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2020年  第37卷  第7期

基本方法
线弹性断裂力学问题的扩展自然单元法
陈莘莘, 刁呈岩, 肖树聪
2020, 37(7): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0502
摘要:
为了更加有效地求解线弹性断裂问题,提出了扩展自然单元法。该方法基于单位分解的思想,在自然单元法的位移模式中加入扩展项表征不连续位移场和裂纹尖端奇异场。通过水平集方法确定裂纹面和裂纹尖端区域,并基于虚位移原理推导了平衡方程的离散线性方程。由于自然单元法的形函数满足Kronecker delta函数性质,本质边界条件易于施加。混合模式裂纹的应力强度因子由相互作用能量积分方法计算。数值算例结果表明扩展自然单元法可以方便地求解线弹性断裂力学问题。
弹性模量比对界面迁移下夹杂演化的影响
井亚彬, 黄佩珍
2020, 37(7): 8-16. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0444
摘要:
集成电路的导线内不可避免存在夹杂等缺陷。在各种内在机制以及外界环境作用下夹杂会出现形态演化从而影响内连导线的各种性能。该文基于界面迁移机制下微结构演化理论,推导了应力诱发固-固界面迁移的单元控制方程,数值模拟了夹杂-基体弹性模量比对夹杂形态演化的影响。结果表明:不同模量比下夹杂的形态演化存在两种分叉趋势,并且存在着临界应力\begin{document}${\widetilde \sigma _{\rm{c}}}$\end{document}、临界形态比\begin{document}${\beta _{\rm{c}}}$\end{document}、临界线宽\begin{document}${\widetilde h_{\rm{c}}}$\end{document}。当\begin{document}$\widetilde \sigma > {\widetilde \sigma _{\rm{c}}}$\end{document}\begin{document}$\beta > {\beta _{\rm{c}}}$\end{document}\begin{document}${\widetilde h} < {\widetilde h_{\rm{c}}} $\end{document}时,夹杂长大;反之收缩。随着模量比的增加,临界应力、临界形态比随之增大,而临界线宽会减小。并且,当夹杂与基体的弹性模量比\begin{document}$\alpha > 0.6$\end{document}时,模量比对于临界应力和临界形态比的影响可忽略。
土木工程学科
直立锁缝金属屋面加强抗风揭能力的优化设计
许秋华, 万恬, 刘凯
2020, 37(7): 17-26, 167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.ST13
摘要:
中国2012年以前设计的直立锁缝金属屋面板的公共建筑,因按2006年版荷载规范设计导致设计负风压取值明显偏低而出现了金属屋面板风揭破坏,所以加强其抗风揭能力对此类既有公共建筑的安全使用至关重要。结合直立锁缝屋面系统现已广泛运用于公共建筑屋面系统中的实际,该文阐述了直立锁缝金属屋面系统抗风揭原理,对复杂受力状态下的直立锁缝屋面板系统各关键组成部分在极端暴风工况下的抗风揭能力进行了初步分析:该文从昌北机场T2航站楼工程既有直立锁缝式金属屋面系统破坏后加固设计案件的实际需要出发,通过分析直立锁缝金属屋面系统的传力路径及其破坏特点,探讨了既有直立锁缝式金属屋面系统确保重点区域、兼顾一般区域并通过实物抗风揭对比试验确定的加强设计优化思路,提出了通过实物抗风揭试验来进行评价及具体优化的方法;通过系列抗风揭承载性能的对比试验,提出了在既有直立锁缝式金属屋面板在一般区域及加强区域分别于支座上增加不同间距夹具的有效方法,并提出了对此类屋面板抗风揭承载力设计的优化建议,特别提出了要进一步提高既有直立锁缝金属屋面板板头部位的防掀能力,避免产生“撕纸破坏连锁效应”。不仅可以为此类既有屋面的加固设计提供科学依据,而且为类似大型场馆金属屋面新建工程的设计提供有价值的参考。
基于三维离散-连续耦合方法的NPR锚索-围岩相互作用机理研究
胡杰, 何满潮, 李兆华, 张龙飞, 冯吉利
2020, 37(7): 27-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0390
摘要:
恒阻大变形(NPR)锚索作为一种高效的吸能锚索已广泛应用于边坡和采矿工程的加固和监测预警中。NPR锚索工作时的径向膨胀特性将影响整个锚固系统的性能。因此,基于离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合方法对静力拉伸作用下NPR锚索-围岩的相互作用机理进行分析。NPR锚索考虑为连续单元体,围岩和锚固材料由离散球体单元表征,将整个NPR锚固系统实现了离散元法与有限元法耦合模拟。围岩的离散元细观参数得到校准,NPR锚索的有限差分宏观参数由相应的静力拉伸室内试验进行验证。通过分析数值结果,对NPR锚索与NPR锚固系统的恒阻力进行了比较;描述了锚索-围岩界面的正应力与切应力的分布特征;此外,对锚固剂与围岩的破坏模式进行了细观研究。研究结果描述了NPR锚索与围岩的相互作用并揭示了NPR锚索的特殊锚固机理,可用于预测和提高NPR锚索锚固系统的性能。
梭形空间桁架约束型防屈曲支撑的性能研究
朱博莉, 郭彦林
2020, 37(7): 35-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0424
摘要:
防屈曲支撑的外围约束体系的革新研究始终是其核心内容。该文提出了梭形空间桁架约束型防屈曲支撑(STC-BRB)的概念,并以BRB工程应用中的四榀桁架约束体系为例,研究了STC-BRB的静力承载力和抗震设计方法。STC-BRB采用与其弯矩分布图相似的梭形桁架作为外围约束体系,具有提高材料利用率及外形美观等特点,适用于高层建筑和空间结构设置外露BRB的工程应用。该文建立了STC-BRB梁单元模型,采用ANSYS有限元软件对其弹性屈曲性能、弹塑性承载力和滞回性能展开研究,分别给出了基于承载力型和耗能型BRB约束比门槛值的设计方法。研究STC-BRB弹性屈曲性能,基于弹性屈曲荷载的理论和数值计算结果,提出了弹性屈曲荷载的计算公式,给出了BRB约束比的表达式。基于变化约束比的STC-BRB算例的计算结果,分别对其单调轴压弹塑性承载性能和拉压循环荷载作用下的弹塑性滞回耗能性能进行分析,研究了STC-BRB的失稳模式、极限承载力以及滞回耗能能力,获得了STC-BRB承载型和耗能型的约束比门槛值,建立了承载力和抗震设计的基本计算理论和设计方法。
内置钢板-高延性混凝土组合连梁抗震性能试验研究
邓明科, 张敏, 张阳玺, 陈森
2020, 37(7): 47-56. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0568
摘要:
为提高钢板与混凝土的协同变形能力,提出采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土,设计了2个内置钢板-高延性混凝土(HDC)组合连梁与2个内置钢板-混凝土组合连梁对比试件。通过拟静力试验,研究试件的破坏过程、破坏形态、滞回特性、耗能能力及刚度退化等。结果表明:跨高比为1.5的试件均发生剪切破坏,跨高比为2.5的试件均发生剪切黏结破坏;与混凝土组合连梁相比,HDC组合连梁的延性和耐损伤能力均得到明显提高;试件发生剪切破坏时,HDC组合连梁较混凝土组合连梁的极限位移角和累积耗能分别提高了44.4%和83.5%;试件发生剪切黏结破坏时,HDC组合连梁的耗能能力仍有较大幅度提高。根据4个小跨高比组合连梁试验结果,计算得到其设计剪压比为0.48~0.57,明显高于小跨高比连梁的剪压比限值。基于试验结果和受剪机制分析,提出了小跨高比组合连梁的受剪承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好。
轻骨料无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应:细观模拟
金浏, 蒋轩昂, 杜修力
2020, 37(7): 57-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0253
摘要:
轻骨料混凝土具有轻质、高强及保温隔热性能好等优点,被广泛应用于工程结构中。采用细观数值模拟方法,将普通及轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了无腹筋混凝土梁剪切破坏行为模拟的三维细观力学分析模型,研究了不同尺寸普通及轻骨料无腹筋混凝土悬臂梁在单调加载下的剪切破坏模式与失效机制,揭示了名义剪切强度的尺寸效应规律。此外,结合模拟结果对相关设计规范抗剪承载力计算公式的准确性和安全性进行了初步探讨。研究结果表明:区别于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁由于骨料强度较低而首先发生破坏;不同尺寸混凝土梁的剪切破坏模式基本一致,梁的名义剪切强度展现出明显的尺寸效应;相比于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁剪切破坏表现出具有更强的尺寸效应。
大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法研究
周桐, 闫渤文, 杨庆山, PhamVan Phuc, 王京学
2020, 37(7): 68-76. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0381
摘要:
生成满足大气边界层风场特性的入口湍流是开展结构风效应大涡模拟的关键问题之一。该文的主要目的是验证并探讨两类主要的大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法的合理性与可行性。采用CDRFG(Consistent Discretizing Random Flow Generation)方法和被动模拟法生成大气边界层风场,从统计特性、流场结构和计算效率等方面进行对比分析,比较不同网格系统下的数值模拟结果,提出结构风效应大涡模拟的网格划分策略。结果表明:相比于CDRFG方法,被动模拟法生成的流场结构更加合理,但无法预先考虑脉动风场的空间相关性,且需要较高的计算成本和先验的流场信息。计算域的网格分辨率对于统计特性和流场结构的模拟精度具有重要影响,而目标区域的网格分辨率应依据控制工程结构风致响应的主要频带范围确定。
平面SV波入射下山体地形中双线隧道动力响应
张海, 杜雪姣, 刘中宪, 徐颖, 杨国岗
2020, 37(7): 77-88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0404
摘要:
根据弹性波动理论,结合“分区契合”思想,采用间接边界元方法,考察SV波入射下隧道—山体系统整体地震反应特征和相互作用规律。通过参数分析讨论入射波频率和角度、衬砌隧道位置等因素对山体表面及附近地表的地面运动、山体内部衬砌隧道本身应力、位移的影响。计算结果表明:山体中衬砌隧道的存在对附近地震波有显著的放大作用。整体上看,随着无量纲频率η增大,隧道环向应力逐渐减小,地表位移幅值震荡更为剧烈,空间分布更复杂;山体与隧道尺寸的比值较小时,隧道内环向应力集中比较显著,随着山体与隧道尺寸比的增加,环向应力峰值呈现减小的整体趋势,应力集中区域显著减少;随SV波入射角度α的增大,两隧道衬砌内部环向应力均有增加的趋势。另外,隧道间距越小,衬砌动应力集中效应越发显著。
剪切型消能连梁的循环屈曲特性研究
刘晓刚, 樊健生, 聂建国
2020, 37(7): 89-98. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.08.0426
摘要:
该文对剪切型消能连梁的循环屈曲特性展开了试验研究,并建立了连梁的数值分析模型,分析了不同参数对连梁腹板循环屈曲特性的影响规律。研究表明:轴向位移约束对连梁的腹板的屈曲特性基本没有影响,轴力不大时也基本不影响连梁的腹板的屈曲特性。参数分析表明:腹板高厚比对连梁屈曲位移角的影响最为显著;腹板宽高比和横向加劲肋间距与腹板高度的比值对屈曲位移角的影响也十分明显,但腹板宽高比和横向加劲肋间距与腹板高度的比值超过2之后,其对屈曲位移角的影响变得很小;等效连梁长度系数和材料强化特性对屈曲位移角基本无影响。建立了腹板循环屈曲位移角的理论预测方法,试验和数值验证表明:该方法具有较高的可信性。