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2016年  第33卷  第9期

综述
防屈曲支撑的型式、设计理论与应用研究进展
郭彦林, 童精中, 周鹏
2016, 33(9): 1-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.04.ST01
摘要:
该文综述了防屈曲支撑构件自发明以来40年的发展历程,可以看出防屈曲支撑逐步向轻型化、高承载和复杂功能方向的发展趋势。特别介绍了新近发展的全钢装配式、梭形、内核分离式、多肢格构式及桁架(索桁架与刚性桁架)约束型防屈曲支撑的型式和组成、受力机理和破坏模式、弹性屈曲荷载、单调轴压下的承载力、反复拉压荷载作用下的滞回和低周疲劳性能、试验研究成果等,重点关注防屈曲支撑的外围约束刚度、约束比门槛值、外围连接强度以及端部构造等设计理论的研究成果。综述了国内外相关规范对防屈曲支撑设计的相关规定,介绍并讨论了基于约束比和基于正则化长细比的两种设计方法。
基本方法
基于EEP法的三维有限元超收敛计算初探
袁驷, 吴越, 徐俊杰, 邢沁妍
2016, 33(9): 15-20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.ST07
摘要:
二维有限元法(FEM)的超收敛计算,借助有限元线法(FEMOL)作为桥梁,分两步采用单元能量投影(EEP)法导出超收敛公式,初步形成“逐维离散、逐维恢复”的方案。然而这一思路直接应用于三维问题却遇到了困扰:一维问题的EEP解(位移和导数)均可达到相同的超收敛阶,而二维问题却难以做到。研究发现,为了得到三维问题的EEP超收敛位移,只需提供二维问题最低阶的超收敛位移即可。该文按此思路推导了非规则网格下三维六面体单元的EEP超收敛位移公式,给出了一个实施方案,并通过数值算例验证了此方案的有效性。
基于有限质点法的多尺度精细化分析
郑延丰, 罗尧治
2016, 33(9): 21-29. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0144
摘要:
多尺度作为一种精细化分析的建模手段,能有效平衡结构分析中的计算效率和精度。有限质点法是一种能准确分析结构非线性行为的方法,在多种复杂行为分析中得到应用。该文利用有限质点法以质点为基本元素和显式积分的特点,基于梁、壳等低维单元的平截面假定,将多尺度连接处的质点分为主质点和从质点,集成从质点的质量、质量惯性矩阵、力、力矩等物理量至主质点,求解主质点运动方程后,由位移约束条件求得从质点位移,从而实现不同维度单元的多尺度连接。算例表明该多尺度方法对梁-壳、梁-固体及壳-固体的连接是有效的,在几何非线性及动力问题中具有良好的精度及稳定性,适合于结构复杂行为分析。
假设位移拟协调平面单元应变离散算法研究
胡清元, 夏阳, 胡平, 张万喜
2016, 33(9): 30-39. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0128
摘要:
应变-位移方程的弱化和离散是拟协调有限元列式中的一个基本问题,也是假设应变有限元方法的一个重要问题。该文通过研究拟协调有限元中的平面单元列式,考察了不同应变离散算法下单元的性能。通过理论分析和数值实验,证明了对同一个应变项的计算可以选择不同的应变-位移式进行计算,应变-位移式的选择并不影响所构造单元的收敛性。该文结果解决了拟协调有限元的一个基础问题,可以指导拟协调有限元的列式,也为一般的弹性力学数值分析中应变-位移方程的处理提供依据。
中厚圆柱壳自由振动的动力刚度法分析
陈旭东, 叶康生
2016, 33(9): 40-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0060
摘要:
该文阐述了将动力刚度法应用于中厚圆柱壳的自由振动分析。从考虑横向剪切变形和转动惯量的中厚壳理论出发,将圆柱壳的振动分解为一系列确定环向波数下的一维振动问题。用常微分方程求解器COLSYS求解该一维问题的动力刚度,通过Wittrick-Williams算法及导护型牛顿法求得该环向波数下结构的频率和振型。由于求解动力刚度时使用COLSYS对控制方程进行了精确求解,所以该文方法是精确方法。数值算例验证了中厚圆柱壳壳段固端频率计数J0计算方法的可靠性。综合表明:应用动力刚度法对中厚圆柱壳自由振动进行分析是可靠、精确的。
土木工程学科
钢-混凝土组合箱型梁的滑移和剪力滞效应
朱力, 聂建国, 季文玉
2016, 33(9): 49-58,68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0562
摘要:
该文提出了钢-混凝土组合箱型梁考虑滑移和剪力滞效应的理论模型。模型中引入了5个变量,分别包括混凝土板轴向位移、钢梁轴向位移、竖向挠度、混凝土板翘曲强度函数和钢梁翘曲强度函数,采用虚功原理得到了组合箱型梁的控制微分方程组,微分方程组可基于有限差分法求解。进而结合有限元精细模型分析手段,通过分析1座简支组合箱梁桥和1座两跨连续组合箱梁桥的滑移和剪力滞效应,验证了理论模型的准确性与适用性。最后以承受均布荷载的简支组合箱梁桥为基础,采用理论模型研究了压弯或拉弯荷载导致的梁柱效应以及预应力束布置方式对剪力滞效应的影响,并进一步分析了所提出的理论模型较之于之前研究者提出的理论模型所具备的优势。
尼泊尔8.1级地震钢筋混凝土框架典型震害及讨论
张昊宇, 王涛, 林旭川, 曲哲, 毛晨曦
2016, 33(9): 59-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0622
摘要:
尼泊尔8.1级地震发生2个月后,该文作者随队开展了为期半个月的尼泊尔地震震害调查。该文报道了尼泊尔8.1级地震中3个调查点的钢筋混凝土(RC)框架结构震害特点。调查表明,除少数医院、政府办公楼、学校建筑为正规抗震设计建造外,大部分RC框架结构为自建民居、商铺。被调查RC框架结构的梁、板、柱均采用现浇混凝土,填充墙均采用粘土砖砌筑。震害主要表现为底层或临街楼层(街道高于底层时)框架柱压弯破坏,填充墙倒塌,柱顶水平施工缝处破坏,部分紧邻填充墙的柱顶部剪切破坏,屋顶女儿墙震损掉落,少数结构发生整体垮塌。该文作者对某一典型区域的框架结构进行了详查,得到6个震损结构的尺寸、材料强度和破坏模式,分析表明,具有较小柱轴压比,较大刚重比的结构具有较好的抗倒塌能力。最后,针对尼泊尔RC框架的震害特点,对比我国相关规范规程和以往震害经验,探讨了防止填充墙相邻柱端剪切破坏的措施、防止施工缝对柱的削弱、非结构构件抗震构造措施的必要性,以及震后建筑安全性鉴定的注意事项。
某钢结构梁高温切割全过程的监测与分析
宋彪, 李宏男, 任亮, 范书立
2016, 33(9): 69-75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0117
摘要:
为保证某大型生产车间钢框架平台梁在设备荷载作用下改造过程中的安全性,采用ANSYS软件对改造方案进行了有限元分析,并采用光纤光栅传感器对其改造全过程进行了实时可视化监测。通过钢梁的有限元结构分析以及高温切割过程中钢梁温度场分析,确定了钢梁的切割方案,同时为相应高温环境下的结构实时监测方案设计、传感器的布设以及实时监测预警阀值的设定提供了依据。监测过程中实时获取了现场钢梁的工作状态,并对实时监测数据进行了快速分析和评价,从而判断钢梁的安全性,以保证钢梁切割过程的顺利进行。监测结果表明,根据监测方案可以快速评价钢梁的受力状态,为切割机的前进速度提供指导,同时表明光纤光栅应变和温度传感器完全满足高温环境下的测量要求。可视化监测方案在快速预警方面的成功应用可为类似的结构改造提供结构健康监测依据。
巨-子结构控制体系振动台试验与有限元模型对比分析
李祥秀, 谭平, 刘良坤, 张颖, 周福霖, 李小军
2016, 33(9): 76-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0083
摘要:
为了研究巨-子结构控制体系的抗震性能,该文进行了巨-子结构控制体系的振动台试验研究。试验模型均为钢框架模型且包括三个不同的模型,分别称为抗震结构模型、隔震结构模型和隔震-底层固结模型。采用大型有限元软件SAP2000对试验模型进行了非线性时程分析,并在主结构的加速度、层间位移,子结构的层间位移以及隔震层的变形方面与试验结果进行了对比分析。结果表明:理论分析与试验研究结果吻合较好,且不论是理论计算结果还是试验实测结果,隔震结构以及隔震-底层固结结构相对于抗震结构而言,结构的响应减小明显,说明结构施加隔震装置后能有效减小结构响应,从而保证结构的安全性。
型钢再生混凝土框架-再生砌块填充墙结构恢复力模型试验研究
高亮, 薛建阳, 汪锦林
2016, 33(9): 85-93. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0005
摘要:
对7榀1/2.5比例单层单跨型钢再生混凝土框架-再生砌块填充墙模型进行低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究,分析了墙体设置形式、填充墙砌块强度、拉筋构造形式、轴压比以及墙体宽高比等设计参数对该种结构抗震性能的影响。研究了模型的典型破坏形态、荷载-位移曲线、承载能力以及位移延性等。结果表明:试验模型的典型破坏形态均符合“强柱弱梁”的破坏模式,框架部分的破坏程度随墙体全高填砌而减轻;在框架中加设墙体后可明显提高结构承载力和初始刚度,墙体填充率越大、填充墙砌块强度越高、拉筋间距越小、轴压比越高、墙体宽高比越大,结构承载力与初始刚度提高越明显;结构的位移延性均值达到6.26,高于钢筋再生混凝土框架-填充墙、普通钢筋混凝土框架-填充墙以及钢筋混凝土异形柱框架-填充墙等结构,抗倒塌能力较强。在试验研究的基础上,通过有限元与试验结合的方法,建立了相应的四折线恢复力模型,可用于型钢再生混凝土框架结构的弹塑性地震反应分析。
基于小波多分辨率分析的时变结构参数识别研究
赵丽洁, 杜永峰, 李万润, 张浩
2016, 33(9): 94-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0033
摘要:
提出一种小波多分辨率分析的最优尺度选择方法,并将其应用于结构时变物理参数的识别。首先,从函数空间剖分的角度引入WMRA对时变参数进行多分辨率近似展开,将振动微分方程转化成多元线性回归方程,根据时变参数的频率范围及采样频率、线性方程组的个数等确定分解层数取值范围;其次,利用赤池信息准则(AIC)寻求最优分解尺度,为增强数据的稳定性,采用正交最小二乘算法(OLS)代替传统最小二乘算法(LS)对模型中小波系数进行估计并重构时变参数;最后,分别以突变和连续变化的两种时变参数的5层剪切框架模型进行数值模拟。分析结果表明:在预先确立的分解尺度范围内,采用无噪声干扰的响应信号进行识别时,识别精度随着分解尺度的增加而增加;采用噪声干扰的测量信号进行识别时,识别精度与分解尺度的增加无必然联系;通过选择适当的分解尺度,能够准确识别时变参数、提高方法的计算效率并保证很好的抗噪性能。
考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换应力探讨
黄耀英, 包腾飞, 李春光, 孙冠华
2016, 33(9): 103-108. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0040
摘要:
将应变计组实测应变转换为应力与混凝土的应力状态有关。针对高混凝土坝应力作用水平较高,当混凝土的应力超过一定的限度,混凝土将进入塑性徐变阶段,如果仍基于弹性徐变体的应力-应变关系进行实测应变的应力转换,获得的应力与实际情况不符。该文假设混凝土在高应力作用下将产生塑性流动,根据P.Perzyna假设计算黏塑性应变率,首先推导了最大拉应力屈服准则和Hsieh-Ting-Chen屈服准则的黏塑性应变率计算公式,接着推导了考虑塑性徐变的实测应变转换应力的计算公式,进而探讨了考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换为应力。实例分析表明:由于将实测应变转换为应力采用增量法进行计算,在转换过程中,某阶段的应力失真,必然导致后续转换应力的真实性,而考虑塑性徐变的实测应变转换的应力更符合实际情况。
考虑钢筋锈蚀的复合受扭混凝土箱梁时变承载力研究
程坤, 项贻强
2016, 33(9): 109-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0047
摘要:
对考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力进行研究。针对复合受扭混凝土箱梁中混凝土开裂面与钢筋斜交的情况,推导了综合考虑钢筋混凝土粘结滑移效应及正交配筋效应的钢筋修正本构模型。引入钢筋和混凝土材料的时变劣化模型,结合复合受扭钢筋混凝土箱梁的修正板-桁架模型,编制了复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力的计算程序。与纯扭锈蚀构件和复合受扭构件的试验对比,验证了所提出钢筋修正本构模型的适用性较好。算例结果表明:在假定的一般大气环境和受力条件下,考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁构件100年后抗扭强度降低约15%。
全预应力混凝土梁长期变形计算
刘婷, 薛伟辰, 王巍
2016, 33(9): 116-122. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0069
摘要:
与部分预应力混凝土梁相比,全预应力混凝土梁全截面受压且压应力较高,由于混凝土收缩徐变产生的梁长期变形也更大。该文从按龄期调整的有效模量法出发,将梁沿长度方向细分单元,细分单元长度为截面高度的1倍~2倍,锁定单元节点,分别计算混凝土的收缩、徐变以及预应力筋的松驰对其产生的强迫力值;释放强迫力,并将其反向作用于节点上,求出此时的截面时随应变和附加曲率,进而推导出可用于求解任意时刻的全预应力混凝土梁长期变形的计算公式。基于该课题组和其他研究者试验结果,对该文及国内外规范的计算公式进行了对比分析,结果表明:该文公式计算值与试验结果吻合良好;国内外规范计算值与试验结果的平均误差则明显偏大,且计算结果偏于不安全。
扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析
韦凯, 杨帆, 王平, 罗伟
2016, 33(9): 123-130,137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0071
摘要:
运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明:扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。
各向异性软黏土基坑抗隆起稳定极限平衡分析
应宏伟, 王小刚, 张金红, 周建, 朱成伟
2016, 33(9): 131-137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0086
摘要:
天然黏土表现出明显的强度各向异性,在软黏土地区中的基坑抗隆起分析时有必要考虑土体各向异性的影响。针对桩墙式支护基坑绕下道支撑的圆弧滑动抗隆起稳定模式,采用基于空心圆柱仪(HCA)杭州原状软黏土试验结果的土体强度各向异性不排水强度公式,根据极限平衡法推导得到坑底抗隆起稳定分析公式。结合算例,讨论了土体强度各向异性、挡墙入土深度、最下道支撑和坑底间的距离等因素对坑底抗隆起稳定的影响,比较了该文方法与传统方法结果的差别,指出不考虑土体强度各向异性的软黏土基坑抗隆起分析和基于传统Casagrande各向异性公式的抗隆起分析都将高估杭州软黏土基坑的抗隆起稳定性。最后采用该方法分析杭州某失稳基坑实例,通过与已有方法结果的对比,验证了该文方法的合理性。
基于NSGA-II&DEA混合算法的高速铁路桥梁风屏障高度多目标优化研究
苏洋, 李永乐, 向活跃, 彭栋
2016, 33(9): 138-145,170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0093
摘要:
为探究高速铁路桥梁风屏障高度的多目标优化问题,基于计算流体动力学理论,采用数值模拟方法计算设置有不同高度风障时,列车及桥梁各自的气动力系数。以车辆侧倾稳定性力矩系数及桥梁阻力系数为优化目标,风屏障高度为设计变量,采用多目标遗传算法(NSGA-II)求解Pareto最优解集,采用数据包络分析方法(DEA)评价Pareto解集中各个解的相对效率,得到最优风屏障高度。结果表明:采用NSGA-II&DEA混合算法对风屏障高度进行多目标优化是可行的。该优化设计方法为风屏障高度优化问题提供了一种新思路。
考虑填充墙平面内外相互作用评估RC框架-填充墙结构抗整体性倒塌能力
韩建平, 黄林杰, 孙小云
2016, 33(9): 146-154. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0098
摘要:
首先简要阐述了可模拟填充墙平面内外相互作用的纤维离散化梁-柱单元模型。其次,基于OpenSees分析软件,对某倒塌试验的4层钢筋混凝土框架-填充墙结构进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果的对比表明考虑平面内外相互作用的纤维离散化梁-柱单元模型模拟框架-填充墙结构中的填充墙是有效的。最后,基于校准后的数值分析模型,利用OpenSees分析软件对某钢筋混凝土框架-填充墙结构教学楼,区分考虑和不考虑填充墙平面内外相互作用两种情况,分别建立三维空间模型,进行了静力推覆分析和增量动力分析,进而利用24条地震动记录输入下的增量动力分析结果,给出了具有50%倒塌概率的结构抗整体性倒塌能力。分析结果对比表明不考虑填充墙平面内外相互作用会明显低估结构的抗倒塌能力。
基于复杂三维有限元模型和鱼群算法的平面不规则结构中位移型阻尼器参数和位置的优化方法
闫维明, 杲晓龙, 谢志强
2016, 33(9): 155-163. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0100
摘要:
平面不规则结构在水平地震作用下由于结构刚心和质心不重合而引起的结构扭转耦联使得结构位移比不满足规范要求。在平面不规则结构中布置位移型阻尼器能有效的减小结构的位移比,但阻尼器的参数和位置直接决定了对结构的扭转反应控制效果。首先设计简单的双向偏心框架结构算例,研究位移型阻尼器布置位置和参数对平面不规则结构扭转响应的控制规律。在此基础上基于基本人工鱼群算法结合有限元软件SAP2000API开发一种针对偏心结构中位移型阻尼器布置的优化模型,模型面向多维多自由度实际有限元结构模型,可同时对结构各层位移型阻尼器的布置位置和参数进行优化。最后,利用该文建立的优化模型对某位移比超限的多层不均匀偏心实际结构中的位移型阻尼器进行优化布置,结果表明该文优化模型计算出的位移型阻尼器布置方案使结构的位移比得到了有效的控制。
基于小波变换的苏通大桥非平稳抖振响应演变谱实测研究
王浩, 徐梓栋, 陶天友, 程怀宇
2016, 33(9): 164-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0116
摘要:
台风风速具有较为明显的非平稳特征,使得非平稳风荷载作用下大跨斜拉桥的动力响应也势必表现出非平稳特性。为考察台风作用下大跨桥梁抖振响应的非平稳性,该文以苏通大桥为研究背景,采用基于小波变换的非平稳时间序列演变功率谱密度估计方法分析了该桥在“海葵”和“达维”台风期间的非平稳抖振响应。研究表明,苏通大桥主梁振动能量主要集中在若干特定频段内;由于台风风速存在非平稳性,主梁抖振响应也表现出一定程度的非平稳特征;基于小波变换的演变谱估计方法适用于开展实测结构响应的演变特性分析,可较好地弥补传统傅里叶方法用于非平稳分析的不足。研究结论可用于验证大跨度斜拉桥非平稳抖振分析理论的可靠性,同时可为大跨度斜拉桥的抗风设计提供参考。
可复位桥梁外剪力键性能试验及承载能力评估
刘柯, 韩强, 周雨龙, 丁兆旺
2016, 33(9): 171-178,211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0120
摘要:
在桥梁抗震设计中,剪力键既要限制上部结构横向位移过大以防止发生落梁,又要避免传递过大的横向地震力造成桩基础的损伤,因此通常被设计成牺牲型单元。该文基于一种新型可复位桥梁外剪力键,并结合我国桥梁工程实际,对约束良好的4个新型可复位桥梁外剪力键试件进行单向水平荷载试验,阐明了该新型可复位外剪力键的破坏形态、失效模式和受力机制,分析竖向配筋率对该类新型外剪力键力学特性的影响,建立新型剪力键的承载能力计算公式,且计算结果与试验数据吻合较好。研究结果表明:该类新型剪力键能够有效地减小桥墩盖梁或桥台台帽损伤,且具有位移能力强、易修易换等优点,尤其适用于基于性能的桥梁抗震设计。
肋板间距对开孔板连接件抗剪刚度影响分析
柳扬清, 刘玉擎, 郑双杰
2016, 33(9): 179-185. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0122
摘要:
为探讨开孔板连接件肋板间距合理的布置方法,通过模型试件抗剪推出试验和弹性地基梁理论,分析了肋板间距对开孔板连接件抗剪刚度的影响机理,提出了考虑肋板间距影响的开孔板连接件抗剪刚度计算公式。研究表明:肋板间距对开孔板连接件抗剪承载力及峰值滑移量影响较小,对开孔板连接件抗剪刚度影响较大;抗剪刚度随着肋板间距增加近似线性增大,逐渐趋近于单块开孔板连接件受力的抗剪刚度;肋板间距与开孔板孔径的比值为开孔板连接件抗剪刚度的主要影响因素,建议并列焊接多个开孔板连接件时距径比不宜小于3.3。
基于全概率PBEE方法的RC框架结构地震损失分析
罗文文, 李英民, 韩军
2016, 33(9): 186-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0129
摘要:
结构损伤机制的选择、评价、设计与控制是建筑结构抗震设计面临的热点与难点。定量评价建筑结构地震损失不仅是结构损伤机制选择与评价的重要环节,也是抗震防灾决策的重要依据。以全概率PBEE方法(PEER-PBEE Methodology)为基础,给出了地震损失计算方法和流程,结合工程实际确定了地震损失评估所需考虑的地震动强度范围,归纳总结了RC框架结构各类构件的易损性函数和损失函数。定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度的典型多层RC框架结构的地震损失,分析了设防烈度、倒塌风险、构件类别等因素的影响。研究结果表明,该评估方法可为抗震防灾决策提供参考。根据算例分析结果对不同烈度区的建筑结构地震损失控制提出了有关建议。
龙卷风动态冲击高层建筑风荷载数值模拟
王新, 黄生洪, 李秋胜
2016, 33(9): 195-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0133
摘要:
龙卷风具有较强的破坏力,是抗风减灾工程重要的防范对象之一。近年来,随着地球环境的恶化,龙卷风袭击大型城市的灾害时有发生,针对高层建筑的研究开始受到重视。目前对龙卷风动态冲击高层结构的研究还较少。因此,该文建立了动态运动的龙卷风风场模型,模拟了龙卷风动态冲击高层建筑结构的非定常过程,初步分析了龙卷风冲击高层建筑结构的风荷载特征及规律。结果表明:1) 该文采用的龙卷风模型及计算方法能可靠地模拟龙卷风的基本特征和荷载规律。2) 龙卷风动态冲击高层建筑,其荷载效应与建筑尺度有关。建筑尺度较小时,冲击荷载呈双峰特征,冲击效应和时变效应相对较小。相反,冲击荷载呈多峰特征,时变性强,冲击效应明显。3) 龙卷风在冲击较大尺度建筑时,主涡会发生破裂,形成多个漩涡。多漩涡及建筑尾涡相互作用和耦合是导致更大冲击效应的重要力学机制。这种力学现象在国内外龙卷风研究中尚未发现类似报道。
复杂地层中自升式平台插桩的数值模拟
殷齐麟, 董胜, 樊敦秋
2016, 33(9): 204-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0037
摘要:
以胜利9号平台在老174号井位插桩过程为例,基于RITSS大变形数值计算方法,建立了自升式平台桩靴贯入多层地基的有限元模型,研究该平台插桩过程中的土体变形以及地基承载力随深度的变化规律。与SNAME(美国造船与轮机工程师学会)规范推荐的桩靴插桩过程地基承载力公式的计算结果进行对比,规范结果与数值结果的规律较为一致,数值上相差10%,验证了RITSS方法研究桩靴在软硬相间地基上插桩的有效性。结果表明:RITSS数模方法可以有效地模拟自升式平台插桩过程中各个土层的变形、土体流动,并得到合理的地基承载力结果;对于砂土层下卧软土层地基,可以得到承载力峰值。
机械工程学科
动力吸振器在浮置板轨道低频振动控制中的应用
张龙庆, 朱胜阳, 蔡成标, 杨吉忠, 颜华
2016, 33(9): 212-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0063
摘要:
研究了动力吸振器对轮轨动力作用下浮置板轨道低频振动的控制特性。首先基于动力吸振器定点理论以及多自由度系统等价质量识别法,并通过对浮置板轨道进行模态分析,确定了浮置板附加动力吸振器的最优刚度、最优阻尼和最优附加位置;然后对浮置板轨道进行简谐响应分析,探讨了控制浮置板各阶模态振动的动力吸振器在不同质量比下的吸振特性;最后基于车辆-轨道耦合动力学模型,研究了列车动荷载作用下动力吸振器对浮置板轨道低频振动的控制特性。结果表明:动力吸振器能够有效地吸收浮置板轨道的固有频率附近的低频振动能量;动力吸振器的质量比越大,其吸振效果越明显;合理的吸振器设置能够有效地控制列车动荷载下浮置板低频振动及对应频段钢弹簧支反力向下部基础的传递。
通气空化多相流动特性的实验与数值研究
王复峰, 王国玉, 黄彪, 王志英, 赵宇
2016, 33(9): 220-226,234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0043
摘要:
为了进一步分析通气空化多相流的特性,采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕带空化器回转体的通气两相流动和通气三相流动的结构进行了对比分析。实验中采用高速全流场流动显示技术获得了通气空化多相流动的空泡形态;数值模拟中采用滤波器湍流模型(FBM)进行了数值计算,获得了空泡形态和流线分布,数值模拟获得的空泡形态与实验一致。结果表明,由于空化数的不同,在相同通气率下,绕回转体通气空化三相流动的空泡形态不同于通气两相流动;同时空泡的非定常行为也发生了大的变化。
其他工程学科
重塑黄土内球面应力波粒子速度测量波形的拉格朗日分析
李运良, 王占江, 李进, 景吉勇, 谭书舜, 周刚
2016, 33(9): 227-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0135
摘要:
选用密度为1.8 g/cm3、饱和度为22%的重塑黄土作为应力波传播介质,在其中心处安装0.125 g TNT当量微型炸药球,建立起了尺度为Ф1370 mm×1200 mm的球面波发生装置。在重塑黄土样品中心圆形环面上布设多根圆环形电磁粒子速度计,测量了一系列粒子速度波形。为研究重塑黄土样品粘弹性区域的本构关系,为有限元数值模拟提供可靠的数据支持,以实测粒子速度波形为基础,使用Lagrange分析方法对该区域的应力-应变关系展开了研究。该文详细介绍了一维球对称条件下Lagrange分析方法的理论推导及求解过程,对实测粒子速度波形运用Lagrange分析方法计算了对应的应变、应力及应变率波形,得到了各量计安装位置处,重塑黄土完整的压缩、拉伸全过程应力-应变滞回曲线。并对Lagrange分析方法使用中遇到的问题提出了几点认识。
波浪在潜堤上传播的非线性参数分析
马小舟, 马玉祥, 朱小伟, 董国海, 陈洪洲
2016, 33(9): 235-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0081
摘要:
利用完全非线性Boussinesq方程数值模型,通过与不规则波浪理论谱、物理模型实验进行了对比验证,证明了该模型模拟不规则波浪的有效性。应用该模型研究了不规则波浪在缓坡潜堤上传播时,波浪非线性参数的变化。波浪在经过缓坡潜堤过程中,波浪的不对称度有一个由负变正的过程,并且最小值出现在堤顶前部区域,最大值出现在堤顶后部区域。波浪的偏度在变浅区逐渐增大,在堤顶中部区域达到最大值,之后偏度在反变浅区逐渐减小到零附近。极值出现的位置可能是潜堤受波浪冲刷破坏比较严重的位置。基于几个典型位置波面过程线的波形变化及其波浪谱变化分析了这些参数变化的原因。分析了变浅区、反变浅区、堤顶区三个区域不对称度和偏度随Ursell数的变化关系,并给出了变浅区和反变浅区波浪的不对称度和偏度与Ursell数之间的经验公式,并与相关研究进行了对比。
Kevlar®29纤维多尺度力学行为的试验研究和有限元模拟
朱德举, 欧云福, 张晓彤, 黄蒙影
2016, 33(9): 242-249,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0123
摘要:
利用MTS万能试验机和MTI微型拉伸试验机分别研究了Kevlar®29纤维束与纤维单丝在不同标距下(纤维束:25 mm、50 mm、100 mm、150 mm、00 mm和300 mm;纤维单丝:12.5 mm、25 mm和40 mm)的力学性能。结果表明,Kevlar®29的拉伸强度随着结构尺度(从纤维单丝到纤维束)的增加而降低;标距对Kevlar®29纤维单丝力学性能的影响并不显著;但对纤维束而言,拉伸强度随着标距的增加而降低,呈明显的尺寸效应。利用Weibull模型进行统计分析,量化了不同标距下纤维单丝拉伸强度的随机变化程度。这些统计参数将用于有限元模型以模拟静载下Kevlar®29纤维束的拉伸行为。该模型基于ANSYS中的用户自定义子程序(USERMAT),并考虑了纤维单丝的随机破坏。模型的预测结果与试验结果相吻合,并讨论了关键参数对模拟结果的影响。
射流控制条件下超声速尾翼弹的气动特性
马杰, 陈志华, 孙晓晖, 薛大文
2016, 33(9): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0523
摘要:
研究表明,主动式射流涡流发生器可有效控制超声速流动边界层的分离,且能根据实际情况进行自适应调节。该文基于制式122尾翼弹,通过在弹肩前端加装射流涡发生器控制边界层的流动分离,研究其对尾翼弹气动性能的影响。采用DES方法数值模拟了超声速条件下尾翼弹有无射流控制的流场变化情况,分析了加装射流前后尾翼弹表面流体边界层结构及其气动性能的变化规律。数值结果表明,射流控制可有效抑制弹体表面的流体分离,提高尾翼弹的升力与俯仰力矩、减少弹身震动,有利于提高其飞行稳定性及打击精度,可为超声速尾翼弹的改进提供指导。