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2008年  第25卷  第增刊Ⅱ期

基本方法
膜结构极小曲面找形分析的一种线性化近似方法及其有限元线法求解
袁 驷, 刘学林, 叶康生
2008, 25(增刊Ⅱ): 1-006.
摘要:
膜结构的极小曲面找形分析是一个非线性问题,求解时需要进行大量非线性迭代,并需要一个合理的初始解作为收敛的保证,计算繁琐、量大且难度高。该文利用积分中值定理和归一化手段对曲面面积的表达式进行一种特殊的线性化,将原非线性问题转化为线性问题,使问题得到本质性的简化。该线性问题的解答作为原问题高质量的近似解,既可用于结构的初步设计阶段了解膜面的大概形状,亦可作为精细的找形分析中非线性迭代求解的初始解。该线性化方法的误差主要来源于映射参数分布的不均匀性,对于常见的可用平行四边形剖分的膜,其逼近精度相当高。有限元线法(FEMOL)是一种基于常微分方程(ODE)求解的半解析方法,其高度的解析性和解的光滑性特别适合于膜结构的分析。该文采用高次线法单元分析求解转化后的线性问题,只需一次求解,无需任何迭代。数值算例表明:该方法是一种简单、高效、高逼近度的膜结构找形分析方法。
追究根基的结构拓扑优化方法
隋允康, 叶红玲, 刘建信, 陈 实, 宇慧平
2008, 25(增刊Ⅱ): 7-019.
摘要:
结合作者在结构拓扑优化方面的研究工作,围绕了ICM(独立、连续、映射)方法涉及的基本概念上的突破,叙述了将本质上为0-1离散变量的拓扑优化问题转化为连续变量优化问题的具体做法,其中介绍了若干要点:以阶跃函数把离散问题化为连续问题即完成关键的等价性转换是第一步;定义磨光函数逼近阶跃函数的可操作的近似是第二步;引入作为磨光函数反函数的过滤函数实现映射性建模是第三步;采用某些光滑算法求解连续变量模型则是第四步。通过连续体结构的典型数值算例说明了将结构拓扑优化的模型转化为独立层次的拓扑优化过程。该方法对于纯数学的0-1离散变量优化的求解也适用,方法与数值都表明了这一点。
混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析
徐世烺, 赵艳华
2008, 25(增刊Ⅱ): 20-033.
摘要:
该研究工作对混凝土这一多相的复合材料,通过实验和理论相结合的科学手段,建立了一套完整的描述混凝土裂缝发展的断裂理论以及分析方法。根据实验观测结果提出了双K断裂参数,可以反映混凝土裂缝发展特性。在线形渐进叠加假定基础上,给出了双K断裂参数的解析表达式。根据分布于断裂过程区上粘聚力对裂缝扩展阻力的增强作用,得到了双K断裂参数适用的解析解,并通过实验分析了各种可能因素对双K断裂参数的影响。在考虑粘聚力影响条件下,提出了裂缝扩展阻力的新KR曲线,并将双K断裂参数与之对应起来。研究工作又通过能量的观点提出了与双K断裂参数相对应的以能量释放率为参数的双G断裂参数。通过数值计算和实验分析证实了能量法和应力场法在描述混凝土断裂性能方面的等效性。
基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用
朱宏平, 王丹生, 张俊兵
2008, 25(增刊Ⅱ): 34-043.
摘要:
结构材料早期的微小损伤若未及时发现,会不断改变结构的强度与刚度,引发结构的累计损伤,从而导致结构的突发性失效,因此,及时准确地识别结构材料早期微弱和潜在的损伤具有重要的理论与应用价值。观察结构内部真实裂纹的产生、传播以及确定内部任意位置的微观应力场一直是土木工程领域一个难题。论文利用压电陶瓷电机耦合阻抗(PZT)对结构微小损伤敏感、对外界环境影响免疫力强等特点,研究基于PZT监测信号的混凝土/钢结构微损伤的识别技术,为混凝土/钢结构健康评估提供准确与可靠的依据。介绍了作者所在课题组在利用PZT阻抗方法进行混凝土/钢结构微损伤识别方面的主要研究成果,并指出了该领域存在的困难和需要解决的主要问题。
基于有限单元法的岩土边坡动力稳定分析及评价方法研究进展
张国栋, 刘 学, 金 星, 李 勇, 肖尚斌
2008, 25(增刊Ⅱ): 44-052.
摘要:
该文给出了基于有限元法的岩土边坡动力稳定分析的主要方法,对这些分析方法进行了较为详细的表述和分析,在此基础上提出了平均地震系数计算的新方法,即对潜在滑动区域分块按有限元法计算地震系数,进而再按拟静力法计算安全系数。为了考虑滑动体变形对地震稳定系数和永久变形的影响,应建立地震响应与地震永久变形相耦合的计算方法。指出边坡在地震荷载作用下产生的永久位移或累积变形作为边坡稳定性评价指标是科学合理的。最后提出了基于性态的边坡抗震设计方法,包括边坡抗震性态水准的划分、性能指标的建立和抗震设计方法。
巨型结构自振特性的影响因素分析
邹 昀, 吕西林
2008, 25(增刊Ⅱ): 53-056.
摘要:
巨型结构体系是适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系,该文选取上海环球金融中心大厦为研究对象,该结构采用巨型框架结构、钢筋混凝土筒结构和伸臂钢桁架组成的三重结构体系抵抗水平荷载,进行了整体结构模型的振动台试验,并利用有限元软件ANSYS进行了自振特性分析,理论分析与试验结果进行了验证,探明了该巨型结构体系的动力特性和主要影响因素,可供工程设计人员在结构选型和方案设计时参考。
超高强度钢材焊接截面残余应力分布研究
班慧勇, 施 刚, 石永久, 王元清
2008, 25(增刊Ⅱ): 57-061,.
摘要:
超高强度钢材(屈服强度≥460MPa)已经在多个钢结构实际工程中得到应用,但关于其构件截面残余应力以及轴心受压整体稳定性的研究还很少。该文总结了国外已有的超高强度钢材焊接截面残余应力的试验测量结果,针对工字形、箱形和十字形三种焊接截面,分析了截面残余压应力与板件宽厚比的关系,并提出了这三种焊接截面超高强度钢材构件残余应力的分布模型和具体计算公式,为研究超高强度钢材受压构件的整体和局部稳定受力特性提供了前提条件。
土木工程学科
薄柔构件钢框架的承载性能特点研究
陈以一, 吴香香, 程 欣
2008, 25(增刊Ⅱ): 62-070.
摘要:
对轻量化钢结构中具有低延性特征的薄柔构件钢框架进行了研究。介绍了关于大宽厚比H形截面钢构件的系列试验研究结果,阐述了根据抗震承载能力和变形能力要求综合控制构件轴压比、翼缘-腹板组合宽厚比的评价方法,研究并提出了对薄柔构件钢框架破坏模式和延性性质具有决定影响的构件能力参数,以及关于利用这类框架低延性特点进行抗震设计的建议。
高性能混凝土抗裂性能研究
郑建岚, 罗素蓉, 王雪芳
2008, 25(增刊Ⅱ): 71-098.
摘要:
该文对高性能混凝土的抗裂性能进行了系统的研究,主要包括:高性能混凝土收缩与抗裂性能的试验方法,研制出一种测试混凝土抗裂性能的诱导开裂试验方法,该方法避免了混凝土裂缝出现位置的随机性以及混凝土塑性沉降引起的材料不均匀等带来的测试结果不准确,同时研制出一种多点、实时、自动监测混凝土试件开裂时间的系统,可应用于测试混凝土早期的裂缝出现时间;进行了大量自生收缩试验和干燥收缩试验,对影响高性能混凝土自生收缩和干燥收缩的因素进行了深入的研究,提出了减少收缩变形的混凝土原材料选用和粉煤灰及矿渣单掺与多掺的最佳掺量,提出了高性能混凝土自生收缩和干燥收缩计算模型;采用平板诱导开裂法和圆环测试系统进行了大量的抗裂性能试验,深入研究了混凝土原材料特别是粉煤灰及矿渣影响高性能混凝土抗裂性能的规律,提出了实现高抗裂性能的混凝土原材料选用和粉煤灰及矿渣单掺与多掺的最佳掺量;研究成果成功地应用于实际工程中,取得了显著的技术和经济效益。
武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究
秦顺全
2008, 25(增刊Ⅱ): 99-105.
摘要:
天兴洲公铁两用长江大桥是北京至广州客运专线在武汉跨越长江的重要桥梁,其主桥为主跨504m的双塔三索面三主桁斜拉桥,铁路、公路分上下两层布置。重点介绍武汉天兴洲公铁两用长江大桥结构体系、主桁结构、基础选型和施工等关键技术及研究成果。
土木工程结构振动的智能控制
瞿伟廉
2008, 25(增刊Ⅱ): 106-116.
摘要:
该文主要介绍磁流变液阻尼器及其对工程结构振动的智能控制方法。指出了磁流变液阻尼器及其智能控制方法在目前研究中存在的三个主要问题:磁流变液的稳定性指标达不到要求、磁流变液阻尼器的半主动控制策略还存在缺陷、相对于常规被动阻尼器的技术优势得不到体现。针对此问题,建立了使磁流变液的稳定性达到国际领先水平的磁流变液的设计与制备方法及技术,提出了半主动控制效果优于“被动-开”的改进的固定增量半主动控制策略,并应用该理论和技术解决了常规阻尼器所不能解决的三类工程结构振动控制问题。工程实例的设计和仿真分析表明:该研究解决了磁流变液阻尼器对土木工程结构振动智能控制中存在的三个问题,使磁流变液阻尼器的智能控制方法与常规的结构振动控制方法相比具有较强的技术优势和应用前景。
超高层建筑巨型框架-核心筒结构体系的三维半解析分析模型及其应用
龚耀清, 张家彬
2008, 25(增刊Ⅱ): 117-122.
摘要:
将超高层建筑空间巨型框架-核心筒结构体系与其基础等效连续化为一个支撑在半无限大弹性体上的加劲薄壁筒组合体,建立了集地基、基础、上部结构为一体的三维共同工作分析模型;并以此模型,利用半解析方法讨论了该结构体系的共同工作特性。分析计算结果表明:模型的简化是合理的、可行的。
高效、节能、环保预制钢筋混凝土结构住宅体系及其产业化
张季超, 楚先锋, 邱剑辉, 李 楠, 刘 波, 曹军伟, 李于辉, 许 勇, 杨作用
2008, 25(增刊Ⅱ): 123-133,.
摘要:
高效、节能、环保的住宅体系是社会发展的必然趋势,住宅产业化是我国经济发展、城市化进程不断加快的必然选择。结合万科在住宅产业化方面的探索,作者通过一系列的新型装配式预制钢筋混凝土结构体系节点试验,对其受力特性、抗震性能及其破坏模式等方面进行了研究,形成系统的装配式预制钢筋混凝土结构试验研究,可为此种结构体系的推广应用提供试验论证。
随机初始几何缺陷对柱列支撑受力的影响
赵金友, 张耀春, 张文元
2008, 25(增刊Ⅱ): 134-138.
摘要:
采用蒙特卡罗方法,研究了柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合对柱列支撑受力的有利影响。应用有限元程序ANSYS对带有不同初始几何缺陷分布的柱列纵向支撑体系进行了大量的仿真分析,得到了柱列纵向支撑体系的四种失稳模式;通过概率统计得到柱中水平撑杆所受内力的概率密度函数,确定了可用于实际工程设计的支撑力的大小。结果表明:柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用导致柱中水平撑杆受压或拉力的随机性,降低了支撑力,比《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中柱列支撑设计公式算得的支撑力小许多。
某大跨度网壳结构的稳定性分析
刘文静, 李 黎, 龙晓鸿
2008, 25(增刊Ⅱ): 139-143,.
摘要:
稳定性分析是网壳结构,特别是单层网壳结构设计中的关键问题。该文以某大跨度球类馆为工程实例,采用非线性有限元法针对承载力计算时的11种工况进行整体稳定计算,考虑了材料和几何非线性,对实际工程进行了第一类和第二类稳定分析,其中,第二类稳定分析采用截面边缘纤维屈服准则,该文给出了两种典型工况的第一类稳定屈曲模态和两类稳定系数。结果表明:该网壳结构的第一类稳定符合相关规范的要求;其第二类稳定性较差。因此,第二类稳定分析应该受到重视。
冲击荷载下K8单层球面网壳的破坏类型
王多智, 支旭东, 范 峰, 沈世钊
2008, 25(增刊Ⅱ): 144-149.
摘要:
首先介绍求解冲击问题解析法与数值法的算法基础,以及有限元求解的基本解法(中心差分法)。之后介绍了以上述为理论基础的计算冲击荷载的国际通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。并分别用解析法与有限元软件求解同一简单模型,互相校核;二者结论接近,验证了软件求解功能及相关参数设置的正确性。随后在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了60m跨度K8型单层球面网壳抗冲击模型,在上述基础上,通过对135个算例的分析总结,根据竖向变形与塑性发展情况总结了K8单层球面网壳结构在顶点冲击荷载下的五种破坏类型及其分布规律。
钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法的研究
陆新征, 李 易, 叶列平, 马一飞, 梁 益
2008, 25(增刊Ⅱ): 150-157.
摘要:
首先简要介绍了国外抗连续倒塌设计规范的主要设计方法和分类设计体系,然后重点对钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌拆除构件设计法和拉结强度设计法进行较为深入的分析研究。在基于非线性动力分析的拆除构件设计法进行分析的基础上,对基于线弹性静力分析的拆除构件法的原理和设计参数进行了分析和验算,提出适合我国工程结构的设计参数。分析了国外规范拉结强度设计法应用于按我国规范设计的框架结构的不适用性及其原因,并对国外规范拉结强度设计法中基本拉结强度的计算模型所存在的不足进行了改进,提出了考虑空间传力路径等因素的拉结强度设计法。通过算例对该文建议的线弹性静力拆除构件设计法和拉结强度设计法进行了设计 验证。
高轴压比下内藏桁架的混凝土组合中高剪力墙抗震性能研究
张建伟, 曹万林, 王志惠, 杨亚彬
2008, 25(增刊Ⅱ): 158-163,.
摘要:
轴压比是剪力墙抗震设计中一个重要的控制因素,它直接关系到剪力墙的抗震性能。该文进行了5个1/3缩尺的轴压比为0.5的中高剪力墙的抗震性能试验研究。包括:1个普通混凝土剪力墙、1个内藏钢框架混凝土剪力墙、1个内藏钢筋桁架混凝土剪力墙、1个内藏钢框架-钢筋桁架剪力墙及1个内藏钢桁架混凝土剪力墙。在试验研究基础上,对比分析了各剪力墙的承载力、刚度及其衰减过程、延性、滞回特性、耗能能力及破坏特征;建立了承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好。试验表明:内藏钢框架及内藏桁架混凝土剪力墙的抗震性能比普通混凝土剪力墙明显提高。
地震作用下高耸结构动力响应波动分析方法
刘铁林, 姜迎春, 刘洪飞
2008, 25(增刊Ⅱ): 164-167.
摘要:
针对高耸结构沿高度方向进行空间离散并构造出控制体,基于Timoshenko梁理论,建立控制体的动力学方程。在时间域上交替运用控制体动力学方程和剪力-位移关系式、弯矩-转角关系式,提出一种研究地震作用下高耸结构动力响应的波动分析方法。利用所提出的方法对南京电视塔在地震作用下的动力响应进行分析,计算结果表明:南京电视塔受地震作用时,大塔楼处位移峰值大于有限元方法的计算结果,大塔楼处出现转动惯性力矩峰值,研究高耸结构的地震响应问题时不应忽略转动惯性的影响。所提出的方法为研究地震作用下高耸结构的动力响应问题提供了一种有效的途径。
多桩型组合桩复合地基承载力的可靠度分析
丁继辉, 袁 满, 王建国
2008, 25(增刊Ⅱ): 168-172.
摘要:
基于优化桩型的观点,将柔性桩和刚性桩组合,刚性桩和散体材料桩组合,形成多桩型组合桩复合地基,充分发挥了柔性桩、刚性桩和散体材料桩的优点,弥补了单一桩型在地基处理中的不足。通过对现有多桩型组合桩复合地基承载力计算方法进行分析,建立了多桩型组合桩复合地基极限承载力可靠度概率分析模型。用JC法进行可靠度计算。通过刚柔组合桩复合地基实例,分析了随机变量的变异性对可靠性指标影响。
体外预应力混凝土梁自振频率分析
熊辉霞, 张耀庭
2008, 25(增刊Ⅱ): 173-176.
摘要:
该文进行了3根体外预应力混凝土简支梁的动力试验,试验表明:在张拉阶段,试验梁的自振频率随预加力的增大而提高,这是与传统的线弹性理论分析结论相反的;张拉开裂之后,试验梁的自振频率明显下降。为了和试验结果进行对比,运用相关文献中体外预应力梁的频率计算公式,对试验梁的自振频率进行了计算,计算结果与试验结果在梁频率的变化趋势及数值上均有较大的出入。该文以试验为基础,结合混凝土是一种复合材料的这种特性,提出了新的计算方法。计算表明:该文提供的方法具有较好的适用性,理论分析和试验结果吻合 较好。
其他工程学科
核爆冲击波作用下高层建筑倾覆机理分析
张正威, 宋二祥, 陈肇元
2008, 25(增刊Ⅱ): 177-203.
摘要:
我国高层建筑下部大多建造附建人防地下室,上部结构与人防地下室的连接比较牢固。核爆冲击波作用下,高层建筑可能会发生很大的变形、破坏甚至倒塌。在此过程中,可能会对附建于其下的人防地下室产生较大的倾覆作用,进而导致地下室发生较大的倾覆反应并丧失其防护功能。该文研究的重点是高层建筑附建人防地下室的倾覆问题。该问题涉及结构-基础-土的相互作用,需考虑材料非线性、接触非线性、材料性能的应变率相关性及土体体积压缩硬化等特征。介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:利用动力有限元软件LS-DYNA分析了核爆冲击波作用下混凝土空心砌块墙的动力响应,利用大型通用有限元软件MSC.MARC和基于MARC平台开发的钢筋混凝土杆系纤维模型、土的修正D-P模型和桩土相互作用弹簧模型子程序,建立上部结构-地下室-土(桩)系统整体计算模型,对核爆冲击波作用下高层建筑附建人防地下室的倾覆进行了数值计算。算例计算结果表明:核爆冲击波作用下,天然地基高层剪力墙结构附建人防地下室的最大转角可能大于3°―5°,甚至完全倾覆,进而丧失其战时防护功能;桩基础可显著降低高层剪力墙结构附建人防地下室的倾覆反应,可作为高层建筑附建人防地下室抗倾覆的措施。在满足正常设计要求基础上,桩长、桩距和桩径在一定范围内的变化对地下室的倾覆反应影响不大,可以忽略。
基于4D技术的施工期建筑结构安全分析研究
张建平, 胡振中
2008, 25(增刊Ⅱ): 204-212.
摘要:
建筑施工期结构安全事故频发,使施工期结构安全分析的研究得到广泛重视。现有采用基于概率的分段静态安全分析方法,在对施工期的连续时变描述和计算精度方面存在不足。基于时变结构分析理论的安全分析能更准确地评价施工期结构的安全性能,但在实际应用方面存在着很大的局限性。该文将4D(4-Dimensional,四维)技术引入到建筑施工期时变结构安全分析中,可以为解决时变结构连续动态的全过程分析问题,提供随进度变化的结构模型、完整的数据支持和可视化表现,能简化时变结构的计算过程,提高时变结构建模和安全分析的效率,为时变分析理论的实际应用提供可行的途径和方法。该文论证了将4D技术应用于施工期时变结构安全分析的可行性,提出了4D时变结构安全分析模型和分析方法,开发了基于4D的施工管理和安全分析系统。
大跨越输电塔-线体系风振控制研究
李 黎, 尹 鹏
2008, 25(增刊Ⅱ): 213-229.
摘要:
大跨越输电塔是一种高耸柔性结构,对动荷载,尤其是风荷载比较敏感,易产生较大的动力响应。对大跨越输电塔进行振动控制研究已成为电力工程与土木工程界的一个重要研究课题,既有其重要的理论意义,又有其重要的经济价值。该文以我国“十一五”期间的重大工程之一,特高压项目晋东南-南阳-荆门1000kV汉江大跨越输电线路工程为研究背景。介绍了橡胶铅芯阻尼器在输电塔-线体系风振控制中的应用;风速场的数值模拟;不同风向角动风作用下的风振控制效果研究。并通过对钢管的轴向变形、纯刚度的影响、静风荷载的响应和输电塔可靠度的研究,验证了阻尼器的控制效果。通过对五种风向角动风作用下塔身位移、主材内力的分析计算表明:所设计的控制方案在不同风向角作用下都能达到很好的减振效果,为将来类似的工程应用提供了参考。
组合结构耐火性能研究的部分新进展
宋天诣, 韩林海
2008, 25(增刊Ⅱ): 230-253.
摘要:
组合结构的耐火性能和抗火设计原理研究是工程界所关注的热点问题。该文简要介绍了国内外研究者们在组合板、组合梁、组合柱等结构构件以及结构节点、框架和结构体系耐火性能方面取得的部分研究结果,归纳了组合结构在火灾下(后)的工作机理和抗火设计方法及耐火性能研究方面的部分新进展。该文最后对组合结构抗火研究领域需进一步开展的工作进行了探讨和展望。
基于车辆响应的桥梁结构参数的统计区间估计
李炜明, 朱宏平, 夏 勇
2008, 25(增刊Ⅱ): 254-258.
摘要:
提出了基于加入白噪声的车辆响应,对运营桥梁结构参数具备通用性的统计区间估计的方法。将运营结构的参数辨识问题先转化为了非线性优化问题,并采用Guass-Newton、Levenberg-Marquardt方法求解,再由计算所得的参数、Jacobi矩阵、残差向量进行了统计区间估计。结果表明:该方法可以基于车辆响应对运营结构的桥梁参数(如频频、刚度)进行辨识和区间估计,并具备一定的抗白噪声类干扰的能力;同时,重构的输入数据具备一定的滤噪效果。此外,通过对基于桥梁位移响应的车辆参数(如质量)的辨识,进一步验证了该方法的通用性。