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2014年  第31卷  第2期

综述
膜结构分析理论研究现状与展望
武岳, 杨庆山, 沈世钊
2014, 31(2): 1-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.ST03
摘要:
作为一种典型的柔性张力体系, 膜结构的分析方法与刚性结构相比有许多不同之处, 形成一套独特的理论体系。首先阐述了膜结构分析理论的特点和一些需要特殊考虑的问题, 然后从初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析三个方面概要介绍了膜结构分析理论的发展过程, 以及一些具有代表性的方法;继而针对膜结构分析中的若干热点问题, 包括褶皱的数值模拟、考虑多目标的形态优化、基于裁剪-找形一体化思想的精确成形技术和考虑流固耦合的风振分析方法等的研究现状进行了评述, 最后对膜结构分析理论的进一步发展提出展望。
一种四角钢组合约束型防屈曲支撑外围连接的设计方法研究:数值分析
王小安, 郭彦林
2014, 31(2): 15-24. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0005
摘要:
与传统外围整体式防屈曲支撑不同的是, 装配式组合防屈曲支撑的外围构件由多个组件通过连接件拼装而成, 故外围连接的设计方法是此类防屈曲支撑构件设计理论的重要组成部分。针对一种四角钢组合约束型防屈曲支撑, 已有适用于单向弯曲状态的外围连接螺栓内力的简化计算方法。但上述方法的适用性尚需经过精细有限元数值分析加以验证, 并需进行适当修正, 使其具有足够的计算精度, 这是该文进行的研究工作之一。另外, 由于内核构件与外围构件之间间隙的存在, 防屈曲支撑构件更为常见的变形模式表现为双向弯曲变形, 所以该文还将在单向弯曲状态所得到的螺栓内力计算公式的基础上进行进一步的组合, 得到双向弯曲状态下的螺栓内力计算公式。该文最终给出了适用于四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围螺栓连接的完整设计方法。
基本方法
论大型星载展开天线结构系统的可靠性
陈建军, 曹鸿钧, 张建国, 赵宽
2014, 31(2): 25-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.ST10
摘要:
简述了大型星载展开天线结构系统的结构概况、特点以及可靠性研究的必要性;分八个子专题对其可靠性方面的研究工作进行了梳理和综述;对大型星载展开天线结构系统提出了从发射运载、展开锁定到在轨服役三个阶段中应开展的全过程、多状态的综合可靠性研究内容和方法;最后对星载展开天线结构系统提出了未来可靠性研究中亟待解决的问题。
单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析
任文杰, 李宏男
2014, 31(2): 35-40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0726
摘要:
设计了一种超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)阻尼器。在SMA丝的Graesser本构模型基础上, 建立了SMA阻尼器的常规力学模型, 进而提出了其简化力学模型。采用随机等价线性化法建立了单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析公式。算例比较了随机等价线性化法和蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法计算的结构振动响应, 证明了随机等价线性化法的有效性;比较了无控结构和SMA阻尼结构的动力特性和振动响应, 说明了SMA阻尼器能增加结构的刚度和阻尼比, 因而可有效抑制结构的振动。
球形沼气池模具结构振动响应的黏弹性解
向天勇, 单胜道, 闻敏杰
2014, 31(2): 41-45. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0472
摘要:
考虑土和模具结构的动力相互作用, 在频率域内研究了深埋球形沼气池模具结构的动力特性。根据黏弹性理论, 通过引入势函数得到了黏弹性土体的位移、应力等的解析解。将模具结构等效为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体, 根据黏弹性理论推导了模具结构振动响应的完全解析解。根据界面连续性条件, 确定了待定系数的具体表达式。将不同类型的黏弹性模具结构动力响应进行了对比, 并考察了分数导数本构参数、土体和模具结构各参数对系统动力特性的影响。结果表明:模具结构的黏性对系统动力响应有显著影响。随着壁厚的增加, 模具结构振动响应幅值减小;随着阶数的增加, 系统共振效应逐渐减弱;随着材料参数比的增加, 系统响应幅值减小。
索结构静力分析的新型拉索单元研究
陈太聪, 苏成, 马海涛
2014, 31(2): 46-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0707
摘要:
总结和分析不同工况下索结构中拉索的受力特点, 将拉索行为归纳为已知原长和已知索力两种典型受力情况。利用悬链线拉索解析解的线性展开, 并引入适当的约束条件, 建立两种新型的拉索单元, 给出单元切线刚度矩阵的显式表达。提出索结构非线性静力分析的一般迭代算法, 算法中利用等效线自重考虑弹性变形对拉索静力状态的影响。以斜拉悬臂结构的多阶段安装为例, 分别采用该文方法和传统方法针对不同工况进行了索结构分析, 对比计算结果证明了该文新型单元和算法的效率和精度。
考虑刚体转动的钢悬链线立管出平面运动分析
刘娟, 黄维平
2014, 31(2): 53-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0746
摘要:
随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展, 钢悬链线立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。该文在钢悬链线立管动力学模型研究中提出一种新模型:SCR刚体转动模型, 该模型基于SCR悬垂段大曲率的考虑, 假定立管为绕悬挂点与触地点连线形成的转动轴的刚体转动系统, 并将该转动效应以惯性力和水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合, 进行立管的出平面运动分析。数值模拟算例表明, 刚体转动效应对钢悬链线立管的动力响应具有较大影响, 为立管动力分析中不可忽略的运动分量。
土木工程学科
考虑土-结构相互作用的大跨度连续刚构桥振动台阵试验研究
闫晓宇, 李忠献, 韩强, 杜修力
2014, 31(2): 58-65. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0042
摘要:
土-结构相互作用(SSI)对软土地基上桥梁结构地震响应的影响不可忽略, 研究SSI效应对提高桥梁结构抗震安全性十分重要。通过对一座1∶10比例的三跨连续刚构桥模型的振动台阵试验, 系统分析了SSI效应对大跨度连续刚构桥地震响应的影响规律。研究表明:SSI效应使振动台台面地震动的峰值和频谱特性发生较大变化;剪切波速和上覆土层厚度是影响SSI效应的重要因素;SSI效应会增大桥梁结构的位移和应变响应, 其影响程度与地震动的频谱特性和桥梁结构-地基体系的固有特性密切相关;实时耦联动力子结构试验技术是进行桥梁结构考虑SSI效应的振动台试验的有效方法。
某框支砌体结构火灾倒塌事故的模拟与分析
李易, 陆新征, 英明鉴, 叶列平, 闫维明
2014, 31(2): 66-72. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0294
摘要:
火灾下建筑结构的倒塌是整体结构系统的力学行为。由于整体结构火灾试验难度较大, 数值模拟是研究整体结构火灾行为的重要手段。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型以及生死单元技术, 对一实际框支砌体结构的火灾倒塌事故进行了分析, 模拟了整体结构在火灾作用下的倒塌过程, 指出了引起结构火灾倒塌的关键原因, 并根据数值分析结果对火灾下抗连续倒塌设计提出了改进建议。
动力子结构试验的算子分解法
许国山, 王帅坤, 吴斌, 欧进萍
2014, 31(2): 73-80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0681
摘要:
该文在标准算子分解法(OS法)的基础上提出加速度附加假定, 使其变为考虑试件质量的动力子结构试验OS法。分析了动力子结构试验OS法的稳定性, 并进行了数值仿真分析。研究结果表明:1) 通过引入加速度附加假定, 使动力子结构试验OS法变为一种显式方法;2) 动力子结构试验OS法的稳定性分析结果表明, 对于纯质量试件, 当质量比不大于1时为条件稳定算法, 对于质量比大于1时为不稳定算法。
基于概率性人行荷载模型的楼板结构振动分析
韩建平, 王洪涛, 刘云帅
2014, 31(2): 81-87. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0300
摘要:
为评估实际楼板结构在可能承受的人行荷载作用下的振动性能, 运用动力测试和数值模拟相结合的方法对某实际楼板结构进行了动力特性及人行激励下的概率性响应分析。首先利用基于频响函数的冲击动力测试, 识别了楼板结构实际的模态参数。然后考虑各行人个体产生激励的差异性及随机的人行路径等因素, 构建了不同随机步态参数组合的单人及人群多分量荷载模型;基于动力测试所得的模态特性, 分别计算了在所构建的概率性荷载作用下的多模态响应;对得到的大量响应样本统计分析得到了单人及人群行走荷载下的响应分布以及某一振动水平发生的概率;结果表明人致振动响应服从近似的正态分布, 行人随机性的步态参数中步频对响应的分布起控制作用, 此外得到的响应分布特性可对实际楼板结构的人致振动进行概率性的评估。在人群荷载响应计算时, 对测得的人活动加速度响应进行自由衰减响应分析得到不同加速度水平时结构基本模态特性的变化, 结果表明频率随振动加速度幅值的变化相对较小, 而阻尼的变化相对较明显。该文研究可为类似工程的人致振动概率性评估提供参考。
空腹式型钢混凝土异形柱中框架受力机理的有限元分析
薛建阳, 高亮, 刘祖强, 周鹏
2014, 31(2): 88-95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0572
摘要:
在试验研究的基础上, 采用通用有限元软件ABAQUS对空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在单调荷载作用下的受力机理进行了研究。计算和分析了该结构的水平荷载-位移骨架曲线;对结构整体及节点核心区等关键位置在加载结束时的变形进行分析, 并与试验结果进行对比。分析表明, 有限元计算曲线与试验实测曲线吻合较好, 结构有限元模拟的最终变形与试验结果较为一致, 验证了建立的有限元模型的合理性。对结构受力全过程典型时刻、典型位置处的混凝土及型钢截面应力分布和发展规律进行了分析, 揭示了空腹式SRC异形柱中框架的受力机理, 可为这类结构的设计及其工程应用提供参考。
混凝土结构非线性徐变计算方法研究
黄海东, 向中富
2014, 31(2): 96-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0685
摘要:
为准确分析既有病害条件下的混凝土结构长期变形及受力行为, 该文进行了混凝土材料非线性徐变计算方法研究。以非线性弹性徐变本构理论为基础, 利用Hongnestad模型推导出材料软化系数, 提出一种新的非线性徐变本构模型, 采用初应变法进行显式迭代, 实现混凝土材料非线性徐变分析。以混凝土徐变及开裂的线性耦合假定为基础, 模拟长期持载过程中裂缝的扩展。采用ADINA用户子程序二次开发实现了相关算法, 并通过混凝土非线性徐变经典试验的对比分析, 验证了计算方法的可靠性。
考虑起始比降和涂抹作用的竖井地基固结解
周煜, 谢康和, 刘兴旺
2014, 31(2): 103-109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0686
摘要:
对某些低渗透性饱和粘土而言, 存在一起始水力坡降i0(即起始比降), 只有当土中某点的水力坡降大于i0时, 该点才会发生渗流。该文在传统竖井地基固结理论的基础上, 建立了能考虑起始比降影响的新固结计算模型, 并推导了能同时考虑起始比降和涂抹作用的竖井地基中渗流移动边界与时间的关系表达式及孔压和固结度的解析表达式。最后, 通过对比计算, 分析了起始比降、荷载及渗透系数等参数对竖井地基渗流移动边界及固结性状的影响。分析表明: 考虑起始比降i0的影响, 竖井地基土体中超静孔压不会完全消散, 存在残余孔压;竖井地基按孔压定义的最终固结度不会到达100%, 其大小与荷载q和起始比降i0有关, 而与skh/ks无关。
路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板限位凹槽设置方式研究
王璞, 高亮, 赵磊, 曲村
2014, 31(2): 110-116. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0687
摘要:
CRTSIII型板式无砟轨道底座板上设置限位凹槽与上部自密实混凝土凸台相结合, 以实现结构层之间的传力、限位功能。该文利用有限元软件建立了路基上CRTSIII型板式无砟轨道空间静力分析模型, 并利用自主开发的FOSYS动力分析程序建立了车辆-轨道耦合动力学模型, 对两种主要凹槽设置方案的轨道结构静、动力学特性进行了对比研究。结果表明:1) 温度、车辆、基础沉降荷载作用下, 两种方案的结构受力变形略有差异, 但均在合理范围内;2) 当自密实混凝土与底座板间土工布层摩擦作用不足时, 双槽方案结构横向稳定性明显强于单槽方案;3) 动力荷载作用下, 两方案的动力学指标均满足高速铁路设计规范要求, 凹槽设置方式对于轨道结构动力学特性影响较小。综上, 两种凹槽设置方案均具有一定可行性, 考虑长期使用条件下双槽方案横向稳定性更佳, 推荐使用双槽方案。
基于车辆荷载效应截尾分布的桥梁限载分析方法
李松辉
2014, 31(2): 117-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0691
摘要:
根据车辆荷载效应右截尾分布模型, 提出一种基于结构可靠度理论的中、小跨度桥梁限载分析方法。首先以规范规定的车辆荷载效应分布为原始分布, 构造右截尾的车辆荷载效应概率密度函数;然后, 假定抗力、恒载效应及车辆荷载效应为相互独立的随机变量, 建立了考虑车辆荷载效应右截尾分布特征的限载系数反演模型;继而, 通过分析车辆荷载效应均值变化对限载系数的影响规律, 提出了理想抗力桥梁条件限载系数的确定方法, 并讨论了条件限载系数对车辆荷载效应变异系数与分布类型的敏感程度;最后, 根据原桥梁规范受弯构件承载能力设计表达式, 计算了按原规范设计桥梁的条件限载系数。结果表明, 桥梁限载取值仅与设计荷载等级、容许失效概率以及设计采用的活恒载比值有关, 而与车辆荷载效应的统计参数关系不大。所提限载分析方法可为中、小跨径桥梁提供具有一致可靠度水平的限载取值。
直接基于位移的PPC框架性能水准量化及设计位移可靠度分析
简斌, 王广兵, 谢县
2014, 31(2): 125-130. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0698
摘要:
在按照我国现行规范设计的16榀PPC框架的Pushover抗震性能分析的基础上, 对PPC框架性能水准的量化指标及DDBD法中设计位移的可靠度问题进行了研究。提出了结构基本完好、生命安全和防止倒塌三个性能水准的划分定义和以裂缝宽度、承载力指标等作为各性能水准的量化参考指标, 并以量化参考指标对应的层间位移角作为其最终的量化指标。同时, 将量化指标层间位移角做为抗力, 预期风险水平地震下层间位移角反应作为效应, 提出了一种以我国现行规范隐含的各性能水准可靠度为基础的考虑可靠度问题的简化方法。在某一性能水准下, DDBD法最终计算所得可靠度值β可视为一个与现行规范隐含可靠度值相对大小的量, 极大避免了计算用变异系数取值差异带来的误差, 且能满足同一性能水准的不同设计要求。
非线性破坏准则下水平浅埋条形锚板抗拔承载力的极限分析
王洪涛, 李术才, 王琦, 苗素军, 江贝
2014, 31(2): 131-138. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0699
摘要:
基于非线性Mohr-Coulomb强度准则, 根据相关联的流动法则, 构造出条形锚板上方土体破坏的机动许可场, 利用极限分析上限法, 结合变分原理, 推导出了水平浅埋条形锚板极限抗拔力的表达式与极限状态下对应的土体破裂机制, 讨论了不同锚板设计参数与土体强度参数, 对锚板极限抗拔力与土体破裂机制的影响, 并将该文计算结果与不同计算方法对应计算结果进行了对比。计算表明:随着锚板埋置深度、土体初始粘聚力与重度的增加, 锚板的极限抗拔力不断增大;该文提出的土体破裂机制, 与现有文献中的试验结果一致, 破裂曲面的形状主要取决于非线性系数m的大小, 而且非线性系数m对锚板极限抗拔力也有着显著的影响, 随着非线性系数m增加, 锚板抗拔力非线性不断降低, 土体破裂范围不断减小, 破裂曲面的曲率则不断增加, 当m=1.0时, 破裂曲面退化为一平直面。该文上限解计算结果与现有文献计算成果以及数值计算结果非常接近, 从而证明了该计算方法的有效性, 为条形锚板的设计提供一定参考。