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2016年  第33卷  第6期

综述
桥梁气动力CFD模拟中湍流模型的应用现状
张志田, 张显雄, 陈政清
2016, 33(6): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.10.0821
摘要:
近年来,计算流体动力学(CFD)在桥梁风工程中得到了越来越多的尝试与应用。CFD的应用不仅仅是顺应了计算机硬件浮点运算速度的快速发展,而且在处理复杂问题、时间及经济成本方面与风洞试验相比具有巨大的优越性。但是,这一优越性是建立在CFD求解结果具有实用精度的假设前提下的。该文综述了桥梁气动力CFD数值模拟中湍流问题的起源、各类湍流模型的本质特征及其适用范围与局限性。在此基础上,广泛调研了CFD在国内外桥梁气动力数值模拟中的应用,分别按静气动力与气弹两大类问题统计分析了目前CFD模拟与风洞试验结果之间的差距。结果表明,对于静气动力问题,CFD模拟的误差普遍在10%~40%之间;对于气弹问题,CFD模拟的误差普遍介于20%~300%。这一现实表明,以目前的水平,CFD尚无法独立于风洞试验而对桥梁气弹问题给出可靠的评估。要充分发挥计算流体动力学的优势,则必须结合湍流理论,加强各种湍流模型在各类桥梁气动问题中的应用基础研究。
基本方法
充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解
梁斌, 刘小宛, 李戎, 徐红玉
2016, 33(6): 9-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0940
摘要:
研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。
基于速度的显式等效力控制方法的研究
周惠蒙, 吴斌, 王涛, David Wagg, 戴君武
2016, 33(6): 15-22,33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0030
摘要:
该文采用等效力控制(EFC)来求解在实时子结构试验中的速度差分方程,采用反馈控制取代数学迭代来求解非线性动力方程。谱半径分析表明,由于准确地模拟了速度响应,结合显式Newmark-β算法的等效力控制方法的稳定界限与系统的阻尼系数无关,在不同阻尼比下稳定界限保持为Ω=2,具有良好的数值特性。而直接预测速度的中心差分法和采用线性插值模拟速度的平均加速度等效力控制方法,其稳定界限随着系统阻尼比的增大而降低,对于过阻尼结构(阻尼比大于1),原本无条件稳定的平均加速度等效力控制方法变为条件稳定:对于阻尼比为1.05的动力系统,其稳定界限为Ω=1.45。最后,采用该文方法对安装磁流变(MR)阻尼器的单自由度结构的地震响应进行数值分析,结果表明该文方法能正确跟踪结构速度和位移命令,因而对于速度相关型结构体系,具有良好的适用性和精确性。
土木工程学科
外包钢管加固RC柱抗冲击试验研究
朱翔, 陆新征, 杜永峰, 叶列平
2016, 33(6): 23-33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0991
摘要:
为改善结构柱抗冲击性能,设计了RC柱和外包钢管加固RC柱在不同轴压比下的抗冲击试验,比较了两种类型柱抗冲击性能差异。试验通过DHR-9401落锤式冲击实验机进行,运用力传感器、高速摄影机和应变片完整记录了冲击力时程曲线、轴力时程曲线、跨中挠度时程曲线和试件特定位置的应变时程曲线。同时运用三种通用动力非线性有限元软件MSC.Marc、ABAQUS和ANSYS/LS-DYNA对冲击试验进行了数值模拟。研究结果表明外包钢管加固RC柱抗冲击性能要明显强于RC柱,证明外包钢管加固RC柱是一种可行的抗冲击加固措施。ABAQUS建立的有限元模型和试验结果吻合最好,MSC.Marc次之,ANSYS/LS-DYNA稍差。但ANSYS/LS-DYNA可较好的模拟RC柱冲击破坏全过程,其他两种软件则较难实现。研究结果可为大型铁路站房抗脱轨列车撞击提供加固措施,并为选取适合的有限元软件进行抗冲击分析提供参考。
薄钢板剪力墙结构试验研究及简化模型分析
樊春雷, 郝际平, 田炜烽
2016, 33(6): 34-45. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0908
摘要:
通过对薄钢板剪力墙结构的低周反复荷载试验研究,分析了结构的受力机理、变形破坏模式、滞回曲线、延性指标、耗能能力等抗震性能指标。针对非加劲薄钢板剪力墙屈曲后受力性能,基于刚度等效、柱最大轴力等效和柱最大弯矩等效,提出一种构造简单又能考虑对边柱不利影响的三拉杆模型TSM(Three Strip Model),并与SM模型,精细有限元模型及试验结果进行了对比,结果表明,TSM模型具有很好的精度,可供工程设计应用。
钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法
陈宇, 李忠献, 李宁
2016, 33(6): 46-53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0801
摘要:
结构多尺度计算技术在保证计算精度的同时,可大幅度地降低计算成本。该文提出了钢筋混凝土柱多尺度模型界面连接和引入等效塑性铰长度的精细化区域界定的方法,并在LS-DYNA程序中二次开发了混凝土多维损伤本构模型,建立了钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法。通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析,验证了所建立方法的适用性;通过对一钢筋混凝土柱的地震模拟振动台试验的模拟与分析,直观地观察了强震作用下钢筋混凝土柱的混凝土压碎、钢筋屈曲等破坏过程。
框架-摇摆墙结构受力特点分析及其在抗震加固中的应用
吴守君, 潘鹏, 张鑫
2016, 33(6): 54-60,67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0749
摘要:
摇摆结构是一种新型抗震结构体系。摇摆结构通过释放某些部位的约束,允许结构相应位置发生相对位移,从而改变构件的受力状态,改善结构的抗震性能。框架-摇摆墙结构是摇摆结构的一种,其中摇摆墙能够绕着墙底连接件发生面内转动。墙体底部约束的释放降低了对基础的承载力需求,同时能有效避免地震作用下墙体的损伤。具有较大刚度的摇摆墙能有效地控制结构的变形模式,防止出现变形和损伤集中。在框架-摇摆墙结构中增设阻尼器和预应力钢筋可分别增加其耗能能力并减少震后残余变形。该文提出了框架-摇摆墙结构的分布参数模型,利用该模型分析了摇摆墙刚度对结构侧移分布、摇摆墙和框架承载力需求的影响。研究了摇摆墙在国内某工程抗震加固改造中的应用,提出了摇摆墙加固的具体方法以及连接的局部构造。采用动力弹塑性时程分析的方法,对比了原结构与摇摆墙加固后结构的抗震性能。分析结果表明,摇摆墙加固方案能使塑性铰的分布更加均匀,增设预应力钢筋和金属屈服型阻尼器显著提高了结构耗能能力,减小了结构的残余变形。
实时混合模拟逆补偿参数α的研究
徐伟杰, 郭彤, 陈城
2016, 33(6): 61-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1075
摘要:
时滞补偿是保证实时混合模拟试验效果的重要环节之一,其中逆补偿方法尽管简单易行,但往往存在补偿不足的问题。该文从频域角度对逆补偿的离散传递函数进行分析,证明逆补偿方法所能补偿的时滞与预测时滞和信号的频率有关,信号频率越小,补偿的结果越接近预测时滞。基于频域评价指标,对位移追踪试验进行了数值模拟和实验室测试,进一步证明逆补偿参数α与补偿的时滞存在10%左右的误差。最后,基于已有的实时混合模拟试验数据,建议当作动器时滞在10ms~30ms、结构频率在0.5Hz~3Hz时逆补偿参数α取1.1倍预测时滞;对于其他情况,应根据离散函数确定参数α的取值。
基于云图-条带法的概率地震需求分析与地震易损性分析
于晓辉, 吕大刚
2016, 33(6): 68-76. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0998
摘要:
提出一种概率地震需求分析的云图-条带法。该方法通过引入经验地震易损性分析中的数据处理方法,解决传统云图法无法处理海量非线性时程分析结果的局限。为说明该文提出方法,选取100条地震动作为输入,针对23个钢筋混凝土框架结构进行了云图法分析。基于所有结构的云图结果,采用云图-条带法建立了群体结构的概率地震需求模型,并计算得到了群体结构的地震易损性。研究表明:云图-条带法可以有效地处理海量非线性时程分析结果,建立较为合理的概率地震需求模型。在输入地震动的强度范围内,群体结构整体发生严重破坏和完全破坏的概率很低,而主要以发生轻微破坏和中等破坏为主。
基于遗传算法的高耸结构环形TLD满意优化设计
陈鑫, 李爱群, 徐庆阳, 张志强
2016, 33(6): 77-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0918
摘要:
针对高耸结构环形TLD的多目标优化设计开展研究。首先,建立了高耸结构环形TLD控制的动力学模型,并编制了其求解程序。随后,提出了采用Sigmoid函数作为独立满意度函数,并通过线性加权建立了复合满意度函数。进而,基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA),选取环形TLD的几何参数作为设计变量,结构响应和阻尼器行程的复合满意度作为优化目标,建立了高耸结构环形TLD控制的满意优化设计方法。最后,针对某自立式钢烟囱,编制程序开展了其在风荷载作用下环形TLD减振的优化设计。研究表明,该方法能够快速有效地得到一组满足工程需要且较为经济的设计参数,同时该方法对权重系数的敏感度较低,降低了多目标优化设计时权重系数选择的难度。
大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载
李玉学, 杨庆山, 田玉基, 朱英磊
2016, 33(6): 85-92. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0890
摘要:
为解决大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中存在的多个响应目标等效问题,对多目标等效静力风荷载分析方法进行了研究。根据结构风振响应特性,基于LRC法基本原理推导了构造大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载的基本分量,包括背景分量、共振分量及其二者的耦合项分量,该基本分量能够实现与风振响应各分量的完全对应。在此基础上,建立了多目标等效静力风荷载的求解方程,同时为限制奇异荷载的出现,引入了边界条件方程,据此求解得到了能够满足大跨屋盖结构多个响应目标的等效静力风荷载。为提高精度,还根据目标响应与静力响应间误差对求得的多目标等效静力风荷载进行修正。最后,采用所提方法对国家体育场大跨屋盖结构多目标等效静力风荷载分析计算表明,所得等效静力风荷载作用下结构静力响应与多目标响应吻合较好,验证了所提方法的有效性。
高阶单步法求解非线性动力方程的研究
王海波, 鞠高云, 罗晓燕
2016, 33(6): 93-97,113. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0195
摘要:
应用高阶单步法来求解非线性动力方程?(t)=G(Z,t)Z(t)+H(t)。根据泰勒展开的思想提出该文预估式,将已有的高阶单步法转为隐式方法,进行多次预估校正即可求解;另一种思路是把非线性部分看作非齐次项处理,在形式上化为线性系统?(t)=GZ(t)+H(Z,t),推导了新的高阶单步法逐步积分算法,该文方法为隐式方法,同样进行多次预估校正即可求解。数值算例论证了这两种求解思路的有效性。该文扩大了高阶单步法的适用范围。
移动随机线源荷载作用下黏弹性半空间体的动力响应
司理涛, 赵岩, 张亚辉
2016, 33(6): 98-106. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0497
摘要:
求解移动荷载作用下黏弹性半空间体的响应,是研究交通荷载引起的环境振动问题的基础。移动荷载作用下半空间体响应的积分形式解不难得出,但当荷载移动速度接近或大于瑞利波速时,被积函数往往具有奇异性和高振荡性,这就使得数值计算相当困难。该文研究了移动随机线源荷载作用下黏弹性半空间体的响应问题。利用虚拟激励法,将系统的随机振动分析转化为确定性分析,然后通过广义Duhamel积分得到了响应的积分形式解。将被积函数图形化确定了函数的积分限,通过自适应数值积分算法解决了被积函数的振荡性,最终得出了黏弹性半空间体动力响应的数值结果。为确保数值计算结果的正确性,同样计算了确定性荷载作用下半空间体的响应,并与已有文献结果进行了对比。在验证了数值算法正确性的基础上,计算了随机荷载作用下半空间体的响应,荷载移动速度涵盖了亚音速、跨音速和超音速三种情形。通过具体算例,分析了响应的时间和空间分布规律,并对荷载移动速度对响应的影响进行了分析。
装配式钢框架-预制混凝土抗侧力墙结构受剪承载力分析
吴函恒, 周天华, 陈军武, 吕晶
2016, 33(6): 107-113. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.08.0735
摘要:
钢框架-预制混凝土抗侧力墙装配式结构体系(SPW体系)为一种典型的双重抗侧力装配式体系,抗侧力墙体为结构体系的第一道防线,钢框架为结构的第二道防线。为研究该体系的受力机理和受剪承载力,在试验研究的基础上建立了钢框架与抗侧力墙体基于协同效应的传力机制,对抗侧力墙体的受力机理进行了分析,提出了该结构体系在各受力阶段的简化计算模型,推导受剪承载力的计算公式,并同试验值进行了对比分析,可靠性较好。
被动防护网中U形消能件的力学性能分析
汪敏, 石少卿, 崔廉明, 阳友奎
2016, 33(6): 114-119,145. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0840
摘要:
U形消能件是被动防护网中的一种新型消能构件,由钢板带、圆柱滚轴和套头组成,主要功能是降低作用在锚杆及钢丝绳上的荷载,吸收落石的冲击能量。由于国内尚未有相关设计理论和工程应用经验,为此对U形消能件进行了重复性拟静力拉伸试验,试验结果表明:U形消能件具有较好的重复拉伸性能;由于钢板带材料的塑性强化效应,U形消能件在前三次重复拉伸试验中,启动力阈值和耗能能力逐渐增大,在第四次重复拉伸试验中,钢板带发生了类似疲劳破坏的脆性断裂。依据重复拉伸试验现象及相关结果的研究,提出了采用能量法对消能件启动力阈值和耗能性能进行理论分析,建立了U形消能件启动力阈值和静力耗能能力的理论计算方法,并与试验结果进行了对比验证,理论计算方法可作为U形消能件工程设计的依据。
不同应力路径下砂岩能耗变化规律试验研究
陈子全, 李天斌, 陈国庆, 马春驰
2016, 33(6): 120-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0860
摘要:
为研究不同应力路径下岩石的能耗变化规律,采用MTS815岩石力学试验系统开展了砂岩的单轴压缩、常规三轴和卸荷三轴试验。结果表明:耗散能曲线变化是岩石内部损伤和破裂产生的表现,在弹塑性变形阶段,常规三轴耗散的能量占岩石吸收总能量的比例最大,卸荷三轴次之,单轴压缩最小;岩石的储能极限与围压具有明显的线性关系,单轴压缩试验中岩石的储能极限最低,卸荷三轴次之,常规三轴试验岩石的储能极限最高;岩石峰前和峰后的能量耗散速率与围压也具有良好的线性关系,峰后应力跌落阶段能量耗散速率明显较峰前能量耗散速率大数倍至数十倍,说明岩石峰前损伤速率较小,而峰后却快速损伤破裂,耗散能曲线的突然变陡表明岩石破坏发生。
圆钢管再生混凝土柱抗震性能与影响因素分析
陈宗平, 张向冈, 薛建阳, 苏益声
2016, 33(6): 129-137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0868
摘要:
为了研究圆钢管再生混凝土柱的抗震性能,以再生粗骨料取代率、长细比、轴压比和含钢率为变化参数,设计10个圆钢管再生混凝土柱试件进行低周反复加载试验,观察了其破坏过程及形态,获取其荷载-位移滞回曲线。基于试验实测数据基础,深入分析了各变化参数对强度、刚度、位移延性和耗能系数等抗震性能指标的影响规律。研究结果表明:在破坏形态上,钢管再生混凝土柱与普通钢管混凝土柱相似,均表现为底部钢管鼓曲、混凝土被压碎。钢管再生混凝土柱的滞回曲线饱满,其形状从梭形发展到弓形。钢管再生混凝土柱的各项抗震性能指标能满足现有抗震规范要求,在地震区推广应用钢管再生混凝土柱可行。随着长细比的减小,试件耗能系数减小,而其他抗震性能指标增加。除刚度随轴压比的减小而减小外,其他抗震性能指标对现有的设计参数变化范围并不敏感。试件壁厚优势在强度、弹性阶段刚度和破坏点耗能系数等方面表现较为显著。
基于改进MCMC方法的有限元模型修正研究
刘纲, 罗钧, 秦阳, 张建新
2016, 33(6): 138-145. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0887
摘要:
针对马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)模型修正方法在待修正参数维数较高时不易收敛和计算效率低下的问题,建立了融合自适应算法和相关向量机的快速模型修正方法。基于广义无偏见先验分布,推导了待修正参数的后验分布;在标准MCMC方法的基础上,引入延缓拒绝算法以提高新样本接受概率;引入自适应算法以自主调整建议分布的带宽。通过相关向量机建立待修正参数与有限元模型理论计算值之间的回归模型,以提高模型修正的计算效率。数值模拟和试验结构的模型修正结果表明,该方法的收敛速度较快,计算效率优于传统的一阶优化模型修正方法,为解决不确定性模型修正中的计算效率提供了一种新手段。
外压作用下椭圆截面柱壳的弹性屈曲
吴静云, 赵阳
2016, 33(6): 146-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0895
摘要:
基于能量法推导了外压作用下椭圆截面柱壳弹性屈曲临界荷载的理论解,推导中考虑了椭圆截面连续变化的曲率,引入带有衰减系数的位移函数以反映外压作用下椭圆柱壳的变形特点,并利用里兹法求解外压椭圆柱壳的能量方程。由椭圆柱壳理论解退化求得的圆柱壳外压屈曲荷载与已有文献的经典解吻合良好,与有限元分析结果的比较进一步验证了该文理论解的准确性。基于理论解的参数分析表明:在外压作用下,椭圆柱壳具备比圆柱壳更优越的力学性能;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随椭圆截面比的增大而增大,随壳体名义径厚比的减小而增大;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随壳体长度的增大而降低,但当名义长径比大于1左右后,屈曲荷载基本保持不变。
轴心受压H形截面不锈钢柱抗火性能分析
范圣刚, 孙文隽, 桂鹤阳, 夏新凤, 刘美景
2016, 33(6): 154-162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0896
摘要:
基于国产奥氏体S30408不锈钢材料,针对轴心受压H形截面不锈钢柱,采用高温稳态分析和瞬态分析两种方法对其抗火性能开展了有限元数值模拟分析,揭示了不锈钢柱高温下受力性能与破坏模式。通过高温稳态分析,给出了不同温度下不锈钢柱的荷载-位移曲线及极限承载力-温度曲线;通过高温瞬态分析,研究了特定火灾升温模式下不锈钢柱表面温度的变化规律,给出了不同荷载比下不锈钢柱的临界温度;并将两种方法的计算结果与《欧洲规范》(EN1993-1-2)的计算结果进行对比分析。在此基础上,分别采用高温稳态分析和瞬态分析方法,对不锈钢柱的抗火性能开展了参数化分析,着重考察了构件初始缺陷、荷载比、截面尺寸以及长细比对高温下极限承载力和临界温度的影响。研究结果表明:构件的长细比和截面尺寸为轴心受压H形截面不锈钢柱高温极限承载力的主要影响因素,荷载比为不锈钢柱临界温度的关键因素,初始缺陷对不锈钢柱的抗火性能影响不明显。
外伸悬挑组合式锅炉大板梁的静力试验及有限元模拟分析
张文元, 赵琳
2016, 33(6): 163-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0915
摘要:
为揭示外伸悬挑组合式锅炉大板梁的受力机理和破坏模式,并验证某工程大板梁的设计可靠性,通过对外伸悬挑组合式大板梁缩尺模型的静力试验和考虑各种非线性的ABAQUS有限元数值模拟分析,研究了大板梁简支段和悬挑段在各加载阶段的承载力、局部应力、整体变形和局部屈曲等关键响应,对试验中的破坏现象给出了合理解释,并重点研究了悬挑段与简支段拼接端板与拼接螺栓的受力和变形特点。试验与模拟结果均表明大板梁在设计荷载作用下处于线弹性阶段,并具有足够的安全储备;支座附近腹板局部屈曲和悬挑段端板拼接螺栓断裂是大板梁的主要破坏模式,决定了梁的整体承载力;按拼接螺栓群的受力模式,悬挑梁端的弯矩和剪力分别由翼缘附近螺栓的抗拉连接和腹板附近螺栓的摩擦连接来承担。各阶段试验现象和数值模拟结果吻合较好,也验证了数值模拟方法的可靠性。
地震作用下钢框架落层倒塌效应模拟分析
郭金龙, 蔡健, 陈庆军
2016, 33(6): 171-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0924
摘要:
为了研究地震作用下钢框架结构的落层倒塌效应,根据相关文献提供的9层钢框架模型,利用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA分析其在地震作用下的结构响应,同时模拟相关文献中的振动台结构倒塌试验,分析结果同文献对比较为吻合,验证了模型的合理性。对该钢框架在强震作用下的倒塌效应进行仿真,分析表明强震作用下首先由于结构中部薄弱层层间位移角发展达到1/10并持续增大,发生落层倒塌,上部楼层碰撞作用于下部楼层,使下部相邻楼层柱轴力突增,加剧该层P-Δ效应,导致下层倒塌;此外第1层层间位移角亦发展达到1/10并持续增大,继而导致钢框架整体发生连续倒塌破坏。分析了落层倒塌碰撞作用下,薄弱层相邻下层柱总轴力变化规律,其动力放大系数可能大于规范取值。加强薄弱层抗侧刚度可有效防止钢框架发生倒塌破坏;合理设计的钢框架结构当薄弱层层间位移角超过规范限值但未出现持续增大现象时,不出现倒塌破坏。
考虑温度效应的沥青混合料参数模型
董满生, 鹿婧, 凌天清, 孙志彬, 李凌林
2016, 33(6): 180-185,193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0960
摘要:
选取修正Burgers模型作为沥青混合料的粘弹性本构模型,基于最小二乘法原理对单轴压缩蠕变试验数据进行拟合,获得本构模型的粘弹性参数。考虑温度变化对沥青混合料粘弹性的影响,建立修正Burgers模型的粘弹性参数模型,运用实验数据拟合粘弹性参数模型的分项系数,理论计算考虑温度效应的蠕变柔量,与实验结果对比分析表明,参数模型有较好的适用性,拟合精度高。粘弹性参数模型能将有限的实验数据推广到其他温度工况,节约大量实验,具有很好适用性。
ECC双轴压力学性能及破坏准则试验研究
潘金龙, 何佶轩, 王路平, 周甲佳
2016, 33(6): 186-193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0969
摘要:
利用真三轴液压伺服试验机,对3种强度的高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites,ECC)进行了双轴压试验研究,得到了ECC在双轴压应力状态下的破坏形态、极限强度和应力-应变曲线,并与普通混凝土的试验结果进行对比,分析了不同应力比下ECC的破坏机理和主压强度的变化规律。试验结果表明,双轴压应力状态下,ECC强度包络线与普通混凝土有一定差别,强度较低时两者结果相近,但强度较高时相同应力比下ECC主压强度增幅明显小于混凝土。最后,基于Kupfer等建立的普通混凝土的强度准则和试验结果,提出了ECC的双轴压强度破坏准则。
改进响应面法计算钢筋混凝土框架体系可靠度
孙威, 黄炎生, 杨惠贤
2016, 33(6): 194-201,208. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0979
摘要:
钢筋混凝土框架结构体系可靠度是评定结构抗震性能的重要指标,也是对既有结构进行加固的评估基础。以框架底层柱端极限弯矩承载力作为参考变量可有效评估框架结构体系可靠度,该方法采用Pushover静力推覆分析,通过研究框架结构底层柱端极限弯矩承载能力对Pushover曲线的影响规律,由Pushover曲线上的基准点推广得到结构失效响应面,从而计算出结构体系可靠度。应用该方法对一榀钢筋混凝土框架进行了体系可靠度计算,计算结果与直接响应面法和蒙特卡洛法分析结果进行对比,结果表明,该方法计算快捷,且能够很好地评估出框架体系抗震可靠度。
钢丝与混凝土粘结拔出行为的试验与模拟
王家赫, 张君, 于蕾, 傅玉勇
2016, 33(6): 202-208. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0999
摘要:
该文首先建立了钢丝从混凝土基材中拔出的试验方法,并试验测定了不同锚固长度的钢丝拉拔行为,获得了拉拔荷载与拔出端位移之间的定量关系。在此基础上,建立了基于细观力学分析的钢丝拔出模型。通过模型计算,获得了钢丝与混凝土之间的界面粘结参数,并计算分析了锚固长度、倾斜角度等因素对钢丝拔出行为、最大承载力的影响。试验与模型计算结果表明,钢丝在混凝土中的拔出行为可分为脱粘和拔出两个阶段。在脱粘阶段,钢丝与混凝土之间的粘结强度可视为常数;在拔出阶段,钢丝与混凝土之间的粘结强度随拔出位移首先快速减小,之后减小速率逐渐降低,并趋于恒定值。对相同养护龄期,钢丝锚固长度越长,钢丝极限拔出荷载越大,同时与最大拔出力相对应的拔出位移也逐渐增大。钢丝埋置深度和角度相同时,养护龄期越长,钢丝抗拔能力增强。钢丝拔出方向与锚固方向不一致时,钢丝拔出荷载将增大,钢丝拔出方向与埋入方向夹角越大,抗拔极限承载力越大。模型与实验结果对比表明,所建模型及其所获得的粘结参数可良好地预测不同锚固长度的钢丝从混凝土中的拔出行为。
机械工程学科
基于缺口应力法的焊接接头疲劳分析
刘旭, 张开林, 姚远, 王晓鹏
2016, 33(6): 209-214,249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0925
摘要:
等效缺口应力法作为焊接疲劳分析的一种局部方法,不仅克服了焊接结构名义应力难以确定和焊根结构应力无法定义的困难,而且能够反映焊接局部后处理对焊接接头疲劳强度的影响,因此近年来备受关注。该文建立了典型焊接接头的三维缺口应力模型,对焊趾根部的缺口应力集中系数进行了求解;通过对对接接头和纵向角接头在焊后未处理(AS-weld)和超声喷丸处理(UPT)两种状态下的疲劳试验数据进行分析处理,获得了两种焊接接头在缺口应力系统下统一的S-N曲线,并与目前国际焊接学会所推荐的具有相同存活率的疲劳寿命曲线(IIW:m=3,FAT=225)进行比较,结果表明,该曲线具有更高的疲劳等级和更低的斜度。
管道损伤处纵向导波模态转换对损伤识别的影响
陈颖璞, 赵明, 马书义, 武湛君, 吴会强, 马云龙
2016, 33(6): 215-221. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0989
摘要:
在管道导波检测中损伤反射回波包含了丰富的损伤相关信息,对回波信号的全面分析有助于识别损伤的几何特征。纵向模态导波与损伤相互作用会发生双模态转换,即L(0,2)导波与L(0,1)导波之间的相互转换。由L(0,2)导波转换而来的L(0,1)导波也反映了管道的损伤特征信息。利用数值模拟和实验方法,研究了损伤沿管道径向和周向扩展时L(0,1)和L(0,2)导波的反射特征。结果表明:L(0,2)导波与非贯穿型损伤相互作用会发生双模态转换现象,而与贯穿型损伤作用时,不发生双模态转换;对于周向长度一定的损伤,L(0,1)导波反射系数随损伤径向扩展呈先增大后减小的趋势,且损伤深度小于管道半壁厚时,L(0,1)导波与L(0,2)导波反射系数相当。研究结果为管道检测过程中评估损伤的径向深度提供了参考。
狭长平行板间液桥形态及受力研究
朱朝飞, 贾建援, 付红志, 陈轶龙, 曾志, 于大林
2016, 33(6): 222-229. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0061
摘要:
在狭长光滑平行板间形成的体积恒定的液桥,随着两板间距的变化,液固界面宽度受平板长度方向的边界约束保持不变,但液桥会沿着平板长度方向自由地伸长缩短,这必将引起液桥形态参数的变化,进而使液桥的受力发生变化。该文考虑细长液桥轮廓的边缘效应,建立液桥的拟三维受力模型。在液桥体积恒定的条件约束下,根据其细长形态特征利用高效的方法求解液桥形态微分方程。最后,该文研究平行板间距变化引起的接触角、长度、宽度等液桥形态参数的变化与液桥受力变化之间的联系,并将计算结果与Surface Evolver的仿真结果进行对比,证明该文所述方法的正确性和实用性。
其他工程学科
机翼壁板斜搭接结构DFR值试验测定及理论计算
张志楠, 王新波, 谭申刚
2016, 33(6): 230-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0891
摘要:
该文针对某型飞机机翼壁板斜搭接结构,采用试验测定和理论分析两种方法,对该结构DFR值进行分析,分别给出了试验测定的DFR值和理论计算的DFR值。分析结果表明:理论分析能够较好的模拟斜搭接试件的几何特征与受载情况,验证了该DFR理论分析方法的工程适用性,为机翼壁板斜搭接结构的DFR测定提供了参考依据。
固定测站的风向风速联合分布研究
董胜, 林逸凡
2016, 33(6): 234-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.1002
摘要:
风速与风向联合分布在工程规划、结构设计以及风能资源评价等方面应用广泛。风玫瑰图是目前分析风要素常用的手段,不足之处在于该图只能表示特定16个方位各级风力的频率分布情况。基于连续型角度-线性联合分布模型,该文提出了根据风玫瑰图建立联合分布模型的新方法,并绘制了一种新型且在风速及风向上均连续的风频分布图。以辽东湾长兴岛站的风测数据为例,建立风速风向联合分布模型,绘制风速风向联合分布图。结果表明:1)统计模型可靠性高,与原始风向风速分布相关性极强;2)联合分布模型相比风向离散的风速分布模型,可以更好地反映邻近方位之间风速分布的相互影响;3)新的联合分布图给出了全方向的风频理论分布,克服了传统风玫瑰图中仅有16个风向的不足。
高强度钢加劲板焊接残余应力测试及分析
王佳, 刘玉擎, 黄李骥
2016, 33(6): 242-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0995
摘要:
为研究高强度钢的板肋加劲板焊接残余应力分布特点,该文利用切割法对板肋加劲板试件进行了应力测试研究,建立了三维实体热弹塑性有限元模型,采用单元生死和动态约束技术模拟焊缝填充和焊接热输入过程,对比分析了高强度钢和普通钢的应力分布特点,比较研究了母板厚度、肋板厚度、肋板间距和高度对焊接残余应力的影响。研究结果表明:板肋加劲板T型接头角焊缝的焊接顺序与残余应力的分布不相关;高强度钢非焊接区域残余压应力小于普通钢;板件厚度和肋板高度是影响高强度钢的板肋加劲板焊接残余应力的主要因素。
超声速旋转火箭弹气动流场的微楔控制
马杰, 陈志华, 孙晓晖, 薛大文
2016, 33(6): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1083
摘要:
超声速弹箭表面的流体分离是影响飞行稳定的主要影响因素之一。研究表明,微楔涡流发生器可有效控制超声速流体边界层的流动分离。该文基于制式122火箭弹,通过在弹肩前端安装微楔来研究边界层流动分离控制对火箭弹气动性能的影响。运用DES方法数值模拟了122火箭弹在有无加装微楔条件下的流场变化,对比分析了微楔对弹体表面边界层结构以及弹气动数据的改变,讨论了微楔对弹的气动力及稳定性作用。数值结果表明,微楔可以抑制弹体表面流体分离,提高火箭弹的升力及俯仰力矩,减小马格努斯力矩,有利于提高其飞行稳定性及射击精度,可为相关旋转火箭弹的改进提供指导。