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2016年  第33卷  第12期

综述
组合截面冷弯薄壁型钢结构研究进展
陈明, 黄骥辉, 赵根田
2016, 33(12): 1-11. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.ST03
摘要:
冷弯薄壁型钢房屋抗震性能优越,适合工业化建造,在国内外建筑行业已占有一席之地,符合国家“十三五”规划对房屋建筑发展提出的新要求。该文对国内外在冷弯薄壁型钢房屋受力性能的研究成果和相关规范的设计规定进行了全面的综述,发现传统冷弯薄壁型钢房屋在传力机制、受力构件截面种类等方面的不足,提出新型组合截面的冷弯薄壁型钢“非盒子”式的框架结构体系,总结该体系中受力构件、节点以及整体框架受力性能的研究进展,给出了组合柱稳定承载力、节点极限弯矩和初始刚度的计算公式。最后对该类组合截面冷弯薄壁型钢框架结构体系今后需要深入研究的问题提出了建议。
基本方法
杆系结构非线性后屈曲分析的增量割线刚度法
文颖, 孙明文, 李特, 曾庆元
2016, 33(12): 12-20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0331
摘要:
基于结构构件刚体运动与其变形抗力无关原理,假定构件经历与经典Updated-Lagrangian列式隐含的“微小自然变形-刚体运动”顺序相反的运动过程,建立空间杆系结构几何非线性分析的势能增量列式,推导了适用于典型增量步有限位移、有限应变分析的割线刚度矩阵。克服了Updated-Lagrangian列式下高阶非线性刚度矩阵推导过程繁琐及表达式不唯一等问题。该文提出的增量割线刚度既能预测位移(与协同转动法使用的割线刚度相比),又能较精确校正变形恢复力,列式简便而易于实际应用(与拉格朗日列式使用的割线刚度相比)。为了提升数值追踪算法追踪各类型平衡路径的通过能力及计算效率,提出非线性方程求解的增量割线刚度法:应用增量割线刚度矩阵作为非线性分析“预测”和“校正”算子,建立基于柱面弧长约束的直接迭代策略,提出适应多回路路径的荷载因子自动调整算法实现自动加载。经典算例验证了增量割线刚度法能有效防止路径追踪“回溯”,快速收敛到正确解,可靠地反映杆系结构受力全过程行为。
基于k-kL两方程湍流模式的尺度自适应模拟
李钊, 陈海昕, 张宇飞
2016, 33(12): 21-30. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0385
摘要:
k-kL两方程模式是一种对湍动能积分尺度输运方程模化的新型湍流模式,具有尺度自适应模拟的特性,能够在统一的表达形式下对流动进行定常和非定常数值模拟。引入可实现性修正,在二维零压力梯度平板边界层中验证其影响,进而选择典型流动的标准算例对这一模式进行较为全面的评估。通过三维CRM翼身组合体绕流算例验证了该模式应用于工程问题的实用性,并考察了网格密度对计算精度的影响。在周期山的三维非定常计算中,k-kL模式能够较好分辨流场中丰富的涡结构,准确捕捉流动大规模分离区的位置和形状,统计平均的表面摩擦力分布和速度场与实验和大涡模拟结果符合良好。上述计算展示了k-kL两方程模式在定常和非定常计算中的流动预测能力和工程应用潜力。
基于新修正偶应力理论的Mindlin层合板自由振动分析
陈万吉, 任鹤飞
2016, 33(12): 31-37,43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0394
摘要:
该文基于各向异性修正偶应力理论建立一个Mindlin层合板(跨厚比10~20的中厚板)自由振动模型。该理论偶应力曲率张量不对称,但偶应力弯矩对称。利用Hamilton原理推导振动微分方程和边界条件。新模型可退化为修正偶应力层合薄板振动模型和经典Mindlin层合板振动模型。以正交铺设简支方板为例计算了偶应力模型的自振频率,分析偶应力Mindlin层合板的自由振动尺度效应。算例表明,该文建立的新修正偶应力层合板模型能够用于分析细观尺度下Mindlin层合板的自由振动及尺度效应。
一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型
李雪冰, 危银涛
2016, 33(12): 38-43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0388
摘要:
橡胶通常被看作一种不可压缩各向同性的超弹性材料,其本构模型通常用应变能密度方程表示。针对Yeoh模型偏软的特性,该文提出了一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型。基于连续介质力学大变形理论,给出了改进的Yeoh模型在三种特殊变形模式下的应力-应变关系,并与原有的Yeoh模型和实验数据进行了对比。结果表明:改进的Yeoh模型在保持Yeoh模型体现反“S”形应力-应变关系的前提下,有效地克服了Yeoh模型在预测等双轴拉伸曲线时“偏软”的特性。在较大的应变范围内能够同时准确地预测单轴、平面和等双轴拉伸-压缩的应力-应变关系,具有较大的工程应用价值。
埋置移动荷载作用下成层饱和地基的动力响应
胡安峰, 李怡君, 贾玉帅, 孙波, 谢康和
2016, 33(12): 44-51,62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0275
摘要:
利用Fourier变换和传递反射矩阵法(TRM法)研究了成层饱和地基在埋置移动荷载作用下的动力响应。土体被假设为完全饱和的多孔弹性介质并且服从Biot多孔弹性波动方程,用修正粘滞阻尼模型来描述土体的粘弹性行为,采用TRM法来考虑饱和地基的成层性,利用Fourier变换和Fourier逆变换得到了埋置移动荷载作用下饱和地基动力响应积分形式解答。当饱和成层地基退化单层饱和地基时,该文解与已有解能很好的吻合。最后,通过数值计算分析了埋置荷载深度﹑荷载速度、荷载频率及软硬夹层对动力响应的影响。
土木工程学科
隧道复杂支护结构体系的协同作用原理
孙毅, 张顶立
2016, 33(12): 52-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.ST04
摘要:
隧道支护结构体系极其复杂,通常是由围岩和多个施作顺序及空间分布形式各异的支护结构组成,为分析复杂支护结构的协同作用关系,建立了包括初步加固圈、初期支护圈和二衬储备圈的复合支护圆环模型,并通过求解同心复合圆环问题,给出了模型任意圈层的内力和变形关系表达式;依据围岩变形特点划分为3个阶段,分别为超前变形阶段、急剧变形阶段和缓慢变形阶段,在此基础上明确了各阶段支护作用的重点;给出了复合支护体系在不同刚度、不同强度以及不同施作时机条件下的支护特征曲线;建立了超前支护内部协同承载模型,分析认为“超前支护壳体”与“掌子面前方岩土体”在支护刚度上的相互增益提高了超前支护整体的稳定性。通过研究核心岩土体与后续支护圈层的空间位置替换关系,从刚度需求角度揭示了围岩有必要提高自身的强度或发生一定的变形才有可能再次达到平衡状态的原因。
外廊式RC框架破坏机理的振动台试验研究
黄思凝, 郭迅, 孙得璋, 管友海, Tarasenko A. A
2016, 33(12): 63-71,85. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0473
摘要:
通过地震现场调查,对汶川地震中大量倒塌的外廊式钢筋混凝土框架结构的破坏特点、倒塌方向及堆积情况进行了总结。设计相似比为1/4的两层外廊式框架结构模型,并进行了振动台框架倒塌试验。试验再现了典型外廊式框架的倒塌过程。根据框架倒塌模式及试验结果分析,研究了各层加速度反应随结构破坏程度加深的关系及层间位移角变化规律。总结出框架结构破坏不同阶段所对应的层间位移角限值,计算了不同输入下各柱的动轴压力大小,分析了外廊式框架的破坏机理及倒塌原因。研究结果表明:在倾覆弯矩引起的动轴压力作用下,外廊式框架单柱侧的总轴压比升高,延性显著降低,柱端塑性铰区出现压剪破坏是引起外廊式框架倒塌的主要原因。
框架柱托换节点界面力学性能试验研究
岳庆霞, 张鑫, 刘纪松, 樊尊龙
2016, 33(12): 72-79. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.09.0748
摘要:
梁柱新旧混凝土结合面是框架结构托换节点的薄弱部位。为了提高梁柱结合面承载能力,进行了配置不同界面钢筋的14组托换节点试件的静力加载试验研究。结果表明:托换节点的破坏由两种形式控制,托换节点界面滑移破坏或托换梁受剪破坏。当梁柱结合面不设置界面钢筋或界面钢筋配筋特征值(钢筋屈服强度设计值与其面积的乘积)小于2 MPa时,托换节点发生界面滑移破坏;当界面钢筋配筋特征值大于2 MPa时,托换节点的破坏形式由界面破坏转变为托换梁的受剪破坏。提出考虑界面钢筋的摩擦剪切公式,并确定了其中的参数。在托换节点设计时,可以根据托换梁的受剪承载力及界面承载力计算公式确定界面钢筋的配置量,确保托换节点的结合面不发生破坏,实现托换节点的优化设计。
含单边缺口混凝土梁冲击破坏的近场动力学模拟
郁杨天, 章青, 顾鑫
2016, 33(12): 80-85. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0396
摘要:
改进了近场动力学(peridynamics,PD)微观弹脆性(prototype microelastic brittle,PMB)模型中微观模量的计算方法,解决了PMB模型的“边界效应”问题。利用改进的PMB模型计算了冲击荷载作用下单边缺口混凝土梁的破坏全过程,得到了混合型裂纹扩展的角度、路径以及裂尖最大速度,并与试验和其他数值方法模拟结果进行了对比分析,验证了改进的PMB模型的有效性。研究结果表明,近场动力学方法在模拟破坏问题时不存在网格依赖性,其本构模型自然包含了损伤与断裂的描述,是求解结构冲击破坏问题的一种有效方法。
考虑膨胀土地基膨胀率和刚度沿深度变化的桩-土共同作用解析解
张大峰, 杨军, 李连友, 沈兆普
2016, 33(12): 86-93. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0279
摘要:
膨胀土地基中,土的膨胀率和刚度沿深度变化明显:较深位置的膨胀土应力水平较高,一方面遇水的膨胀率较小,另一方面土的刚度较大。该文基于桩-土相互作用机理,利用荷载传递法推导了考虑膨胀土沿深度膨胀率减小、刚度增加的单桩理论求解方程,并得到了级数形式的解析解。理论解与现场和模型试验数据符合较好,尤其是轴力沿桩身发展的模式。之后该文在膨胀土层的平均膨胀率和平均模量不变的前提下,分析了不同膨胀位移分布模式和刚度分布模式对桩受力和变形的影响,发现若按传统的土沿深度膨胀率和刚度为常值计算,将过高地估计单桩的轴力和位移。利用此解析解还讨论了膨胀土中桩的临界压重。
冻融循环后一字形短肢剪力墙抗震性能试验研究
郑山锁, 甘传磊, 秦卿, 杨威, 汪锋
2016, 33(12): 94-103,111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0283
摘要:
为了研究冻融循环作用、混凝土强度和轴压比对一字形短肢剪力墙抗震性能的影响,探讨冻融环境下一字形短肢剪力墙的轴压比限值,设计制作了6个剪跨比为1.14的一字形短肢剪力墙试件并对其进行了200次循环的人工气候冻融试验,进而进行拟静力试验。基于试验描述了各试件的破坏过程与特征,并以抗剪承载力、延性系数、塑性转角、强度衰减、刚度退化和累积滞回耗能等指标为参数,分析了冻融环境下一字形短肢剪力墙抗震性能的衰减规律。试验结果表明:冻融循环作用对一字形短肢剪力墙的抗剪承载力、强度衰减、刚度退化和耗能能力影响较为显著,而对其变形能力影响较小;冻融循环次数不变,增大混凝土强度可有效增强一字形短肢剪力墙构件的抗冻性能,提高其抗震能力;冻融环境下,应严格控制一字形短肢剪力墙构件的轴压比。
屈曲约束支撑框架的支撑布置原则研究
冯玉龙, 吴京, 孟少平
2016, 33(12): 104-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0289
摘要:
屈曲约束支撑框架的支撑布置原则对其减震效果和结构的抗震性能影响显著。建立检验减震效果的6层和16层钢框架基准模型,分别以位移和层间位移不均匀系数为衡量结构地震损伤程度和损伤集中效应的指标,分析了支撑和框架间以及楼层间支撑较优且经济适用的布置原则。结果表明:减震效果随支撑面积的增加而减弱,建议主体框架加入支撑后结构的基本周期降低不宜超过1.5倍~2.0倍;支撑面积在楼层方向线性分布的比例系数为0.5~1.0时,结构的损伤集中效应较小。以“上层BRB屈服应发生在下层框架屈服之前”为性能目标,推导了楼层间支撑面积比上限值的理论公式,并用一个算例验证了公式的正确性。公式表明:当框架刚度较低或者屈服位移较小时,需严格限制支撑面积比,以防出现仅有某层或者较少层BRB屈服的集中损伤模式的不利现象。基于上述布置原则,给出了屈曲约束支撑框架设计流程。
车轨桥中高频耦合振动分析的功率流方法及模型
李奇, 程石利, 励吾千, 宋晓东
2016, 33(12): 112-118,127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0303
摘要:
轮轨滚动激励引起的桥梁振动响应和输入功率是计算桥梁结构辐射噪声的重要参数。时域车轨桥耦合振动分析常用于低频振动分析,但在中高频分析时效率较低。为此,提出一种基于力法原理的频域功率流方法解决这一问题。采用无限长Euler梁或Timoshenko梁建立钢轨部件,采用无限大Kirchhoff板、Mindlin板或有限元模型建立桥梁部件,采用弹簧元件模拟钢轨与桥梁之间的连接扣件,并以弹簧力为未知量建立力法基本方程。对比计算了不同轨桥模型对U梁和箱梁桥振动功率的影响。结果表明:U梁桥面板的剪切效应对桥梁振动功率计算结果影响很大,采用传统的无限大Kirchhoff板模型将导致功率级计算误差达到15 dB,而采用Mindlin板模型可获得良好的计算精度与效率。相对于箱梁实体有限元模型而言,采用Mindlin板模型的误差仍然较大。
钢筋套筒挤压连接的预制RC柱抗震性能试验研究
张微敬, 郭媛媛, 刘时伟
2016, 33(12): 119-127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0311
摘要:
为研究纵筋套筒挤压连接的预制柱抗震性能,完成了7个配箍特征值0.15~0.187、轴压比0.65~0.80、截面尺寸500 mm×500 mm的钢筋混凝土预制柱试件及1个用于对比的现浇柱试件的拟静力试验。结果表明,套筒挤压连接能够有效传递钢筋的拉、压力,预制柱试件与现浇柱试件的破坏过程、破坏形态基本相同,预制柱试件的水平力-位移滞回曲线饱满,偏心受压承载力试验值为计算值的1.26倍~1.42倍,极限位移角为1/42~1/26,抗震性能满足规范要求。套筒挤压连接可用于抗震设计的钢筋混凝土柱的纵向钢筋连接。
K0固结饱和土体柱孔扩张问题一种相似解法
刘时鹏, 施建勇, 雷国辉, 张兴胜
2016, 33(12): 128-134. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0320
摘要:
采用能够考虑原状土体实际K0固结特性弹塑性本构模型的屈服面方程为屈服准则,根据柱孔扩张基本平衡方程和相似解方法,对处于天然状态下的饱和土体柱孔扩张问题进行求解,推导出从零初始孔径柱孔扩张问题在小应变情况下塑性区的有效应力、超静孔隙水压力半解析解答。同时,通过算例对比分析表明:饱和土体在柱孔扩张后其塑性区超静孔隙水压力沿径向呈衰减趋势变化,其大小随着超固结比的增大而增大,孔壁周围土体有效应力下降明显,随着超固结比的增大,有效应力的减小趋势有所降低;考虑K0固结影响的本文解答所得到的超静孔隙水压力大于修正剑桥模型的解答,扩孔完成后其周围土体有效应力下降大于后者。
考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法研究
金德海, 徐明
2016, 33(12): 135-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0360
摘要:
传统的Burgers模型假设只有偏应力引起蠕变,而没有考虑围压对蠕变特性的影响,因此其主要用于描述岩石的蠕变特性。但不同于岩石,堆石料等粗粒土是由颗粒集合而成的摩擦型材料,其蠕变特性与围压密切相关。为了考虑围压对粗粒土蠕变特性的影响,该文首先推导了Burgers模型的三轴蠕变理论解,并根据各参数物理意义,提出一套简便实用的参数反演方法,用于获取同一围压不同偏应力下粗粒土的Burgers模型参数;进而总结并分析不同粗粒土的三轴蠕变实验结果,发现幂函数能较好地描述Burgers模型各参数随围压变化的规律;在此基础上,提出考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法,并通过三组粗粒土的蠕变实验结果验证了所提方法的有效性。
不同轴压比新型混合装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究
朱张峰, 郭正兴
2016, 33(12): 143-149,166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0367
摘要:
对1个现浇、2个新型混合装配式足尺比例试件进行了低周反复荷载试验,以验证新型混合装配式剪力墙的抗震能力。同时,新型混合装配式试件考虑了0.1、0.2两种轴压比条件,以探讨轴压比参数对其抗震能力的影响规律。试验结果表明,与现浇试件相比,相同轴压比条件下,新型混合装配式试件的抗裂性能、承载力、刚度均较现浇试件明显提高,位移延性性能接近,耗能能力有所降低;随轴压比降低,新型混合装配式试件的刚度明显降低、残余变形增大、耗能能力提高,除试件强度特性外,各方面性能均劣于较高轴压比的现浇试件。
风-列车-大跨度悬索桥系统非线性耦合振动分析
王少钦, 马骎, 夏禾, 郭薇薇
2016, 33(12): 150-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0370
摘要:
考虑大跨度悬索桥结构的几何非线性因素,建立了风-列车-桥梁耦合系统动力分析模型。为了考虑结构大位移非线性因素的影响,在有限元建模时考虑悬索桥主缆自重垂度及缆索初始内力的作用,在动力平衡微分方程中增加了几何刚度矩阵,通过自编计算程序,研究了列车与风荷载同时作用下主跨1120 m的五峰山悬索桥设计方案的线性及非线性振动响应。计算结果表明,考虑结构的大位移非线性因素对桥梁位移及加速度时程曲线变化趋势的影响不大,但会使其响应极值减小,非线性因素对桥梁加速度产生的误差影响较大而对位移的误差影响较小。
基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立
徐国文, 王士民, 汪冬兵
2016, 33(12): 158-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0402
摘要:
管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型(简称恒定模型)进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。
高强钢组合K形偏心支撑钢框架弹塑性状态的层剪力分布研究
李慎, 连鸣, 苏明周
2016, 33(12): 167-175,224. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0410
摘要:
高强钢组合偏心支撑钢框架结构中耗能连梁作为屈服构件采用普通钢(如Q345),而非耗能构件采用高强度钢材(如Q460),高强钢构件不仅有效降低了构件截面、节约钢材、降低造价,而且减弱了偏心支撑结构的刚度,使得层剪力分布状态与传统偏心支撑结构不同。为了研究这种新型结构在罕遇地震作用下的弹塑性层剪力分布状态,依据偏心支撑钢框架结构基于性能的设计方法设计了具有理想失效模式的5层、10层、15层和20层算例,并考虑了近场地震速度脉冲效应和远场地震加速度循环累计效应对结构的影响,采用动力时程分析方法计算结构在罕遇地震水准下的响应,根据结构弹塑性层剪力的平均值,提出了与我国规范相一致的弹塑性层剪力分布模式,并对比了已有的层剪力分布模式,该文建议的层剪力分布模式具有更高的精度,可为高强钢组合K形偏心支撑能量设计方法和塑性抗震设计理论提供参考依据。
地震作用下隧道-列车系统动力响应及安全性分析
杨勋, 王欢欢, 金先龙
2016, 33(12): 176-185. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0378
摘要:
针对土体-隧道-列车动力相互作用的特点,建立地震作用下隧道-列车系统的三维有限元模型,运用基于接触负载均衡的显式并行计算方法求解计算。研究了地震作用下隧道-列车系统的动力响应,并对地铁列车运行安全性进行了评价,分析了行车速度及地震强度对地铁运行安全性的影响。数值分析结果表明:地震作用对隧道-列车系统动力响应影响显著,地震作用使系统动力响应明显增大,并使地铁运行安全性及平稳性大大降低;列车动载荷对地震作用下的隧道系统动力响应影响较小;无震工况下,地铁运行安全指标对车速变化并不敏感;地震工况下,随着地震强度的增大,车速对地铁运行安全性的影响逐渐增大。
基于裂纹诱导弦挠度的Timoshenko梁裂纹无损检测
汪德江, 杨骁
2016, 33(12): 186-195. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0423
摘要:
研究了基于Timoshenko梁静态挠度识别梁中裂纹位置及损伤程度的计算方法。首先,将梁开闭裂纹等效为单向旋转弹簧,利用Delta函数和Heaviside函数,得到了具有任意开闭裂纹数目梁的等效抗弯刚度,求得了开闭裂纹Timoshenko梁弯曲变形的显式闭合通解,给出了闭合通解待定常数的迭代求解方法。其次,建立了裂纹诱导弦挠度函数,证明了在裂纹处裂纹诱导弦挠度曲线斜率存在突变,为裂纹位置识别提供了理论依据。在此基础上,给出了裂纹等效旋转弹簧刚度的近似计算公式。最后,通过数值试验,将所建立的方法分别应用于裂纹位置及损伤程度已知的简支和固支Timosheoko梁裂纹位置识别和损伤程度计算,结果表明该文建立的裂纹损伤识别方法不仅具有一般的适用性,而且具有较高的精度和可靠性。
型钢混凝土柱火灾后恢复力计算模型
张超, 王广勇, 薛素铎, 李雄彦
2016, 33(12): 196-205. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0535
摘要:
根据8根大比例型钢混凝土柱试件温度场和火灾后抗震性能试验结果,考虑受火时间、轴压比的影响,通过理论推导和回归分析,提出了开裂点、屈服点、峰值点和极限点为特征点的型钢混凝土柱恢复力-位移骨架曲线,并给出了这些特征点的计算公式。同时,通过试验数据的回归,得出卸载刚度与弹性刚度之间的关系。在上述工作的基础上提出了火灾后型钢混凝土柱的四线型荷载-位移恢复力模型。研究表明:建议的四线型恢复力模型与试验结果吻合较好,可用于火灾后型钢混凝土柱抗震性能的评估以及非线性地震反应分析。
平缀管式等截面钢管混凝土格构柱荷载-位移骨架曲线计算方法
袁辉辉, 吴庆雄, 陈宝春, 蔡慧雄
2016, 33(12): 206-216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0671
摘要:
基于平缀管式等截面钢管混凝土格构柱在水平低周往复荷载作用下的拟静力试验结果,采用OpenSees建立纤维单元杆系计算模型,对影响此类结构水平荷载-位移骨架曲线的主要因素进行参数分析。采用三折线简化模型模拟水平荷载-位移骨架曲线,通过理论推导或数据统计分析得到了平缀管式等截面钢管混凝土格构柱相关骨架曲线控制参数的简化计算公式,包括:考虑柱肢与缀管剪切变形的弹性阶段刚度的计算公式;基于塑性铰破坏并考虑轴力-弯矩相关曲线的水平峰值荷载的计算公式;基于数据统计分析并考虑实际工程需要的位移延性系数的峰值位移与极限位移的简化计算公式。与拟静力试验、有限元参数分析以及模拟实际结构尺寸扩大参数分析的结果进行的比较表明,三折线简化模型可以有效地模拟平缀管式等截面钢管混凝土格构柱的骨架曲线,相关骨架曲线控制参数的简化计算公式具有较高精度。
基于振动台的实时动力子结构实验系统稳定性预测研究
唐贞云, 陈适才, 张金喜, 李振宝
2016, 33(12): 217-224. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0716
摘要:
基于振动台的实时子结构试验是重要的现代结构试验技术,能很好的对土-结相互作用、减震系统(比如TLD、TMD)等动力特性进行大尺寸试件试验研究。试验系统稳定性是实现子结构试验的关键,但复杂的振动台动力特性使其稳定性预测精度还难以满足试验要求。该文结合振动台系统综合建模和根轨迹技术发展了稳定性预测方法,通过试验验证了该方法的可行性。同时从相位和幅值影响两方面对比讨论了常用分析方法的局限性,并采用该方法就结构特性对稳定性的影响进行了分析。研究结果表明考虑振动台综合模型的方法能很好的预测子结构试验系统稳定性。
机械工程学科
基于空间轴承寿命预测的预紧力优化分析
宁峰平, 姚建涛, 滕志程, 安静涛, 赵永生
2016, 33(12): 225-231. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0317
摘要:
以航天机构中的精密轴系为研究对象,构建了空间轴承寿命预测的数学模型,提出适宜于固体润滑轴承初始预紧力优化的方法,为其预紧力的设计和选择提供理论指导。基于滚动轴承的运动学、拟静力学和Archard磨损模型,综合考虑支撑刚度和润滑膜抗压极限强度要求,确定了预紧力的许用范围。以使用寿命最长为优化目标,优化了空间轴承71807C的初始预紧力。研究结果表明:空间轴承初始预紧力的选择范围为70 N~200 N;在磨损过程中,磨损深度和残余预紧力相互影响、相互作用;基于使用寿命最长的优化目标,优化得到156 N的初始预紧力为精密轴系组件的最优预紧力,并探究了不同预紧力下空间轴承的失效机理。
扣件胶垫刚度频变的车辆-轨道耦合时变随机振动扩展辛分析
韦凯, 杨帆, 王平, 张攀
2016, 33(12): 232-240. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0380
摘要:
运用扩展辛数学方法、周期拟稳态求解法与随机振动虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合时变系统的随机振动扩展辛分析模型,高效计算了扣件胶垫频变刚度影响下车辆-轨道耦合时变系统的随机振动频域特征,并与车辆-轨道耦合时不变系统的随机振动频域特征进行了对比。研究发现:1)对于低速地铁线路而言,在现有扣件胶垫低频初始刚度及其刚度频变幅度的变化范围内,时变与时不变系统中车轮及轮下结构垂向随机振动加速度频谱的差异很小,因此地铁线路上应用定点激励模型可满足工程要求;2)在高铁线路上,扣件胶垫刚度的频变幅度越大,车轮及轮下结构垂向随机振动加速度的最高功率峰及其对应主频在时变与时不变系统内的差距也越大,因此在扣件胶垫刚度频变幅度较大的高速线路上采用动点激励模型才能保证较高的运算精度。
其他工程学科
苏门答腊岛西北海域大型海底滑坡过程反分析
解秋红, 修宗祥, 刘乐军, 李西双, 李家钢, 胡光海, 赵勇
2016, 33(12): 241-247,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0376
摘要:
针对苏门答腊岛西北海域大型海底滑坡,建立基于欧拉-欧拉多相流理论的滑坡模型,对滑坡体动态运动过程开展模拟反分析。通过与BING程序和解析模型结果对比,考虑土体分段软化后的多相流模型能够较好的重现该滑坡体的运动过程,能获得与实际海底滑坡相近的沉积形态和滑动距离。分析结果表明滑动首先从坡角较大处开始,并逐渐推动中、前部坡度较小处土体滑动;滑坡体整体启动后沿斜坡逐渐加速,当滑动至斜坡底部时端部峰值速度达到最大值43 m/s,之后逐渐减速并在深海平原处停止运动;土体扰动以及混水后土体强度降低是海底滑坡长距离运移的根本原因,同时滑动过程中滑坡体端部发生的滑水效应,减小了海床摩擦力的影响,增加了滑坡体的运动距离。
风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析
刘雄, 梁湿
2016, 33(12): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0364
摘要:
现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。