用下的受力过程、损伤模式及减震外挂墙板对主体结构抗震性能的影响。研究结果表明:减震结构和抗震结构的破坏机制均为梁端和柱底出现塑性铰的梁铰机制,减震外挂墙板未改变主体结构的破坏模式;减震结构中,在最大层间位移角达到1/55之前,消能器呈预期的履带式滚动变形,此后由于外挂墙板的面内转动变形,消能器水平剪切变形值增加不大,且圆弧段产生明显变形;试验过程中减震外挂墙板未出现裂缝;墙板与框架间上部线连接处裂缝宽度较小,连接钢筋应变也较小,表明连接可靠;两试件均具有较好的变形能力和耗能能力;在相同位移级别下,减震结构的刚度、极限承载力和耗能能力均更好。
基于时程深度学习的桥面绕流表征与重构方法
战庆亮, 白春锦, 葛耀君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0005
摘要:
流场特性的研究是结构风工程的核心问题,而高分辨率的流场数据对解决风致振动问题、探索流固耦合机理具有着重要意义。受测量方法、计算效率等多因素限制,密集位置测点处流场时程的直接获取仍有一定困难。本文基于流场时程数据的低维表征模型,提出了非定常流动时程数据重构的深度学习方法。首先,基于一维卷积方法建立了非定常流场的低维表征模型;然后,建立物理空间与表征模型的编码空间之间的映射关系;最后,利用表征模型的解码器生成任意位置处的流场时程数据。对桥梁主梁非定常绕流流场进行了低维表征与验证,进而实现了流场时程数据的重构,并验证了方法的有效性。本文所提方法基于流场的时程数据进行表征与重构,可广泛应用于工程中基于一点的传感器数据处理,是一种新方法。
液化场地钢筋混凝土桥墩残余位移分析
董召先, 孙治国, 李宏男, 王东升, 司炳君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0083
摘要:
为研究场地液化对钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)桥墩残余位移影响机理,首先基于OpenSees有限元计算平台阐述了液化场地-结构数值建模方法,并通过与离心机试验结果对比验证了建模方法的可靠性。并以一座实际工程的单桩单柱式桥墩为原型,发展了液化场地-RC桥墩建模方法,建立非液化场地-桩-RC桥墩数值模型(模型1)和液化场地-桩-RC桥墩数值模型(模型2),对两模型输入近断层地震动进行动力时程分析,首先讨论了模型2场地液化情况,并对模型1与模型2的场地位移、桩身位移、桩身最大曲率延性系数、墩顶残余位移及墩顶残余位移随地震动峰值加速度(PGA)变化情况进行对比。结果表明:地震过程中,模型2场地各深度出现不同程度液化现象;且土体中上部均达完全液化状态,土体水平极限抗力损失最大,对桩身侧向约束严重降低。液化导致场地震后残余位移显著增加,场地对桩身震后约束增强,导致桩顶残余位移增大。另外,由于地震过程中中上部液化土体对桩身侧向约束严重降低导致桩身塑性变形显著增大、桩身最大塑性变形位置明显下移以及桩身塑性变形区扩展,引起桩身更为严重的塑性损伤,进而增大桩顶残余位移。液化场地震后残余位移增大与地震过程中对桩身约束降低共同导致桩顶残余位移增加,经桥墩放大传递至墩顶,引起墩顶残余位移增大。液化场地墩顶残余位移随PGA增大速度明显大于非液化场地桥墩,主要原因可能是随PGA增加,场地液化程度加深。
锚索式悬浮隧道断索动力响应及安全设计分析
陈政阳, 何晓阳, 邵永波, 项贻强, 郭赵元
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0990
摘要:
针对锚索式悬浮隧道的结构特点,提出锚索突然失效作用下结构动力响应分析与安全设计的技术框架。采用ABAQUS有限元软件建立了断索发生前悬浮隧道在管体剩余浮力、锚索预张力作用下的初始状态;在有限元程序中进行了悬浮隧道跨中截面单根锚索骤断时的动力响应分析,得到了结构振动过程中的响应最大值以及断索后剩余结构的内力重分布形式,并分别采用动力放大系数、冲击系数评估了剩余结构承受的断索冲击效应。进而提出基于动力放大系数、冲击系数的结构响应简化分析方法,与动力计算结果进行了对比。结果表明:对部分锚索施加预张力,使得悬浮隧道恒载作用下初始受力状态更为合理;局部断索引起的结构振动非常明显,导致断索截面附近管体的较大变形;结构安全设计时,取动力放大系数为2.0对悬浮隧道管体位移、弯矩进行分析较为适用,取冲击系数为1.8预测断索过程中剩余锚索最大索力,安全储备更高。
理论辅助的弹塑性本构关系小样本深度学习
王琛, 何有泉, 宋凌寒, 樊健生
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.1012
摘要:
本文提出了一种引入经典弹塑性力学理论知识作为辅助驱动的小样本深度学习算法,适用于土木工程任意材料弹塑性本构关系,能够有效缓解大规模深度学习模型实际应用时常见的数据量匮乏瓶颈。本文首先简要概述了通用的经典弹塑性力学框架;在此基础上详细阐释了将弹塑性力学方程引入到常规深度学习模型中的方法与流程,该过程无需关心底层理论本构模型的具体形式与传统的复杂数值实现,保留了数据驱动技术简单、直接、高效的优点;为缓解优化目标复杂化所导致的训练不收敛问题,提出了一种与理论辅助驱动相适应的训练策略“过拟合-修正法”,能够稳定并加速收敛过程;最后,基于结构钢材精细弹塑性本构模型开展了数值试验,验证了理论辅助的小样本学习算法的有效性,能够实现大规模深度学习模型在少量训练样本情形下获得优异的泛化性,相较纯粹数据驱动模型准确性提升38.9%。本文采用的理论辅助思想具有可借鉴性,后续可应用于结构层次的深度学习代理模型研究,促进未来更为先进、大型的智能算法落地土木工程计算领域。
功能梯度下肢保护装置设计与优化
孙晓旺, 孙魁远, 秦伟伟, 张绍彦, 付条奇, 王显会
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070
摘要:
针对车辆底部爆炸冲击环境下的乘员安全问题,本文结合试验研究与有限元仿真,研究了乘员下肢在爆炸冲击环境下的运动及受损情况;设计了一种蜂窝铝防雷脚垫作为乘员下肢保护装置,研究了脚垫在爆炸冲击环境下的防护性能;研究了不同梯度结构对车内乘员下肢响应的影响;最后对蜂窝铝防雷脚垫进行多目标优化设计,得到厚度梯度型蜂窝铝防雷脚垫。结果表明:本文设计的蜂窝铝防雷脚垫可以通过吸收能量、降低冲击强度有效降低乘员下胫骨力,减小乘员下肢损伤;梯度结构相比于均质结构有更好的吸能特性;不同梯度结构对乘员下肢的防护效果不同,厚度梯度对乘员下肢响应的影响最大;与优化之前相比,优化后的乘员下肢保护装置能够使乘员左下胫骨力降低26.35%,右下胫骨力降低24.69%,脚垫总质量降低56.59%。
基于视觉和振动监测数据融合的结构动态位移识别及其试验验证
修晟, 张愿, 单伽锃
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0106
摘要:
结构变形的动态测量与精准识别对于结构健康监测和性态评估具有重要意义。传统接触式位移监测需要在结构上布置传感器并设置相对独立稳定的位移参考系,考虑真实结构的复杂性,接触式测量和稳定参考系的做法限制了结构位移动力监测的工程应用。基于计算机视觉的结构位移监测方法具有非接触式测量、设备安装简单、成本相对低廉等优点,但现有的识别与追踪方法受限于光照条件、图像分辨率、拍摄帧率等因素,一定程度上限制了视觉方法的工程应用。针对加速度传感器在结构监测领域的广泛应用及其动态采样率高的优势,本文提出在数据层面融合“接触式加速度监测、非接触式位移识别”的概念,构建了结构关键位移响应的精准估计方法。通过一个1/2比例钢筋混凝土框架结构振动台试验,对提出的结构位移估计方法进行了动力试验验证。研究结果表明,对比单一视觉识别方法,该数据融合方法有效提高位移采样率,同时获得更丰富的结构宽频带振动响应与模态特征信息。
用于风电钢塔筒的加劲钢管压弯性能试验研究
张栋梁, 李炜, 李天昊, 王飞, 周绪红, 任为, 曹昀琦, 王宇航
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0225
摘要:
薄壁圆钢管广泛应用于风电机组锥筒型钢塔筒中,其在径厚比较大时易出现局部失稳,进而导致塔筒承载能力下降。本文提出了一种可用于风电钢塔筒的纵向加劲钢圆钢管结构形式,并进行了6个试件的压弯加载试验,以研究加劲肋形式及径厚比大小对加劲圆钢管压弯性能的影响。试验结果表明:在相同用钢量下,加劲肋有效改善了钢管的局部屈曲,改变了结构的破坏形态,增大了钢管的塑性发展程度,从而提升了钢管的承载力及延性,其中T型加劲肋的增强效果更为明显。并将试验模型与有限元建模进行对照,互相验证了准确性。最后使用现有设计标准对试验结果进行了初步评估,无加劲肋试件与各设计标准吻合良好,但现有计算方法低估了加劲试件的承载力。
含双自由度周期振子的平行并联梁弯曲振动带隙特性
丁兰, 丁彪, 吴巧云, 朱宏平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0086
摘要:
为探究新型周期结构的低频多带隙特性,提出了周期布置双自由度振子的局域共振型平行并联梁结构。利用平面波展开法,计算了无限周期结构的弯曲振动能带结构。采用有限元法计算了有限周期结构的振动传输曲线,并通过模态分析和变形模式研究了带隙产生机理。建立了双自由振子并联梁的简化模型,推导了带隙起止频率简化公式,研究了结构参数对带隙特性的影响规律。最后制作了模型试件并进行传递特性分析,验证了理论和有限元法预测带隙的准确性。研究表明,仅改变两梁之间连接弹簧的刚度,可以有效调节带隙频率,为双自由度振子双梁周期结构的减振控制提供参考。
基于新型耗能板提升钢框架节点抗震和抗连续倒塌能力
孟宝, 杜强强, 钟炜辉, 段仕超, 李亮德
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0255
摘要:
针对全焊节点在地震和连续倒塌条件下有限的抗倒塌能力,本文基于新型耗能板对其进行改进提升。首先通过试验、数值模拟和理论分析相结合的方法揭示了新型耗能板在单调荷载和循环荷载作用下的力学性能,进而通过新型耗能板与节点在地震作用和连续倒塌条件下的协同作用,给出了新型耗能板节点的设计方法。结果表明,新型耗能板在单调和循环荷载作用下的力学性能不同,在单调荷载作用下表现为受拉破坏,在循环荷载作用下表现为剪切破坏;通过算例分析表明,新型耗能板节点的抗震与抗连续倒塌设计方法是合理的;新型耗能板全焊节点在地震和连续倒塌条件下主要经历双塑性区域形成阶段和硬化阶段,其中新型耗能板全焊节点的抗震和抗连续倒塌性能的差异主要体现在硬化阶段;新型耗能板的增加可同时有效提高全焊节点在地震和连续倒塌条件下的承载力、变形和耗能能力。
结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能影响的试验研究
金浏, 梁健, 李冬, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0760
摘要:
为了研究在低周往复荷载作用下结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能的影响,对6根方钢管混凝土短柱开展了水平往复加载试验,分析了截面尺寸对柱破坏形态、滞回曲线、骨架曲线以及不同抗震性能指标(如刚度退化、耗能能力、延性等)的影响,阐明了不同截面尺寸对柱名义抗剪强度的影响规律和机制,研究结果表明:不同截面尺寸的试件破坏形态基本相同,表现为柱底部钢管鼓曲、核心混凝土被压碎的破坏形态;当截面尺寸由200 mm增至600 mm时,在不同加载方向上,方钢管混凝土短柱名义抗剪强度分别下降了63.1%(59.8%),表现出显著的尺寸效应;随着截面尺寸增大,相对名义刚度与平均耗能系数呈降低趋势;Jin等提出的考虑尺寸效应的抗剪强度公式计算值与试验值吻合良好,说明考虑尺寸效应的方钢管混凝土柱抗剪承载力计算公式能够较为准确的预测其抗剪承载力。
损伤开裂承压壳体泄漏率分析模型改进与验证
李建波, 胡哲文, 林皋, 丁志新
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0010
摘要:
承压壳体发生放射性、易燃等危险气体泄漏会对环境造成重大威胁,泄漏状况评估是应急措施优化的必要前提。针对严重事故下的厚壳壁微开裂,建立了一套快速定量的泄漏率分析数值模型。基于流量守恒原理,提出了厚壁结构中多段微裂缝构成变截面通道的泄漏率计算改进模型;采用混凝土塑性损伤模型模拟极限载荷下结构的非线性破坏,通过等参函数实现几何不规则单元与规则空间之间的变换,改进了弥散型微裂缝扩展尺度的计算模型。通过数值算例对比文献中的结果,分别验证了以上两个子模型的稳定性和有效性,并由受损剪力墙的泄漏率分析进一步验证了模型的可行性。最后,将模型应用于抗高温内压损伤过程中的某预应力混凝土复杂承压壳体,结果表明:改进的模型适用于厚壁、带孔道等复杂构造承压结构的泄漏率分析,具有一定的实际工程意义。
巷道吸能支护的减震防冲效应分析
王凯兴, 吴佳成, 潘一山, 窦林名
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0181
摘要:
冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害,巷道吸能支护是防御冲击地压灾害的新型支护方式和有效手段。吸能支护是在刚性支护基础上附加阻尼耗能构件形成的巷道支护,基于巷道顶板与支护相互作用的动力学模型,分析了在巷道刚性支护与吸能支护作用下的顶板-支护系统动力响应,同时就阻尼构件在吸能支护上的分布特征对减震防冲效应的影响进行了分析,研究了阻尼构件在支护中的串联、并联、混联三种分布特征下的支护吸能减震防冲效应。结果表明:相比于刚性支护吸能支护不仅能有效抑制顶板的冲击响应还对支护体的冲击响应具有自保护能力,串联吸能支护模式与混联吸能支护模式对顶板冲击位移的控制及支护体加速度的抑制作用相当且均优于并联吸能支护模式,其中在串联吸能支护模式下顶板冲击位移可下降约89%,支护体加速度可下降约55%。进一步优化串联吸能支护模式可知当采用支护体上端串联布置吸能构件时,构件吸能效果发挥的最好,并且支护体的变形、应力、等效塑性应变变化平稳且幅值较小,同时相比于在下端以及两端串联吸能构件时支护等效塑性应变分别下降约77%和96%。该研究为冲击地压动力灾害的防冲吸能支护动力可靠性设计提供思路。
细长直管支架的横向抗震构造和参数选取研究
孙博华, 宋广凯, 李权威, 李翔, 张一, 戴远帆, 陈品元, 李蒙, 赵良杰, 刘轩廷, 郭晓琳, 魏杰, 刘哲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0843
摘要:
细长直管道系统,相比于纵向其横向的力学性能对管道的稳定性更重要;对直管道支架抗震性能进行研究,考虑连接方式对管架抗震性能的影响,管道支架与底部基础采用螺栓连接和焊接,设计了SJ1和SJ2两试件进行拟静力试验,并建立管道支架的有限元模型。在获得准确有限元模型的条件下对管道支架构件进行考虑不同中面板构造形式、肋板数量以及连接方式等支架细部构造的参数分析,最终获得具有良好抗震性能的管道支架构造参数。研究结果表明:本文采用螺栓连接的支架构件由于螺栓易被拉起未能充分发挥支架结构的抗震性能,相较于螺栓连接,管架与底部基础采用焊接连接时支架构件试验及有限元分析所得滞回曲线相对饱满,骨架曲线较高,耗能能力较强,表现出相对较好的抗震性能;不同中面板构造形式的支架结构其骨架曲线、耗能能力曲线数值差异不大,刚度退化规律基本一致;增加竖向肋板的数量,支架构件抗屈曲能力增强,承载力和耗能能力得到显著提高,当竖向肋板数量为2个时,有利于协调管道支架的承载力、强度、刚度和耗能能力,更好发挥支架结构的抗震性能。
新型模块化钢结构插入式连接节点受力性能研究
徐龙河, 杨晓乐, 张格
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0239
摘要:
为推广钢结构集成模块在高层建筑及抗震设防区域的应用,提出了一种具有附加耗能的新型全装配模块化钢结构插入式连接节点,节点采用T型连接件代替传统焊接连接实现模块单元全装配,连接件与摩擦板进行相对滑移提供附加耗能。根据节点受力及变形机理,推导其初始转动刚度理论公式。建立半装配与全装配模块化钢结构插入式连接节点的精细化数值模型,对比分析两种节点的滞回曲线、耗能能力及应力应变分布规律。结果表明,全装配插入式节点具有饱满的类平行四边形滞回曲线,其初始转动刚度理论计算值与数值结果吻合良好,有效验证了节点刚度公式的准确性。与半装配插入式节点相比,全装配插入式节点最大承载力降低约26.59%,整体能量耗散系数最大增加约70.06%,可通过T型连接件将塑性损伤转移至预设区域,保护主要构件并实现损伤可控,显著提高节点的抗震性能。
预制节段UHPC梁接缝抗剪性能的有限元模拟
张世顺, 田径, 陈东, 曾卓, 聂雪飞
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0876
摘要:
本文采用有限元软件ABAQUS对预制节段超高性能混凝土(UHPC)梁剪力键接缝的抗剪性能进行了三维精细有限元模拟。模型中同时考虑了材料非线性、几何非线性以及UHPC材料的塑性损伤,模拟得到的荷载-滑移曲线和破坏模态等均与试验结果吻合良好。采用经过验证的有限元模型对剪力键接缝的抗剪性能进行了数值参数分析,结果表明:接缝的抗剪承载力及其对应的滑移随着所施加的侧向应力或UHPC强度的增大而增大,但UHPC抗压强度对抗剪承载力的影响大于UHPC抗拉强度,而且UHPC的抗拉压强度之间无固定的相关规律,因此对于UHPC接缝抗剪承载力的计算应分别考虑抗拉强度与抗压强度的影响;由于剪应力分布的不均匀性,抗剪承载力的计算还应考虑多键块的强度折减效应。此外,对剪力键接缝构造的参数分析结果表明:当键块的宽度和总高度相同时,接缝抗剪承载力随着键块相对高度的减小而增大,但当键块相对高度小于1/2时,接缝的抗剪承载力基本保持不变;当键块总面积以及键块数量相同时,多个键块之间的协同工作能力随键块竖向间距的增大而变强;键块深度对接缝抗剪承载力的影响不大。与目前被广泛采用的普通混凝土接缝抗剪承载力的计算公式对比,有限元的预测值明显小于计算公式的预测值,且偏差随着侧向应力的增大而增大,因此有必要针对UHPC剪力键接缝提出新的抗剪承载力计算式。
基于不同颗粒形态模拟方法的道砟三轴试样变形特性对比分析
薛立华, 肖军华, 张德, 郭云龙, 陈炳文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0044
摘要:
道砟不规则形态是影响有砟道床变形特性的重要因素,对道砟形状及棱角分布等不同尺度形态特征的刻画与数值重构仍是道砟仿真研究的热点问题。该文采用形态重构方法,生成了符合真实道砟形态指标概率分布的多面体道砟试样,构建了不同围压下道砟三轴加载计算模型,并将该仿真结果与三维扫描生成、非统计随机生成的道砟试样的仿真结果及室内试验结果对比分析。结果表明:围压提高,颗粒形态对道砟力学响应的影响逐渐显著,该文方法重构数值试样的应力-应变结果与试验结果的符合度高于非统计随机生成试样;道砟试样横向变形与堆积结构调整有关,与三维扫描生成的道砟试样相比,非统计随机生成试样的颗粒调整程度与侧向鼓胀范围均偏大;形态统计特征对道砟接触力演化趋势影响不大,但是不同形态特征的道砟最大接触力水平差异近50%。
震损RC柱FRP加固后抗震性能数值模拟分析
李硕, 赵作周
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0061
摘要:
使用有限元软件ABAQUS,基于箍筋约束混凝土、钢筋以及FRP材料的材料本构模型,完成了未震损未加固、未震损FRP加固和震损后FRP加固的RC柱抗震数值模拟分析。对震损后FRP加固的RC柱,首先完成不同程度震损模拟,然后使用生死单元法实现严重震损混凝土的剔除与替换以及FRP的加固,再模拟修复加固后RC柱的加载,模拟结果与试验结果基本吻合。对比了三种RC柱抗震性能的数值模拟结果,发现严重震损后用FRP加固的RC柱其抗侧刚度与承载力不能完全恢复,需要考虑不同损伤程度与不同FRP加固措施等对加固效果的影响。研究了不同损伤程度和加固方法下的RC柱,结果表明:对于中等震损的试件,纵横向FRP组合加固可以完全恢复并超越原有抗震性能;对严重损伤RC柱,外围损伤严重混凝土的修复与替换是影响震损RC柱加固后性能的关键;相较于仅有横向GFRP环向加固,纵横向FRP组合加固的效果更好。
基于“风险源+承灾体+减灾体”的城市安全表征“库-图-链-表-环”理论框架
岳清瑞, 陆新征, 许镇, 田源, 顾栋炼, 郑哲, 徐永嘉, 费一凡, 孙楚津
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0351
摘要:
我国的城市安全面临自然灾害、事故灾难等多种重大挑战。针对城市安全现阶段的实际需求与重要难题,本研究引入“减灾体”和“减灾力”的概念,以风险源、承灾体和减灾体为三大基本要素,依托数字孪生、机器学习、知识图谱等新技术,建立了基于“风险源+承灾体+减灾体”的城市安全表征“库-图-链-表-环”理论框架,并对该框架中每个环节涉及的研究内容与关键问题进行了详细阐述。所提出的理论有望更加合理的表征城市的管理能力在城市安全中的作用,助力实现城市安全性态的动态表征以及相关决策的智能学习与优化。
型钢混凝土T形梁纯扭及弯扭性能试验研究
陈宇良, 张绍松, 陈宗平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0350
摘要:
为研究型钢混凝土T形梁在纯扭和弯扭作用下的受力性能,以翼缘宽度、型钢含钢率、配箍率、翼缘纵筋直径及弯扭比为变化参数,设计并完成12根型钢混凝土T形梁的纯扭、弯扭静载试验。观察了试件的破坏过程,获取了试件的扭矩-扭率全过程曲线、开裂扭矩和极限扭矩等特征参数,深入分析了纯扭、弯扭作用下不同变化参数对型钢混凝土T形梁抗扭性能的影响规律,揭示了其抗扭破坏机理。结果表明:T形截面梁和矩形截面梁的破坏形态基本一致,其中钢筋混凝土梁呈现为脆性破坏,型钢混凝土梁呈现为延性破坏;T形试件翼缘、型钢和混凝土之间存在相互约束作用,翼缘和型钢大幅增强了试件的抗扭强度和延性;试件翼缘的最优高宽比为2.33;随着型钢含钢率的增大,试件的抗扭强度和延性呈增大趋势,平均提升幅度分别为30.99%、101.14%;试件的极限扭矩随着弯扭比的增大而增大,平均提高了7.86%。最后,提出了型钢混凝土T形梁的开裂扭矩和极限扭矩计算方法,所得计算结果与试验结果吻合良好。
主余震序列作用下边坡位移响应及地震动参数相关性分析
殷京科, 李典庆, 杜文琪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0665
摘要:
边坡容易在地震作用下丧失稳定性,引发滑坡等次生灾害,造成严重的人员伤亡和经济损失。目前,关于边坡在地震作用下的位移响应研究主要关注主震作用,而没有充分考虑余震作用的影响。针对这一问题,该文挑选210条真实主余震序列作为边坡底部输入地震动,基于有限差分软件FLAC对边坡在主余震序列作用下的滑动永久位移进行了分析,采用增量位移比来量化余震对边坡位移响应的影响。进一步挑选15个地震动强度参数,分别研究了主震强度、余震强度、主余震强度与边坡主震位移、余震增量位移、主余震位移的相关性。研究结果表明:余震作用会对主震损伤边坡产生显著的竖向永久位移增量,该位移增量甚至可以大于主震位移。与边坡主余震位移的相关性最强的是主震强度;在所考虑的地震动强度参数中,主震反应谱加速度与加速度谱强度与主余震位移的相关性最强。最后,分别基于这两个最优地震动强度参数建立了主余震位移预测模型,模型精度较好。
次边缘柱失效下预应力混凝土框架抗连续倒塌性能研究
兰冬璆, 邓小芳, 金浏, 钱凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0052
摘要:
考虑到去柱后弯矩方向在去柱处出现反转并且可能与预应力筋布置形式相反,预应力混凝土结构具有较大的倒塌风险,该文通过拟静力试验和数值模拟研究了次边缘柱失效下无黏结预应力混凝土(PC)梁-柱子结构的抗连续倒塌性能。对2个具有不同预应力筋布置形式(直线型和抛物线型)的1/2缩尺梁-柱子结构进行pushdown加载,分析了试件的破坏模式、抗力机制演变和极限承载力。为量化预应力筋的影响,制作了一个具有相同几何尺寸和非预应力筋配筋率的钢筋混凝土试件作为参考。结果表明: 预应力筋可以显著提高结构承载力,同时改变结构的破坏模式,降低结构变形能力。预应力筋产生的水平拉力加剧了边柱的挠曲P-δ效应,使边柱提早发生大偏心受压破坏。为进一步了解预应力混凝土框架抗倒塌性能,基于有限元软件LS-DYNA建立了精细化有限元模型开展系列参数分析。数值分析表明,预压应力可以增强压拱机制,预应力筋对于大变形阶段承载力的提高贡献显著。
弹性力学有限元分析中的平衡与协调理论
傅向荣, 陈璞, 孙树立, 袁明武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0647
摘要:
有限元分析中的单元可以遵循不同的方法构造,该文提出以单元模型的平衡性与协调性进行分类,并对弹性力学平面问题中的几种经典单元进行了分析比较,总结了协调元、非协调元和超协调元的协调性方法,以及基于解析试函数法的平衡型方法。单元的协调性理论思路包含单纯形格式协调元和非单纯形格式协调元,以及相应的非协调和超协调元格式,关注的重点是单元边界的协调。单元的平衡性理论思路包含解析试函数和权函数的高阶完备性,关注的重点研究是单元内部及边界平衡性。研究表明:针对弹性力学中平衡性和协调性要求,两类理论给出的不同单元格式各具特点,而既能保证单元内部平衡性,又能考虑单元界面协调性的单元类型给出了更精确、合理的计算结果。
火灾下钢筋混凝土简支板力学响应机理
丁发兴, 王文君, 蒋彬辉, 余志武
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0664
摘要:
拉力膜理论针对的是板大变形下开裂状态的研究,对于火灾下板发生大变形尚未开裂的机理缺乏合理的解释。为此该文采用合理的材料热工性能和热-力耦合本构关系,应用ABAQUS有限元软件对火灾下钢筋混凝土简支单向板和双向板的温度场和热力耦合场进行了三维实体有限元分析,在实验验证的基础上深入探讨火灾下混凝土和钢筋的应力变化规律以及钢筋混凝土简支板的力学响应机理。分析结果表明:简支板发生了激烈的应力重分布现象,其变形过程经历弹性、弹塑性、塑性以及受拉开裂四个阶段,在弹塑性和塑性阶段板底混凝土双向受压的倒拱效应使得双向板抗火性能优秀; 当火灾下钢筋混凝土简支板实验没有达到力学响应的受拉开裂阶段时,板底直接受火区域不会出现开裂现象;与单向板相比,双向板进入塑性与受拉开裂阶段的时间大幅度延长,且塑性与受拉开裂阶段变形速率减缓,因此其抗火性能更优。
基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测研究
王慧, 王乐, 田鑫海
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0016
摘要:
环境激励下利用时域振动响应构建的内积矩阵是结构健康监测中一种较好的结构特征参数,然而为提升结构健康监测方法的识别准确率,构建内积矩阵时往往需要较多的振动响应测点,这将直接影响方法的工程实用性。该文基于时域振动响应的相关性分析理论,将内积矩阵扩展到了相关函数矩阵,实现从少量的振动响应测点中获取更多的结构健康特征信息,以降低结构健康监测方法对测点数量的需求。进一步结合卷积神经网络优异的数据特征提取能力,以相关函数矩阵为输入、结构健康状态为输出,提出了基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测方法。典型航空加筋壁板螺栓松动监测的实验研究结果表明,仅采用结构上任意2个测点的时域振动响应,本文方法针对螺栓松动位置的识别准确率可达99%以上。
滑移索结构分析的精确三维有限元法
陈诗再, 杨孟刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0642
摘要:
针对现有滑移索结构分析方法适用范围有限、精度不高的缺点,提出了一种通用、高精度的三维滑移索单元法。基于悬链线理论和Euler-Eytelwein公式,同时考虑了温度效应和滑动摩擦,分别建立了已知单元无应力索长和已知张拉力的三维滑移索单元的基本方程组;利用矩阵微分从单元基本方程组导出了单元的切线刚度矩阵;建立了滑移索结构从张拉到后期加载的全过程精细化分析流程,可实现自动调用建立的各类索单元,准确分析各滑移点的摩擦;通过3个算例的计算及与现有理论解、数值解和试验结果的比较来验证该文所提出方法的可靠性和有效性。结果表明,该文提出的三维有限元法准确可靠,计算效率较高,适用于工程中各种滑移索结构的高精度非线性分析。
现代有轨电车小半径曲线桥桥墩横向刚度研究
谢铠泽, 赵佳, 赵维刚, 王新敏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0649
摘要:
现代有轨电车小半径曲线桥梁桥墩横向刚度对线路的平顺性有重要影响。基于有限元法,建立曲线桥梁-无缝线路空间耦合作用计算模型,以某35 m+40 m+40 m+35 m曲线钢-混组合桥为例,分析了多种因素对轨向不平顺的影响。结果表明:曲线桥上无缝线路会因纵、横向梁轨耦合作用引起中长波的轨向不平顺;轨向不平顺幅值与桥墩纵向刚度、轨温变化幅度、扣件纵向阻力极限荷载正相关,与桥墩横向刚度、曲线半径、扣件纵向阻力弹塑性临界位移负相关,其中曲线半径影响最为显著;曲线半径从150 m增加至600 m,中点弦测法、矢距差法所确定的轨向不平顺幅值降幅均超过60%;确定了有轨电车常用跨度连续梁桥在不同曲线半径条件下对应的桥墩横向刚度限值,其中钢-混组合桥对应桥墩横向刚度限值是同等条件钢筋混凝土桥的1.2倍~2.0倍。建议曲线桥上无缝线路设计中优化锁定轨温,或采用小阻力扣件,可有效降低因梁轨相互作用引起的轨向不平顺幅值和桥墩横向刚度限值。
考虑弹性压缩的弹性支承抛物线拱内力解析解
李双蓓, 梁睿, 梅国雄
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0108
摘要:
为解决非理想边界约束的拱结构内力理论计算问题,将非理想边界约束简化为弹性支承,基于弹性中心法对其力法方程进行简化,考虑弹性压缩的影响,采用精确曲线积分,推导了竖向移动荷载作用下计算弹性支承抛物线拱刚臂长度、常变位、载变位和内力的解析解,研究了弯压刚度比、矢跨比和水平弹性约束对支承处水平推力的影响规律,以及水平弹性约束对拱轴内力分布的影响。研究表明:本文提出的解析解物理概念清晰、正确可靠,可以显式地明确呈现弹性支承相关参数对内力计算的影响过程;不考虑拱肋弹性压缩影响导致的水平推力计算误差随弯压刚度的增大而增大,拱趾支承为刚性约束时误差最大,可以达到27.8%;水平弹性支承对拱轴内力分布和水平推力具有显著的调控作用;水平推力影响系数随矢跨比的增大呈非线性增大,当弯压刚度比为1.93、水平弹性支承柔度系数为0.02时常见矢跨比对应的水平推力影响系数在0.15左右。
基于微秒脉冲激励的飞翼模型等离子体流动控制试验研究
牛中国, 梁华, 蒋甲利
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0615
摘要:
为了改善飞翼布局的大迎角气动特性,采用飞翼全模和半模分别在低速和跨声速风洞中开展了微秒脉冲介质阻挡放电等离子体流动控制的试验研究。通过流动显示和测力的试验方法研究了等离子体流动控制的主要作用机制和激励频率与激励电压等对飞翼模型失速特性的影响规律,验证了微秒脉冲介质阻挡放电等离子体流动控制技术从低速到亚声速的有效性,有效的试验最高马赫数Ma达到0.6、雷诺数Re达到3.05×106。试验研究表明:微秒脉冲介质阻挡放电等离子体通过非定常微尺度压缩波扰动的形式作用于翼面流场,通过频率耦合机制减弱模型的前缘分离涡、抑制翼面的流动分离;无量纲频率F+是影响等离子体流动控制效果的重要参数;在低速风洞试验风速V=30 m/s时,无量纲频率F+=0.35~1.06的控制效果较好,可将模型的最大升力系数提高25%以上、失速迎角推迟4°;在跨声速风洞试验马赫数Ma=0.6时,无量纲频率F+=0.22和F+=0.44的控制效果较好,可将模型的最大升力系数分别提高4.72%、4.77%,失速迎角分别推迟2°、1°;激励电压越高激励强度越大、等离子体流动控制效果越好。
大跨度悬索桥气动稳定性随跨径演变规律
丁叶君, 赵林, 鲜荣, 刘高, 肖海珠, 葛耀君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0182
摘要:
气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为在悬索桥初步设计阶段为主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考,对主跨1000 m-5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。首先基于跨径从888 m(虎门大桥)至1991 m(明石海峡大桥)的悬索桥动力特性,拟合在1000 m-5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m-5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型,其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱四种主梁断面,将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数,采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势,在3000 m和5000 m之间时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低,与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示,流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳风速低于实测最大阵风风速的80 m/s;跨径超过2000 m时,四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明,对于本文构建的悬索桥而言,跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳,而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素,且颤振问题随跨径增大而越发严峻。
高温下钢筋混凝土板抗冲击性能及其影响因素
钱凯, 谭鑫宇, 李治, 于晓辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0594
摘要:
钢筋混凝土(RC)结构在遭受火灾作用时,常会由于楼层坍塌而继发冲击作用,对楼板产生高温与冲击的耦合作用。该文同时考虑高温热力耦合效应和冲击荷载作用下的应变率效应,开展了高温下RC板抗冲击性能研究。通过分别将RC板抗火和抗冲击的试验结果与模拟结果进行对比,验证了该文所建立模型的正确性。分析获得了RC板在不同受火时间和不同能量冲击荷载作用下的动力响应,讨论了板厚和配筋率对高温下RC板抗冲击性能的影响。结果表明:火灾高温作用将显著影响RC板的抗冲击性能。随着受火时间的增加,RC板的冲切破坏损伤更加严重,RC板的跨中峰值位移也更大。板厚的增加能明显改善RC板的高温下的抗冲击性能,而配筋率的增加对RC板在高温下的抗冲击性能的影响有限。
独立式石箍窑洞振动台试验研究
张风亮, 潘文彬, 刘祖强, 胡晓锋, 赵湘璧
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
摘要:
根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明:独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大, x向动力放大系数最大处为拱顶,y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移角出现在窑顶,为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。
反弹对撞式冲击放大器机理研究
武双双, 金映丽, 闫明, 顾西平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0957
摘要:
为了在传统跌落冲击试验台上开展强冲击试验,以获得更高的加速度峰值。采用动态接触理论与经典碰撞理论相结合的方法,考虑能量损失,引入碰撞恢复系数,建立反弹对撞式冲击放大器的运动学模型,推导了加速度及其放大倍数计算公式,研究了预留间隙、弹力绳刚度对冲击放大的影响规律。设计实验装置并进行试验,验证了理论模型的可行性和有效性。结果表明:理论计算与实验结果较吻合,最大误差约为7%;冲击放大台的最大加速度可达3780g,加速度放大约13.5倍;存在一个理想预留间隙,使放大台加速度取得最大值,且选取较大跌落高度及理想预留间隙,更利于冲击放大;小刚度弹力绳对加速度具有一定的放大作用,但与预留间隙相比,影响较小。
高温后钢-混组合梁抗剪性能试验研究
武芳文, 冯彦鹏, 王广倩, 左剑, 张景峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0018
摘要:
为研究钢-混组合梁经历高温后的抗剪性能,以受热温度和冷却方式为试验参数,分别开展了普通混凝土、钢材高温后材料性能试验和钢-混组合梁高温后静力试验。首先,对高温冷却后混凝土和钢材的基本力学性能进行了试验研究,并采用扫描电镜观察了高温后混凝土的微观结构;然后,按“强弯弱剪”设计了7片钢-混组合梁,测定了升降温过程中截面温度场分布,开展了常温和经历高温冷却后组合梁加载破坏试验,对组合梁常温和高温后的极限承载力、跨中挠度和应变变化进行对比分析,研究了受热温度和冷却方式对组合梁受力性能的影响,并探讨了高温后组合梁极限抗剪承载力计算方法。结果表明,高温后混凝土内部水泥复合物疏松和水泥与骨料包裹界面出现裂纹是混凝土宏观力学性能劣化的主要原因;常温和高温冷却后钢-混组合梁的破坏形态均为混凝土板出现贯穿的斜裂缝;随着温度的升高,组合梁的承载力、刚度和延性均降低;低于400 ℃时冷却方式对承载力影响较小,600 ℃时喷水冷却后组合梁承载力大于自然冷却;与自然冷却试件相比,喷水冷却下试件的刚度较大,极限挠度较小;基于试验数据和回归分析建立了混凝土抗压强度、钢材屈服强度与受热温度之间的计算公式;修正后的AS/NZS 2327规范公式计算值与试验值吻合良好。
一维六方准晶纳米板中Lamb波特性研究
王鑫鑫, 禹建功, 张博, 刘灿灿, 王现辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0089
摘要:
准晶纳米结构在工程中经常承受以弹性波为代表的动态工作载荷,为深入研究其动态失效机制,研究了一维六方准晶纳米板中Lamb波的波动特性。基于修正的偶应力理论,推导出Bak模型下Lamb波的波动控制方程,使用勒让德正交多项式方法(LOPM)求解该动力学方程,计算得到其频散曲线和位移分布。研究了声子场和相位子场尺寸效应、声-相耦合效应对波动特性的影响。结果表明:尺寸效应使声子模态和相位子模态相速度增大;声-相耦合效应显著地增大了声子模态中的相位子位移振幅和相位子模态中的声子位移振幅。研究结果为准晶纳米结构的设计和无损检测奠定了一定的理论基础。
开放火灾下拉索截面温度效应计算方法
万豪, 张岗
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0157
摘要:
为研究开放空间拉索的火灾响应,该文考虑火源的空间辐射理论和拉索表面的环境换热边界,结合内部空腔辐射、接触传导、间隙导热三大基本传热理论,建立开放火灾下拉索腔体传热计算方法,并通过试验结果验证数值分析模型的准确性,分析预应力拉索在不同的内部传热方式、不同的包裹环境和不同的风环境下截面的温度场和应力场的时空分布特征,以及截面的轴力和弯矩的内力时变特征。结果表明:进行拉索的火灾响应分析时,考虑拉索的完整腔体传热模型可以比较准确地计算开放火灾下拉索截面的瞬态温度分布,随着爆火时间的增加,拉索截面的温度场和应力场分布呈现反对称状态且从二次分布特征向线性分布特征逼近,拉索截面会出现轴力损失和弯矩效应。相比于完整腔体传热模型,圆钢传热模型的截面应力分布均匀、轴力损失偏大且弯矩效应很小,空腔辐射模型的截面应力分布过于集中、弯矩效应偏大且轴力损失偏小。烟气包裹环境会加剧拉索截面的轴力损失和削弱拉索截面的弯矩效应。迎风环境会严重加剧拉索截面的轴力损失和弯矩效应。本文的研究成果可为索结构的抗火设计与防护提供理论依据。
地震作用下二维场地模态叠加等效线性化方法
李雪菊, 潘旦光, 石树中
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0105
摘要:
为快速进行多维场地地震反应分析,将模态摄动法和模态叠加法相结合,提出了一种非比例滞后阻尼二维场地的模态叠加等效线性化计算方法。在该方法中,根据原系统的模态分析结果,利用模态摄动法得到迭代刚度修正后新系统的模态,然后,采用模态叠加法实现非比例复阻尼体系运动方程中矩阵维数的降阶,形成广义坐标耦合和解耦的模态叠加等效线性化法,在此基础上,进一步讨论了阻尼矩阵耦合系数的影响。随后,以杭州某一工程场地为例,研究不同输入地震动幅值下,场地水平加速度动力放大系数随地震动幅值的变化规律,并与二维频域等效线性化计算结果比较,验证所提算法的精度和有效性。计算结果表明:采用广义坐标耦合的模态叠加法,不同地震动输入幅值下,计算误差均小于5%;广义坐标解耦方法所得地表加速度放大系数的计算误差随耦合因子的增大而增大;当地震动幅值小于0.1 g时,可采用强制解耦方法计算场地地震反应。从计算效率看,模态叠加等效线性化法和二维频域等效线性化法的迭代次数基本相同,但计算时间约为频域等效线性化法的一半。
型钢UHTCC短柱的抗震性能研究
张秀芳, 张驰, 刘瑞强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0827
摘要:
将具有良好控裂耗能能力和抗剥落性能的水泥基材料UHTCC应用于型钢混凝土SRC短柱,制作并完成了7个型钢-UHTCC(SUHTCC)短柱和1个SRC对比短柱的拟静力试验。试验主要变量为:配箍率、轴压比和翼缘栓钉布置。结果表明:UHTCC的使用可有效避免SRC短柱粘结裂缝的滋生,减缓剪切主裂缝的扩展,能够将SRC短柱的脆性剪切粘结混合破坏模式转变为延性较好的剪切破坏模式,大幅提升短柱的震后完整性;对SUHTCC短柱,增大配箍率对承载力几乎没有影响,但需确保箍筋最大间距以延缓粘结破坏,高配箍率的试件能显示出较好的峰后滞回曲线,具有较高的极限变形和耗能;轴压比对抗震破坏形态和力学性能影响较小,高轴压比下依然拥有较高的大变形能力和良好的抗震耗能;与型钢翼缘没有布置栓钉的SUHTCC试件相比,布置栓钉的SUHTCC短柱表现出更为饱满的峰前抗震滞回曲线,对峰前行为的影响较为显著,但峰后破坏加快导致延性降低。最后采用3种不同规范对SUHTCC短柱受剪承载力进行了预测,初步验证了现行JGJ 138−2016规范受剪承载力计算公式的适用性,并对SUHTCC短柱的剪切变形进行了定量分析,讨论了各参数对剪切变形的限制能力。
基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法
戴理朝, 梁紫璋, 胡卓, 王磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0038
摘要:
为提高锈蚀钢筋混凝土(RC)结构抗弯承载力评估精度,该文综合考虑锈蚀RC结构几何尺寸、钢筋截面积及力学性能、混凝土强度、粘结性能等因素,提出了基于改进粒子滤波(PF)算法的抗弯承载力模型参数更新及预测方法。通过生成大量的粒子以表征承载力退化过程中模型参数的不确定性,从选择不同建议密度函数的角度改进PF算法以解决传统PF算法中粒子退化的问题,分别采用PF、扩展粒子滤波(EPF)、无迹粒子滤波(UPF)算法对模型参数进行估计与更新,实现了锈蚀RC结构抗弯承载力的有效预测。结果表明:随着钢筋锈蚀率的增加,RC结构的抗弯承载力逐渐降低。基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法因考虑了模型参数更新使得预测结果更接近试验数据。基于EKF和UKF的改进PF算法可有效抑制粒子退化,其预测精度较PF算法更高;锈蚀RC结构抗弯承载力预测精度随着训练数据及粒子数的增加而提高。
速度脉冲强震下偏心重力柱-核心筒体系的抗震性能研究
补国斌, 马晓宇, 沈华, 刘方成, 李兆超, 周靖
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0153
摘要:
研究速度脉冲强震和结构偏心双重不利对新型重力柱-核心筒结构体系地震响应的影响。以地震模拟振动台试验为基础,采用CANNY软件校验参数设置合理性。设计不同高度质量偏心重力柱-核心筒结构,分别选取10条速度脉冲和10条非速度脉冲地震记录作为输入,采用CANNY软件对偏心体系进行动力时程分析,系统地研究了速度脉冲地震和偏心率对结构地震响应的影响规律。结果表明,脉冲地震工况下各偏心体系的弹性和弹塑性层间位移角、剪力、扭矩、扭转角均显著高于非脉冲地震工况对应值。弹塑性工况比弹性工况增大效应明显,变形增大效应比力增大效应更为显著。随着偏心率增大,弹性和弹塑性层间位移角、扭矩和扭转角均增大,层间剪力则呈现减小趋势。增量动力分析结果亦表明,偏心和速度脉冲地震效应均会显著增大层间位移角。建议在新型重力柱-核心筒结构的抗震设计中,应充分考虑速度脉冲地震和偏心对其地震响应的耦合影响。
基于SiPESC平台的声子晶体能带结构分析算法研究及软件实现
姜殿恒, 陈飙松, 张盛, 李云鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0563
摘要:
为了快速准确得分析声子晶体的能带结构,该文基于工程与科学计算仿真平台SiPESC,开发了一类高效三维声子晶体能带结构分析软件。软件针对能带结构分析过程中计算量庞大的Hermitian矩阵的广义特征值求解问题和边界约束节点匹配问题,提出了相关软件设计方案。针对Hermitian矩阵的广义特征值求解,在实对称矩阵子空间迭代法的基础上,发展了Hermitian矩阵子空间迭代法。针对边界约束节点匹配问题,该文将三维周期性条件划分为点、边、面约束分别处理。针对面约束,该文使用定位格匹配策略将单层的点-点匹配更改为2层的点-定位格-点加速匹配。开展了与多物理场分析软件COMSOL进行数值算例对比。使用三维局域共振声子晶体算例验证了软件在满足数值精度的前提下计算效率高于对比软件。通过大规模模型算例验证了软件具有高效的大规模计算能力。
货车运动惯性荷载特性实车试验研究
胡昌斌, 林淼, 童生豪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0997
摘要:
采用美国密歇根科技公司(MSC)货车车轮六分力传感器,采集不同道路线形、车型、载重和路面类型货车轮胎荷载实车试验数据,结合车辆动力学理论进行了典型货车运动惯性荷载特性分析。分析结果显示:惯性运动荷载的量级主要取决车辆质量、质量分布、加速度大小和方向以及轮胎的组数和接地压强,道路线形起伏和平面转换会引起车辆加减速和复杂惯性运动模式。运动惯性荷载分为两类:第一类表现为较大的均匀荷载,另一类为冲击性荷载;在3个方向荷载中,垂向方向上数值最大,纵向和横向水平方向上数值较小,垂向冲击系数可达4以上,远高于目前一般采用的冲击系数值。引起较大运动惯性荷载的敏感位置,一般分布在车速变化和行驶方向变化显著的转弯路段和坡底路段。长时间持续冲击一般由弯道侧倾运动引起;短时冲击是由于在竖曲线上的车辆制动或加减速引起的俯仰运动以及摇摆运动造成。考虑货车的运动惯性荷载作用效应对于货车重载交通路面结构与材料合理设计、桥梁结构弯道设计和车辆管理均十分必要。
混合联肢部分外包组合剪力墙基于两阶段耗能的塑性设计方法研究
石韵, 刘万鹏, 苏明周, 周巧玲, 刘少博
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0267
摘要:
混合联肢部分外包组合剪力墙结构是一种典型的两阶段耗能结构体系。依据现行设计规范设计的混合联肢部分外包组合剪力墙结构对结构弹塑性阶段的整体性能缺乏考虑,在设防地震和罕遇地震作用下结构的屈服顺序难以控制。基于混合联肢部分外包组合剪力墙结构体系“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震设防性能目标,提出结构两阶段耗能的塑性设计方法。以目标位移和理想破坏模式作为预测结构弹塑性受力状态性能目标,针对不同地震水准下的性能目标,考虑耦连比对结构合理耗能机制的影响,将结构的能力曲线等效为三线型,改进了传统基于能量平衡的塑性设计方法,保证结构在设防地震及罕遇地震下实现理想屈服顺序,避免薄弱层产生。采用建议的设计方法设计了一个12层结构算例,并采用ABAQUS对算例进行推覆分析和弹塑性时程分析。结果表明,采用基于两阶段耗能的塑性设计方法预测的中震及大震下结构顶点位移角与数值分析结果误差分别为0.5%和12.1%,最大层间位移角满足结构弹塑性层间位移角的要求。算例结构能够实现“强节点弱构件、强墙肢弱连梁”合理的屈服顺序,保证结构预期的失效机制和不同地震水准作用下的性能目标,验证了基于两阶段耗能的塑性设计方法的有效性。
基于RVE方法的炭黑填充黏弹性材料力学行为研究
徐业守, 徐赵东, 郭迎庆, 黄兴淮, 葛腾, 贺琪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0189
摘要:
黏弹性材料在消声降噪、精密仪器减振和建筑结构防震减灾等领域存在较多应用。炭黑、白炭黑等填料体系是黏弹性材料的重要组成部分。该文采用随机序列吸附方法,建立了不同体积炭黑填充黏弹性材料的代表体积单元(RVE)模型,基于有效体积分数对有限元模型进行修正,从细观尺度对不同体积分数炭黑填充黏弹性材料的弹性力学行为和动态耗能指标进行了计算分析,与经验值和试验结果进行了对比验证。结果表明,采用有效体积分数建模时,RVE方法计算得到不同体积分数下炭黑填充黏弹性材料的应力应变曲线、动态耗能指标均能与试验和理论结果较好吻合。
钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究
方志, 武霄楠, 谭星宇, 廖原, 阳晏, 唐守峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0258
摘要:
为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(Ultra-high-performance Concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(Perfobond Leiste, PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。
空间结构压杆的套管加固失效模式试验研究
曾滨, 许庆, 陈映, 王春林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0598
摘要:
空间结构压杆失稳是结构失效的重要原因之一。利用套管加固空间结构压杆以抑制压杆屈曲,增加构件的极限承载能力和延性。通过对不同壁厚、套管与内压杆间隙和内压杆外伸段长度的12根试件进行轴压试验,得到加固前后试件的极限承载能力、破坏模式和延性变化。加固后试件的极限承载能力最大提高了146%,且外套管壁厚越大,内压杆外伸段越短,承载力越高;内压杆与外套管间隙越大,承载力略有下降。加固试验中构件的破坏模式由加固前的整体屈曲失稳变化为加固后的整体失稳、内压杆端部外伸段失稳和两种耦合失稳,且壁厚越小,易发生整体失稳,外伸段越长,易发生内压杆端部失稳,间隙对失稳形态影响不明显。此外,加固后试件延性均大于未经加固内压杆,经过合理设计延性指标能够增加一倍以上。
基于内积矩阵及卷积自编码器的螺栓松动状态监测
张敏照, 王乐, 田鑫海
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0583
摘要:
螺栓连接结构中的螺栓松动容易导致结构失效,如何对结构中的螺栓松动状态进行监测是当前研究的一个热点。该文利用环境激励下结构振动响应的相关性分析,结合深度学习技术,研究了一种联合使用内积矩阵(inner product matrix, IPM)和卷积自编码器(convolutional autoencoder, CAE)的神经网络模型,即基于内积矩阵及卷积自编码器(inner product matrix and convolutional autoencoder, IPM-CAE)的深度学习模型。通过对螺栓连接搭接板的螺栓松动状态监测的试验研究,验证了该方法的可行性及有效性,并与使用 IPM的卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)、堆栈自动编码器(stack autoencoder, SAE)及胶囊网络(capsule network, CapsNet)相比,IPM-CAE方法具有较快的网络训练收敛速度和较高的识别精度。
基于特征提取和谱匹配优化的区域地震动时程构建方法
胡进军, 王中伟, 张辉, 靳超越, 胡磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0577
摘要:
地震的区域构造背景和传播路径有较大差异特征,因而实际观测的地震动具有显著的区域性差异。在结构动力时程分析时,虽然人工合成方法能够提供匹配设计谱的输入地震动,但是其并不能体现出地震动的区域特征。为了模拟考虑目标区域特征且完美匹配目标谱的地震动,该文提出了一种基于智能算法的地震动合成新方法。该方法应用主成分分析算法获取目标区域地震动的区域特征,由最大方差理论提取目标区域的种子地震动,再用基于粒子群算法优化的时域反应谱匹配方法调整种子地震动的反应谱,最终构造出包含区域特征和谱匹配的地震动时程。以四川地区为例验证了该方法的合理性和有效性,合成的地震动在时域和频域上均与该区域实际地震动特征一致。该文提出的方法的优点在于合成的地震动具有显著的区域特征,且与目标谱有更好的匹配效果和更高的匹配效率,可为结构动力反应分析提供考虑区域性差异、具有低不确定性的地震动输入。
双尺度一致割线刚度算子的第二类BFGS表达方法
向东, 高向玲
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0906
摘要:
将双尺度一致割线刚度算子的第二类BFGS表达方法纳入到混凝土双标量弹塑性损伤本构模型。为了在计算效率和稳健性之间寻求一个较好的平衡点,在结构尺度,采用拟牛顿方法进行刚度矩阵更新求解;在材料尺度,通过第二类BFGS更新方法构造刚度矩阵进行迭代求解。基于第一类和第二类BFGS更新算式,建立了一维和二维的混凝土弹塑性损伤本构,采用两尺度一致割线刚度的求解策略,对钢筋混凝土柱和剪力墙在反复荷载作用下的滞回行为进行了分析。结果表明:两类BFGS割线刚度算子的构造方法对梁柱单元的分析均具有较好的适用性。而墙板分层壳单元的分析结果表明:第二类BFGS表达方法较第一类BFGS表达方法具有更好的数值稳定性。
装配式钢框架-内填轻钢复合墙板结构抗震性能试验研究
周天华, 王继琴, 吴函恒, 管宇, 王培森
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0946
摘要:
为适应多高层装配式住宅结构的发展需求,提出了一种新型装配式钢框架-内填轻钢复合墙板结构体系。对4个足尺钢框架-轻钢复合墙板试件进行了低周往复加载试验研究,分析了填料强度、龙骨规格、墙板开洞等因素对试件破坏模式、滞回性能、抗剪承载力、抗侧刚度、延性及耗能性能的影响,并对钢框架与轻钢复合墙板协同受力机制进行了分析。结果表明:钢框架与内填墙板协同工作性能良好;结构中墙板为剪切型破坏,最终以填料角部受压破坏、骨架与填料间黏结滑移失效、墙面板破坏及螺钉连接失效为主要破坏特征,钢框架未发生明显破坏,并对内填墙板具有良好约束作用;填料强度提高及立柱截面增大可提高结构的抗剪承载力、刚度及耗能性能,但延性降低;开设洞口使得墙板的抗剪承载力、初始刚度以及耗能性能均降低,但延性增大。加载初期,内填墙板承担约85%的水平荷载,加载后期,墙板逐渐退出工作,钢框架承担主要水平荷载和倾覆弯矩。
考虑边界排水时间效应的软土一维非线性固结近似解答
冯霞, 宗梦繁, 田乙, 梅国雄, 吴文兵
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0575
摘要:
为了考虑实际工程中,土层边界的排水性状是一个随时间连续变化的过程,基于经典的非线性压缩和非线性渗透关系,研究考虑排水边界时间效应时固结系数随时间变化的土体一维非线性固结问题。通过分离变量法和Laplace变换技术,获得该固结问题的近似解答;再将该文解退化并与既有差分解答进行对比,从而验证近似解答正确性。基于所得解,探讨了压缩指数与渗透指数比值Cc/Ck、最终有效应力与初始有效应力比值Nq及界面参数αβ对土体固结特性的影响。结果表明:在连续排水条件下,土体内的不排水对称面的位置与界面参数有关,并且随时间会发生变化;当Cc/Ck>1时,在固结前期,土体的沉降速率随着Nq值的增大而增大,而在固结后期则相反。排水边界的界面参数取值对反映边界排水速率影响很大,因此工程中计算地基固结速率时有必要确定界面参数取值。
不同竖向荷载下带“昂”柱头铺作抗震性能试验研究
李爱群, 刘崇治, 贺俊筱, 蒋永慧
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0171
摘要:
带昂柱头铺作的抗震性能研究是应县木塔抗震性能研究的重要基础。为揭示不同竖向荷载下该类铺作的变形模式和抗震性能,本研究以应县木塔二层明层外槽带昂柱头铺作为原型,制作了2个1∶3.7的缩尺试件,进行了拟静力抗震性能试验。通过分析该铺作的水平力-位移滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数等,明确了竖向荷载对该铺作抗震性能指标的影响。结果表明:竖向荷载的变化基本不影响该铺作的变形特征,但竖向荷载的增大会加剧滞回曲线的不对称性,且会显著提高该类铺作的水平承载力、初始刚度和耗能能力。竖向荷载增大3.7倍,水平承载力在正向和负向分别提高了2.2倍和2.9倍,初始刚度提高了2.4倍,耗散能量增加了3.0倍;增大竖向荷载虽然会改变铺作初始滑移出现的位置,但不改变该试验铺作的滑移累积方式和薄弱位置,最终两个铺作的滑移模式都表现为两跳华栱间的相对滑移。提出了该铺作节点的位移-承载力骨架曲线简化模型,得到了不同竖向荷载对抗侧刚度和水平承载力的影响系数βk和βF,用以修正骨架曲线简化模型在不同竖向荷载下的刚度k。
6.4级漾濞地震某RC框架及其非结构部件震害分析
陈子峰, 林旭川, 陆新征, 陈辉, 杨凝, 周中一
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0224
摘要:
2021年云南漾濞6.4级地震造成了较大范围的建筑破坏,在漾濞县城记录到的地震加速峰值(PGA)高达720.2gal。在强震作用下,大量土木结构的民居发生了破坏,而约束砌体和钢筋混凝土(RC)结构的震害则相对较轻。现场震害调查发现,部分框架结构的震害明显重于同一区域的其他同类型结构,呈现明显、多样的非结构部件破坏特征。因此,本文对某震害较重的框架进行详细调查,分类分析结构及其非结构部件地震破坏细节;依据图纸及现场考察信息建立精细有限元分析模型,对此次地震的地震动破坏力特征以及该框架结构及其非结构部件的地震破坏机理进行了量化分析。分析结果表明,带填充墙框架仿真模型的分析结果与实际震害现象更接近;框架结构局部大空间、框架底部的约束形式和填充墙的布置形式的综合作用导致结构产生局部过大变形与各类非结构部件的严重破坏。在考虑填充墙对框架结构的作用效应后,结构的不规则性大幅增加,导致结构薄弱层的最大层间位移角相较纯框架模型增加127%,并且明显加剧非结构部件的震害。本文对该建筑震害现象的详细调查与仿真分析,可为结构抗震设计与应急救援决策提供参考。
考虑粘结滑移效应的墩柱低周往复加载模拟方法
高健峰, 李建中, 梁博
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0612
摘要:
针对桥梁墩柱和承台内的粘结滑移现象,基于fib混凝土规范(fib Model Code)推荐的混凝土粘结滑移模型,推导了纵筋滑移量的计算公式,并通过对墩柱塑性区域受拉纵筋的应力-应变本构进行修正,以引入墩柱塑性区域和承台内的纵筋滑移量,作为一种等效方法,以考虑粘结滑移对墩柱地震响应的影响,并用试验结果验证了该方法的合理性。此外,还对所提等效方法和零长度截面单元法的计算结果进行了对比。结果表明:未考虑粘结滑移会高估墩柱的侧向刚度、累计滞回耗能和残余位移,且无法客观反映滑移导致的墩柱强度退化问题;零长度截面单元法和所提等效方法均能考虑强度退化问题,但前者对粘结滑移的模拟效果受纵筋直径影响显著,后者则能合理捕捉滑移影响下的墩柱往复加载过程。
三阶屈服屈曲约束支撑耗能机理及设计方法研究
胡宝琳, 徐世安, 徐庆, 吴仁杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0969
摘要:
屈曲约束支撑(BRB)在拉压荷载作用下受力基本对称,其滞回曲线饱满,是一种耗能效果优良且广泛在工程中应用的耗能构件。传统屈曲约束支撑在多遇地震作用下不发生屈服,无法为结构提供耗能,且无法兼顾不同强度地震作用的使用需求。基于此,提出一种能够三阶屈服的屈曲约束支撑(TYBRB),并通过理论和模拟相结合对其工作原理及力学性能进行了系统的研究。介绍了TYBRB的构造组成及工作机理;在力学分析的基础上,建立了TYBRB的刚度方程,给出了各阶屈服力和屈服位移的计算方法;并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,分析了TYBRB受力性能和抗震优越性。研究结果表明:TYBRB可以在较小变形情况实现一阶、二阶屈服进行耗能,具有明显的三阶屈服效果,可兼顾不同强度地震作用实现分阶段屈服耗能,且耗能性能优越。
双矩形拱肋间的气动干扰效应研究
张航, 唐浩俊, 莫威, 李永乐
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0889
摘要:
以某拱桥为例,通过数值模拟研究了串列双矩形拱肋的气动干扰效应,及其对两截面气动力系数的影响。在对计算模型进行验证的基础上,进一步研究了截面宽高比、间距比和来流风攻角对拱肋周围流场的影响,并结合压力云图和湍动能云图解释了气动力系数的变化规律,讨论了不同宽高比截面的漩涡脱落频率与结构自振频率之间的关系,分析了两拱肋升力时程的差异对整体扭矩可能产生的增大效应。结果表明:串列拱肋间的气动干扰效应显著。受上游截面尾流的影响,下游截面的阻力系数明显减小,其值与漩涡的形态、能量大小、移动轨迹等因素密切相关。上、下游截面的升力时程在幅值和相位上存在明显差异,导致拱肋整体的力矩增大,其效应随宽高比或间距比的增大而明显加强,随风攻角的增大而有所降低。漩涡脱落频率随宽高比的增大呈先增大后减小的趋势,而受间距比、风攻角的影响有限。对漩涡脱落频率与宽高比的变化进行多项式拟合,结合结构的模态频率可为拱肋的气动外形设计提供参考。
基于两相流理论的稀疏和致密颗粒流统一模型
何康, 施华斌, 余锡平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0978
摘要:
统一描述不同浓度的固、液两相流动具有重要意义。该文充分考虑不同流态下颗粒体的本构关系、颗粒体与流体的相间作用以及流体紊动影响,应用两相流模型对统一描述稀疏和致密颗粒流问题进行了探索。经与实验结果比较,该两相流模型对不同粒径的稀疏和致密颗粒体的运动过程均能准确刻画。模拟结果表明,不同粒径稀疏颗粒体与流体的相间作用差异较大,其中细颗粒体受到的沉积作用更弱,更容易在周围流体中保持悬浮状态,因而前端运动距离更长。流体紊动粘性对涡旋结构的发展有较大的影响,考虑紊动时流体倾向于向前运动,进而促进了稀疏颗粒体的发展。致密颗粒体堆积表面附近受到的流体拖曳力较大,其在较长时间内促进了细颗粒体的向外发展,对粗颗粒体的运动则主要起到了阻碍作用。致密细颗粒体中的流体动压作用更为明显,流体正压促进了初始颗粒体前端的发展,流体负压则影响着颗粒体堆积形态的塑造。
布设自复位SMA摩擦阻尼器的框架结构减震优化设计方法研究
韩萌, 常召群, 邢国华, 刘伯权, 金钦凯, 吕文杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0912
摘要:
建筑结构消能减震优化设计是通过调整消能减震装置在结构中的布设位置和布设数量,以满足不同水准地震作用下结构受力变形需求。该文将形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)和摩擦材料相结合,提出了一种新型自复位SMA阻尼器,将其布设于框架结构中以降低结构的地震响应。以四水准抗震设防目标下结构峰值层间位移角为约束条件,建立了基于循环迭代法和回溯搜索优化算法的两阶段结构减震优化设计方法。第一阶段通过在结构中逐次增设阻尼器数量开展循环迭代,寻求结构中阻尼器使用总数量;第二阶段使用基于全局搜索机制的回溯搜索优化算法开展二次优化计算。通过上述方法对9层Benchmark钢框架结构进行了减震优化设计,结果表明:所提出的两阶段减震优化设计方法可得到经济合理的阻尼器布设方案,优化后结构各楼层层间位移角沿楼层分布更为均匀,在阻尼器总数量最小的情况下保证减震结构在地震作用下可满足预设的层间位移角限值。
高延性波纹钢板剪力墙抗震性能研究
李思达, 王皓, 刘晓刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0851
摘要:
该文提出了一种具有高弹塑性屈曲荷载、大延性变形能力的梯形波纹钢板剪力墙,并通过试验研究和数值模拟,研究了墙板参数对其滞回特性、失效模式和抗震性能指标的影响规律。研究结果表明,波纹钢板剪力墙试件表现出优秀的滞回特性,墙板屈曲均发生在变形较大的弹塑性阶段,弹塑性屈曲位移角可达2%以上;墙板宽厚比的增大可以显著提高屈曲位移角和承载能力,面外波折角度的增大能够一定程度提高屈曲位移角和承载能力;墙板宽高比的增大会减小屈曲位移角,并导致屈曲后承载力退化加快。
基于超声能量扩散的CFST界面剥离损伤检测方法与验证
李宁, 张海月, 高树灵, 李忠献
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0576
摘要:
钢管混凝土(CFST)构件因其具有良好的抗压、抗弯、抗剪能力,近年来被广泛用于各类型工程结构之中。鉴于CFST施工过程中,钢管与内部混凝土之间可能出现离析、剥离等缺陷,会降低或破坏钢管与混凝土的协同作用,导致承载力降低等问题。在受到极端荷载下,严重时会导致较大安全隐患和失效可能。因此,开展CFST剥离损伤检测十分必要。该文试制了采用超声能量扩散进行构件损伤检测的测试平台;对一批预设界面剥离损伤的方形截面CFST柱进行了不同频率超声波、考虑不同剥离尺寸影响的实测研究,得到归一化扩散及耗散系数,并以此作为管壁与内部混凝土剥离的检测指标;基于最佳激发频率提出CFST界面损伤判定依据,并采用COMSOL软件进行数值模拟验证。结果表明:归一化扩散及耗散系数对剥离损伤尺寸较敏感,可作为探明损伤规律性的重要参数。提出的CFST界面损伤判定模型与仿真试验吻合良好,最小误差为3.03%,平均误差小于10%,表明损伤判定模型能准确、有效定量识别钢管与核心混凝土间的界面剥离损伤,可拓展应用于同类型构件的损伤诊断和预判。
基于修正混凝土塑性损伤模型的大应变FRP约束混凝土有限元分析
白玉磊, 杨洪龙, 贾俊峰, 梅世杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0771
摘要:
精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。首先通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。随后基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括:通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K;硬化/软化准则与约束刚度相关;流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA,结果表明,FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果,讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性,根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域,且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。
超高性能RPC钢筋网加固混凝土界面粘结性能试验研究
卜良桃, 徐博煜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0469
摘要:
针对现有混凝土加固技术导致的耐久性弱、承载力低的问题,该文基于活性粉末混凝土钢筋网加固混凝土技术(Technical for strengthening concrete structures with reactive powder concrete and bar mesh, RPCBM),展开了双面剪切试验。该文评估了各试件的抗剪强度、破坏形态与荷载位移曲线,系统性地探讨了粗糙度、植筋率、钢筋网规格对RPCBM加固旧混凝土结构界面剪切性能的影响。结果表明:RPCBM加固混凝土结构的界面抗剪强度和延性提升幅度较大,具有良好的粘结性能。在一定范围内,随着粗糙度增大,粘结界面抗剪强度提高;植筋率增高,抗剪强度与延性增强;钢筋网规格是改善界面延性的重要因素。在此基础上,为了更好地计算RPCBM加固混凝土的界面粘结强度,该文基于以上数据建立了粘结界面抗剪强度的模型,提出了综合计算RPCBM加固普通混凝土(Ordinary Concrete, OC)界面抗剪强度的公式,试验结果与理论分析吻合较好,为工程实践中加固材料的选择和改进施工方法提供了理论依据。
基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究
江杰, 柴文成, 张探, 龙逸航
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0567
摘要:
为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明:土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(Ld=10d~15d); 当桩身长径比在L/d=5~10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。
十字形与T形圆钢管节点平面内受弯抗震性能对比
赵必大, 黄禛哲, 李福龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0930
摘要:
规范认为T形和十字形圆钢管节点的平面内抗弯承载力相同,但两类节点的受力特性不同。为了全面对比T形节点和十字形节点的平面内受弯性能,进行了6个节点(4个十字形和2个T形)平面内往复弯矩加载试验,并进行了受力机理分析和有限元分析,其中十字形节点进行了两侧支管同向受弯、反向受弯两种加载模式。结果表明:所有节点均为节点域主管管壁延性撕裂破坏,表现出较好的抗震性能;增加支主管直径比β能明显提高节点的抗弯承载力、延性、耗能能力;T形节点的抗弯承载力高于十字形节点,但延性不如十字形节点,T形节点的耗能能力介于十字形节点在两种加载模式下的耗能能力之间;对比反向受弯加载,同向受弯加载对β较小(接近及小于0.7)十字形节点的性能(耗能、延性和承载力)不利,但对β较大(接近及大于0.9)十字形节点的性能有利。
基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构
邹云峰, 卢玄东, 周帅, 阳劲松, 何旭辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0671
摘要:
提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法,通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型,将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应,进而重构出待测位置的剩余模态响应,待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到,通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究,将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率,此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明,该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量,并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足,无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。
内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩抗震性能研究
江凯萍, 李海锋, 赵雪航, 郑双杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0875
摘要:
基于可恢复功能结构设计理念,提出一种新型内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩。开展了6榀门式箱型钢桥墩试件在变轴压和水平往复加载下的拟静力试验,通过分析试件的破坏模式、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、位移延性系数、刚度退化特征、强度退化系数和累积滞回耗能等性能指标,探讨了设置耗能钢板、轴压比和耗能钢板厚度等对新型门式钢桥墩抗震性能的影响规律。建立门式钢桥墩试件的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好。研究表明:设置耗能钢板能够提升门式箱型钢桥墩的延性、变形能力和耗能能力,且能有效延缓壁板的屈曲变形和开裂。新型门式箱型钢桥墩根部壁板螺栓孔附近钢板易因应力集中而开裂,致使试件最大承载力迅速降低。随着轴压比的增大,试件的承载力、耗能能力和震后可恢复性能提高。可更换耗能钢板的厚度越小,试件的承载力越低、刚度退化越快,但其延性和耗能能力得到提升。轴压比和耗能钢板厚度对试件强度退化的影响相对较小。为便于新型门式钢桥墩的推广应用,基于试验研究结果提出内置耗能钢板的门式箱型钢桥墩的延性评估简化公式和承载力的抗震设计公式。
基于应变监测数据预测值的藏式古建筑木结构健康状态评估
杨娜, 李天昊, 赵恭民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0636
摘要:
为增加藏式古建筑木结构的安全冗余度,该文提出了短期应变监测数据预测方法,以此对藏式古建筑木结构健康状态进行预判性评估。以回廊结构为对象,利用Sobel算子与卷积神经网络方法处理传感器带来的多种数据异常。通过多项式回归和功率谱密度的方法确定应变监测数据组分。引入变分模态分解法对数据进行解耦,以Prophet算法预测短期温度监测应变,以Gumbel极值理论预测不同重现期下的人群监测应变。最终,以不同重现期下的应变监测数据预测值的叠加结果确定需重点关注的结构位置和需立即修缮的结构位置,以满足藏式古建木构的预防性保护要求和最小扰动原则。
基于空间特性的台风风灾害评估
任贺贺, 柯世堂, 杨杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0625
摘要:
针对仅考虑强度相关单因素的风灾害评估方法不能准确表征台风风灾害程度问题,该文依据三种不同沿海基础设施抗风等级对应的风灾害指标因子公式,通过开展基于面积积分风灾害评估方法研究台风空间特性对灾害评估的重要性。网格分辨率影响风灾害评估指标因子,分辨率越高,该指标因子越高;海表温度也是风灾害评估指标因子的影响因素,海表温度越高,该指标因子越高;且分辨率约为200 m甚至500 m时可准确表征台风风灾害。研究表明:基于面积积分风灾害评估方法相较传统单因素评估方法能够更准确表征台风风灾害程度;但外围小风速对风灾害评估影响较大,SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为65%,SST-26最高约为90%。因此,针对风速小但尺寸大和风速大但尺寸小台风风灾害评估问题,引用切入风速概念后,小风速对风灾害评估影响显著降低,SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为13%,SST-26最高约为3%,解决了小风速区间占比过大但对结构损伤无作用问题。
基于齿轮机构的SMA-摩擦阻尼器试验研究及数值模拟
杜永峰, 韩博, 李虎
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