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2013年  第30卷  第9期

基本方法
竖向槽钢加劲钢板剪力墙剪切屈曲
童根树, 陶文登
2013, 30(9): 1-9. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0289
摘要:
对设置多道竖向闭口加劲肋的钢板剪力墙的剪切屈曲进行了有限元弹性屈曲分析,得到了剪切应力随加劲肋抗弯和加劲肋抗扭刚度变化曲线,以加劲板临界应力等于小区格按简支计算的剪切屈曲应力为条件,得到了双面加劲肋的门槛刚度。刚度小于门槛刚度时给出了剪切屈曲临界应力与加劲肋刚度的关系;将双面加劲同单面加劲、交错单面加劲两种情况进行比较,得出了后两者的门槛刚度放大系数。与数值结果比较表明:公式具有良好精度且偏安全。
复杂系统子结构界面缝合方法
齐朝晖, 孔宪超, 李坦
2013, 30(9): 10-15,21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0357
摘要:
把设计阶段已有的部件有限元模型作为子结构,可大幅度提高复杂系统计算效率,但会使子结构交界面上的节点网格不一致。为了满足界面位移协调条件,传统方法需要构造复杂的界面单元。该文提出一种子结构界面缝合方法,可在不需要界面单元的前提下实现子结构拼接,并且在合并子结构的同时,将界面位移凝聚到合成后的子结构边界上,从而提高了计算效率,也为设计阶段的多部门分工协作提供了便利。数值算例验证了所提方法的有效性。
直接确定Rayleigh阻尼系数的一种优化方法
潘旦光
2013, 30(9): 16-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0365
摘要:
为避免构造Rayleigh阻尼矩阵过程中选择两阶参考振动模态的任意性,提出了一种直接确定Rayleigh阻尼系数的优化求解方法。在该方法中,利用输入时程的位移反应谱和模态分析结果,以结构某一动力反应的峰值误差构造目标函数,使目标函数取最小值即可得到Rayleigh阻尼系数的优化解。随后,以一栋5层剪切型建筑的谐振反应为例,系统研究了结构动力特性、激励空间分布和频谱特性对Rayleigh阻尼系数的影响。同时,验证所提方法的精度与有效性。
基于力插值的非线性梁柱单元中固定端部求积节点的积分方法
杜轲, 孙景江, 刘琛
2013, 30(9): 22-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0386
摘要:
构件进入非线性时,塑性区域一般出现在构件的端部,然而目前有限元软件常用的高斯-勒让德积分方法在端部没有求积节点,这将直接影响数值模拟的精度。该文提出在基于力插值的非线性梁柱单元中使用固定端部求积节点的积分方法,并通过OpenSees进行二次开发实现了该方法。实例分析表明,相同的积分点个数,固定一端求积节点的高斯-拉道积分方法和固定两端求积节点的高斯-洛巴托积分方法具有较高的精度,而固定两端求积节点的牛顿-科茨积分方法精度稍低,但均明显优于高斯-勒让德积分方法。建议在非线性分析中采用高斯-拉道积分方法或者高斯-洛巴托积分方法。
考虑初始残余应力的板料弯曲回弹理论分析
林策, 彭艳, 孙建亮
2013, 30(9): 28-33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0408
摘要:
在实际弯曲加工过程中,板料内部如果带有初始残余应力,将与弯曲应力发生叠加,对板料的回弹产生一定的影响。由于传统的回弹理论都没有考虑初始残余应力的影响,该文基于平面应变假设,采用服从Mises屈服准则和线性强化材料模型,推导了考虑初始残余应力的板料弯曲回弹角近似公式并基于有限元软件ABAQUS进行了残余应力板料弯曲回弹仿真对比分析。理论计算与仿真结果具有较好的一致性,验证了理论模型的正确性。研究结果表明,残余应力和厚度对板料回弹均有较大影响:沿宽度方向,不同初始残余应力处的板料回弹并不均匀;增大初始残余应力峰值和减小板料厚度均使不同初始残余应力处板料的回弹差值增大。
土木工程学科
空腹式型钢混凝土异形柱中框架抗侧刚度试验研究
薛建阳, 高亮, 刘祖强, 赵鸿铁
2013, 30(9): 34-40,46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0011
摘要:
通过对1榀1/2。5比例两跨三层的空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在反复荷载作用下的试验研究,分析了结构的弹塑性特征以及整体和层间抗侧刚度的退化过程。通过分析可知:空腹式SRC异形柱框架沿竖向的刚度分布较均匀;层刚度与整体刚度的退化均表现出由快到慢的规律;获得了层间位移角的变化与层刚度退化之间的关系;结构正、负向弹塑性性能接近,极限层间位移角大于规范规定的限值,抗倒塌能力强;空腹式型钢混凝土异形柱中框架的延性优于钢筋混凝土异形柱框架;结构破坏时可以形成梁铰机制,符合“强柱弱梁”的要求。
土与结构相互作用大比例模型试验研究
尚守平, 鲁华伟, 邹新平, 李双, 陈婉若
2013, 30(9): 41-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0305
摘要:
通过对土槽中的1/4比例的钢框架模型进行激振,测得柔性地基的结构在不同上部结构-地基相对刚度比条件下的加速度反应。把结构吊至刚性地面,输入相同的地震波,测得结构在相应工况条件下的加速度响应。根据上部结构动力平衡方程,求出结构底部的剪力。对比同一工况下柔性地基条件下和刚性地基条件下结构底部的剪力,可得结构的底部剪力折减系数。结果显示,上部结构-地基相对刚度比是影响土与结构相互作用的重要因素,随着上部结构刚度的变化,结构的底部剪力也发生明显的变化。
层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射
巴振宁, 梁建文, 梅雄一
2013, 30(9): 47-55,62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0265
摘要:
在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。
P1波在非饱和土地基表面的反射特性
陈炜昀, 夏唐代, 黄睿, 周新民
2013, 30(9): 56-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0269
摘要:
非饱和土是地表天然土体中最常见的一种形式。与饱和土不同,非饱和土内可传播四种体波:一种剪切波(S波)和三种压缩波(P1波、P2波、P3波)。其中P1传播特性与饱和土中的快压缩波相似:传播速度最快,且衰减系数最低。因此,该文运用非饱和孔隙介质理论阐述了弹性波在非饱和土中的传播特性,分析了平面P1波在非饱和土介质自由边界上的反射问题。根据边界条件,分别导出了在非饱和土自由边界上的四种反射波:反射P1波、反射P2波、反射P3波及反射S波的振幅反射系数及能量反射系数的理论表达式,并且在此基础上进行了数值计算。算例中讨论了四种反射波的振幅反射系数及能量反射系数受P1波入射角及地基土体饱和度变化的影响情况。结果表明:各反射波的振幅反射系数及能量反射系数不仅与入射角有关,也受到饱和度变化的影响。这些结论对土动力学的理论研究以及工程地震勘探具有一定指导意义。
超高韧性水泥基复合材料延性断裂性能评价准则的试验研究
刘问, 徐世烺, 李庆华
2013, 30(9): 63-69. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0361
摘要:
该文研究了超高韧性水泥基复合材料的断裂性能评价准则。对纤维体积掺量为1。5%、2。0%与2。5%的超高韧性水泥基复合材料试件进行了弯曲断裂试验,基于非线性断裂力学,应用双J参数评价其断裂性能,并分析了其JR阻力曲线。结果表明,该材料的弯曲断裂表现出延性特征。应用双J参数评价该材料的断裂性能,当流入裂缝塑性区的能量大于起裂断裂能JIC时,裂缝出现;随后,裂缝稳定扩展;当流入塑性区能量大于失效断裂能JIF时,局部裂缝出现,材料进入失稳发展阶段。该材料的JR阻力曲线存在三阶段线性关系,分别以宏观裂缝出现点与主裂缝局部化点为分界点。在UHTCC的变形稳态发展阶段,相同面积的裂纹发展量消耗的能量相同。
带加劲肋十字型钢管节点支管轴压的承载力研究
沈国辉, 陈震, 郭勇, 邢月龙, 孙炳楠
2013, 30(9): 70-75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0364
摘要:
针对带加劲肋十字型钢管节点采用有限元方法和足尺试验研究其承载力,比较两种方法的计算结果,探讨有限元中钢管节点屈曲的模拟方法,分析加劲肋贯穿对承载力的影响,最后将试验和计算结果与规范进行比较。研究表明:加带加劲肋十字型钢管节点支管轴压的最终破坏形态为环板的面外失稳;有限元中初始缺陷的最大幅值取主管管径的1/1000进行钢管节点屈曲分析是合理的;加劲肋贯穿主管的工艺可以一定程度上提高节点的刚度和承载力。
反平面电弹性偏折裂纹的一个解析解
侯密山, 徐国强, 胡玉林
2013, 30(9): 76-80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0319
摘要:
该文用复变函数方法分析了压电材料反平面偏折裂纹问题,给出了问题的解析解,讨论了分支裂纹尖端的渐进场与奇异性。利用分支裂纹尖端扩展的能量释放率与[积分,研究了主支裂纹扩展方向,结果表明:压电材料Ⅲ型裂纹扩展时的分支角[,即裂纹扩展沿着主支裂纹的延长线方向。在理论上证明了前期对压电材料反平面裂纹的直线扩展假设及其相应结果的正确性。
基于环境激励的钢管混凝土拱桥工作模态识别及修正
李晰, 张德义, 闫维明, 陈彦江
2013, 30(9): 81-88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0275
摘要:
为了对已经运营多年的钢管混凝土拱桥结构的抗震性能进行验算和评估,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,建立其用于抗震分析的初始有限元动力模型,利用设置在拱桥上的健康监测系统,在环境激励下,采用FDD法对实际结构的工作模态进行识别,依据识别结果采用零阶近似法对初始有限元模型进行了修正。通过模态识别到模型修正的途径,可以将健康监测系统与抗震分析联系起来,为抗震分析提供一个基于实际状态的更为准确的动力分析模型。结果表明:FDD法可以准确识别出钢管混凝土拱桥的前5阶模态,具有良好的识别效果;主拱肋、稳定拱、吊杆、横撑和主梁所对应的材料特征值在修正前后的变化量为8。77%~10。21%,对结构动力特性有显著的影响;采用零阶近似法对模型进行修正后可以得到满意的结果,计算频率与实测频率的误差可缩小至0。11%~3。76%,修正后的模型能更为准确的体现实际状况,从而可以对已运营多年的桥梁结构做进一步抗震验算和评估。
悬臂施工连续梁桥顶板预应力束平弯段径向力效应
仲济涛, 刘钊
2013, 30(9): 89-94. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0306
摘要:
平面杆系模型无法考虑预应力束平弯效应的影响,三维实体模型的建立又过于复杂。针对此问题,该文以悬臂施工连续箱梁顶板为研究对象,推导了顶板中轴线处平弯束径向力效应引起的拉应力的弹性力学解。基于拉应力最大值往往是设计控制点,提出了等效宽度的概念,对弹性力学解进行进一步简化。最后,借助ANSYS软件进行算例验证。结果表明,随着平弯半径的增大,曲率逐渐减小,级数解推导过程中由平弯束“以直代曲”造成的误差逐渐减小,增加修正项以考虑平弯束斜率改变的影响后,数值解与公式解趋于一致,即简化后的公式是行之有效的。
FAST望远镜外环曲梁的结构方案优化分析
李辉, 张新宇
2013, 30(9): 95-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0307
摘要:
FAST望远镜的AB转轴机构相当于具有两个水平正交轴的万向节,用于调整馈源舱内设备的指向角。其外环(A环)曲梁跨度大,承载重,且要求轻质和高刚度。基于弯扭耦合的曲梁理论建立了A环结构的基本微分方程,给出了结构变形挠度与结构参数之间的关系。以结构总重量作为结构优化总目标,以不同倾角下曲梁跨中最大扰度及最大扰度差作为主要约束条件,应用信赖域法对实腹式箱梁和桁架式梁两种结构方案进行了优化计算,并对两种结构方案进行了比较。初步的优化结果表明桁架式梁结构方案具有更轻的结构重量。
配角钢骨架型钢混凝土梁的纯扭性能及强度计算方法研究
邵永健, 王妮, 陈宗平, 刘峰
2013, 30(9): 103-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0311
摘要:
为了研究配角钢骨架型钢混凝土梁的纯扭性能,设计了7个试件进行纯扭试验,考虑了型钢配钢形式、型钢保护层厚度和混凝土强度等级3个变化参数。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了试件受力全过程曲线、开裂扭矩和极限扭矩等重要数据,并分析各变化参数对型钢混凝土梁抗扭性能的影响。试验结果表明:配角钢骨架型钢混凝土纯扭梁破坏时型钢受拉屈服、棱角处混凝土被压碎,具有良好的抗扭性能,适当增加型钢体积配钢率和混凝土强度等级均能有效提高型钢混凝土梁的开裂扭矩和极限扭矩,增加型钢保护层厚度则恰好相反。在试验的基础上,该文提出了配角钢骨架型钢混凝土梁的纯扭强度计算公式,其计算结果与试验实测结果基本吻合。研究结果可供型钢混凝土组合结构的进一步科学研究和工程应用参考。
混凝土双轴拉-压综合随机损伤本构关系研究
郑山锁, 杨丰, 谢明, 侯丕吉
2013, 30(9): 111-116,131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0327
摘要:
实际工程中的混凝土结构大多处于复杂应力状态,该文考虑混凝土组成材料物理性能的差异及横向变形性等特点,基于混凝土单轴受拉弹簧-摩擦块细观单元,建立混凝土双轴拉-压随机损伤细观模型。在双轴拉-压荷载组合作用下,根据混凝土破坏过程中的能量守恒原理,分别建立超高强高性能混凝土、普通混凝土及高强混凝土综合随机损伤本构关系,并针对损伤本构函数进行多参数灵敏度分析。通过理论值与试验结果的比较,验证了提出的随机损伤本构关系的有效性。
砌体加层隔震体系下部结构刚度退化后的抗震性能试验研究
刘鑫, 刘伟庆, 苗启松, 王曙光, 杜东升
2013, 30(9): 117-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0329
摘要:
研究砌体加层隔震结构体系下部结构出现损伤后的抗震性能,重点关注隔震层上部、下部结构频率比变化对下部结构响应的影响。采用随机振动理论推导加层隔震体系与加层非隔震体系下部结构加速度响应均方值比,给出了下部结构加速度响应均方值比随频率比的变化规律,分析表明对于加层隔震结构,出现损伤前隔震效果明显,但随着下部结构刚度的不断退化,加层隔震体系下部结构的地震响应会超过加层非隔震结构体系。对加层隔震和加层非隔震结构进行了振动台试验研究,对比试验模型损伤前后各楼层加速度反应,分析其损伤前后减震效果的变化,试验结果表明,初始加层隔震模型地震响应明显小于加层非隔震模型,但随着加层隔震结构下部砌体的不断损伤,加层隔震体系的减震效果逐渐降低,下部结构甚至出现了加速度反应被放大的不利现象,试验现象和数据与理论分析结果吻合良好。在加层隔震结构的分析和设计中必须考虑下部结构出现损伤后对结构的不利影响。
立体视觉方法在混凝土表面裂缝检测中的应用
单宝华, 申宇
2013, 30(9): 125-131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0331
摘要:
针对混凝土结构表面裂缝宽度评定需要,研究了立体视觉测量方法的三维数学模型,提出了将裂缝边缘曲线投影到空间平面,用来恢复裂缝边缘的三维坐标的方法,并利用最小距离法和裂缝图像识别算法完成了对裂缝宽度的评定。使用该文集成的立体视觉测量系统完成了在破坏性静载试验中产生表面裂缝的三根混凝土梁的检测试验,得到了每根混凝土梁2个检测区域的裂缝宽度曲线,并与微显微观测仪的数据进行比较分析。试验结果表明:基于立体视觉的裂缝宽度检测方法准确地评定了裂缝宽度,验证了该方法用于混凝土表面裂缝宽度检测的可行性。
重力式挡墙加固边坡的动力稳定性分析
罗渝, 许强, 何思明, 何尽川
2013, 30(9): 132-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0333
摘要:
确定边坡的潜在滑移面及地震屈服加速度,是进行边坡动力稳定性分析的基础。该文把重力式挡墙加固边坡的潜在滑移面看作是由若干段直线组合而成的复合滑移面,并用一系列的斜线把滑体土划分为若干个三角形块体。在假设边坡岩土体服从摩尔-库仑屈服准则,根据极限分析上限定理,结合多块体速度场理论,分别计算各块体外功率与内能耗散,建立地震作用下边坡地震屈服加速度的多元函数,利用数学优化方法,确定边坡地震屈服加速度及其潜在滑移面分布,由此提出一种重力式挡墙加固边坡动力稳定性计算的新方法。最后通过算例进行该方法的展示,分析土体抗剪强度参数和墙体两侧粗糙度对地震屈服加速度及其潜在滑移面分布的影响。
堆石料非饱和湿化变形特性试验研究
丁艳辉, 袁会娜, 张丙印
2013, 30(9): 139-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0336
摘要:
降雨会在土石坝体中导致非饱和入渗过程,并可发生显著的湿化变形,从而对坝体的应力变形性状产生重要的影响。该文采用模拟降雨入渗的方法控制堆石体的湿化饱和度,进行了侧限压缩条件下的非饱和湿化试验,研究和分析了堆石体的非饱和入渗过程和不同饱和度情况下的湿化变形特性。试验分析结果表明,只有小孔隙吸附水才是有效湿化含水量,堆石体的湿化变形主要发生在小含水量湿化阶段,而大孔隙自由水为无效含水量,对堆石料湿化变形的影响不大;对所研究的糯扎渡弱风化花岗岩堆石料,其有效湿化饱和度小于25。5%。
碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤评估及防护技术
田力, 朱聪
2013, 30(9): 144-150,157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0341
摘要:
以刚性球撞击钢筋混凝土柱为例,研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤程度评估以及防护技术。在钢筋混凝土柱粘结滑移模型基础之上,提出了一种基于竖向剩余承载力的损伤评估准则,用来判定碰撞冲击荷载下钢筋混凝土柱损伤破坏程度;并定量分析了刚性球质量、初速度与结构柱损伤度的关系。针对复合截面防护的情形,对碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱防护前后的动态响应及损伤进行了分析,并对比了外粘钢板及外敷泡沫铝两种防护措施的防护效果。结果表明:刚性球质量及速度在较小范围内时,损伤度的增长速率高于质量及速度的增长速率,且以质量和速度同时增加时损伤度增长最快;当刚性球质量及速度达到一定数值后,损伤度的增长速率一般会低于刚性球质量及速度的增长速率。外粘钢板、外敷泡沫铝两种复合截面防护方法均能有效降低碰撞冲击下钢筋混凝土柱的动态响应及损伤程度,且均能使钢筋混凝土柱的整体破坏模式由弯剪破坏向弯曲破坏转变。
优化方法建立钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型
刘霞, 易伟建
2013, 30(9): 151-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0348
摘要:
压杆-拉杆模型是复杂钢筋混凝土结构设计的标准方法之一,但很少扩展到浅梁的设计。钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型的建立方法很多,但由这些方法得到的压杆-拉杆模型是否能反映结构最本质的受力状况尚无定论。该文采用寻优能力强的拓扑优化算法——遗传演化结构优化算法(GESO)来构造钢筋混凝土梁的压杆-拉杆模型,同时为了确保所得结果的最优性,采用经典的Michell准则和试验方法判断和解释GESO算法的计算结果。该文以跨高比从7变化到1的简支梁和两跨连续深受弯构件为例证明了采用GESO算法能构造满足Michell准则的钢筋混凝土梁压杆-拉杆模型,由该文总结出的钢筋混凝土梁的压杆-拉杆模型的规律有助于设计类似构件。
外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆柱轴压受力分析
卢亦焱, 龚田牛, 张学朋, 薛继锋
2013, 30(9): 158-165. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0350
摘要:
提出了外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的新型复合加固方法。对9根复合加固钢筋混凝土圆短柱进行了轴心受压试验,根据试验中测得的钢管和钢筋应变结果,采用内力分解法分析了外套钢管、核心混凝土和钢筋的应力变化和三者之间的相互作用。分析结果表明:加载方式对外套钢管的横向变形影响较大,约束型加载方式外套钢管屈服时的横向应力大于钢管和核心混凝土共同承压加载方式;核心混凝土的抗压强度提高系数和不同材料承担轴力的比例与加载方式、外套钢管厚度、后浇自密实混凝土强度和界面处理方式有关。
工字型钢铅组合耗能器减震体系的优化设计研究
程树良, 刘心洁, 辛亚军, 颜学渊, 王焕定
2013, 30(9): 166-170,176. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0330
摘要:
钢铅组合耗能器能够利用钢和铅两种材料耗散能量,具有原理简单、制作方便和价格低廉等优点。该文针对一种工字型钢铅组合耗能器在减震体系中的设置优化进行了研究。建立了土木工程减震控制Benchmark结构的仿真模型,为工字型钢铅组合耗能选取了合理的模型,以耗能器屈服力与结构层间屈服力比值为参数,进行减震效果分析。计算结果表明屈服比为5%时,结构减震效果较好。依据优化设计方法对一栋钢框架模型进行了减震体系设计,并进行了模拟地震振动台试验,试验结果表明钢铅组合耗能器减震体系达到了较好的减震效果,说明了该文建立的钢铅组合耗能器减震体系优化设计方法的合理性。
基于改进高斯精细积分法的车桥耦合振动分析框架
杜宪亭, 夏禾, 李慧乐, 崔堃鹏
2013, 30(9): 171-176. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0356
摘要:
假定任一时刻的位移可以根据其相邻时间步上的运动状态由Hermite插值函数确定,采用3节点高斯积分方法展开精细积分法中状态方程的Duhamel项,构造了一种改进的高斯精细积分算法用于求解结构非线性问题,在此基础上,提出了适用于车桥耦合振动研究的高效求解分析框架。车桥耦合系统由车辆、桥梁有限元子系统组成,其中车辆子系统引入部件刚体假定,而桥梁子系统借助于振型叠加法缩减自由度数目,两个子系统间的相互作用通过非线性的虚拟力表达。以一节4轴客车匀速通过32m简支梁为研究对象,分别采用所提出的分析框架、传统Newmark-β法进行动力分析。结果表明:相对于Newmark-β法,高斯精细积分方法既能避免求解线性方程组,又可显著提高计算收敛的积分步长,分析框架显示出良好的实用效果。
汽车发动机悬置系统的严格解耦与优化设计研究
陈树勋, 李志强, 韦齐峰
2013, 30(9): 177-183,193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0338
摘要:
目前汽车发动机动力总成悬置系统设计的主要任务是选择悬置元件的刚度、位置和角度,使悬置系统自由振动模态频率避开发动机怠速激励力频率与车身自振频率,并尽量提高各模态振型的解耦程度,从而提高悬置系统隔振效果。悬置系统按预定频率严格解耦设计是使设计出的悬置系统模态频率完全等于按汽车设计频率规划预定的频率,并使各模态的振型严格解耦,即各向振动能量的解耦度等于1。该文从悬置系统的自由振动方程出发给出了对悬置系统按预定频率严格解耦设计的方程组,利用广义逆矩阵的理论讨论该方程组解的性质,并用广义逆矩阵的方法给出该方程组的求解方法,从而提供比当前的悬置系统模态优化设计更为简便高效的优化设计方法。相应的算例验证了该文提出的按预定频率严格解耦设计方程和求解方法的正确性。
基于失效评定图(FAD)研究含疲劳裂纹T型圆钢管节点的安全性
邵永波, 宋生志, 李涛
2013, 30(9): 184-193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0358
摘要:
失效评定曲线(FAD)常用来评价焊接结构在出现裂纹后的安全性,为了验证这种曲线在评价焊接管结构在节点部位出现疲劳裂纹后安全性的适用性,采用实验测试和有限元分析的方法研究了3个含疲劳裂纹的T型管节点试件在静力作用下的极限承载能力及破坏过程。3个T型管节点试件首先进行疲劳实验在焊趾处产生表面裂纹,然后通过在支管端部施加轴向拉力作用检测节点的破坏过程。基于自行开发的含表面裂纹T型管节点的有限元网格自动产生程序以及ABAQUS分析软件,研究了在管节点破坏过程中表面裂纹最深点的应力强度因子大小,并通过实验的荷载-位移曲线确定了T节点试件的塑性极限承载力。在这些结果的基础上,验证了FAD在评价含疲劳裂纹的焊接管节点安全性方面的适用性。研究结果标明:FAD在评价含疲劳裂纹管节点的安全性方面是安全可靠的,但偏于保守。
非规则梁桥的振型重要性指标研究
魏标, 戴公连
2013, 30(9): 194-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0360
摘要:
针对非规则梁桥的振型重要性指标进行研究。首先,通过理论分析,确定在判断振型重要性方面,传统的振型质量参与系数存在缺点,并定义了振型位移贡献、振型位移贡献系数、振型位移贡献比例等新指标。然后,针对一座典型的非规则梁桥,通过振型质量参与系数分析和振型位移贡献系数分析的对比研究,确定采用振型位移贡献比例判断振型重要性,更加合理。最后,通过多座桥梁的参数分析,验证了振型位移贡献比例比质量参与系数更加优越。研究结果表明:振型质量参与系数仅能反映振型对于结构总体动力反应的重要性,而不能明确反映振型对于结构局部动力反应的重要性;振型位移贡献比例能弥补这一缺陷,可以作为振型重要性的指标;当前n阶振型位移贡献比例之和超过80%时,以前n阶振型为基础得到的结构位移可以满足非规则梁桥计算精度的需要。
开洞钢板剪力墙的抗侧刚度分析
朱力, 聂建国, 樊健生
2013, 30(9): 200-210,263. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0385
摘要:
钢板剪力墙作为一种新型抗侧力结构体系,墙板开洞对钢板剪力墙结构体系的抗侧力行为具有重要影响。抗侧刚度和抗侧承载力是设计中最为关心的两项基本性能,该文重点研究墙板开洞对抗侧刚度的影响。首先介绍了3个钢板剪力墙试件的低周往复荷载试验,试验表明钢板剪力墙试件抗震性能优越,开洞会影响试件的抗侧刚度和抗侧承载力。随后,建立了钢板剪力墙结构的壳-实体精细有限元单层模型,研究了影响抗侧刚度的关键因素。在此基础上,通过大量数值计算和参数分析,提出了用于计算开洞墙板厚度折减率的简化计算公式,建议结构体系建模时以折减厚度的不开洞墙板代替实际厚度的开洞墙板,计算公式和精细有限元计算结果进行充分对比,具有良好的精度。最后,采用考虑剪切变形的悬臂梁理论和该文建议的厚度折减率简化计算公式对国内外一些不开洞与开洞钢板剪力墙试验进行验证,理论结果与试验结果吻合良好,该文建议的开洞墙板厚度折减率公式与抗侧刚度理论计算模型具有较高的精度,可供工程设计参考。
高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法研究
熊二刚, 张倩
2013, 30(9): 211-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0368
摘要:
在罕遇地震作用下,根据现行规范设计的高层钢框架结构会经历较大的非弹性变形,其非弹性性能在一定程度上难以预测和控制。根据功能平衡原理,该文提出了一种高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法。预先选定目标侧移和屈服机制作为结构两个关键的性能极限状态。根据能量相等原则,即使结构单调达到目标侧移所需作的功等于等效弹塑性单自由度体系达到相同状态所需要的能量,来计算给定的地震水准下的设计基底剪力。采用塑性设计法设计框架构件和节点以便达到预期的屈服机制和性能。采用此方法对一幢10层钢框架结构进行了设计,然后采用动力时程分析法和静力非线性分析法验证了该方法的可行性,为高层钢框架结构基于性能的塑性抗震设计法提供了一定的依据。
基于位移控制多点加载的新型混合连肢墙结构非线性有限元分析
石韵, 苏明周
2013, 30(9): 220-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0377
摘要:
基于含型钢边缘构件混合连肢墙结构试验结果,采用ABAQUS有限元程序建立了结构的数值分析模型,考虑材料非线性和几何非线性,引入Python源程序编制了给定荷载模式下基于位移控制的加载程序,用以模拟循环加载的全过程。数值模拟结果与试验结果对比表明,二者在滞回曲线、骨架曲线、耗能等方面均吻合较好。在此基础上,研究了不同耦连比对结构整体抗震性能的影响,从而寻找适用于高地震烈度区的合理耦连比。分析结果表明:当轴压比为0。2时,耦连比为45%~60%的新型混合连肢墙结构具有良好的抗震性能,塑性铰分布合理,适用于高烈度地震区。
不同暴露条件下海工混凝土耐久性几何效应分析
夏辉, 周新刚, 李克非
2013, 30(9): 227-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0379
摘要:
基于氯离子扩散传输机理,利用有限体积法(FVM)推导了二维矩形和圆形截面混凝土氯离子扩散传输离散方程。根据FVM的数值模拟计算结果,研究了暴露条件及混凝土组成材料对具有不同截面形状的混凝土构件中氯离子含量及使用寿命的影响。数值模拟计算表明,不仅暴露条件、混凝土组成材料等对海工混凝土结构的耐久性有重要影响,而且其影响程度与混凝土构件截面的几何形状有关,有比较明显的几何形状效应。圆形截面由于有近似的一维扩散传输特征,在相同条件下,混凝土中的氯离子含量小于矩形截面,其使用寿命比矩形截面的大,但两种截面的差别在不同暴露条件和混凝土组成材料时又有显著的不同,大气区以及掺矿渣时更为明显。
双曲冷却塔表面三维绕流特性及风压相关性研究
张军锋, 葛耀君, 赵林, 柯世堂
2013, 30(9): 234-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0382
摘要:
为探究双曲冷却塔表面的三维绕流特性以及空间相关性,以某大型冷却塔为例进行刚体模型同步测压风洞试验,对表面平均和脉动风压分布以及环向和子午向的相关性进行了分析。研究发现,冷却塔的长细比较小,上下端均存在明显的三维绕流特性,并以塔筒上端尤为显著;端部效应主要表现在侧风区平均风压幅值下降、脉动风压激增、平均和脉动风压幅值最大点的后移以及风压环向相关性减弱。风压的环向相关性可以分为两个区域:“相关区域”(0°≤|θ|≤100°)和“非相关区域”(100°≤|θ|≤180°),其子午向相关性可以分为三个区域:“强相关区”(0°≤|θ|≤100°)、“弱相关区”(100°≤|θ|≤150°)以及“中等相关区”(150°≤|θ|≤180°);这使得冷却塔表面风压的双向(空间)相关性只存在于0°≤|θ|≤100°范围内。另外,在迎风点和侧风点,平均风压和脉动风压基本同时达到幅值的峰值,并且在环向和子午向存在极高的相关性,这都将显著增加风压分布的环向不均匀性以及风致结构响应。
局部采用纤维增强混凝土柱的抗震性能试验与分析
梁兴文, 康力, 车佳玲, 邓明科
2013, 30(9): 243-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0394
摘要:
为了提高钢筋混凝土柱的抗震性能,在悬臂柱下端局部采用纤维增强混凝土(FRC)代替普通混凝土,设计了6根剪跨比为3。0、柱内箍筋配置较少的钢筋混凝土柱试件,进行了拟静力试验。通过改变FRC区高度、轴压比、混凝土强度,观测试件在低周反复水平荷载作用下的开裂和破坏过程,研究其滞回特性及耗能能力。结果表明,与普通钢筋混凝土柱相比,局部采用FRC且箍筋配置较少的柱,其破坏形态为纵向钢筋弯曲屈服后的剪切破坏,具有较好的变形能力和损伤容限;局部使用FRC可以减少约束箍筋用量。基于OpenSees分析平台,建立了悬臂柱的有限元模型,对其进行了反复水平荷载作用下的全过程模拟分析和参数分析。分析结果表明:峰值荷载计算值比实测值稍小;计算滞回曲线与试验滞回曲线总体上比较吻合;一般情况下,FRC区高度和柱端体积配箍率对柱的水平承载力和侧移角影响较小。
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料受压管件稳定性试验及理论研究
薛晓敏, 孙清, 王虎长, 赵雪灵, 胡建民, 管顺清
2013, 30(9): 251-258. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0400
摘要:
该文对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(E-GFRP)进行了材料性能试验,获得了该材料的力学性能参数;在此基础上,对12组共36根该材料制成的受压圆管试件进行了轴心受压稳定性试验研究,探讨了复合材料受压圆管试件稳定性承载力规律和破坏特征,并依此提出一种改进的Perry-Robertson稳定性计算公式,通过与传统稳定性验算公式进行对比,结果表明,改进Perry-Robertson公式与试验结果更为接近,能够较好地预测复合材料轴压管件的极限荷载,期望为复合材料稳定性设计理论提供有价值的参考意见。
机械工程学科
一类四自由度系统碰撞问题
李万祥, 张永燕
2013, 30(9): 259-263. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0847
摘要:
该文建立了一类四自由度碰撞系统的数学模型,推导出系统周期运动的八维Poincaré映射,计算了中心流行,给出了降维过程和简化方程。研究了周期运动的稳定性,并选取适当的参数,分析了系统周期运动的Hopf分岔和倍化分岔现象,并验证了四自由度碰撞系统Hopf分岔的存在性。编程仿真出系统通向混沌的演化过程,数值模拟了系统的不变环面,揭示了碰撞振动系统不变环面失稳与混沌的形成过程。
多场载荷作用下FCBGA焊点的电迁移失效研究
梁利华, 张金超, 张元祥
2013, 30(9): 264-269. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0393
摘要:
基于有限元法,结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(FCBGA)进行电-热-结构耦合分析,获得关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布,采用原子通量散度法(AFD)和原子密度积分法(ADI)对关键焊点的电迁移(EM)特性及影响因素进行研究。结合焊点电迁移失效的SEM图,发现综合考虑电子风力、应力梯度、温度梯度以及原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法能比较准确地预测焊点的电迁移失效位置,原子密度梯度(化学势)通常会延缓电迁移现象。
多层圆筒过盈配合的接触压力与过盈量算法研究
王建梅, 陶德峰, 黄庆学, 康建峰, 唐亮
2013, 30(9): 270-275. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0410
摘要:
为深入完善风电锁紧盘设计理论,首先基于厚壁圆筒受均布载荷作用下的位移表达式,推导了多层圆筒过盈配合各配合面接触压力和过盈量的计算公式;根据所得计算公式设计的某型号风电锁紧盘尺寸,采用ABAQUS软件建立了二维轴对称模型并模拟了其动态过盈装配;比较了两种方法的计算结果,并分析了两者误差产生的原因。结果表明,该文给出的解析算法与有限元数值方法所得结果吻合较好,可以为风电锁紧盘设计提供可靠的理论指导。
其他工程学科
基于三维FE-SPH自适应耦合算法的子弹侵彻混凝土靶跳飞问题模拟
杨刚, 梁超, 刘平, 胡德安
2013, 30(9): 276-282. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0315
摘要:
利用三维FE-SPH自适应耦合算法对子弹斜侵彻混凝土靶时的跳飞现象进行了数值模拟。提取了跳飞过程中子弹的线性速率、加速度、角动量和转动力矩随时间的变化曲线,对子弹跳飞过程及产生的原因进行了分析。结果表明,混凝土靶作用于子弹的不对称阻力所产生的力矩是子弹跳飞的根本原因。在以上分析的基础上,该文研究了子弹初始速度、入射倾角以及靶板厚度等条件对跳飞的影响规律,取得了一些定量的结果。
覆冰输电线非线性瞬时固有频率研究
郝淑英, 冯海茂, 范孜, 刘海英, 张琪昌
2013, 30(9): 283-287. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0332
摘要:
为深入揭示覆冰输电线舞动所引起的非线性瞬时固有频率的变化规律,建立了四分裂覆冰输电线面内振动的非线性动力学偏微分方程,利用Galerkin方法将偏微分方程转换为常微分方程。用平均法分析了平衡点张力及舞动幅值对非线性瞬时固有频率的影响。发现舞动引起平衡点张力的变化改变了输电线的弹性系数,导致系统线性固有频率的改变;舞动幅值对高阶非线性瞬时固有频率有很大的影响;两者的作用导致固有频率的飘移,且飘移量与风速和档距相关。在防舞器动力学设计中应考虑舞动工况对固有频率的影响。
射流速度对气幕发射方式下航行体运动过程的影响研究
曹伟, 刘海军, 王聪
2013, 30(9): 288-292. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0378
摘要:
气幕发射方式是一种新型的航行体水下垂直发射方式。采用数值模拟的方法,研究了不同射流速度情况下航行体水下垂直发射过程中气幕形态、航行体表面压力及阻力特性等的变化规律,得到了在出筒过程中,不同气体射流速度情况下,航行体均可顺利通过气幕的最小半径处,气体射流马赫数越大,航行体总阻力系数越大;在出水过程中,航行体总阻力系数单调降低,与气体射流马赫数无关等结论。
气泡群振荡及噪声数值模拟研究
付英杰, 郝刘仓, 苏浩, 张国华, 郝瑞建
2013, 30(9): 293-298. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0391
摘要:
针对水中气泡群振荡及辐射噪声问题,基于均质混合流模型,考虑气泡动力学作用,建立数学模型;并采用拉格朗日有限体积法,对气泡群振荡过程及辐射噪声进行数值模拟。重点研究了初始气泡半径、含气率及气泡群尺度等对振荡辐射噪声的影响。结果表明,随着初始含气率、气泡群尺度增大,气泡辐射噪声频率逐渐减小、声压幅值逐渐增大即声强增大;初始气泡半径对辐射噪声频率影响较小,但声压幅值随其增大而减小。
横向磁场中轴向变速运动矩形板的参数振动
胡宇达, 孙建涛, 张金志
2013, 30(9): 299-304. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0387
摘要:
针对磁场环境中轴向变速运动导电矩形薄板的磁弹性参数振动问题进行研究。在给出薄板运动的动能、应变能以及电磁力表达式基础上,应用哈密顿变分原理,推得轴向运动矩形薄板的磁弹性参数振动方程。针对横向磁场中四边简支边界约束下轴向变速运动矩形板的参数振动问题,通过位移函数的设定并应用伽辽金积分法,得到包含两个变系数项的马蒂厄振动方程。基于弗洛凯理论并应用平均法,对参数振动系统周期解的稳定性进行分析,得到稳定性判别条件。通过数值算例,给出参数振动系统周期解的稳定性图和振动响应曲线图,分析轴向速度等参量对薄板参数振动响应以及解的稳定性的影响。结果表明,稳定解区域对应的响应曲线呈现周期或概周期运动形式,不稳定解区域对应的响应曲线呈现发散形式。