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2017年  第34卷  第2期

综述
土工合成材料加筋土挡墙筋材内力分析
刘华北, 汪磊, 王春海, 张垭
2017, 34(2): 1-11. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.ST11
摘要:
土工合成材料加筋土挡墙是一种新型的挡土结构,它具有经济性好、性能优越、适应性强等优点。而筋材内力计算是该类结构设计的一个关键步骤,因此该类结构的推广应用需要一种合理易用的内力分析方法。该文讨论了几种土工合成材料加筋土挡墙的筋材内力分析方法,并对这些方法的优缺点进行评述。这些方法包括基于主动土压力系数的方法、基于经验的K刚度法、基于极限平衡的加筋边坡稳定分析方法、基于非线性弹性与变形协调的理论方法、以及基于增量非线性及填土剪胀性的筋材内力分析方法等。通过比较分析发现,如忽略面板作用且填土强度得到完全发挥,基于主动土压力系数以及极限平衡边坡分析的方法适用于分析加筋土挡墙在强度极限状态时的筋材内力,但填土强度的发挥水平决定于筋材的长期刚度。另一方面,如能合理考虑筋材的长期刚度以及面板的约束作用,基于筋土变形协调的理论分析方法适用于分析加筋土挡墙在正常工作荷载作用下的筋材内力。
基本方法
薄壳屈曲问题的有限质点法求解
张鹏飞, 罗尧治, 杨超
2017, 34(2): 12-20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0623
摘要:
有限质点法是一种新型的数值方法,它从牛顿力学的角度出发,以质点为研究对象,将求解域离散为质点系统,同时着眼于该系统内各个质点所受的力,进而追踪到整个质点系统的运动状态,在处理结构或机构的大变位、大变形等非线性问题时具有独特的优势。该文将有限质点法应用于薄壳的屈曲问题研究,为追踪其完整的屈曲路径,将显式弧长法的加载策略与其相结合;针对屈曲或大变形后出现的接触问题,改进了一种适用于显式求解的接触算法。最后,通过自编程序,分别选取薄壳屈曲问题的静力、动力等经典算例,并将该方法的计算结果和相关文献及试验结果进行了对比。结果表明,该文的方法用于薄壳的屈曲问题求解是可行的,能有效捕捉薄壳屈曲的完整过程。
风致积雪重分布的拉格朗日方法与现场实测研究
周晅毅, 谭敏海, 晏克勤, 顾明, 胡学富
2017, 34(2): 21-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0573
摘要:
采用拉格朗日方法,模拟了立方体周围积雪重分布的情况,同时在东北地区利用真实的雪颗粒对立方体周围积雪重分布进行了现场实测。将数值模拟和现场实测结果进行比较,两者在整体趋势上吻合较好。在立方体前方处均发生积雪沉积;在立方体侧边迎风端出现积雪侵蚀;在立方体的背风区,侵蚀量较小。由于该文的数值模拟方法未考虑横风向风速对雪粒的作用,在立方体迎风前方的底部,数值模拟方法的结果与实测有一定的差异。该文还分析了数值模拟中的雪颗粒阈值摩擦速度对积雪沉积侵蚀的影响。
模拟复杂流动的一种隐式直接力浸入边界方法
王文全, 张国威, 闫妍
2017, 34(2): 28-33,93. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0600
摘要:
为避免复杂贴体网格的生成,该文采用一种隐式直接力浸入边界法模拟复杂边界流动问题。借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程。其中固体边界离散点的作用力密度通过强制满足固体边界的无滑移条件导出,进而通过δ光滑函数对固体壁面附近速度场进行二次修正。在空间离散上,对流项采用QUICK迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用二阶显式Adams-Bashforth法离散时间项。以雷诺数为25、40和300的圆柱绕流为基准数值算例,通过与实验结果和其他文献数值结果的对比,验证数值计算方法的可靠性。
概率信息不完全系统的统计矩估计方法
范文亮, 韩杨, 周擎宇, 李正良
2017, 34(2): 34-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0592
摘要:
根据已知变量概率信息的不同,概率信息不完全系统可分为子类I、子类II和子类III。现有的统计矩点估计法可以方便地用于概率信息完全系统和概率信息不完全系统子类I,但是对可能出现的概率信息不完全系统子类II和子类III无能为力。为此,该文在重点研究子类III的等效相关系数求解方法的同时给出了子类II等效相关系数的简化方法,并发展了适用于一般概率信息不完全系统的广义Nataf变换;在此基础上,结合多变量函数的单变量降维近似模型,提出了概率信息不完全系统的统计矩估计方法,并讨论了参考点选择、变量排序等对计算效率的影响;最后,通过算例对建议方法进行了系统的验证。算例结果表明:该文建议的等效相关系数求解方法准确有效、变量排序策略切实可行,统计矩估计法具有广泛适用性且对于低阶矩具有较理想的精度。
土木工程学科
塑钢纤维轻骨料混凝土与钢筋粘结锚固试验研究
牛建刚, 郝吉, 孙立斌, 李伯潇
2017, 34(2): 42-49. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.ST05
摘要:
通过对内贴应变片钢筋的直接拔出试验,分析钢筋直径、相对锚固长度(la/d)及混凝土相对保护层厚度(c/d)对塑钢纤维轻骨料混凝土与钢筋间粘结性能的影响,得出不同钢筋直径、锚固长度及相对保护层厚度对试件粘结锚固性能的影响规律,并提出塑钢纤维轻骨料混凝土钢筋锚固长度计算公式。试验结果表明:随钢筋直径的增大,试件粘结刚度增强,极限粘结强度先提高后降低;增加钢筋锚固长度会降低试件极限平均粘结强度,同时极限粘结强度对应钢筋自由端滑移量减小,试件粘结韧性则随锚固长度的增加而减小;混凝土相对保护层厚度增加会使试件极限粘结强度先提高然后趋于平稳。根据试验结果得到的钢筋锚固长度计算公式与规范给出的计算公式进行比较,从极限粘结强度的角度看,规范中的钢筋锚固长度计算公式偏于保守。
高强度结构钢材单调荷载作用下的本构模型研究
施刚, 朱希
2017, 34(2): 50-59. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.09.0799
摘要:
钢材在单调荷载作用下的本构模型是进行结构分析的基础。为了更为准确地计算高强钢结构响应和分析构件的受力性能,为工程设计人员应用高强钢提供参考,该文在总结已有试验研究、开展大量拉伸试验的基础上,更新了高强钢多折线本构模型的参数,以Ramberg-Osgood模型为基础标定了适用于高强钢的非线性本构模型。通过和试验数据的对比,证明非线性本构模型能够很好地模拟高强钢在单调荷载作用下的应力-应变关系。为了兼顾准确性和效率,该文还提出了修正的多折线本构模型,在反映高强钢非线性的材料性能的同时本构模型也相对简单。
低屈服点钢材与Q345B和Q460D钢材本构关系对比研究
王萌, 钱凤霞, 杨维国, 杨璐
2017, 34(2): 60-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.01.0051
摘要:
为进一步探讨材料本构行为对构件及结构受力性能的影响,首先,进行了LYP100低屈服点钢材的本构关系试验研究,分析此材料的单调性能、滞回性能、耗能能力及循环本构模型等。在此基础上,全面对比LYP100和LYP160低屈服点钢材、普通钢材(Q345B)及高强度钢材(Q460D)的本构关系。最后,通过对比不同钢材的循环本构模型以及理想弹塑性模型对结构构件滞回行为的预测结果,深入研究材料本构关系对构件及结构的重要影响。结果表明:低屈服点钢材单调以及循环强屈比均在2.0~3.0以上,是普通钢材以及高强度钢材的2.0倍~3.0倍。同时,低屈服点钢材具有更好的延性和耗能能力。由于低屈服点钢材具有显著的各向同性强化行为,其采用循环本构模型和理想弹塑性模型的计算结果差异更大。因此,在结构计算分析中,需要根据所采用的钢材选取适当的本构关系模型。
基于车桥耦合随机振动分析的钢桥疲劳可靠度评估
李慧乐, 夏禾
2017, 34(2): 69-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0334
摘要:
发展了一种基于车桥耦合系统随机振动分析的铁路钢桥疲劳可靠度评估方法,建立车桥耦合系统模型,选取车速和轨道不平顺作为基本随机变量进行随机振动分析,以此确定桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数的概率模型。在此基础上,建立基于S-N曲线法的疲劳极限状态函数并进行疲劳可靠度分析。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例进行了疲劳可靠度评估,并讨论了车速及轨道平顺性对构件疲劳可靠性的影响。结果表明:该文方法可有效用于铁路钢桥疲劳可靠度评估;受车速及轨道不平顺随机性的影响,列车引起的桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数均具有一定的不确定性,应视为随机变量,二者可采用对数正态分布表示;车速和轨道不平顺可显著影响桥梁构件的疲劳可靠性,疲劳关键构件的可靠度指标随着轨道平顺性增强而提高。
高温后高强混凝土受压动态损伤
李志卫, 肖建庄, 谢青海
2017, 34(2): 78-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0567
摘要:
对45个高强混凝土(HSC)棱柱体进行高温加热,温度分别为20℃、200℃、400℃、600℃和800℃。然后对棱柱体进行高温后轴向动态受压试验,应变率分别为10-5 s-1、10-3 s-1和0.067 s-1。结果表明:随着经历温度的升高,HSC将会出现裂缝,细观结构变得松散;高温对HSC造成的损伤随温度的升高而增大,而应变率对高温后HSC的损伤没有明显影响;经历相同的高温损伤后,HSC的相对受压强度随应变率的增大而增大;轴向应变对高温后HSC造成的损伤在峰值应变前缓慢增大,达到峰值应变后迅速增大;温度越高,峰值应变对应的HSC损伤越小,而经历相同温度后不同应变率下峰值应变处HSC损伤的变化趋势并不明显。基于试验及理论分析,建立了HSC高温损伤以及高温损伤后相对受压强度的计算公式。
纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究
李庆华, 赵昕, 徐世烺
2017, 34(2): 85-93. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0477
摘要:
该文采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆装置,研究了纳米改性后的UHTCC(ultra high toughness cementitious composites)在高速冲击压缩应力状态下的力学响应,并与常规UHTCC材料、钢纤维混凝土进行了对比。试验得到了各组材料在准静态和动态共计4组应变率(2.36×10-5 s-1、120 s-1、160 s-1、200 s-1)下的准静态压缩强度及冲击压缩应力-应变曲线,并计算了各组试件的耗能能力。为了进一步优化材料的抗冲击性能,该文还研究了纳米改性后的UHTCC基体中钢纤维和PVA纤维的混杂效果。试验结果表明:5组材料均具有应变率敏感性,峰值应力和耗能能力随着应变率的增大而上升;经过纳米改性后的UHTCC材料冲击压缩力学强度及耗能能力明显提高;在冲击荷载下,钢纤维和PVA纤维产生正混杂效应,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力;应变率的大小和钢纤维的掺量之间的关系影响了动态峰值应力的提升。
酸雨对再生骨料混凝土实心砖砌体抗压性能影响试验研究
郑山锁, 程明超, 宋哲盟, 马德龙
2017, 34(2): 94-101. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0284
摘要:
为了研究酸雨腐蚀对再生骨料砖混凝土实心砖砌体抗压性能的影响,该文以32榀相同特性的再生骨料混凝土实心砖砌体抗压试件为研究对象,利用国内先进的人工模拟大气环境实验室,对其进行喷淋-光照循环加速腐蚀试验及轴心抗压试验,对比分析了试件抗压强度、破坏形态、弹性模量和应力-应变关系随腐蚀循环次数的变化。试验结果表明:经酸雨腐蚀后的再生骨料混凝土实心砖砌体开裂荷载较小,裂缝出现较早,破坏相对严重;随着腐蚀次数的增加,应力-应变曲线斜率逐渐减小,弹性模量逐渐降低,抗压强度呈先升后降的趋势。经300次酸雨腐蚀,抗压强度下降29%,弹性模量下降42%。
RC框架结构抗地震倒塌性能评估的简化方法
梁丹, 梁兴文
2017, 34(2): 102-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0492
摘要:
框架结构抗地震倒塌性能的定量评估近年来受到广泛关注,迫切需要建立一套抗倒塌性能评估指标,而且需同时具备实用性和可行性。该文从我国抗震规范的延性设计要求出发,分别考虑柱、梁抗弯承载力比和柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比等参数对结构抗倒塌性能的影响,并分析了二者对结构抗倒塌性能影响的相关性。结果表明:柱、梁抗弯承载力比对结构抗倒塌性能影响显著,柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比对结构抗倒塌性能也有一定的影响,且二者对结构抗倒塌性能的影响存在相关性。通过对这两个结构参数进行不同的调整组合,考察结构的抗倒塌性能,进一步建立了简化的抗倒塌性能评估指标,为框架结构抗倒塌性能的定量评估提供参考。
带垫板的双肢冷弯C型钢框架抗震性能研究
陈明, 马晓飞
2017, 34(2): 111-119,225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0539
摘要:
针对带垫板的双肢冷弯C型钢框架抗震性能问题,选取垫板厚度、框架跨度、C型钢厚度、C型钢翼缘宽厚比和C型钢腹板高厚比等作为研究参数,采用拟静力试验和有限元方法分析了14个单层单跨框架,得到了该类框架的滞回曲线和骨架曲线,分析了框架的破坏模式和抗震性能。结果表明:框架先发生梁端和柱脚的局部屈曲,最终平面内失稳破坏。垫板厚度在保证强节点的前提下,对框架的承载力和抗震性能影响很小。C型钢截面参数变大可以提高框架承载力,增加C型钢厚度可以提高框架延性。该类框架的承载力退化稳定,具有较好的延性和耗能能力,抗震性能好。建议设计框架梁柱线刚度比不宜低于0.4。
双层高架桥梁框架墩抗震性能试验研究
张洁, 管仲国, 李建中
2017, 34(2): 120-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0557
摘要:
该文以某双层高架桥为背景,设计了两个配筋率不同的双层高架桥梁框架墩模型,采用拟静力试验结合理论分析研究了立柱纵筋配筋率对双层高架桥梁抗震性能的影响。试验结果表明:立柱配筋率较高时,横梁和节点会发生严重的损伤;减小立柱配筋率后,破坏主要集中于立柱,横梁和节点的损伤得到了有效控制;同时桥墩的延性能力提高。根据试验结果建立了桥墩的有限元分析模型,并通过该模型进行了参数分析,结果表明随着配筋率增加,双层高架桥梁的延性能力逐渐下降,同时横梁会先于立柱发生破坏,导致结构不能满足强梁弱柱的性能目标。
预应力度对预应力混凝土框架结构抗震性能影响研究
张耀庭, 张江, 杨力
2017, 34(2): 129-136. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0580
摘要:
依据我国规范设计4榀不同预应力度、抗震等级为二级的预应力混凝土框架结构,基于OpenSees分析软件,采用纤维梁、柱单元对其进行数值建模,对一榀单层单跨预应力混凝土框架的低周反复加载试验进行数值模拟,滞回曲线和骨架曲线与试验结果吻合良好,验证了该数值建模方法的实用性;在此基础上,对4榀预应力混凝土框架进行了静力弹塑性分析;最后,对按我国规范设计的抗震等级为二级的PC框架结构,在裂缝控制等级为二级时,预应力梁中非预应力筋用量的确定方法及其适用性进行了理论分析。结果表明:按我国现规范设计的预应力混凝土梁中非预应力筋用量偏多,在大震下预应力混凝土框架结构难以实现“强柱弱梁”的破坏模式,底层柱底塑性铰出现过早;适当提高梁端截面的预应力度值,能够在一定程度上改善结构的屈服机制,增大结构的整体位移延性,提高结构的抗震能力。因此,建议在进行相关规范修订时,适当减少非预应力筋配筋、提高框架梁的预应力度限值,如按04规程设计的二级预应力混凝土框架结构,其预应力度限值可提高至0.8。
基于尾流振子模型的桥梁节段至实桥涡激共振振幅转换关系
许坤, 葛耀君
2017, 34(2): 137-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0588
摘要:
该文基于一种用于涡振模拟的两自由度经验模型(尾流振子模型)推导了桥梁节段至实桥涡振振幅转换关系。首先介绍了尾流振子模型的形式及其特点,其次从展向全相关及展向不完全相关两方面推导了节段至实桥涡振振幅转换关系,最后结合实际桥梁对上述过程进行了算例验证,并与现场实测结果进行了比较。研究表明:当不考虑涡激力展向相关性影响时,节段至实桥涡振振幅只与结构振型函数有关,尾流振子模型得到的转换关系与传统经验非线性模型得到的转换关系相同;当考虑涡激力展向相关性时,计算得到的实桥涡振振幅可能小于节段模型结果,涡激力展向全相关条件下得到的计算结果与现场实测结果更接近。因此,当缺少精确的涡激力展向相干函数时,假定涡激力展向全相关计算得到的实桥涡振振幅可能更为可靠。
界面剥离钢-混凝土组合结构应力波传播谱元法模拟研究
栾乐乐, 许斌, 陈洪兵
2017, 34(2): 145-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0596
摘要:
建立钢-混凝土组合结构截面二维谱元法模型,针对钢-混凝土界面完好以及存在界面剥离时模型在单点激励下弹性应力波场进行模拟分析,探究弹性应力波的传播规律。采用去除混凝土单元的方法反映组合结构中钢板与混凝土之间的界面剥离。通过对比分析表明界面剥离的存在对弹性应力波场以及模型上不同位置的位移响应产生影响。通过改变界面剥离程度,得到测点位移的变化规律。通过模拟,谱元法可以有效模拟钢-混凝土组合结构中弹性波的传播规律,为研究基于应力波测量的钢-混凝土组合结构界面缺陷检测机理提供帮助。
钢筋混凝土柱的非对称恢复力模型与参数识别
余波, 李长晋, 吴然立
2017, 34(2): 153-161. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0621
摘要:
强震作用下钢筋混凝土柱往往表现出明显的强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称性等滞回特性,而传统的恢复力模型难以合理描述上述滞回特性。该文基于Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型,通过在滞回位移与相对侧向位移的微分函数关系中引入描述非对称滞回性质的形状控制参数,建立了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称滞回特性的改进BWBN模型,进而结合微分进化算法提出了非对称BWBN模型参数的识别技术,并利用钢筋混凝土柱的拟静力往复加载试验数据,对比验证了该模型的有效性。
钢筋混凝土柱纵筋屈曲长度简化计算模型
苏俊省, 王君杰, 宋彦臣, 董正方, 高昊
2017, 34(2): 162-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0634
摘要:
为研究钢筋混凝土柱在地震作用下的纵筋屈曲及影响因素,该文基于最小能量原理,提出了考虑钢筋非线性的纵筋屈曲长度简化计算模型。采用不同配筋形式的73个矩形钢筋混凝土柱,验证简化屈曲模型的可靠性,并与Dhakal和Maekawa提出的简化计算模型(D&M模型)进行对比分析。结果表明:屈曲时纵筋进入非线性,通过误差分析,纵筋等效弹性模量取0.025倍钢筋初始弹性模量;箍筋对纵筋的侧向约束可简化为线性弹簧,弹簧刚度与箍筋截面面积及配箍形式有关;简化计算模型可以较好地预测纵筋屈曲长度,预测结果明显优于D&M模型。
常温及火灾下蜂窝梁腹板屈曲承载力计算方法
王培军, 王旭东, 张露露
2017, 34(2): 171-178. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0638
摘要:
采用斜压柱理论模型及有限元方法,研究了常温及火灾下圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板受剪屈曲性能和受剪屈曲承载力计算方法。孔间腹板S/d0d0/tw的取值范围分别为1.4~2.0和41.4~80.7。在参数分析的基础上,对斜压柱的有效宽度及压力进行修正,用于计算孔间腹板的屈曲承载力;并提出了等效矩形理论,用于计算孔洞截面的受剪屈服承载力。蜂窝梁受剪承载力为孔间腹板屈曲承载力和孔洞截面受剪屈服承载力的较小值。采用修正的斜压柱理论模型和等效矩形理论得到的圆角多边形孔蜂窝梁受剪承载力稍小于有限元结果,比值在0.856~0.978之间。采用修正的斜压柱模型,并按照规范BS5950计算斜压柱屈曲应力,反算火灾下蜂窝梁孔间腹板屈曲温度,得到的火灾下圆角多边形孔蜂窝梁的孔间腹板屈曲温度仅稍低于有限元结果,偏差为0.17%~6.28%。
环境变化下基于AR模型系数和协整的海洋平台结构损伤识别
刁延松, 曹亚东, 孙玉婷
2017, 34(2): 179-188. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0649
摘要:
结构损伤引起的损伤特征参数的变化往往被环境因素(温度、质量)变化引起的损伤特征参数的变化所掩盖,从而导致基于振动的损伤识别方法失效。该文利用时间序列中的AR模型系数和计量经济学中的协整进行环境因素(温度、质量)影响下的海洋平台结构损伤识别研究。首先利用AR模型对实测的加速度响应信号进行拟合,选择第一阶AR系数为协整变量,然后对不同节点的协整变量进行协整,将协整残差作为损伤指标,最后通过X-bar控制图进行结构的损伤识别。海洋平台结构的数值模拟和振动台模型试验结果验证了该方法的有效性。
传统风格建筑圆钢管柱-箱形截面双梁节点受力性能试验研究与承载力计算
薛建阳, 翟磊, 魏志粉, 吴占景, 隋(龙天), 贾俊明
2017, 34(2): 189-196. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0657
摘要:
为研究传统风格建筑圆钢管柱-箱形截面双梁节点受力性能,对传统风格建筑圆钢管柱-箱形截面双梁中节点和边节点进行低周反复加载试验,分析了双梁-柱节点的破坏特征及影响因素。研究结果表明:传统风格建筑圆钢管柱-箱形截面双梁节点的破坏模式主要是下梁与大柱形成的核心区(3区)发生剪切屈服,上梁、下梁与大柱所形成的区域(2区)发生压弯破坏,部分焊缝及其热影响区的母材开裂;轴压比为0.3试件的极限承载力均高于轴压比为0.6的节点试件;相同轴压比下中节点试件的承载力高于边节点试件。给出了节点核心区2区压弯承载力验算公式并推导了节点核心区3区抗剪承载力计算公式,经与试验结果相比较,吻合较好。
火灾环境下钢结构响应行为的FDS-ABAQUS热力耦合方法研究
段进涛, 史旦达, 汪金辉, 焦宇, 何佩珊
2017, 34(2): 197-206. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.01.0061
摘要:
火灾环境下钢结构热力耦合分析普遍采用ISO834标准升温曲线(或火灾升温经验公式)描述结构的升温过程,然而这种方法并不能准确描述真实火灾环境下结构的升温过程。为了分析钢结构在真实火灾温度场下的热响应行为,该文以整体结构作为研究对象,提出了基于FDS和ABAQUS的火-热-结构耦合分析方法。该方法通过创建FDS-ABAQUS耦合接口,将FDS模拟得到的火灾动态温度场数据传输到有限元软件ABAQUS中,使用ABAQUS对整体结构进行热力耦合计算,得到整体结构在特定火灾场景下的力学响应特性。案例分析表明,该文创建的耦合方法可将FDS模拟得到的温度场数据传输到ABAQUS模型,分析结果显示传输温度场数据最大误差为2.18%;模拟整体结构热响应行为时考虑不均匀热膨胀引起的内力,模拟结果更接近真实火灾场景下的力学响应。
地震作用下高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙宽度需求机理分析
贾宏宇, 杜修力, 李晰, 郑史雄, 陈志伟
2017, 34(2): 207-215. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.02.0110
摘要:
为了研究不同场地条件对高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙需求的影响机理,也为既有桥梁的碰撞间隙宽度评估和新建桥梁碰撞间隙宽度的计算提供理论依据。首先,建立了多点激励地震动空间模型,推导了场地条件与桥梁墩底处地震加速度的关系;其次,建立了高墩铁路桥梁的有限元模型,并推导了高墩桥梁梁体碰撞间隙宽度需求量与场地条件和震级的关系;最后,以实际高墩铁路桥梁为依托,研究了不同震级不同场地分布对桥梁碰撞间隙宽度需求的影响,并与实际场地(非一致场地)分布计算结果进行对比分析。研究表明:一致场地分布时,软场地对高墩桥梁碰撞间隙宽度需求的功率谱密度峰值最大,硬场地最小,相差约4倍~6倍;实际场地时,间隙宽度的功率谱密度函数相位变化较大,碰撞次数增多;不同震级碰撞间隙宽度需求对比时,实际场地响应均值比硬、中、软一致分布场地分别大76%、71%、42%。
GFRP-混凝土组合板界面抗剪连接性能的试验研究
郭诗惠, 孔搏, 蔡春声, 张建仁, 曾学
2017, 34(2): 216-225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.04.0285
摘要:
FRP-混凝土组合板界面的可靠连接是保证其正常工作的基础。为考察组合板中的界面粘结性能,该文对采取4种连接方式的27个玻璃FRP(GFRP)-混凝土组合构件进行双剪推出试验,根据试验结果分析构件的破坏模式、承载力变化及界面滑移情况。研究结果表明:4种连接方式均获得了较高的粘结强度,可考虑作为GFRP-混凝土组合板的界面抗剪构造措施;GFRP-混凝土界面粘结强度与混凝土强度等级、界面粗糙程度、胶结剂的粘结能力、剪力键布置方式有关,且随混凝土强度等级的提高而有所增大。基于该文的试验设计和试验结果,对试验中的3个试件进行了三维非线性有限元分析。
机械工程学科
考虑形状参数的分数黏弹性振子频响特性
李占龙, 孙大刚, 燕碧娟, 宋勇, 章新, 孟杰
2017, 34(2): 226-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0564
摘要:
黏弹性振子为描述黏弹性减振降噪结构的基本物理单元。针对传统黏弹性振子整数阶模型较差的试验拟合性和无几何标度性,提出了考虑形状参数的分数黏弹性振子模型及建立其动力学方程的一般方法,并推导出频响函数。以其中典型分数黏弹性振子(SFVEO)为例研究了频响特性及参数影响性。数值算例表明,幅频响应存在谐峰值,相频响应存在转折频率,两者均受系统参数(固有频率、分数阶数、形状参数和阻尼比)影响;固有频率、阻尼比和形状参数均在低频段对幅频响应有显著影响,分数阶数则在高频段存在明显影响;各参数对相频响应在低频段有明显作用。为黏弹性缓冲减振结构的设计和多目标优化提供理论参考。
闭链双臂空间机器人动力学建模及力矩受限情况下载荷运动自适应控制
程靖, 陈力
2017, 34(2): 235-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.0599
摘要:
讨论了在输入受限的情况下,漂浮基双臂空间机器人抓持负载后转移目标过程中的建模与自适应控制问题。利用拉格朗日第二类方程建立了开链空间机器人系统动力学模型,之后结合闭链系统的闭环约束条件,获得了闭链双臂空间机器人系统的动力学方程。在这个基础上,考虑到双臂空间机器人及负载存在参数不确定,系统存在外部扰动及输入力矩有限的情况,设计了自适应控制方案,以完成对载荷位置和姿态运动的精确控制。由带饱和函数的控制律限制输入力矩,采用自适应控制器逼近系统的不确定度。方案中利用高精度滤波器估计系统速度及角速度,从而仅需测量其位置信息。通过Lyapunov方法证明了系统的稳定性。最后通过数值仿真实验模拟了平面双臂空间机器人转移目标过程,并证实了上述控制方案的有效性。
其他工程学科
沥青混合料黏弹性主曲线模拟及换算
王志臣, 郭乃胜, 赵颖华, 陈忠达
2017, 34(2): 242-248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0647
摘要:
基于时间-温度等效原理将不同温度下沥青混合料的储存模量和蠕变柔量进行平移形成主曲线,采用广义Maxwell和Kelvin模型分别模拟沥青混合料的松弛和蠕变特性,利用Prony级数表达式和Laplace变换实现黏弹性主曲线间的相互换算,并将换算结果与试验结果进行了比较。结果表明,广义Maxwell和Kelvin模型可以较好地模拟沥青混合料黏弹性主曲线,储存模量和蠕变柔量主曲线相互换算结果与试验结果规律基本一致,松弛模量实际结果应介于由储存模量和蠕变柔量换算的松弛模量主曲线之间,这可为沥青混合料黏弹性力学研究及黏弹性参数的获取提供有益参考。
粒子射流耦合冲击破岩建模与实验分析
任福深, 程晓泽, 李洋, 王宝金, 朱安贺, 赵蕾
2017, 34(2): 249-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0660
摘要:
粒子冲击破岩技术是以高速金属粒子和高速流体破岩为主,以机械钻头破岩为辅的一种新型破岩工艺。针对锥直型加速流道,建立了粒子与流体在冲击破岩过程中速度与加速度的数学模型,分析了冲击过程中能量的吸收规律,提出了单个粒子速度、粒子体积与破岩体积间的函数关系,并基于LSTC-DYNAMIC仿真平台进行了验证分析。基于自主研制的粒子冲击破岩试验装置,开展了粒子直径从0.8 mm~1.4 mm的四种不同直径粒子射流冲击破岩实验,验证了理论模型并提出了粒子体积、冲击速度、流体流速与破岩体积间的匹配关系,为该技术的现场推广提供数据支撑和理论依据。