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基于时域响应相关性分析及数据融合的结构损伤检测研究
王慧, 王乐, 田润泽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0588
摘要:
基于时域振动响应的结构损伤检测方法因其便于实现在线监测受到了越来越多的关注。该文回顾了两种利用时域响应相关函数建立的结构特征向量(即内积向量及互相关函数幅值向量)及其对应的损伤检测方法。为了从时域响应相关函数中提取更多的结构健康信息,通过利用不同的结构响应组合,将上述两种结构特征向量扩展到了多种结构特征向量,并进一步采用数据融合理论,提出了检测精度更高的结构损伤检测方法。针对8层框架结构损伤检测的试验研究结果表明,该文方法可以对框架结构上的微小损伤进行定位。
氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究
周炎, 郑山锁, 龙立, 张艺欣, 贺金川, 董立国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
摘要:
氯离子侵蚀作用引发的结构耐久性损伤将导致RC结构抗震性能发生时变劣化。在材料层次,该文通过考虑钢筋截面削弱、保护层混凝土开裂软化、核心区混凝土极限压应变降低等模拟氯离子侵蚀对RC框架结构材料性能的影响,并基于试验数据验证了模拟方法的准确性;在结构层次,基于上述材料力学性能退化模型和纤维模型,对3层、6层与8层多不同服役期(0年、30年、50年和70年)RC框架结构进行数值建模,继而进行了静力与动力弹塑性分析,研究了其随服役期增长承载与变形能力退化规律和层间位移角分布变化规律。研究结果表明:结构腐蚀后,随着服役期的增加,结构承载力、特征点位移、位移延性、软化段刚度等抗震性能指标均逐渐减小,结构的屈服PGA和倒塌PGA亦不断降低,结构最大层间位移角不断增大,且结构在罕遇地震作用下层间位移反应受服役期影响较设防地震作用更为明显。
型钢高性能纤维混凝土粘结滑移性能试验研究
明铭, 郑山锁, 郑淏, 贺金川, 董立国, 宋明辰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0555
摘要:
为研究型钢与高性能纤维混凝土之间的粘结滑移性能,以高性能纤维混凝土强度、保护层厚度以及型钢锚固长度为变化参数,设计10个型钢高性能纤维混凝土试件,进而对其进行推出试验,观察试件的破坏过程和裂缝发展形态,获取试件的荷载-滑移曲线。基于试验结果,探讨了各设计参数对特征粘结强度的影响规律,并建立了特征粘结强度的计算公式。对有效粘结应力计算公式进行推导,得到有效粘结应力-滑移分布曲线,并对其进行全过程分析。结果表明:适当增加型钢保护层厚度和混凝土强度,能有效提高型钢高性能纤维混凝土的特征粘结强度;特征粘结强度计算值与试验值吻合较好,表明该文提出的计算公式具有较高的精度;有效粘结应力能够反映型钢与高性能纤维混凝土界面间粘结应力的发展变化过程,并得到粘结应力各组份之间的比例关系。研究成果可为型钢高性能纤维混凝土相关计算理论提供试验依据。
用于光滑/非光滑壳的稳定化新型协同转动4节点四边形壳单元
李忠学, 胡万波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0611
摘要:
该文发展了一种适用于光滑壳和非光滑壳的新型协同转动4节点四边形壳单元。在单元中每个节点采用了3个平动自由度和2/3个矢量型转动自由度,每个光滑壳的节点或非光滑壳的非交界节点采用壳中性面法向矢量的2个最小分量作为矢量型转动变量,在非光滑壳中性面交界线上的节点采用3个矢量型转动变量,他们分别是节点定向矢量组中一个定向矢量的较小或最小分量和另一定向矢量的2个最小分量。在非线性增量求解过程中,这些矢量型转动变量可以采用简单的加法将增量累加到原矢量中直接进行更新,且采用了协同转动框架的单元在局部和整体坐标系下得到的切线刚度矩阵都是对称的,结构整体切线刚度矩阵可以采用一维线性存储,可节省大量的计算机存储资源和计算时间。为消除膜闭锁和剪切闭锁的不利影响,采用单点积分方案计算单元内力矢量和切线刚度矩阵,并借鉴Belytschko提出的物理稳定化零能模态控制法来消除可能出现的零能模态。通过对2个光滑壳和2个非光滑壳进行非线性分析,检验了单元的可靠性、计算效率与计算精度。
锈蚀预应力混凝土梁承载力及破坏模式研究
邢国华, 武名阳, 常召群, 张广泰, 柳明亮
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0503
摘要:
随着服役时间增长,侵蚀环境下预应力混凝土梁因受力筋发生锈蚀而造成其延性与承载力降低,严重影响结构的安全使用。为分析侵蚀环境下预应力混凝土梁的承载性能,以集中荷载作用下锈蚀预应力混凝土梁为研究对象,分析混凝土梁锈蚀后各材料性能的劣化与预应力对其承载能力的影响,基于桁架-拱模型给出了桁架作用与拱作用的荷载分配系数,建立了预应力混凝土梁承载力计算模型及破坏模式判别方法,并通过76根预应力混凝土梁的试验数据对建议模型进行验证。研究结果表明:预应力混凝土梁承载力试验值与计算值之比的平均值为1.116,方差为0.033,吻合较好;基于建议分析模型对预应力混凝土梁破坏模式的预测判别与试验梁破坏模式符合程度较高,且该模型能反映预应力混凝土梁随着锈蚀程度增大其破坏模式发生演变这一特征。该文建议的理论模型可用于锈蚀预应力混凝土梁的承载力计算与破坏模式预测分析。
高延性混凝土加固钢筋混凝土梁抗震性能试验研究
邓明科, 郭莉英, 李睿喆, 陈佳莉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.0237
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)加固钢筋混凝土(RC)梁的抗震性能,设计了8个RC梁试件,采用HDC和碳纤维布(CFRP)条带加固,通过低周反复荷载试验,研究剪跨比、加固方式对其破坏形态、变形和耗能能力等的影响。试验结果表明:采用HDC围套加固RC梁,HDC面层良好的拉伸应变硬化和多裂缝开展特性能有效控制剪切裂缝发展,明显改善构件的脆性破坏特征;HDC加固层与原构件协同工作良好,加固层对内部混凝土形成良好的约束作用,HDC加固梁的承载力、变形和耗能能力明显提高,其加固效果明显优于CFRP条带加固;剪跨比较大时,在HDC加固层配置钢筋网,试件的变形和耗能能力明显提高,但对承载力贡献较小。最后基于桁架-拱模型理论,提出HDC加固梁的抗剪承载力计算方法,计算结果与试验值吻合较好。
装配式自复位钢框架-开缝钢板剪力墙结构试验研究
张艳霞, 庞占洋, 武丙龙, 王彦
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0701
摘要:
本文提出了一种新型带有开缝钢板剪力墙的装配式自复位钢框架结构,设计并完成该结构在低周往复荷载作用下的拟静力试验,研究其刚度、耗能性能、破坏模式以及复位能力。结果表明:该结构具有良好的开口闭合机制,震后自复位并通过更换钢板墙快速恢复主体结构功能。结构初始刚度高,耗能能力优。在水平荷载作用下,钢板剪力墙进入屈曲耗能,有效地保护框架主体结构。在达到规范规定弹塑性层间位移角限值1/50时试验结束,自复位钢框架基本处于弹性状态,残余开口较小,且试验过程中最大索力远小于屈服索力,为该结构能够承受更大的地震作用提供良好基础。
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。然后,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。
新型双层钢板-混凝土组合剪力墙力学性能研究
蔡健, 巫博璘, 罗翼锋, 李名铠, 陈庆军, 黄少腾
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0680
摘要:
提出一种在剪力墙和边缘构件之间设置竖向缝、墙体钢板通过盖板连接件螺旋连接的新型双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行了4个试件的拟静力试验,讨论该新型组合剪力墙的抗震性能,并与未设竖向缝及墙体钢板焊接的同类型试件进行对比。试验结果表明:新型的双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,4个试件的屈服位移角平均值为 1/169,极限位移角平均值为1/37;竖向缝对于试件的承载力有所削弱,但对延性和耗能性能有所提高;试件的破坏均表现为墙体底部的弯压破坏,表明通过盖板连接件螺旋连接的措施可保证连接缝应力的有效传递。采用有限元软件ABAQUS建立该新型双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析。基于有限元模型,分析了盖板连接件处螺栓群受力机理,竖向缝对边柱破坏形态影响,以及材料强度、轴压比和剪跨比对该新型剪力墙力学性能的影响。
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。
基于NES的空间桁架结构被动减振研究
刘艮, 陈贡发
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0617
摘要:
本文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效法将梁式晶格结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时候结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应效率, 且当NES附件的质量增加时, 系统的振动振幅下降更快, NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5秒左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施加相同的位移激励幅值(15 mm),在此情况下,NES附件的质量越大,悬臂梁结构的瞬态响应衰减效率越高。实验结果与理论计算结果吻合较好。
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。
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。
P波斜入射下非基岩场地中核岛结构地震响应规律研究
赵密, 王鑫, 钟紫蓝, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0744
摘要:
随着我国核电产业飞速发展,厂址的选择将会不可避免地遇到非基岩场地。本文针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题,建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型,基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法,研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明:非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱,多数条件下也将增大楼层相对位移;P波入射角度增大,核岛结构竖向响应减小、水平响应增大,楼层反应谱的频谱特性发生改变。
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。随机选取已有的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。结果表明本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。
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。
多视角几何三维重建法识别工程结构缺损与变形
刘宇飞, 樊健生, 孔思宇, 魏晓晨
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0598
摘要:
裂缝等工程结构表面缺损与弯曲等构件变形是既有工程结构安全性检测鉴定与监测的重要指标,采用数字图像法可有效改善当前人工检查技术的缺点,但在工程实践中显现出定量检测中图像几何变形修正困难、局部损伤难以在整体结构中定位、无法测量钢结构空间变形等问题。结合多视角几何三维重建法的研究与应用可有效解决上述问题。本文首先对多视角几何三维重建的方法原理与算法实现进行讨论,列举方法实践的经典算法与高效算法;其次,围绕数字图像法检测在工程实践中存在的问题,提出表面投影法解决成像几何变形与损伤定位、逆向工程建模与特征提取识别几何变形损伤;最后,通过结构表面裂缝识别、大型构筑物表面损伤定位、钢结构构件变形识别等3个应用研究,阐述多视角几何三维重建法在结构表面损伤与变形识别中的具体操作方法与比较优势。多视角几何三维重建法具有设备要求低、操作方便快捷、模型色彩丰富、点云精度较高等特点,与数字图像法结合后在工程结构检测监测领域的研究与应用潜力巨大。
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天、21天和28天的动物实验,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。
HPFL加固负载下有震损RC圆柱抗震性能的有限元分析
蒋隆敏, 李如博, 何爱波, 付华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0486
摘要:
基于采用高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层(HPFL)加固4根钢筋混凝土足尺圆柱在不变轴力和周期水平荷载作用下抗震性能的试验研究结果,本文对试件进行了数值模拟分析,研究被加固柱的抗震承载力、延性、刚度、耗能能力等的性能特征。同时,还提出了可用于负载下有震损RC柱的加固方法和该类结构的抗弯承载力简化计算方法。在此基础上,利用新加固方法和有限元分析手段,研究影响负载下有震损RC柱抗震性能的主要因素,包括轴压比、剪跨比、横向网筋配箍率和配筋形式,研究表明:有限元模拟值、理论值和试验值吻合良好;采用HPFL加固后,构件的承载力、延性、耗能能力均有明显改善,刚度的退化速率明显减小,加固层纵筋锚入基座后,抗震性能的提升改善更加优越;随着轴压比的增加,承载力有较大的增长,延性发挥不足;剪跨比增大时,试件的承载力和延性降低;负载级差越大,后期变形能力明显越弱;采取螺旋配筋形式与采取环形配筋形式相比,两者初始刚度相当,前者延性更好,后者承载能力更高。
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:
本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。
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,用本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。
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。
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8~50 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。
不同跨受火混凝土连续双向板火灾试验及数值分析
王勇, 吴加超, 李凌志, 张亚军, 陈振兴, 宋炜, 张晓越
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0440
摘要:
为研究受火跨位置和数量对三跨混凝土连续板火灾行为的影响,对三块混凝土连续板进行边跨、边中两跨和三跨火灾试验,获得了各跨炉温、混凝土和钢筋温度、变形、板角约束力和破坏模式等变化规律。基于ABAQUS软件平台,采用塑性损伤模型,对试验板温度、变形和力学机理进行了数值模拟,并与试验结果进行对比分析。结果表明,受火跨位置和数量对连续板裂缝分布、变形和破坏模式有重要影响;受火跨板底边缘出现垂直板边裂缝,受火跨板顶及其附近内支座出现平行短跨方向裂缝;受火边跨跨中竖向变形随温度升高逐渐增加,而中跨变形趋势取决于自身和边跨火灾工况。此外,数值结果表明受火跨升降温阶段弯矩机制不同;相比跨中,内支座位置弯矩绝对值较大;升降温阶段,试验板内轴力以受压为主;等效塑性拉应变最大值主要位于板顶支座和板底外边缘位置。
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,本文提出基于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它拉索;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。
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。
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。
纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的跌落冲击缓冲性能研究
吉美娟, 郭彦峰, 付云岗, 韩旭香, 康健芬, 韦青
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0668
摘要:
针对纸瓦楞与纸蜂窝的复合夹层结构在跌落冲击动态压缩条件下的缓冲防护性能,研究了纸蜂窝厚度对单面、双面复合形式的冲击加速度响应、变形特征和缓冲吸能特性的影响规律。结果表明,瓦楞夹层先压溃,其次是蜂窝夹层,而且较大的蜂窝厚度会引起纸蜂窝芯层的次坍塌行为。在相同冲击质量或冲击能量条件下,同一蜂窝厚度的单面复合夹层结构的单位体积吸能、比吸能和行程利用率较双面复合结构分别增加了7.94%、28.34%和8.47%,但总吸能较于双面复合结构降低了16.12%,单面复合夹层结构的缓冲吸能特性优于双面复合夹层结构,而双面复合夹层结构的抗冲击性能优于单面复合夹层结构。对于纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构,低冲击能量作用下蜂窝厚度的增加降低了结构的缓冲吸能特性,高冲击能量作用下蜂窝厚度的增加提高能量吸收能力。纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构的比吸能、单位体积吸能和行程利用率是蜂窝厚度70 mm的复合夹层结构的1 倍~3 倍,较低厚度的纸蜂窝更有利于复合夹层结构的缓冲吸能。
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,按照本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,建议采用文中提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照本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%。
多分裂导线扭矩-扭转角关系及防翻转研究
楼文娟, 陈思然, 解健
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0557
摘要:
提出一种新的多分裂导线扭矩-扭转角关系半解析模型,适用于大档距大扭转角以及翻转计算。该模型考虑间隔棒的竖向及水平向位移、子导线在扭转过程中的张力变化等多重因素,同时考虑分裂导线各截面的扭转角沿跨长呈非线性分布的特征。计算结果与有限元方法、试验结果进行了对比验证,表明导线的几何非线性对导线回复扭矩的影响十分显著,本文提出的半解析模型在小角度和大角度扭转情况下均具有较高的计算精度,并为判定导线是否翻转提供依据。详细分析了布置不同间隔棒数量工况下的扭矩-扭转角关系,从而考察了增加间隔棒数量对抑制翻转的有效性,发现只需少量增加间隔棒就能保证即使扭转角达到180°时扭转刚度依然为正,即可自行恢复,有效预防翻转;对于扭矩非常大的情形,若要保证扭转360°时扭转刚度依然为正,即导线出现扭绞现象后仍具备自行回复原位的能力,则需要布置较多的间隔棒。
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。
超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟
徐世烺, 李锐, 李庆华, 陈柏锟
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0548
摘要:
超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。
功能梯度梁静力与动力分析的格林函数法
邓先琪, 苏成, 马海涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0615
摘要:
功能梯度梁静动态响应的数值分析方法一般局限于有限元法,存在有限元法的固有缺点,有必要发展新的数值求解方法。将功能梯度梁静力分析的控制微分方程转化为与匀质材料梁静力分析控制微分方程相一致的形式,并利用匀质材料梁静力问题的格林函数,开展功能梯度梁的静力分析。在此基础上,进一步推导获得功能梯度梁的柔度矩阵,据此建立功能梯度梁的运动方程,开展功能梯度梁的动力特性分析和动力响应分析。数值算例表明,采用格林函数法可以高效准确地分析功能梯度梁的静力响应与动力行为,验证了方法的计算精度与效率。
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。本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。
充气薄膜褶皱分析的高效互补有限元列式
张亮, 曹进军, 董凯骏, 彭福军, 恽卫东
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0533
摘要:
褶皱变形是柔性薄膜结构的一种常见的失稳模式,其数值模拟具有挑战性。基于连续体和张力场理论,提出了一种适用于充气薄膜结构褶皱分析的互补共旋有限元方法。采用共旋坐标法,将物体的大变形分解为结构整体坐标系下的刚体运动和单元局部坐标系下小应变变形,推导了一个空间三结点三角形膜单元的切线刚度矩阵。该刚度矩阵包含材料刚度、旋转刚度和平衡投影刚度矩阵三个部分,涵盖了随动载荷对单元刚度的影响。在单元局部坐标系下,依据双模量材料本构关系构造了一个褶皱模型,能够判断单元处于“张紧”、“褶皱”或“松弛”状态。进一步通过建立等价的线性互补问题,消除了迭代求解过程中的内力振荡,改善了算法的稳定性。数值算例表明:该文方法能够准确地预测充气薄膜结构的位移、应力以及褶皱区域。较之已有的“拟动态”和“惩罚”方法,该方法不需要引入额外的求解技术来保证收敛,具有良好的稳定性。
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,且计算值与试验值吻合较好。
剪切型消能连梁的循环屈曲特性研究
刘晓刚, 樊健生, 聂建国
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0426
摘要:
该文对剪切型消能连梁的循环屈曲特性展开了试验研究,并建立了连梁的数值分析模型,分析了不同参数对连梁腹板循环屈曲特性的影响规律。研究表明:轴向位移约束对连梁的腹板的屈曲特性基本没有影响,轴力不大时也基本不影响连梁的腹板的屈曲特性。参数分析表明:腹板高厚比对连梁屈曲位移角的影响最为显著;腹板宽高比和横向加劲肋间距与腹板高度的比值对屈曲位移角的影响也十分明显,但腹板宽高比和横向加劲肋间距与腹板高度的比值超过2之后,其对屈曲位移角的影响变得很小;等效连梁长度系数和材料强化特性对屈曲位移角基本无影响。建立了腹板循环屈曲位移角的理论预测方法,试验和数值验证表明:该方法具有较高的可信性。
钢管混凝土柱-双面组合作用梁框架节点抗震性能试验研究
李杨, 李延涛, 邢万里, 丁井臻, 宗金辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0427
摘要:
为了研究钢-混凝土双面组合作用梁框架节点的抗震性能,设计了3个十字形钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点和1个普通钢-混凝土单面组合作用梁十字形框架节点,并对其进行低周往复加载试验,对比分析其破坏模式、极限承载力、初始刚度、耗能能力、延性、刚度退化等抗震性能指标;通过改变下部混凝土板厚度和传力方式,研究下部混凝土板不同厚度和不同传力方式对双面组合作用梁力学性能的影响。结果表明:与普通钢-混凝土单面组合作用梁框架节点相比,钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点具有更高的承载力和刚度,适用于荷载较大的结构,但在延性、刚度退化和耗能能力等方面无明显优势;下部混凝土板采用集中传力和均匀传力的方式对双面组合作用梁抗震性能的影响无明显区别;下部混凝土板采用预制法制作和螺栓连接更加方便、可靠。
梭形空间桁架约束型防屈曲支撑的性能研究
朱博莉, 郭彦林
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0424
摘要:
防屈曲支撑的外围约束体系的革新研究始终是其核心内容。该文提出了梭形空间桁架约束型防屈曲支撑(STC-BRB)的概念,并以BRB工程应用中的四榀桁架约束体系为例,研究了STC-BRB的静力承载力和抗震设计方法。STC-BRB采用与其弯矩分布图相似的梭形桁架作为外围约束体系,具有提高材料利用率及外形美观等特点,适用于高层建筑和空间结构设置外露BRB的工程应用。该文建立了STC-BRB梁单元模型,采用ANSYS有限元软件对其弹性屈曲性能、弹塑性承载力和滞回性能展开研究,分别给出了基于承载力型和耗能型BRB约束比门槛值的设计方法。研究STC-BRB弹性屈曲性能,基于弹性屈曲荷载的理论和数值计算结果,提出了弹性屈曲荷载的计算公式,给出了BRB约束比的表达式。基于变化约束比的STC-BRB算例的计算结果,分别对其单调轴压弹塑性承载性能和拉压循环荷载作用下的弹塑性滞回耗能性能进行分析,研究了STC-BRB的失稳模式、极限承载力以及滞回耗能能力,获得了STC-BRB承载型和耗能型的约束比门槛值,建立了承载力和抗震设计的基本计算理论和设计方法。
钢-超高性能混凝土组合箱梁弹性弯曲性能试验研究及解析解
樊健生, 王哲, 杨松, 陈钒, 丁然
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0700
摘要:
钢-超高性能混凝土(Ultrahigh performance concrete,以下简称UHPC)组合箱型桥面系在大跨径桥梁建设中具有良好的应用前景。以实际桥梁工程为背景,设计两个大比例钢-UHPC组合箱梁模型试验,主要研究弹性状态下的组合箱梁的弯曲受力行为,重点测试试件加载过程中挠度、应变分布等;建立同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的组合箱梁分析模型,并推导得出解析解。研究结果表明:集中荷载作用下钢-UHPC组合箱梁的剪力滞效应显著,UHPC板跨中截面纵向压应变的最大值与最小值之比约为5~7;UHPC板厚越大,钢-UHPC组合箱梁的刚度越大,相同荷载下,UHPC板和钢梁应变越小;该文同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的解析解与试验结果基本吻合,相比于不考虑钢腹板剪切变形的模型结果具有明显改善。
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:
本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。
矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点抗震性能试验研究
付波, 王彦超, 童根树
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0474
摘要:
针对钢结构住宅建筑中柱子宽度日趋减小的趋势,提出了柱内无隔板的矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点。对7个新型节点试件进行拟静力试验,变化参数有钢梁截面、顶板厚度和顶板长边高度。试验主要研究了节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度退化、强度退化、延性和耗能能力等抗震性能。试验结果表明:外顶板式节点共有梁翼缘受拉破坏、梁翼缘与顶板连接焊缝破坏、顶板与柱连接处的柱壁破坏三种破坏模式。节点延性系数为2.17~3.67,等效粘滞阻尼系数在0.2~0.3之间,极限位移角平均值为1/49,节点抗震性能满足“强节点弱构件”要求。增大外顶板的厚度或长边高度可提高节点承载力,钢梁翼缘、翼缘和顶板连接焊缝或柱壁的过早开裂会降低节点延性和耗能能力。最后提出在验算柱壁和连接焊缝极限承载力时,节点连接系数应取1.4;另外可采取梁端翼缘加强或削弱措施,以保证外顶板式节点具有足够的塑性变形能力。
基于联络通道缓解高速列车在长大隧道的压力波波动
高畅, 张继业, 李田, 孙瑶
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0472
摘要:
为了减缓高速列车通过隧道引起的压力波动对列车运行的影响,基于列车空气动力学研究了高速列车通过带有联络通道的隧道时的压力波特性。建立了3节编组高速列车数值仿真计算模型,基于三维、非定常、可压缩Navier-Stokes方程以及k-ε两方程湍流模型和滑移网格技术,数值模拟了高速列车通过联络通道隧道的气动特性,主要考虑设置联络通道后,联络通道面积、列车运行速度和不同通道间距对隧道压力波动的影响。研究结果表明:列车通过设有联络通道的隧道相比于无联络通道隧道的气动特性得到明显改善;通道对初始压力上升与下降抑制效果更加明显,对膨胀波的抑制更为突出;列车运行速度越高,通道面积越大,压力波回落越明显;联络通道的设置使压力波波形呈现局部锯齿状。提出了列车通过隧道时压力峰值的快速计算公式。
考虑壁面浸润性的光滑岩体微裂隙渗流特性数值模拟研究
申林方, 李腾风, 王志良, 李泽, 王鹏宇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0499
摘要:
在工程岩体中存在大量的微裂隙,由于隙宽尺寸微小,其壁面浸润性显著影响着流体在裂隙内的运动特性。为此,基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,建立了光滑岩体微裂隙渗流的数值模型,并结合蒸汽中的悬浮液滴和壁面接触角的模拟,证明了该模型的有效性。最后,考虑壁面浸润性、裂隙隙宽、压力梯度及流体黏滞性等因素的影响,研究了重力驱动下光滑岩体微裂隙的渗流特性。研究结果表明:疏水壁面对附近流体的排斥作用产生加速效果,而亲水性壁面则产生阻碍作用,从总体变化趋势看,疏水壁面对微裂隙渗流的影响比亲水壁面更加显著。随着微裂隙隙宽的减小,其壁面浸润性对渗流流速的影响逐渐增大,且壁面亲/疏水性越强,隙宽对其渗流特性的影响越突出。裂隙的平均渗流流速随压力梯度的增加而增大,两者呈线性关系,且壁面疏水能力越强,其直线斜率越大。此外,流体的运动黏度越大,其流动阻力也越大,从而导致微裂隙渗流的平均流速越小,且流体的运动黏度与平均渗流流速呈反比例关系。
飞机舱门橡胶密封件动摩擦性能实验研究
渠涛, 柳荣, 董弋锋, 柯玉超, 姚学锋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0445
摘要:
橡胶密封件在飞机舱门结构中广泛应用,主要起到密封、隔音、保温等作用,对飞机的正常飞行以及乘客的生命安全至关重要。该文主要研究了不同截面形状的飞机舱门橡胶密封件在不同条件下的动摩擦性能,介绍了应用于飞机舱门上不同形状的橡胶密封件以及对应的加载装置,并且利用动摩擦性能实验机对不同形状橡胶密封件在不同温度、不同压缩量以及不同表面处理条件下的动摩擦性能进行实验研究,分析环境因素对橡胶密封件动摩擦性能的影响。研究结果对于橡胶密封件动摩擦性能的设计和优化有重要作用。
线弹性断裂力学问题的扩展自然单元法
陈莘莘, 刁呈岩, 肖树聪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0502
摘要:
为了更加有效地求解线弹性断裂问题,提出了扩展自然单元法。该方法基于单位分解的思想,在自然单元法的位移模式中加入扩展项表征不连续位移场和裂纹尖端奇异场。通过水平集方法确定裂纹面和裂纹尖端区域,并基于虚位移原理推导了平衡方程的离散线性方程。由于自然单元法的形函数满足Kronecker delta函数性质,本质边界条件易于施加。混合模式裂纹的应力强度因子由相互作用能量积分方法计算。数值算例结果表明扩展自然单元法可以方便地求解线弹性断裂力学问题。
弹性模量比对界面迁移下夹杂演化的影响
井亚彬, 黄佩珍
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0444
摘要:
集成电路的导线内不可避免存在夹杂等缺陷。在各种内在机制以及外界环境作用下夹杂会出现形态演化从而影响内连导线的各种性能。该文基于界面迁移机制下微结构演化理论,推导了应力诱发固-固界面迁移的单元控制方程,数值模拟了夹杂-基体弹性模量比对夹杂形态演化的影响。结果表明:不同模量比下夹杂的形态演化存在两种分叉趋势,并且存在着临界应力\begin{document}${\widetilde \sigma _{\rm{c}}}$\end{document}、临界形态比\begin{document}${\beta _{\rm{c}}}$\end{document}、临界线宽\begin{document}${\widetilde h_{\rm{c}}}$\end{document}。当\begin{document}$\widetilde \sigma > {\widetilde \sigma _{\rm{c}}}$\end{document}\begin{document}$\beta > {\beta _{\rm{c}}}$\end{document}\begin{document}$h < {\widetilde h_{\rm{c}}}$\end{document}时,夹杂长大;反之收缩。随着模量比的增加,临界应力、临界形态比随之增大,而临界线宽会减小。并且,当夹杂与基体的弹性模量比\begin{document}$\alpha > 0.6$\end{document}时,模量比对于临界应力和临界形态比的影响可忽略。
基于RVE单元的藏式古建石砌体均质化研究
蒋宇洪, 杨娜, 白凡
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0461
摘要:
在普通砖石砌体结构方面的均质化研究已经较为完善,而在构造、材料存在随机性的古建筑砌体结构方面的均质化研究相对欠缺。该文以有限尺度测试窗法为基础,提出了一种选择砌体结构代表性体积单元(RVE单元)的方法,并与试验和传统有限元模拟结果对比,验证了所提方法的可行性。在此基础上,该文进行了藏式古建石砌体结构RVE单元的选择,探讨了RVE单元的尺寸大小和所包含的组元分布对等效模量的影响,并基于所选RVE单元建立了藏式石砌体结构的均质化模型和整体式模型。结果表明:该选择方法适用于周期性和准周期性砌体结构,能选出与完整结构力学性能接近的RVE单元。随着RVE单元尺寸变大,其Voigt、Reuss等效模量会逐渐向完整结构的模量收敛,呈现先快后慢的变化趋势;组元分布的不同会改变等效模量的收敛程度,但在较大尺寸的RVE单元上,组元分布的影响将被体积造成的影响抵消。该文所建均质化模型能代替传统有限元模型进行局部结构的分析,并给出藏式古建石砌体结构的应力分布规律;所建整体模型能代替传统有限元模型,较为精确模拟结构整体的宏观变形。
轻骨料无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应:细观模拟
金浏, 蒋轩昂, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0253
摘要:
轻骨料混凝土具有轻质、高强及保温隔热性能好等优点,被广泛应用于工程结构中。采用细观数值模拟方法,将普通及轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了无腹筋混凝土梁剪切破坏行为模拟的三维细观力学分析模型,研究了不同尺寸普通及轻骨料无腹筋混凝土悬臂梁在单调加载下的剪切破坏模式与失效机制,揭示了名义剪切强度的尺寸效应规律。此外,结合模拟结果对相关设计规范抗剪承载力计算公式的准确性和安全性进行了初步探讨。研究结果表明:区别于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁由于骨料强度较低而首先发生破坏;不同尺寸混凝土梁的剪切破坏模式基本一致,梁的名义剪切强度展现出明显的尺寸效应;相比于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁剪切破坏表现出具有更强的尺寸效应。
大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法研究
周桐, 闫渤文, 杨庆山, PhamVan Phuc, 王京学
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0381
摘要:
生成满足大气边界层风场特性的入口湍流是开展结构风效应大涡模拟的关键问题之一。该文的主要目的是验证并探讨两类主要的大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法的合理性与可行性。采用CDRFG(Consistent Discretizing Random Flow Generation)方法和被动模拟法生成大气边界层风场,从统计特性、流场结构和计算效率等方面进行对比分析,比较不同网格系统下的数值模拟结果,提出结构风效应大涡模拟的网格划分策略。结果表明:相比于CDRFG方法,被动模拟法生成的流场结构更加合理,但无法预先考虑脉动风场的空间相关性,且需要较高的计算成本和先验的流场信息。计算域的网格分辨率对于统计特性和流场结构的模拟精度具有重要影响,而目标区域的网格分辨率应依据控制工程结构风致响应的主要频带范围确定。
带消能连梁的矩形空心双柱式高墩抗震性能试验研究
王源, 王天琦, 孙利民, 谢文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0496
摘要:
基于震后功能可恢复的设计理念,按1/20几何缩尺比设计和制作了矩形空心双柱式高墩和带消能连梁的矩形空心双柱式高墩模型,开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验研究,分析了试件的破坏形态及过程,比较研究了试件的强度、累积滞回耗能、墩柱曲率和位移延性等抗震性能参数。试验结果表明:与普通的矩形空心双柱式高墩相比,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更好的耗能能力、承载能力和位移延性能力,消能连梁可有效减小墩柱曲率,从而有效降低了墩柱的地震损伤。因此,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更优良的抗震性能。
基于三维离散-连续耦合方法的NPR锚索-围岩相互作用机理研究
胡杰, 何满潮, 李兆华, 张龙飞, 冯吉利
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0390
摘要:
恒阻大变形(NPR)锚索作为一种高效的吸能锚索已广泛应用于边坡和采矿工程的加固和监测预警中。NPR锚索工作时的径向膨胀特性将影响整个锚固系统的性能。因此,基于离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合方法对静力拉伸作用下NPR锚索-围岩的相互作用机理进行分析。NPR锚索考虑为连续单元体,围岩和锚固材料由离散球体单元表征,将整个NPR锚固系统实现了离散元法与有限元法耦合模拟。围岩的离散元细观参数得到校准,NPR锚索的有限差分宏观参数由相应的静力拉伸室内试验进行验证。通过分析数值结果,对NPR锚索与NPR锚固系统的恒阻力进行了比较;描述了锚索-围岩界面的正应力与切应力的分布特征;此外,对锚固剂与围岩的破坏模式进行了细观研究。研究结果描述了NPR锚索与围岩的相互作用并揭示了NPR锚索的特殊锚固机理,可用于预测和提高NPR锚索锚固系统的性能。
黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型
任鹏, 王鹏, 张华, 唐印
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0624
摘要:
针对黏土蠕变的非线性性质,首先以成都黏土为研究对象展开蠕变试验,发现黏土变形包括瞬时弹性变形、衰减蠕变变形、稳态蠕变变形和加速蠕变变形;黏土长期弹性模量随时间和应力的增加非线性软化;黏滞系数随应力的增加非线性软化,随时间的增加非线性硬化。其次,基于流变学理论、分数阶微积分理论和Harris衰减函数,分别构建了分数阶导数元件、非线性弹性元件和非线性黏滞元件,从而建立了形式简单、参数较少和概念清晰的非线性分数阶导数蠕变模型。然后,将非线性分数阶导数蠕变模型和Burgers蠕变模型进行对比拟合分析,发现非线性分数阶导数蠕变模型各阶段的拟合结果更好,对黏土非线性蠕变的描述更合理,可准确地反映黏土蠕变全过程,表明了所建立非线性分数阶导数蠕变模型的科学合理性。
内嵌钢板及边缘框架相互作用对带连梁低屈服点钢板剪力墙结构受力性能的影响
王萌, 郭勇超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0640
摘要:
为满足快速发展的高层建筑结构对抗震性能及空间灵活性的要求,将高耗能能力、高延性的低屈服点钢材与带连梁钢板剪力墙组合成新型带连梁低屈服点钢板剪力墙结构体系。采用有限元软件ABAQUS建立带连梁钢板剪力墙结构模型,结合国内外已有的典型试验结果验证数值方法的有效性。在此基础上,设计5个不同耦合度的低屈服点钢板剪力墙结构模型进行单调和循环加载,对比分析其损伤机制、承载性能及滞回耗能能力,探讨内嵌钢板与边缘框架的相互作用对结构及构件受力性能的影响,给出设计建议。结果表明:带连梁低屈服点钢板剪力墙结构内嵌钢板与边缘框架相互作用能够有效提高整体结构承载力、承载效率以及耗能能力。综合考虑材料利用率、承载能力及耗能能力,建议连梁耦合度控制在0.45以内。随着连梁耦合度的提高,边缘框架分担剪力多至60%,内部框架柱的轴力显著减小,连梁转角不断减小。因此,在带连梁低屈服点钢板剪力墙结构设计过程中应充分考虑内嵌钢板与边缘框架的相互作用,适当减小内嵌钢板设计厚度及边缘框架截面尺寸,提高材料利用率及设计经济性。同时,与纯框架抗侧性能相比,内嵌钢板与边缘框架的相互作用有效提高了边缘框架的初始抗侧刚度及承载力。
塑性铰区采用高延性混凝土梁变形性能研究
邓明科, 代龙, 何斌斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0350
摘要:
为提高钢筋混凝土梁的变形能力,考虑在其塑性铰区采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土。该文设计6个剪跨比为3.6的钢筋混凝土梁试件,包含5个塑性铰区采用HDC的试件和1个普通混凝土对比试件。通过改变HDC区长度、纵筋配筋率以及配筋方式和梁端配箍率,研究试件在低周反复荷载下的滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明:与普通钢筋混凝土梁相比,塑性铰区采用HDC后的试件,其破坏形态由弯剪破坏向弯曲破坏转变,延性和耗能能力都得到显著提高;在纵筋配筋率、配筋方式不变时,梁端塑性铰区采用HDC,试件的位移延性系数和极限位移角分别提高30%和53%,而同时采用HDC和箍筋时分别相应提高33%和76%;梁端局部采用HDC可以减少箍筋用量;梁端塑性铰区的HDC长度对试件延性的影响较小。分别计算塑性铰区采用HDC混凝土梁在开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载、极限荷载作用下的位移,其计算值与试验值吻合较好。
基于NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究
胡晓兵, 杨易
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0601
摘要:
大涡模拟中入流湍流的准确模拟,是计算风工程领域当前研究的热点;准确定义与各类地貌大气边界层湍流特征相符的入流边界条件,是进行建筑结构风效应研究的前提(也是当前研究的难题)。该文在新提出的以湍流合成法为基础的LES入流湍流生成技术—NSRFG方法上,研究了数学模型中若干参数的适当取值问题。通过数值分析对采样频率间距Δƒ、引入的时间尺度因子\begin{document}$ {\tau }_{0} $\end{document}和空间尺度因子θ、衰减系数\begin{document}$ {c}_{j} $\end{document}及调谐因子\begin{document}$ {\gamma }_{j} $\end{document}等重要参数进行敏感性研究,分析了上述参数的取值对所生成湍流脉动风速功率谱、均方根和空间相关性等模拟结果的影响;在此基础上建议了一套与中国规范四类标准地貌风场相对应的参数表,从而建立基于该方法的“标准数值风场模型”;通过实例对四类标准地貌边界层湍流风场进行数值模拟和平衡态检验。研究表明:上述关键参数的赋值对采用NSRFG方法进行大气边界层湍流风场的重构影响显著,该文基于NSRFG方法所建议的标准地貌数值风场模型,对研究者采用LES进行结构风工程的数值模拟研究具有一定的参考价值。
基于改进Park-Ang双参数模型的RCS混合框架结构地震损伤评估
门进杰, 张谦, 徐超, 史庆轩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0604
摘要:
为了评估钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构在地震中的损伤程度,基于Park-Ang双参数地震损伤模型,通过修正相关参数,建立了适用于RCS混合框架结构的地震损伤模型。通过分析楼板对模型关键参数的影响,给出了考虑楼板影响的组合梁构件极限变形计算公式,并对其有效性进行了验证;基于试验结果,通过使构件破坏点损伤指数等于1的方法进行反演,得到组合梁构件循环荷载影响参数β。给出了结构不同破坏程度对应的损伤指数范围,并提出了该种结构的地震损伤评估方法。对一栋4层RCS混合框架结构在El-Centro波作用下的损伤程度进行评估,结果表明:该文提出的地震损伤模型能够比较好地反映RCS混合框架结构的损伤演化过程与程度,研究结果为RCS混合框架结构的地震损伤评估与基于性能的抗震设计方法提供了理论依据。
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:
本文运用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。文中给出的数值结果验证了所得解的有效性。
热环境中的功能梯度扁球壳非线性稳定性分析
赵伟东, 高士武, 黄永玉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0541
摘要:
基于经典壳理论和von Karman几何非线性理论,导出了功能梯度圆底扁球壳的位移型几何非线性控制方程及简支边界条件,推导过程考虑了均匀变温场及均布外侧压力。用打靶法计算了由控制方程和边界条件提出的两点边值问题,得到了壳体轴对称变形的数值结果。考察了壳体几何参数、材料横向梯度特性、组份材料体积分数指数和弹性模量以及均匀变温场对壳体屈曲平衡路径、上/下临界荷载和平衡构形的影响。数值结果表明:随组分材料体积分数指数的增加和弹性模量的减小,壳体上临界荷载均会显著减小;体积分数指数对壳体下临界荷载影响规律较复杂;均匀升温使壳体上/下临界荷载显著增加/减小。材料横向梯度特性对简支边功能梯度圆底扁球壳屈曲平衡路径和后屈曲稳态构形有显著影响。该文末给出了便于工程设计的两个数表和一些数值曲线。
高强轻骨料混凝土深受弯构件剪切损伤演化与服役性能研究
魏慧, 吴涛, 孙俐欣, 李磊, 刘喜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0509
摘要:
偶然的超越荷载、长期的环境侵蚀及温度变形等易导致深受弯构件斜截面的服役能力降低,出现开裂,影响正常使用。完成15根高强轻骨料混凝土深受弯构件受剪性能全过程试验,系统研究了剪切荷载作用下的损伤演化规律,分析了剪跨比、加载板宽度和截面高度对构件受剪服役能力的影响,基于裂缝发展趋势建立裂缝宽度与荷载水平的宏观对应关系,探讨了相关规范中正常使用阶段斜裂缝宽度限值对该类构件的适用性。研究表明:随剪跨比和加载板宽度增大,试件最大斜裂缝宽度呈增长趋势,且配置足够数量的水平和竖向腹筋能够有效抑制深受弯构件的斜向开裂,试件名义斜向开裂强度和最大斜裂缝宽度均受尺寸效应影响较小;受剪全过程中试件的宏观剪切裂缝宽度与相应承担荷载水平呈现显著对应关系,且基于普通混凝土深受弯构件试验数据建立的服役性能评价指标可用于高强轻骨料混凝土深受弯构件服役性能预测;按我国规范中最小腹筋配筋率设计的高强轻骨料混凝土深受弯构件难以满足斜裂缝宽度限值要求,建议适当增大腹筋最小配筋率。
基于二元耦联性解耦下多孔FGM梁的热-力耦合振动与屈曲特性
蒲育, 周凤玺, 任永忠, 刘君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0553
摘要:
采用一种改进型广义微分求积(MGDQ)法,数值研究了初始轴向机械力作用下含均匀孔隙的功能梯度材料(FGM)梁在热环境中的耦合振动及耦合屈曲特性。考虑了材料性质随温度的相关性,温度沿梁的厚度方向按不同类型稳态分布,采用含孔隙率修正的Voigt混合幂率模型来表征多孔FGM梁的材料属性。采用一种n阶广义梁理论(GBT),在Hamilton体系下统一建立描述该系统耦合振动及屈曲问题力学模型的控制方程。通过引入边界控制参数,可实施3种典型边界梁动态响应MGDQ法求解的MATLAB统一化编程。基于两种静动态力学行为之间的二元耦联性,编写循环子程序用来获得屈曲静态响应,该分析方法极大地简化了解耦过程并提高了计算效率。通过算例主要探究了梁理论、边界条件、温度分布、升温、初始轴向机械力、热-力耦合效应、孔隙率、梯度指标、跨厚比等诸多参数对多孔FGM梁振动及屈曲特性的影响,同时刻画并揭示了两种静动态力学行为之间的二元耦联性。
II型III型动态裂纹尖端断裂过程区近似评估方法
姬晨濛, 戚承志
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0580
摘要:
动态裂纹尖端断裂过程区轮廓的确定问题仍然是一个没有得到完全解决的问题。基于弹性动力学的理论和复应力函数方法,提出一种伪应力函数方法,用于近似评估动态裂纹尖端应力场。通过与已知应力场计算结果对比,验证了伪应力函数的正确性。利用此近似方法通过Von Mises强度准则和Tresca强度准则,分别确定了不同强度准则条件下、不同裂纹扩展速度下断裂过程区的轮廓。计算结果表明:II型和III型动态裂纹尖端断裂过程区关于裂纹面对称分布,随着裂纹扩展速度增大而增大。当裂纹传播速度接近瑞利波速时,断裂过程区变化加剧。利用Tresca强度准则计算得到的动态裂纹尖端断裂过程区面积比利用Von Mises强度准则计算得到的断裂过程区的面积大。
饱和两相介质近场波动问题的一种时域全显式数值计算方法
李亮, 李果, 杜修力, 宋佳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0479
摘要:
基于 u -p形式的饱和两相介质弹性波动方程,开展了饱和两相介质近场波动问题时域显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量矩阵和孔隙流体压缩矩阵进行对角化处理,消除了方程中的动力耦联,实现了波动方程的解耦。分别应用中心差分法和Newmark常平均加速度法求解固相位移和速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,推导得到了饱和两相介质动力响应的时域显式逐步积分的计算列式,建立了饱和两相介质近场波动问题的一种新的时域全显式数值计算方法。进行了该文方法中矩阵对角化合理性的验证。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该文建立的时域数值计算方法与透射人工边界方法相结合,应用于饱和两相介质的近场波动问题,进行了饱和土场地地震响应的计算研究,计算结果符合弹性波动理论的基本规律,表明该方法对于饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的适用性。基于该方法中时域递推计算格式的传递矩阵,进行了该方法稳定性特性的研究。该文建立的数值计算方法具有时域全显式算法的基本特征。方法中对动力响应的全部分量均采用递推和迭代的模式进行求解,避免了求解耦联的动力方程组。该方法具有较高的计算效率,是进行饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的一种有效的算法。
列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究
徐利辉, 马蒙, 刘维宁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0623
摘要:
为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。
局部褶皱对层状地基马蹄形孔洞散射的影响分析
李志远, 钟红, 胡志强, 林皋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0512
摘要:
水平岩层在构造作用下会产生局部褶皱,研究褶皱对层状地基马蹄形孔洞散射的影响,对地表结构地震安全性评价具有重要意义。基于子结构法建立了复杂场地散射问题的控制方程,将地震波散射问题的求解转化具有规则边界条件的层状地基(自由场)的动力刚度和波动响应的求解。通过Fourier变换和引入对偶变量,将波动方程转化为一阶常微分方程,采用精细积分算法对土层可实现高效合并,施加边界条件可得到内部节点的格林函数,进一步得到动力刚度。同时,采用精细积分算法代替原传递矩阵法的层间合并,可得到层状自由场的波动响应。这种改进传递矩阵法对土层厚度和层数没有任何限制。通过与文献中的结果对比,验证了方法的正确性,并分析了局部褶皱对层状地基中马蹄形孔洞散射场的影响。结果表明:局部褶皱对地表位移幅值的影响与入射波类型、入射波频率以及局部褶皱几何构造等因素均有关系;地表位移峰值受马蹄形孔洞和局部褶皱共同作用的影响,其影响特性与入射波类型无明显关系。
可收卷复合材料层板大变形弯曲性能研究
周震, 程小全, 张涛, 陈磊, 吴永康
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0527
摘要:
该文研究了玻璃纤维编织复合材料制成的可收卷层板在大变形条件下的弯曲静力性能和疲劳性能。通过弯曲静力试验得到了试验件在大变形条件下的应变和位移的关系;通过有限元模拟静力试验并与试验结果对照,确定了疲劳试验的载荷;研究了在大变形条件下不同铺层层板的弯曲疲劳寿命及失效模式和相同铺层层板的疲劳寿命曲线。结果表明:复合材料层板在大变形弯曲时具有明显的非线性行为,且(±45°)铺层层板弯曲疲劳性能明显优于(0°/90°)铺层层板;在最小应变和最大应变比不变的情况下,相同铺层层板的弯曲最大应变和对数疲劳寿命之间存在线性关系。
抑制柱体结构涡激振动的非线性能量阱减振装置优化设计
陈东阳, 顾超杰, 朱卫军, 李迺璐, 杨俊伟, 芮筱亭
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0613
摘要:
为了抑制柱体结构的涡激振动(Vortex induced vibration, VIV)问题,该文基于Van der Pol尾流振子模型、结构动力学理论和优化算法,建立了非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)减振装置优化设计仿真模型。采用Van der Pol尾流振子模型,将其与二维弹性支撑柱体结构动力学方程结合,建立二维弹性支撑柱体单自由度涡激振动预报模型,并与文献实验数据对比,验证了模型的准确性;在模型中嵌入NES控制模型,完成NES作用下的单自由度柱体VIV预测模型,并将其与优化算法相结合,通过优化算法改变非线性能量阱的参数,设计出对柱体涡激振动抑制效果满足设计要求的非线性能量阱;通过仿真分析优化后的NES结构参数对柱体涡激振动的抑制效果和机理。案例优化结果表明,在\begin{document}$U_{\rm{r}} = 5.5$\end{document}时,NES作用下的柱体振幅减小了66.39%,减振效果明显。同时,该文采用优化方法获得的NES结构参数符合实际生产要求,确保了实物生产设计的可能性。
座椅约束下航空假人垂直冲击动态响应特性研究
冯振宇, 杨永攀, 贺永龙, 马士成, 解江, 王亚锋, 杨欢
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0515
摘要:
该文采用试验和仿真相结合的方法,研究垂直冲击下航空假人的动态响应特性。首先开展14 g和19 g滑台冲击试验,对比不同冲击载荷下航空假人的腰椎响应。然后建立航空假人/座椅约束系统分析模型并验证其有效性,研究椅背倾角、座椅俯仰角对乘员腰椎、座椅响应的影响。结果表明:19 g与14 g脉冲下的乘员腰椎峰值压缩载荷、椅盆峰值纵向摩擦力及椅盆峰值压力比值均大于加载脉冲峰值比值,因此腰椎压缩载荷、椅盆纵向摩擦力及椅盆压力对加载脉冲峰值均有放大效应,14 g脉冲持续时间长,腰椎的Y向峰值力矩大于19 g脉冲;乘员腰椎峰值压缩载荷、椅盆峰值压力与椅背倾角均呈2次函数关系,在椅背倾角为110°附近时,乘员的腰椎受伤的风险最大;乘员腰椎峰值压缩载荷、椅盆峰值压力随座椅俯仰角的增大而增大,呈2次函数关系,增长逐渐趋于平缓。
基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟
杨贞军, 黄宇劼, 尧锋, 刘国华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0559
摘要:
开发MATLAB 和ABAQUS Python脚本程序,建立含随机三维多面体骨料的混凝土细观有限元模型。通过自编高效C++程序插设三维零厚度的粘结界面单元,以模拟复杂三维离散多裂缝的起裂与扩展。对典型混凝土试件单轴拉伸断裂的模拟,分析粘性界面单元的主要材料参数(抗拉强度与断裂能)对应力-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征的影响。结果表明:宏观应力-位移曲线主要受砂浆、界面粘性裂缝单元的抗拉强度、断裂能绝对数值的影响;裂缝面的位置与形态决定于砂浆、界面粘结裂缝单元的抗拉强度相对比值以及断裂能相对比值;混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于断裂材料参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响;建立的有限元模型能有效描述混凝土复杂三维断裂过程。
预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土叠合柱框架中节点受剪性能分析
王琨, 查志远, 刘宏潮, 陈再现
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0517
摘要:
基于ABAQUS平台,建立了预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土叠合柱框架中节点精细化数值有限元模型,计算得到了柱顶水平荷载-位移滞回和单调加载曲线。在对比计算单调加载和实测滞回曲线基础上,研究了节点在柱顶水平荷载下的破坏全过程,细致考察了框架中节点的混凝土、型钢骨架、钢筋骨架以及预应力筋的应力状态,探讨了此类框架节点的破坏机理;基于参数分析结果,研究了轴压比、预应力度、核心区钢管配钢率和配箍率对节点柱顶水平荷载-位移曲线和核心区剪力-剪切变形的影响,提出了节点核心区受剪承载力计算公式。研究结果表明,当节点试件水平荷载达到峰值点时,核心区钢管、箍筋及预应力筋均达到屈服,核心区混凝土被压碎,此时可作为节点核心区抗剪承载力计算的标志;提出的节点核心区的抗剪承载力计算公式,可供工程设计参考。
正交异性钢桥面板典型细节疲劳强度研究
王春生, 翟慕赛, HouankpoT O N
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0518
摘要:
为合理确定正交异性钢桥面板疲劳强度,该文对国内外疲劳试验成果进行分析,确定有效的钢桥面板疲劳试验数据,结合典型细节疲劳开裂机理,提出适应于中国抗疲劳设计与建造水平的钢桥面板疲劳强度等级(200万次循环对应的疲劳强度)。研究结果表明:顶板与纵肋连接细节疲劳强度受焊缝型式影响较大,采用角焊缝连接时疲劳强度为50级,采用部分熔透焊缝连接时为60级;纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处疲劳强度为70级,纵肋腹板焊趾处为55级;横隔板挖孔细节疲劳强度为70级;纵肋拼接细节疲劳强度与拼装间隙密切相关,拼装间隙小于3 mm时疲劳强度为40级,拼装间隙4 mm~6 mm时疲劳强度为70级,拼装间隙8 mm~12 mm时疲劳强度为100级。纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处、横隔板挖孔细节和纵肋拼接细节疲劳强度与现行中国JTG D64规范一致,而顶板与纵肋连接细节、纵肋与横隔板连接细节纵肋腹板焊趾处疲劳强度低于JTG D64中的疲劳强度等级。在进行正交异性钢桥面板抗疲劳设计或疲劳评估时,应综合考虑细节构造、制造质量以及实际使用状况等因素,采用合理的疲劳强度等级。
基于FEMA P-58的RC框架结构抗震及减隔震性能评估
杜轲, 燕登, 高嘉伟, 孙景江
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0551
摘要:
该文采用FEMA P-58理论进行RC框架结构抗震及减隔震性能评估。设计了一栋典型多层RC框架结构,并在此基础上添加屈曲约束支撑以及隔震支座形成BRB-框架结构与隔震框架结构,采用OpenSees软件建立了3个结构的有限元模型,选取合适的地震动记录并调幅,对三个结构进行了非线性结构响应分析。针对多遇地震、基本地震、罕遇地震、极罕遇地震4个地震动强度,使用FEMA P-58理论中基于强度的方法,对三个结构在四个地震强度下进行性能评估,并针对各性能指标的评估结果进行对比分析。地震损失评估结果显示,采用隔震框架结构与BRB-框架结构可以有效降低建筑物在地震作用下的维修成本与维修时间。与普通框架相比,在罕遇地震作用下隔震结构的维修成本与维修时间可降低65%与58%,BRB-支撑框架结构可降低47%与34%。
空调塑料材料的碰撞失效模拟研究
李祖吉, 黄云艳, 刘怀灿, 耿建军, 朱耀辉, 张文超
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0482
摘要:
研究空调内机塑料材料ABS-121H在跌落工况下的力学行为。通过准静态、动态拉伸力学实验和失效实验,分别建立了不同应变率下材料弹塑性模型及LS-DYNA软件的GISSMO失效模型,并通过整机零部件实验及仿真对材料弹塑性模型和失效模型准确性进行验证。结果表明:考虑应变率效应的材料弹塑性模型可以准确反映结构的加速度和刚度,GISSMO失效模型可以准确预测材料复杂应力状态下的断裂失效行为。该研究为空调跌落仿真的材料模型建立提供参考。
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,本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。文中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,将本文方法、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,本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,文中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。
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,日本指南公式则比较保守;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。最后,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计算公式,通过文献中3组试件及该文6组试件进行验证,结果表明该承载力计算公式具有较高的准确度和较小的离散性。
基于非线性气动力的失速颤振计算与试验研究
戴玉婷, 严慧, 王林鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0141
摘要:
飞行器大攻角飞行过程中的动态失速会导致结构自激扭转或俯仰运动,造成非线性失速颤振现象,直接影响飞行器飞行安全与结构安全。该文对标准Leishman-Beddoes非线性非定常气动力模型进行马赫数修正,使其适用于低速不可压情形的动态失速气动力计算,然后基于二元翼段气动弹性模型,采用Newmark时域推进方法进行工程失速颤振计算。依据计算结果设计并完成了二元翼段失速颤振风洞试验。试验结果表明,多数试验状态,基于L-B模型的失速颤振计算结果与试验结果均吻合较好。结果验证了修正的L-B模型可以用来进行低速大展弦比平直翼段翼型的失速颤振工程分析与极限环振荡评估,同时,失速颤振速度与极限环幅值受初始攻角的影响很大。
基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观性质模拟
潘洪武, 王伟, 张丙印
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0490
摘要:
采用离散元等数值模拟方法研究粗颗粒土体材料的细观力学行为,是近年来岩土力学的热点研究课题。提出了一种基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观力学行为模拟分析新方法。该法将土体颗粒剖分成一定数量的单元,通过计算接触力学方法模拟颗粒间的多体接触行为,是一种基于有限元变分原理的隐式数值求解方法,具有严格的理论基础。和离散元法方法相比,该方法在描述颗粒本身的力学特性方面具有优势,可以计算得到颗粒内部的应力分布情况,从而为颗粒破碎等细观行为的模拟计算提供依据。利用所发展的粗颗粒土体多体接触有限元计算程序,进行了不同围压的常规三轴数值试验,模拟计算结果符合粗颗粒土体材料三轴试验的一般规律,初步验证了所提出的计算方法的适用性。
扭转振动数值分析的粘弹性传输边界
付浩, 仝睿, 宋二祥
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0685
摘要:
传输边界是动力问题有限元计算中常见的边界处理方式。该文针对扭转振动引起半无限域内柱面剪切波有限元分析的传输边界,通过两种近似推导,提出了两种粘弹性传输边界,并对其计算精度进行了计算分析。数值分析结果显示,两种粘弹性边界都可以较好地模拟扭转振动分析时地基的无限性。同时,对这里考虑的扭转振动来说,粘弹性边界条件中的弹簧刚度与实际静力刚度相等时,传输边界的精度更高。
圆形隧道横断面地震响应简化解析方法的数值验证
赵密, 邵伟昂, 黄景琦, 杜修力, 王媛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0593
摘要:
简化解析方法因在隧道初步设计中可快速估算隧道结构的地震内力及变形而得到广泛应用,因此对简化解析方法的使用条件及精度进行评价具有重要的工程意义。该文以时域波动有限元方法的数值模拟结果为标准,对Wang、Bobet和Park等3种经典的简化解析方法在不同场地土类别及不同埋深条件下的精度进行了对比验证。结果表明:三种简化解析方法具有相同的轴力预测值,埋深较小时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加而逐渐减小,但埋深较大时解析解与数值解的误差随着柔度比的增加先增加后减小;Bobet与Park方法的预测弯矩相同且精度明显优于Wang的方法,其精度随着柔度比的增加而具有逐渐变好的趋势;对于软弱土、中软土、中硬土、坚硬土和岩石等五种类别的场地土,隧道埋深分别大于10 m、5 m、5 m、1 m和1 m时,Bobet与Park方法的轴力与弯矩误差均能小于15%。
考虑土-结构相互作用的核电厂楼层反应谱研究
高永武, 王涛, 戴君武, 金波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0675
摘要:
楼层谱是核电厂设备、管道抗震设计和抗震裕度评估的重要依据。为了研究不同烈度下场地土对核电厂楼层谱的影响,本文使用叠层剪切土箱模拟土体及其边界条件,对某新型核电厂房进行1:25缩尺模型地震模拟振动台实验。选取10组水平加速度地震动记录,按照运行安全地震动(OBE)0.15 g、极限安全地震动(SSE)0.30 g和超设计基准地震动(ULE)0.75 g作为输入。在考虑土-结构相互作用条件下,研究不同地震动强度引起楼层谱的变化规律,并对《核电厂抗震设计规范》中楼层谱确定方法的输入基准地震动进行讨论分析。根据设备响应比分析,揭示了现有核电设备抗震裕度评估方法具有一定的保守性,特别是设备响应比为1/1.5~1.5,采用现有抗震裕度评估方法得到的设备抗震裕度可能小于审核地震动。为了得到该设备的真实抗震裕度,建议对这些设备做更详细分析。
内置钢板-高延性混凝土组合连梁抗震性能试验研究
邓明科, 张敏, 张阳玺, 陈森
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0568
摘要:
为提高钢板与混凝土的协同变形能力,提出采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土,设计了2个内置钢板-高延性混凝土(HDC)组合连梁与2个内置钢板-混凝土组合连梁对比试件。通过拟静力试验,研究试件的破坏过程、破坏形态、滞回特性、耗能能力及刚度退化等。结果表明:跨高比为1.5的试件均发生剪切破坏,跨高比为2.5的试件均发生剪切粘结破坏;与混凝土组合连梁相比,HDC组合连梁的延性和耐损伤能力均得到明显提高;试件发生剪切破坏时,HDC组合连梁较混凝土组合连梁的极限位移角和累积耗能分别提高了44.4%和83.5%;试件发生剪切粘结破坏时,HDC组合连梁的耗能能力仍有较大幅度提高。根据4个小跨高比组合连梁试验结果,计算得到其设计剪压比为0.48~0.57,明显高于小跨高比连梁的剪压比限值。基于试验结果和受剪机制分析,提出了小跨高比组合连梁的受剪承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好。
横风下移动列车非定常气动力计算
姚志勇, 张楠, 程泽农
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0730
摘要:
为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,本文首先介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;然后基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;最后通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。
滞后阻尼体系地震反应的中心差分虚初始条件法
祁文睿, 潘旦光, 高永涛, 付相球
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0596
摘要:
针对滞后阻尼体系的直接积分法解发散问题,提出了中心差分虚初始条件法。该方法以实数初始条件为基础,建立相应的虚初始条件,以消除自由振动中的发散项,而使直接积分法的计算结果收敛到稳定解;并以有条件稳定的中心差分数值计算方法为基础,建立中心差分虚初始条件法的直接积分程序;然后,对三个不同自振频率体系在三条地震波作用下进行中心差分虚初始条件法、解析解和频域解的数值计算。计算结果表明,频域分析结果仅包含稳态解,这将导致低自振频率体系在振动的初始阶段将产生显著误差;中心差分虚初始条件法对不同工况的计算结果都是稳定的,且收敛到包括瞬态反应的解析解。
风-波浪荷载对海上风机地震响应的影响
席仁强, 许成顺, 杜修力, 许坤
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0715
摘要:
建立广义单自由度模型,考虑运行、停机两种工作状态,揭示风-波浪荷载影响海上风机地震响应的机理。针对NREL 5MW单桩式海上风机,通过风-波浪统计关系确定波浪谱参数,采用FAST软件分析结构地震响应,验证初步分析结果的正确性,并探讨风-波浪影响海上风机地震响应的规律。结果表明:风-波浪作用的气动阻尼和动荷载效应使其显著影响海上风机地震响应;对于运行状态的海上风机,轮毂高度处平均风速等于额定风速时,支撑结构最危险;强震作用下,风-波浪作用减小泥面内力和塔顶位移幅值;弱震作用下,风-波浪荷载增大泥面内力和塔顶位移幅值。
拟静力作用下群钉连接件抗剪性能研究
赵根田, 侯智译, 高鹏, 王达
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0513
摘要:
为研究低周往复荷载作用下群钉连接件的劣化过程和退化机理,以栓钉直径、混凝土强度等级、加载方式为参数设计9个试件进行试验,并采用ABAQUS进行精细分析,研究群钉抗剪连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等指标。结果表明:混凝土强度相同时,试件的抗剪承载力随栓钉直径的增加而提高,而抗剪刚度和能量耗散等指标变化不明显。对于直径较大的栓钉,各项性能指标还会出现劣化。混凝土强度增加,试件的抗剪承载力和抗剪刚度提高,耗能增加,滑移值减小。低应力循环加载时,试件较早出现损伤累积,其损伤累积速度随栓钉直径的增大而增加。高应力循环加载时,试件表现出损伤累积滞后现象,在第3个循环节开始出现损伤快速累积。群钉多层排列时,栓钉传力不均匀,靠近加载端的栓钉承担的剪力大于其他栓钉。当混凝土强度在C35和C45之间时,建议采用直径16 mm的栓钉与之搭配。
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。
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。
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。
轴向往复运动抽油杆柱在弯曲井眼内横向振动的仿真模型
王宏博, 董世民
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0731
摘要:
抽油杆柱横向振动的研究是分析油井杆管偏磨现象的基础。本文将定向井抽油杆柱在弯曲井眼内的横向振动问题简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在油管约束下的横向振动问题。除考虑交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励外,首次提出弯曲井眼也是轴向往复运动抽油杆柱横向振动的主要激励。综合考虑弯曲井眼对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励,以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述油管对抽油杆柱横向振动的约束,基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在弯曲井眼内的横向振动仿真模型。采用有限差分法与Newmark法实现了对定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算。仿真结果表明:(1)仿真结果与现场实际偏磨情况相符,说明在分析抽油杆柱横向振动时,轴向运动导致的弯曲井眼激励是一项不可忽略的因素。(2)算例油井中,杆管偏磨的危险点主要出现在油井的造斜段与抽油杆柱的受压段。本文所建立定向井抽油杆柱横向振动仿真模型可用于指导抽油杆扶正器的优化配置。
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:
本文用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。
外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱耐火性能研究
李佳奇, 王蕊, 赵晖, 王会文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0679
摘要:
为研究外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能,本文采用ABAQUS对该类组合构件的耐火极限进行了有限元分析。首先,对比分析了外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱与普通外包碳素钢中空夹层钢管混凝土柱受火机理的不同。其次,研究了截面直径、空心率、荷载比和材料强度对构件耐火极限的影响。研究结果表明:外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱比外包碳素钢中空夹层钢管混凝土柱具有更好的耐火性能;该类构件的耐火极限受截面直径和荷载比的影响较大,空心率和材料强度对构件的耐火极限也有一定影响。本文在参数分析基础上给出了外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱的抗火设计建议。
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。本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,使得舒尔补矩阵维数较大,本文采用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。
缺陷可检修型半灌浆套筒连接拉伸性能试验研究
陈曦, 苗启松, 杨参天, 閤东东, 刘谦敏, 解琳琳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0644
摘要:
为解决灌浆套筒的施工质量检测和修补的难题,本文提出了一种缺陷可检修型半灌浆套筒(Defect detectable and repairable half grouted sleeve,简称为DDRHGS)。为了验证DDRHGS连接接头的拉伸性能和修补功能的可靠性,本研究综合考虑有无灌浆缺陷、灌浆缺陷率、是否修补、修补材料种类、钢筋直径等因素影响,设计制作了26组78个连接接头试件,开展了单向拉伸加载试验。结果表明:无灌浆缺陷连接接头试件的拉伸性能可满足相关规范要求;灌浆缺陷率对连接接头试件的拉伸性能影响最为显著,较高的缺陷率会导致钢筋滑移破坏,试件的承载能力和变形能力无法满足相关规范要求;新型套筒灌浆缺陷修补功能整体可靠,48个试件的破坏模式、承载能力和变形能力与无缺陷试件基本相当,同等级灌浆料和植筋胶作为修补材料均可保证其修补质量。
社区地震安全韧性评估系统及应用示范
方东平, 李全旺, 李楠, 王飞, 刘影, 顾栋炼, 孙楚津, 潘胜杰, 侯冠杰, 汪飞, 陆新征
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0670
摘要:
韧性是指系统在受到外界扰动时抵抗、调整、恢复和适应的能力。北京历史上多次发生重大地震灾害,地震风险非常严峻。提升地震安全(Safety)韧性(Resilience)是北京市防灾减灾工作的重点之一。目前虽然对地震韧性问题已有诸多研究,但是尚缺少可以实操的区域地震韧性评价方法和工具。在北京市地震局的支持下,清华大学团队提出了可操作的社区韧性定量评价方法,并以一个典型社区为研究对象,开展了地震安全韧性评估工作,并开发了相应的系统平台。研究内容主要包括:社区韧性评估体系;建筑系统韧性评估;交通系统韧性评估;生命线系统韧性评估;非实体系统韧性评估,并在此基础上开发了韧性评估系统应用示范软件平台。评估结果表明:该社区整体韧性水平有待提升。其中,交通系统满足需求的能力较其他系统高;建筑系统韧性水平不足,但在不同地震强度下满足需求的能力较为稳定;生命线系统在地震强度较低时韧性水平较高,地震强度较高时韧性水平较低,满足需求的能力与地震强度密切相关。针对上述结果,研究针对建筑系统提出了若干韧性提升措施并进行了讨论。本研究定量评估了包含多个子系统的典型社区地震安全韧性水平,成果可以作为示范为未来北京市范围内的推广应用提供参考。
纤维增强复合板中声弹Lamb波的波结构分析
刘宏业, 刘申, 吕炎, 何存富, 周丽红
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0565
摘要:
基于线性三维弹性理论和“增量变形力学”理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了在水平和垂直方向施加初应力时,沿纤维增强复合板的非主对称轴方向传播的声弹Lamb波的波动方程,并对波动方程进行数值求解。为了验证方法的准确性,首先将本文方法求解的各向同性材料的相速度频散曲线与Disperse®软件的计算结果进行比较,两者吻合良好。然后以单层单向纤维增强复合材料板为例,计算了无初应力状态下的波结构应力曲线,并与应力自由边界初始条件的一致性进行了比较。最后,研究了水平和垂直方向初应力效应对Lamb波频散曲线的影响。针对声弹效应较为敏感的Lamb波A0模态,着重分析了初应力效应对波结构位移分布曲线的影响。
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。
RC框架结构地震均匀损伤优化设计
白久林, 陈辉明, 孙博豪, 金双双
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.10.0572
摘要:
地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,本文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。
考虑非平稳因素的混凝土桥梁概率极限状态评估
袁阳光, 韩万水, 李光玲, 郭琦, 许昕, 孙建鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0561
摘要:
为建立混凝土桥梁构件的概率极限状态评估方法,借助等超概率原则分析我国在役桥梁构件评估周期及评估基准期,引入个体风险准则、社会风险准则、生命质量指标及成本优化方法确定构件运营阶段目标可靠指标,分别考虑非平稳及平稳概率模型进行荷载效应及抗力评估值确定,基于可靠度理论开展运营阶段评估分项系数校准,并以一座在役桥梁为例进行算例分析。结果发现:考虑我国在役桥梁运维实际情况,构件评估周期、评估基准期可分别取为6年、10年;对于一级、二级、三级延性破坏构件,评估目标可靠指标分别建议为3.37、3.13及2.85;采用一般运行状态或密集运行状态下平稳车辆荷载效应模型进行评估时,评估标准值可分别取为设计汽车荷载效应的0.705及0.805倍,考虑非平稳车载过程进行评估时,可在连续非平稳过程离散化的基础上,引入动态广义极值模型确定评估基准期内荷载效应最大值分布,并以0.95分位值作为评估标准值;对于重要性等级为一级的延性构件,恒载效应及抗力评估分项系数分别建议为1.056与1.194,一般运行状态与密集运行状态汽车荷载效应评估分项系数建议值分别为1.081与1.054,研究成果可为现行桥梁构件安全评估方法修订提供参考。
浮放花瓶动力反应机理与振动台试验研究
黄宝锋, 华夏, 卢文胜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0536
摘要:
浮放非结构构件在地震作用下遭到破坏的案例时常发生。浮放花瓶是一种常见的馆藏文物及装饰摆件,在动力作用下,浮放花瓶理论的基础运动模式有4种,即相对静止、相对滑移、摇摆、摇摆伴随滑移。这四种运动模式的产生与浮放非结构构件自身属性(高宽比、重心位置等)、接触面摩擦系数以及地震动特性(波形峰值、频率等)等因素密切相关。该文针对浮放在大理石地面的花瓶,采用慢速推拉的方法测得了花瓶底部与大理石表面间的摩擦系数。选取了4条具有代表意义的波形,即2条天然波和2条人工波开展振动台试验。试验结果表明,花瓶的运动模式与输入加速度峰值和接触面摩擦系数有密切的关系,加速度峰值越高,地震反应越大;并且,在人工波作用下花瓶的地震反应比El Centro波作用下的大。从试验中注意到,花瓶运动时重心处加速度与重力加速度的比值和动摩擦系数相等,试验结果与理论分析结果基本吻合。
直立锁缝金属屋面加强抗风揭能力的优化设计
许秋华, 万恬, 刘凯
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.ST13
摘要:
中国2012年以前设计的直立锁缝金属屋面板的公共建筑,因按2006年版荷载规范设计导致设计负风压取值明显偏低而出现了金属屋面板风揭破坏,所以加强其抗风揭能力对此类既有公共建筑的安全使用至关重要。结合直立锁缝屋面系统现已广泛运用于公共建筑屋面系统中的实际,该文阐述了直立锁缝金属屋面系统抗风揭原理,对复杂受力状态下的直立锁缝屋面板系统各关键组成部分在极端暴风工况下的抗风揭能力进行了初步分析:该文从昌北机场T2航站楼工程既有直立锁缝式金属屋面系统破坏后加固设计案件的实际需要出发,通过分析直立锁缝金属屋面系统的传力路径及其破坏特点,探讨了既有直立锁缝式金属屋面系统确保重点区域、兼顾一般区域并通过实物抗风揭对比试验确定的加强设计优化思路,提出了通过实物抗风揭试验来进行评价及具体优化的方法;通过系列抗风揭承载性能的对比试验,提出了在既有直立锁缝式金属屋面板在一般区域及加强区域分别于支座上增加不同间距夹具的有效方法,并提出了对此类屋面板抗风揭承载力设计的优化建议,特别提出了要进一步提高既有直立锁缝金属屋面板板头部位的防掀能力,避免产生“撕纸破坏连锁效应”。不仅可以为此类既有屋面的加固设计提供科学依据,而且为类似大型场馆金属屋面新建工程的设计提供有价值的参考。