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2017年  第34卷  第12期

综述
开挖对地铁盾构隧道影响及控制措施
陈仁朋, 王诚杰, 鲁立, 孟凡衍
2017, 34(12): 1-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.ST07
摘要:
地铁盾构隧道有严格的变形控制要求。随着地铁网络的密集,邻近开挖已成为地铁隧道安全运营的重要隐患。该文首先介绍了深开挖工程数值模拟中常用的本构模型及参数获取方法。研究了地铁隧道侧面和上方深开挖情况下隧道变形和内力变化规律。提出了侧面开挖和上方开挖隧道变形控制措施。介绍了邻近开挖过程中隧道变形和内力的监测手段。最后,针对盾构隧道发生过大变形导致开裂渗漏水等情况,介绍了隧道结构的加固措施及其效果。
基本方法
耦合有限元物质点法及其在流固耦合问题中的应用
陈镇鹏, 宋言, 张雄, 吴博
2017, 34(12): 14-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.ST04
摘要:
有限元法在求解大变形问题时会遇到网格畸变和时间步长严重减小的问题。物质点法在大变形问题中无网格扭曲问题,且粒子代表了物质流动,无需界面追踪算法。但在小变形问题中,物质点法的精度和效率均低于有限元法。该课题组针对冲击侵彻问题提出的耦合有限元物质点法分别采用有限元法和物质点法模拟小变形和大变形物体,物体间的相互作用通过接触算法实现,既保留了有限元针对小变形问题高精度高效率的特点,又避免了材料大变形给有限元法带来的网格扭曲和时间步长严重减小的问题,还可以自动追踪界面。在流固耦合问题中,固体变形较小而流体变形较大,因此也适合用耦合有限元物质点法求解。该文简要介绍了耦合有限元物质点法的基本原理,并将其应用于流固耦合问题中,取得了较好的效果,表明耦合有限元物质点法是分析流固耦合问题的一种有效的方法。
考虑骨料尺寸的混凝土岩石边界效应断裂模型
管俊峰, 王强, HU Xiaozhi, 白卫峰, 姜斌
2017, 34(12): 22-30. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0652
摘要:
该文比较了边界效应模型(BEM)和尺寸效应模型(SEM)在研究材料断裂性能方面的不同。提出了由处于准脆性断裂状态的三点弯曲试件的峰值荷载Pmax,同时确定材料参数——断裂韧度KIC与拉伸强度ft的理论与方法。由于实验室条件下混凝土试件高度W与骨料最大粒径dmax的比例W/dmax约为5~20,试件的非均质性明显,破坏为准脆性断裂控制。因此,区别于以连续介质力学为基础的应用于准脆性断裂研究的力学模型,该文研究将骨料最大粒径dmax引入相应的断裂模型解析表达式中,由参数组合β dmax来计算结构峰值状态对应的裂缝扩展量,通过离散参数β的不同取值,实现了对材料参数——断裂韧度与拉伸强度的准确预测。基于不同学者的相同尺寸W而不同初始裂缝长度a0,以及相同初始缝高比a0/W而不同尺寸W的几何相似的砂浆、混凝土及岩石类材料试件的试验成果(骨料最大粒径dmax从1.2 mm~40 mm变化),验证了所提理论与方法的合理性。
基于改进型近场动力学方法的多裂纹扩展分析
秦洪远, 黄丹, 刘一鸣, 章青
2017, 34(12): 31-38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0634
摘要:
在非局部键型近场动力学理论基础上,提出了能够反映混凝土、岩石类材料力学特性和非局部长程力尺寸效应的改进型近场动力学微极模型,弥补常规微观弹脆性(Prototype Microelastic Brittle,PMB)键型近场动力学本构模型的应用范围限制和定量计算误差大等缺陷,并构建了相应的适合于模拟脆性多裂纹扩展问题的近场动力学算法体系。通过对不同核函数修正项对应的近场动力学定量计算结果进行比较,验证了改进型近场动力学模型和数值算法的计算精度并确定了精度最高的核函数修正项;模拟双裂纹脆性板受压和随机多裂纹脆性板受拉的裂纹扩展全过程并与已有结果对比,进一步验证了模型和算法在模拟多裂纹扩展问题时的可靠性。分析了含多裂纹三点弯梁的起裂和裂纹失稳扩展过程,并研究了裂纹初始倾角、初始长度等因素对构件破坏形式和破坏荷载的影响规律。
不同裂纹分布的孔隙材料渗透系数
钱鹏, 徐千军
2017, 34(12): 39-47. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0626
摘要:
含裂纹孔隙材料渗透性由裂纹的微观结构决定,其研究对工程实践意义重大。该文假设含裂纹孔隙材料是由孔隙基体和裂纹组成的二相复合材料,基于细观均匀化理论给出了四种不同裂纹分布的渗透张量稀疏解、相互作用直推(IDD)解和修正的IDD解。基于单元嵌入技术和弹性比拟的数值模拟方法,采用不连通的离散裂纹模型,研究了裂纹数目对有效渗透系数数值解收敛性的影响及不同裂纹分布的孔隙材料渗透性,并将得到的数值解和理论解对比分析,结果表明:随着裂纹数目的增加,有效渗透系数的变化范围逐渐减小,并最终趋于稳定,而且选择合适的裂纹数目,能同时保证计算的随机收敛性和合理的计算效率;对于所研究的四种分布的裂纹,相比稀疏解,IDD解更接近数值解,但随着裂纹密度的增加,裂纹间的相互作用增强,IDD解会逐渐偏离数值解;修正的IDD解充分考虑了裂纹间的相互作用和边界效应,能更好地估计含裂纹孔隙材料的渗透性。
土木工程学科
考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析
成虎, 李宏男, 王东升, 李超, 付兴
2017, 34(12): 48-58. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0584
摘要:
受氯离子腐蚀作用影响,钢筋混凝土结构的抗震性能在其服役期内会发生退化。以钢筋混凝土桥墩为例,采用OpenSees有限元软件模拟了非锈蚀足尺桥墩的振动台试验以及锈蚀缩尺桥墩的拟静力试验结果,后者引入了氯离子腐蚀作用模型,同时考虑了桥墩的纵筋力学性能衰减以及粘结退化问题。随后基于概率地震需求模型对足尺桥墩的三种纵筋腐蚀工况进行了易损性分析。研究结果表明:采用非线性梁柱单元与零长度截面单元串联方式建立的数值模型能够有效模拟钢筋混凝土桥墩的足尺振动台试验结果和缩尺锈蚀拟静力试验结果;当纵筋腐蚀率较小时,纵筋的性能退化对墩顶最大位移影响不大,但基底剪力和基底弯矩下降明显;轻微破坏状态下,桥墩的抗震性能受纵筋锈蚀的影响不明显,随着破坏程度的加深,纵筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响逐渐显著,较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率发生较为明显的提高。研究内容可为考虑全寿命周期内性能退化的钢筋混凝土结构抗震设计提供参考。
基于三维细观数值方法的钢筋混凝土悬臂梁抗剪行为研究
金浏, 苏晓, 杜修力
2017, 34(12): 59-66. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.04.0322
摘要:
从细观角度出发,结合混凝土内部组成的微/细观结构特征,考虑钢筋与混凝土之间的非线性粘结-滑移行为,建立了钢筋混凝土悬臂梁力学行为研究的三维细观尺度数值分析模型与方法。基于建立的数值方法,对已有关于钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载作用下的抗剪破坏试验进行模拟,模拟结果与试验结果的良好吻合表明了细观数值方法的可行性。进而在此基础上,拓展模拟了不同箍筋率下钢筋混凝土悬臂梁的剪切破坏过程,揭示了箍筋对悬臂梁滞回特性及抗剪承载力的影响规律。研究表明:1)细观数值分析模型能较好的模拟构件的宏观力学性能,且能细致的描述裂缝在混凝土中的发展过程;2)随着配箍率的增加,梁抗剪承载力及延性增加,但随着配箍率增加,钢筋混凝土梁抗剪承载力增加趋势减缓。建立的细观尺度数值方法可为有/无腹筋混凝土梁抗剪/抗弯破坏尺寸效应提供理论支持。
非线性能量阱减振系统受基底简谐激励的分岔特性分析
谭平, 刘良坤, 陈洋洋, 周福霖, 闫维明
2017, 34(12): 67-74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.07.0518
摘要:
利用复变量平均法推导了基底简谐激励下带光滑立方刚度非线性能量阱减振系统的慢变微分方程,结合多尺度分析,得到了系统的鞍结分岔边界条件及Hopf分岔边界条件。分析表明:基底简谐激励作用下,系统鞍结分岔边界内有3解,边界外有1解;Hopf分叉边界内为不稳定周期解区域,边界外则相反;仅在质量比较小时,其分岔边界与仅考虑主系统受简谐激励的分岔边界接近,但失谐参数的变化将会引起较大差别。基底简谐激励下的理论预测幅值与实际计算幅值相近,慢变系统幅值与数值模拟的幅值吻合也较好;在一定条件下也可能产生弱调制反应,并且在某些失谐参数处有可能出现多解共存的情况。
一种新型装配式梁柱节点抗震性能试验研究
杨俊芬, 陈雷, 程锦鹏, 战宇皓, 闫西峰
2017, 34(12): 75-86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0582
摘要:
提出一种新型装配式全栓接的方钢管柱H型梁梁柱节点。为研究节点的抗震性能,对6个1:2试件进行了拟静力试验。分析轴压比、抗弯、抗剪螺栓预拉力、槽形钢厚度、狗骨式连接等参数对节点的破坏模式、滞回性能、延性的影响。研究结果表明:在0.2~0.4范围内提高轴压比,节点的极限承载力略有降低,但耗能能力和延性均有提高;降低抗剪螺栓的预拉力,节点的极限承载力,耗能能力与延性均有降低;降低槽形钢的板厚,节点承载力微有提高,节点梁柱相对转角提高,但耗能能力降低;降低抗弯螺栓预拉力,节点的极限承载力提升,但耗能能力与延性均有降低;采用狗骨式连接,虽然梁翼缘削弱部位在加载后期出现撕裂,但节点表现出良好的延性和耗能能力以及稳定的刚度退化性能。节点层间位移延性系数μ=2~2.66,弹性层间位移角φy=0.0208~0.0327,弹塑性层间位移角φu=0.0486~0.079,梁柱相对极限塑性转角θu=0.05~0.087。极限荷载时等效粘滞阻尼系数he=0.287~0.45,试验结果表明节点具有良好的抗震性能。
公路风屏障流场特性及自身风荷载的足尺模型风洞试验研究
苏洋, 李永乐, 彭栋, 陈科宇, 孟新利
2017, 34(12): 87-94. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0588
摘要:
为探究公路风屏障后方流场分布特性及自身风荷载,针对6种不同板形,通过足尺节段模型风洞试验测试了各风屏障后方不同车道处的流场分布及距离地面不同高度处障条的风荷载,在此基础上对比分析屏障孔隙尺寸和开孔形式对其后方流场分布的影响,求得了不同风屏障整体的阻力系数、力矩系数以及风速折减系数。研究结果表明,孔隙尺寸对风屏障后方流场影响较为有限,开孔形式对屏障前方流场影响较为有限,但是对其后方的流场分布影响较为明显。由于受到盖梁的影响,位于最顶部的障条阻力系数较其他位置处障条阻力系数偏低。屏障整体风荷载系数可为日后该类风屏障设计提供一定的参考。
基于修正拉-压杆模型的型钢混凝土深梁受剪承载力分析
邓明科, 马福栋, 李勃志, 梁兴文
2017, 34(12): 95-103. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0593
摘要:
在型钢混凝土深梁抗剪性能试验基础上,基于修正拉-压杆理论,考虑拉杆分力对受剪承载力的有利影响,采用型钢混凝土深梁的受压区高度作为上部节点高度,并对型钢翼缘和腹板进行合理简化,建立了型钢混凝土深梁的修正拉-压杆模型,推导了型钢混凝土深梁受剪承载力计算公式。将该文提出计算方法与ACI规范拉-压杆模型以及中国规范的计算方法进行比较可得:1)该文建立的修正拉-压杆模型,能较好反映型钢混凝土深梁的剪切传力机理和破坏模式,其受剪承载力计算值与试验结果吻合较好;2)采用JGJ 138-2001计算型钢混凝土深梁的受剪承载力偏低,离散性较大;按YB 9082-2006计算剪跨比大于2的构件受剪承载力偏于不安全。
具有PBL加劲的方钢管混凝土构件受弯性能
刘君平, 周宗源, 刘永健, 陈宝春
2017, 34(12): 104-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0603
摘要:
为研究具有PBL加劲的方钢管混凝土构件的受弯性能,该文进行了无加劲肋、钢板加劲肋和PBL加劲肋三种方钢管混凝土构件受弯性能的试验研究,同时考察PBL加劲肋孔径大小和间距的影响,试验结果表明,无加劲肋构件为单波鼓曲破坏,钢板加劲肋和PBL加劲肋构件均为双波鼓曲破坏;PBL加劲肋试件管内受拉混凝土裂缝分布更为均匀,裂缝宽度和间距更小,钢管与混凝土共同受力更好;PBL加劲肋对方钢管混凝土抗弯承载力提高不明显,抗弯刚度提高约20%;钢板加劲肋是否开孔对试件的刚度影响不大。该文还进行了PBL加劲肋构造参数的影响分析,结果表明:具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力随着PBL加劲肋高度、宽度的增加而增加,随着开孔孔径d0的增大而减小;开孔间距对承载力的影响很小。在试验研究和数值分析基础上,提出了具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力的简化计算方法,建议在实际工程中,相对开孔孔径和间距分别取0.5和2.0为宜。
考虑风热耦合作用特大型冷却塔内吸力及流场作用机理研究
余玮, 柯世堂
2017, 34(12): 112-119,142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0610
摘要:
已有关于冷却塔内吸力取值的研究均忽略了周边散热器产生的热源影响,以国内在建世界最高220 m特大型间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法对风热耦合作用下的塔筒内部流场进行数值模拟。在此基础上,对比分析了考虑风热耦合效应特大型冷却塔内表面风荷载的三维效应,归纳总结了内压系数沿子午向和环向的分布规律,探讨了考虑温度场后塔内流场特性、压力系数、阻力系数及风阻的差异及产生原因,最后给出了风热耦合作用下特大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明:考虑风热耦合作用后冷却塔内压系数取值增大,同时阻力系数取值及进出风口压差增大。研究建议此类特大型冷却塔在真实风热耦合环境下内压系数取为-0.43。
定日镜结构的动力风效应和风致疲劳损伤研究
黄嵩, 黄铭枫, 叶何凯, 胡德军
2017, 34(12): 120-130. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0612
摘要:
典型的定日镜结构由下部立柱支撑扭矩梁、桁架、驱动传动系统及上部镜面板组成,一般位于平坦开阔地区,所受风荷载较大,风致振动较为显著。建立了某定日镜整体结构的精细化有限元模型,镜面尺寸为8 m×8 m,立柱高5 m。分布于镜面的脉动风荷载通过风洞试验测得,完成了定日镜整体结构在不同水平风向角和不同镜面仰角下的风振响应时程分析。分别基于雨流法、等效应力法、等效窄带法、等效宽带法,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,实现了时域与频域内的定日镜结构关键部位在最不利风荷载工况下的风振疲劳损伤分析,并对各种方法得出的损伤值进行了比较,验证了疲劳损伤频域分析方法的有效性。
基于ABAQUS的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土损伤塑性本构模型取值方法研究
池寅, 黄乐, 余敏
2017, 34(12): 131-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0630
摘要:
该文基于ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型(CDPM),研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的CDPM本构参数的取值方法,包括屈服面函数、塑性势能函数中参数的确定,以及单轴应力-应变关系的定义,并分析不同CDPM本构参数对数值结果的影响。通过对纤维混凝土材料的典型多轴加载力学行为以及混杂纤维混凝土柱构件的抗震性能进行了数值模拟并与文献试验结果进行对比,验证该取值方法的合理性及适用性。结果表明,采用CDPM并选择适当的本构参数能够准确地描述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的非线性力学行为,该方法能够为纤维混凝土结构在复杂荷载状态下的精细化设计与分析提供参考。
超高层建筑顺风向加速度的干扰效应研究
余先锋, 谢壮宁, 刘慕广, 刘海明
2017, 34(12): 143-149,170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0638
摘要:
通过刚性模型同步测压风洞试验,获得了各种干扰工况下受扰超高层建筑表面风荷载,并对不同折减风速下的超高层建筑顶部顺风向加速度响应进行计算,详细研究了不同截面宽度、不同高度施扰建筑干扰下受扰建筑顶部顺风向加速度干扰因子包络值的分布规律以及涡激共振干扰机理,并进一步分析了不同截面宽度、不同高度建筑施扰下的干扰因子包络值之间的相关特性。结果表明,由于涡激共振的影响,宽度比为0.4及0.6时的最大干扰因子包络值分别达到2.3和2.06,在工程结构抗风设计中需重点关注高度相仿但截面相对较小的施扰建筑的潜在干扰影响。在非共振情况下,随着宽度比(施扰建筑与受扰建筑截面宽度之比)的增大,放大干扰效应显著的区域越来越大,相应的最大的干扰因子包络值也呈增大趋势。高度比(施扰建筑与受扰建筑高度之比)为1.2和1.0时的干扰因子包络值之间的相关系数达到91%,当施扰建筑高度达到受扰建筑的1.2倍后,包络干扰因子的分布基本不变。
带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能试验
汤序霖, 丁昌银, 陈庆军, 蔡健, 邓恺坚, 郑旭东
2017, 34(12): 150-161. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0639
摘要:
提出一种带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行5个1:4模型试件的拟静力试验,研究该形式组合剪力墙在不同轴压比、剪跨比下的破坏形式、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明:带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,5个试件的屈服位移角平均值为1/114,极限位移角平均值为1/48;增大轴压比可提高试件的承载力,但其抗震性能有所降低;减小剪跨比,试件的承载力和刚度有较大幅度提高,其抗震性能变化不明显。采用有限元软件ABAQUS建立该形式双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析,其计算结果与试验吻合良好。
基于抽柱法的无粘结预应力装配式框架结构连续倒塌分析
潘毅, 陈侠辉, 姚蕴艺, 邓开来
2017, 34(12): 162-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0645
摘要:
为研究无粘结预应力装配式框架结构的防连续倒塌性能,首先采用有限元软件OpenSees中的梁柱节点单元模拟无粘结预应力梁柱节点,并与试验结果进行对比,然后采用抽柱法对一栋6层无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构进行连续倒塌分析,得到了抽柱后关键构件的内力时程曲线和失效点的竖向位移时程曲线,最后模拟了无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构的连续倒塌过程。研究结果表明:在抽除中柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构高24.2%;在抽除边柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构则高35.7%。在柱截面尺寸和配筋相同、梁截面尺寸和受弯承载力相同的情况下,无粘结预应力装配式框架结构防连续倒塌性能优于现浇框架结构。
Q345GJ钢(中)厚板H形及箱形柱残余应力与轴压稳定承载力分析
聂诗东, 戴国欣, 沈乐, 杨波
2017, 34(12): 171-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0647
摘要:
采用条形切割法对三种截面规格的Q345GJ钢焊接H形和箱形截面残余应力进行测试,通过MATLAB拟合得到其简化的多折线分布模式,并与规范所取残余应力分布模式对比。对9根焊接H形和3根焊接箱形(中)厚板足尺构件进行轴压试验,获得构件整体稳定承载力。引入实测残余应力,通过ABAQUS进行Q345GJ钢轴压柱有限元分析,并与试验结果、规范计算结果进行对比,同时开展参数化分析获得轴压构件稳定曲线。试验及分析结果表明:Q345GJ钢H形和箱形截面采用多折线简化分布模式更符合残余应力实测结果;Q345GJ钢(中)厚板H形截面翼缘采用不分层或考虑分层的残余应力简化模式,对于构件绕弱轴稳定承载力影响不大;Q345GJ钢H形截面实测残余应力分布模式在翼缘自由端处与规范有较大区别,构件在正则化长细比为0.4~1.1区段的稳定承载力有下降趋势。
基于节段模型试验的千米级摩天大楼行人风环境特性研究
陈勇, 郑朝荣, 金钊
2017, 34(12): 183-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0648
摘要:
某千米级摩天大楼是由正三角形布置的外围3个泪滴型塔楼和中心1个圆形塔楼组成的巨型组合结构,沿其高度每隔100 m共设置10个室外平台将此4个塔楼连接起来,用于安全疏散时行人通行。由于两相邻平台之间无任何遮挡,且高空来流风速较大,给行人的舒适性与安全性带来极大的隐患,因此有必要对室外平台的行人风环境特性进行研究。考虑到风洞阻塞率的限制和室外平台上测点数量的布置要求,该文设计制作了一缩尺比为1/300的三平台式节段模型,并进行风环境试验,研究了室外平台行人高度的平均风速与阵风风速特性,并探讨不同高度和形式的挡风板对风环境特性的改善效果,为该摩天大楼的行人风环境评估奠定基础。结果表明:外围塔楼与中心塔楼之间存在明显的"狭管效应",导致行人高度风速比增大,基准模型的最大平均风速比和最大阵风风速比分别达到1.49和1.72。不同挡风板措施,不论在降低行人高度最大风速比,还是改善行人风环境的整体质量,均有效果。其中,挡风板高度或挡风板+导(抑)流板的总高度为20 mm时效果更为显著。
框架柱横向撑杆对钢板剪力墙结构作用效应研究
于金光, 郑春明, 王雪军, 冯啸天
2017, 34(12): 192-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.10.0762
摘要:
为研究设有横向撑杆的十字形加劲约束构件对钢板剪力墙结构墙板变形的抑制作用,框架梁柱连接衬板的加强效应,以及横向撑杆对框架柱"沙漏"现象的减缓效应,完成了两榀1:3比例单跨3层钢板剪力墙的拟静力试验,探究了两种结构的破坏顺序和破坏模式,对比分析了两者的滞回性能,墙板、框架柱及梁柱节点的变形和受力情况。研究结果表明:设有横向撑杆的十字加劲约束钢板墙较非加劲钢板剪力墙,具有更好的耗能能力,横向撑杆的设置显著改善了钢板和框架的受力性能,提高了墙体的承载力和刚度,有效减少了滞回曲线的"捏缩"现象,降低薄板墙的噪音及震颤。较非加劲钢板剪力墙,设有横向撑杆的十字加劲约束钢板墙结构框架柱的挠曲值变形量降低20%,梁柱节点的转动需求量略小,但节点应力要求大幅度降低。
机械工程学科
线接触作用下超薄膜-基底界面力学分析
聂重阳, 郑德志, 古乐, 张弛, 王黎钦
2017, 34(12): 202-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0637
摘要:
高副接触的摩擦部件中广泛使用1 μm左右的超薄膜,其界面失效对部件的工作寿命具有重要影响。该文针对轴承钢基底表面1 μm厚度的硬质和软质超薄膜所构成的膜基系统,建立了线接触载荷作用下的界面力学分析模型。采用复变函数镜像法求解了单元点力的格林函数解,并积分获得了界面应力的分布状态。利用匀质模型完成了退化对比验证,以DLC和MoS2两种硬软固体薄膜的线接触为例进行了计算和分析。该方法可用于机械部件表面沉积超薄膜的膜基界面分析与设计。
中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动研究
李小珍, 耿杰, 王党雄, 张迅, 梁林
2017, 34(12): 210-218,247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0868
摘要:
为了探讨中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,首先建立了中低速磁浮列车-桥梁/低置梁系统竖向耦合振动模型,以某试验线20 m简支梁现场动载试验为依据,验证此方法的可靠性。随后,根据所建立的中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动模型进行动力仿真分析,并探讨了不同参数对低置梁竖向动力响应的影响。结果表明:低置梁自振频率较高,一阶竖弯达32.9 Hz;低置梁框架跨中竖向动位移及加速度均较底板中心大,框架振动属于高频振动(相对于底板振动),在50 Hz~100 Hz加速度显著大于底板中心;磁浮列车荷载加载频率较高,该加载频率(整数倍)易与低置梁自振频率重合或接近而产生共振效应,显著放大低置梁动力响应;随着支撑脱空长度的增大,低置梁动力响应显著增大,且增速加大,随着路基刚度和底板厚度的增大,低置梁动力响应减小,且减小的幅度变小。
其他工程学科
尺度效应对水下合成射流推力特性影响研究
耿令波, 胡志强, 林扬, 衣瑞文, 王超
2017, 34(12): 219-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.07.0547
摘要:
该文通过数值方法研究了尺度效应对水环境下合成射流推力及推进效率的影响,不同尺度下激励器的网格采用等比例缩放的方式得到,数值计算在fluent进行,且数值计算方法通过实验数据进行了验证。数值计算结果发现,当激励器尺度为0.1 mm时,推力曲线与速度曲线非常接近,此时平均推力及推进效率均较小。随着尺度增加,当激励器尺度大于1 mm时,推力曲线不对称度增加,且推力曲线的上升区间所占周期增加而下降区间所占周期减小,此时平均推力及推进效率都有明显提高。建立了合成射流的推力模型,该模型将合成射流推力分解为三部分:质量效应、加速效应及外部流场的压强效应。给出了不同尺度下的涡量图、速度分布图,通过对其分析可知,尺度较小时粘性作用较强,此时,内部流体的加速效应及外流场压强效应均很小,导致推进效率较低。随着尺度增加,粘性作用减弱,推进效率开始增加,当尺度增加到粘性可以忽略时,推进效率不再随尺度增加。
浅埋煤层开采突水溃砂两相流的耦合数值研究
钟江城, 周宏伟, 赵宇峰, 刘亚群, 易海洋, 薛东杰
2017, 34(12): 229-238. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0592
摘要:
为探究浅埋煤层开采上覆含水松散层水砂两相流动规律,采用基于离散元软件PFC3D和有限元软件GID的耦合数值方法,模拟了上覆岩层中预制理想单裂隙在不同开度和倾角条件下突水溃砂全过程,分析了裂隙通道所受接触力、水流速度、水砂间拖曳力随时步的变化规律。结果表明:裂隙开度和倾角会改变突水溃砂过程中水砂突涌类型,对覆岩所受接触力、水流速度及其稳定所需时间产生较大影响,水砂间拖曳力主要受裂隙倾角的影响。裂隙通道入口处即上覆岩层的顶层在突水溃砂初期所受接触力最大,处于最危险状态;水流速度稳定值和流动稳定所需时间分别与裂隙倾角和开度成线性相关;对比裂隙通道底面侧,倾向侧水砂间拖曳力较大,水砂突涌更加剧烈。
波浪作用下上部带有透空结构的圆筒垂向水动力特性的解析研究
赵玄烈, 宁德志, 康海贵, 陈兵
2017, 34(12): 239-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.08.0643
摘要:
基于线性势流理论,应用特征函数展开方法和透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型,建立了上部带有透空结构的截断圆筒绕射问题和辐射问题的解析模型,进而导出浮体的垂荡运动响应幅值算子计算公式。通过与直立透空圆筒和非透空截断圆柱的相关结果进行对比,验证了该文推导的正确性。通过数值计算研究了透空系数、圆筒内外径比(内圆柱半径和圆筒半径之比)和吃水比(透空结构吃水和圆筒吃水之比)对整个圆筒的垂向水动力特性(运动响应幅值、附加质量、辐射阻尼和波浪激振力)的影响,并与非透空截断圆柱的计算结果进行对比分析。结果表明随着透空系数的增大,结构的附加质量和辐射阻尼呈增加趋势,垂荡运动响应幅值算子的峰值呈明显减小趋势,并且在低频区垂向波浪激振力相对较小,这有利于增加浮式结构的稳定性;内外径比和吃水比均对透空结构的垂向水动力特性影响较大。
强桁材结构在面内冲压载荷作用下的损伤变形机理研究
傅杰, 刘昆, 王自力
2017, 34(12): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0839
摘要:
在遭遇碰撞搁浅事故时,船体强桁材结构常常会受到面内载荷的作用发生损伤变形。该文以强桁材结构为研究对象,通过开展准静态冲压试验及相应的数值仿真,分析强桁材结构在面内冲压载荷作用下的变形机理,并基于试验与仿真所观察到的结构变形新特点,提出强桁材面内受压时的变形模式。以此为基础,运用塑性力学理论,推导出结构变形能、瞬时结构变形抗力及平均结构变形抗力的解析计算公式,并将计算结果与试验结果进行比较验证。研究得到的结构面内受压变形能和抗力解析计算公式,可以快速评估事故载荷下结构的响应情况,对船体耐撞结构设计及抗撞性能评估具有一定的指导意义。