2019年 第36卷 第3期
2019, 36(3): 1-23.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.ST03
摘要:
预制桥墩体系具有快速施工优势，在非震区、低烈度区中已得到较广泛应用，但因对其抗震性能缺乏充分认识，导致预制桥墩体系在中高烈度区的应用受到限制。该文根据抗震性能的不同，将预制桥墩体系分为“等同现浇”和“非等同现浇”两类，其中“等同现浇”预制桥墩又按照连接形式的不同分为套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接、现浇湿接缝连接；“非等同现浇”预制桥墩按照有无专门耗能装置可分为两类；系统梳理了每种类型预制桥墩抗震性能的研究现状及典型工程应用。该文重点报道了超高性能混凝土、纤维增强复合材料和形状记忆合金3种高性能材料用于提高预制桥墩抗震性能的研究现状，指出了3种高性能材料用于预制桥墩体系中的合理方式。该文总结出将韧性抗震理念融入预制桥墩体系的两种方法：外置可更换耗能装置和内置机械连接的耗能钢筋，并对采用这两种方法的预制桥墩抗震性能研究现状进行了介绍。基于对预制桥墩体系抗震性能研究成果的整理，作者介绍了预制桥墩体系在更高抗震需求、更高刚度需求、更高使用寿命需求、更高环境保护需求4类桥梁中的应用前景，并指出了这些新应用可能带来的新课题。
预制桥墩体系具有快速施工优势，在非震区、低烈度区中已得到较广泛应用，但因对其抗震性能缺乏充分认识，导致预制桥墩体系在中高烈度区的应用受到限制。该文根据抗震性能的不同，将预制桥墩体系分为“等同现浇”和“非等同现浇”两类，其中“等同现浇”预制桥墩又按照连接形式的不同分为套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接、现浇湿接缝连接；“非等同现浇”预制桥墩按照有无专门耗能装置可分为两类；系统梳理了每种类型预制桥墩抗震性能的研究现状及典型工程应用。该文重点报道了超高性能混凝土、纤维增强复合材料和形状记忆合金3种高性能材料用于提高预制桥墩抗震性能的研究现状，指出了3种高性能材料用于预制桥墩体系中的合理方式。该文总结出将韧性抗震理念融入预制桥墩体系的两种方法：外置可更换耗能装置和内置机械连接的耗能钢筋，并对采用这两种方法的预制桥墩抗震性能研究现状进行了介绍。基于对预制桥墩体系抗震性能研究成果的整理，作者介绍了预制桥墩体系在更高抗震需求、更高刚度需求、更高使用寿命需求、更高环境保护需求4类桥梁中的应用前景，并指出了这些新应用可能带来的新课题。
2019, 36(3): 24-32,39.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0006
摘要:
基于一阶剪切理论，提出一种求解平行四边形加肋板自由振动问题的无网格法，通过用一系列点来离散平板及肋条，得到加肋板的无网格模型。基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似求出位移场，以梁模拟肋条，求出平行四边形加肋板总动能及总势能。再由Hamilton原理导出加肋板自由振动的控制方程，采用完全转换法引入边界条件，求解方程得出结构自振频率。以不同参数的加肋板为例，将该文解与ABAQUS有限元解进行比较分析。研究表明，该方法能有效地分析平行四边形加肋板自由振动问题，在肋条位置改变时，又避免了网格重构。
基于一阶剪切理论，提出一种求解平行四边形加肋板自由振动问题的无网格法，通过用一系列点来离散平板及肋条，得到加肋板的无网格模型。基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似求出位移场，以梁模拟肋条，求出平行四边形加肋板总动能及总势能。再由Hamilton原理导出加肋板自由振动的控制方程，采用完全转换法引入边界条件，求解方程得出结构自振频率。以不同参数的加肋板为例，将该文解与ABAQUS有限元解进行比较分析。研究表明，该方法能有效地分析平行四边形加肋板自由振动问题，在肋条位置改变时，又避免了网格重构。
2019, 36(3): 33-39.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0003
摘要:
该文将时域精细积分边界元方法与界面追踪法相结合，给出平面单相凝固热传导问题的一个有效数值分析方法。首先，利用稳态热传导问题的基本解和径向积分法给出瞬态传热问题的边界积分方程，并采用精细积分方法求解离散的微分方程组，获得相变界面的热流密度。然后应用相变界面上的能量守恒方程，采用界面追踪法来预测相变边界的移动位置，从而给出相关问题数值模拟的结果。最后，为验证该文方法的有效性，给出两个数值算例并与解析解进行了对比。结果表明，该文方法具有较高的求解精度，是求解相变热传导问题的一种有效数值方法。
该文将时域精细积分边界元方法与界面追踪法相结合，给出平面单相凝固热传导问题的一个有效数值分析方法。首先，利用稳态热传导问题的基本解和径向积分法给出瞬态传热问题的边界积分方程，并采用精细积分方法求解离散的微分方程组，获得相变界面的热流密度。然后应用相变界面上的能量守恒方程，采用界面追踪法来预测相变边界的移动位置，从而给出相关问题数值模拟的结果。最后，为验证该文方法的有效性，给出两个数值算例并与解析解进行了对比。结果表明，该文方法具有较高的求解精度，是求解相变热传导问题的一种有效数值方法。
2019, 36(3): 40-52.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.ST10
摘要:
近年来国内外大量大型复杂、“超限”的建筑结构相继建立，这些工程大多属于不规则结构，甚至是特别不规则结构，在对这类结构进行设计时，往往会遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题。这些问题并不能套用现行标准，并缺少明确目标、依据和手段。该类问题往往需要以工程力学原理为基础，提出针对性的解决方案。该文针对奥雅纳工程咨询公司（ARUP）在国内一系列大型工程项目，对该类工程力学解决方案进行整理介绍。
近年来国内外大量大型复杂、“超限”的建筑结构相继建立，这些工程大多属于不规则结构，甚至是特别不规则结构，在对这类结构进行设计时，往往会遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题。这些问题并不能套用现行标准，并缺少明确目标、依据和手段。该类问题往往需要以工程力学原理为基础，提出针对性的解决方案。该文针对奥雅纳工程咨询公司（ARUP）在国内一系列大型工程项目，对该类工程力学解决方案进行整理介绍。
2019, 36(3): 53-62.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0036
摘要:
提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究，揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制，研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明，该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能，而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数，并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式，通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时，也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。
提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究，揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制，研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明，该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能，而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数，并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式，通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时，也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。
2019, 36(3): 63-70.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0075
摘要:
针对结构健康监测系统设计的振动传感器优化布置问题，在基本萤火虫算法的基础上引入等级划分策略和免疫机制，提出了一种分级免疫萤火虫算法。采用二重结构编码，弥补了基本萤火虫算法只能用于连续优化问题的不足；建立等级划分制度，使不同等级种群内部形成独立的搜索空间，维持了种群多样性，并让优质个体得以保留；引进免疫机制，进行萤火虫的选择、记忆、交叉和变异，增强了算法的全局搜索能力和局部寻优能力；文末利用足尺Benchmark桥梁模型，对算法参数进行了敏感性分析，并开展了振动传感器优化布置方案的选择。结果表明，与基本离散型萤火虫算法相比，分级免疫萤火虫算法的计算效率和寻优结果均有显著提升，能够很好地解决振动传感器优化布置问题。
针对结构健康监测系统设计的振动传感器优化布置问题，在基本萤火虫算法的基础上引入等级划分策略和免疫机制，提出了一种分级免疫萤火虫算法。采用二重结构编码，弥补了基本萤火虫算法只能用于连续优化问题的不足；建立等级划分制度，使不同等级种群内部形成独立的搜索空间，维持了种群多样性，并让优质个体得以保留；引进免疫机制，进行萤火虫的选择、记忆、交叉和变异，增强了算法的全局搜索能力和局部寻优能力；文末利用足尺Benchmark桥梁模型，对算法参数进行了敏感性分析，并开展了振动传感器优化布置方案的选择。结果表明，与基本离散型萤火虫算法相比，分级免疫萤火虫算法的计算效率和寻优结果均有显著提升，能够很好地解决振动传感器优化布置问题。
2019, 36(3): 71-78.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0008
摘要:
基于高频测力天平风洞试验对非线性振型结构的风致响应提出了改进的评估方法。假设结构风荷载沿高度的分布与阵风风压分布相同，采用结构真实振型计算风荷载模态力。推导了高耸结构风荷载模态力及风致响应计算公式，可以考虑结构多阶真实振型，从而使高频测力天平方法可更为准确地评估非线性振型结构的风致响应及等效静力风荷载。对某一质量、刚度有突变的高耸结构进行了高频测力天平风洞试验，与现有的线性化振型法进行对比，结果表明在弱非线性振型下，线性化振型法得到的加速度响应较层荷载假设方法偏大约40%。研究了层荷载分布的不确定性对计算加速度响应结果的影响，结果表明在阵风剖面层荷载的假设下，荷载分布的不确定性对结构最大加速度响应的影响很小，验证了本文方法的适用性。
基于高频测力天平风洞试验对非线性振型结构的风致响应提出了改进的评估方法。假设结构风荷载沿高度的分布与阵风风压分布相同，采用结构真实振型计算风荷载模态力。推导了高耸结构风荷载模态力及风致响应计算公式，可以考虑结构多阶真实振型，从而使高频测力天平方法可更为准确地评估非线性振型结构的风致响应及等效静力风荷载。对某一质量、刚度有突变的高耸结构进行了高频测力天平风洞试验，与现有的线性化振型法进行对比，结果表明在弱非线性振型下，线性化振型法得到的加速度响应较层荷载假设方法偏大约40%。研究了层荷载分布的不确定性对计算加速度响应结果的影响，结果表明在阵风剖面层荷载的假设下，荷载分布的不确定性对结构最大加速度响应的影响很小，验证了本文方法的适用性。
2019, 36(3): 79-94.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0073
摘要:
HRB500钢筋、HRB600钢筋已分别纳入《钢筋混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2－2018）。为考察HRB500钢筋、HRB600钢筋作纵筋的混凝土连续梁弯矩调幅性能，完成了24根两跨连续梁试验。试验结果表明，由于HRB500和HRB600钢筋的屈服强度明显高于HPB235和HRB335钢筋，试验梁中支座控制截面的弯矩调幅不只发生在塑性铰形成之后，在受拉区混凝土进入塑性、经历开裂和裂缝发展直至中支座控制截面受拉纵筋屈服这一较长的塑性发展过程中也存在一定的弯矩调幅。分塑性铰形成前后两阶段对试验梁中支座控制截面弯矩调幅进行考察，第一阶段弯矩调幅幅度βI介于15.28%~24.21%，第二阶段弯矩调幅幅度βⅡ介于6.91%~30.30%。发现随着受拉纵筋屈服强度的提高，βI增大、βⅡ减小；随着相对受压区高度的增大，βI和βⅡ均减小；随着中支座宽度的增大，βI和βⅡ均增大。基于试验数据建立考虑各关键参数影响的两阶段弯矩调幅系数计算公式。
HRB500钢筋、HRB600钢筋已分别纳入《钢筋混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2－2018）。为考察HRB500钢筋、HRB600钢筋作纵筋的混凝土连续梁弯矩调幅性能，完成了24根两跨连续梁试验。试验结果表明，由于HRB500和HRB600钢筋的屈服强度明显高于HPB235和HRB335钢筋，试验梁中支座控制截面的弯矩调幅不只发生在塑性铰形成之后，在受拉区混凝土进入塑性、经历开裂和裂缝发展直至中支座控制截面受拉纵筋屈服这一较长的塑性发展过程中也存在一定的弯矩调幅。分塑性铰形成前后两阶段对试验梁中支座控制截面弯矩调幅进行考察，第一阶段弯矩调幅幅度βI介于15.28%~24.21%，第二阶段弯矩调幅幅度βⅡ介于6.91%~30.30%。发现随着受拉纵筋屈服强度的提高，βI增大、βⅡ减小；随着相对受压区高度的增大，βI和βⅡ均减小；随着中支座宽度的增大，βI和βⅡ均增大。基于试验数据建立考虑各关键参数影响的两阶段弯矩调幅系数计算公式。
2019, 36(3): 95-104.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0055
摘要:
悬链机制会使钢筋混凝土框架结构产生有助于抵抗连续倒塌的附加承载能力，对结构抗连续倒塌能力至关重要。悬链机制处于几何大变形和材料非线性下降段的状态下，需要同时考虑材料非线性和几何非线性，因此对数值分析模型提出了更高的要求。为了解决基于力插值的纤维单元同时处理材料非线性和几何非线性的问题，该文采用基于共旋坐标法，提出了一种基于共旋坐标法的力插值纤维单元。该单元在形成中把变形体和刚体分开，局部坐标系的变形体内采用纤维划分考虑材料非线性，然后加上刚体位移，从局部坐标系到整体坐标系的转换中采用共旋坐标法以考虑几何非线性，给出了二维单元形成原理及非线性求解过程。实例分析结果表明基于共旋坐标法的力插值纤维单元能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌，梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用，悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。
悬链机制会使钢筋混凝土框架结构产生有助于抵抗连续倒塌的附加承载能力，对结构抗连续倒塌能力至关重要。悬链机制处于几何大变形和材料非线性下降段的状态下，需要同时考虑材料非线性和几何非线性，因此对数值分析模型提出了更高的要求。为了解决基于力插值的纤维单元同时处理材料非线性和几何非线性的问题，该文采用基于共旋坐标法，提出了一种基于共旋坐标法的力插值纤维单元。该单元在形成中把变形体和刚体分开，局部坐标系的变形体内采用纤维划分考虑材料非线性，然后加上刚体位移，从局部坐标系到整体坐标系的转换中采用共旋坐标法以考虑几何非线性，给出了二维单元形成原理及非线性求解过程。实例分析结果表明基于共旋坐标法的力插值纤维单元能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌，梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用，悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。
2019, 36(3): 105-113.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0001
摘要:
合理设计的框架会因为地震力分布不均匀致使框架的部分楼层梁率先屈服，导致结构层间位移角不均匀系数（DCF）增加，很难出现所有楼层梁端和柱底出铰的完全梁铰机制。为改善普通钢框架层间集中损伤和侧向刚度偏小问题，提出在框架中设置拉链柱和斜撑，形成铰支桁架-框架，控制框架侧向位移大小和分布。推导了框架弹性DCF值，并以此作为铰支桁架-框架的DCF目标值，进而提出了铰支桁架与框架的合理刚度比；给出了基于DCF抗震设计流程，设计算例达到了预期的位移和DCF性能目标。对比了框架、摇摆墙框架和铰支桁架-框架的抗震性能，结果表明：铰支桁架可以提高框架的抗侧刚度，使框架的塑性铰分布模式由不完全梁铰机制转变为完全梁铰机制，使框架层间位移角及剪力分布均匀；相比于摇摆墙框架，铰支桁架-框架具有较大的侧向刚度和相近的侧向变形模式。
合理设计的框架会因为地震力分布不均匀致使框架的部分楼层梁率先屈服，导致结构层间位移角不均匀系数（DCF）增加，很难出现所有楼层梁端和柱底出铰的完全梁铰机制。为改善普通钢框架层间集中损伤和侧向刚度偏小问题，提出在框架中设置拉链柱和斜撑，形成铰支桁架-框架，控制框架侧向位移大小和分布。推导了框架弹性DCF值，并以此作为铰支桁架-框架的DCF目标值，进而提出了铰支桁架与框架的合理刚度比；给出了基于DCF抗震设计流程，设计算例达到了预期的位移和DCF性能目标。对比了框架、摇摆墙框架和铰支桁架-框架的抗震性能，结果表明：铰支桁架可以提高框架的抗侧刚度，使框架的塑性铰分布模式由不完全梁铰机制转变为完全梁铰机制，使框架层间位移角及剪力分布均匀；相比于摇摆墙框架，铰支桁架-框架具有较大的侧向刚度和相近的侧向变形模式。
2019, 36(3): 114-120,130.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0072
摘要:
采用大型多功能静动三轴试验机，对堆石料分别进行了常规三轴循环加载、等p循环加载和等q循环加载三种不同应力路径下的动力变形试验研究，探讨了不同应力路径下围压﹑固结应力比及动应力比等因素对体应变和偏应变的影响规律及其变形机制。试验结果表明：在循环荷载作用下，不同应力路径对堆石料体应变和偏应变的发展规律影响较大；在等p循环加载作用下引起的往返体应变为负值，即发生剪胀现象，且在轴向剪切时达到最大剪胀值，反向剪切时基本不发生剪胀；在等q循环加载作用下产生较大的残余体应变和残余偏应变，两者均不可忽略不计，主要与堆石料的各向异性和颗粒破碎有关。
采用大型多功能静动三轴试验机，对堆石料分别进行了常规三轴循环加载、等p循环加载和等q循环加载三种不同应力路径下的动力变形试验研究，探讨了不同应力路径下围压﹑固结应力比及动应力比等因素对体应变和偏应变的影响规律及其变形机制。试验结果表明：在循环荷载作用下，不同应力路径对堆石料体应变和偏应变的发展规律影响较大；在等p循环加载作用下引起的往返体应变为负值，即发生剪胀现象，且在轴向剪切时达到最大剪胀值，反向剪切时基本不发生剪胀；在等q循环加载作用下产生较大的残余体应变和残余偏应变，两者均不可忽略不计，主要与堆石料的各向异性和颗粒破碎有关。
2019, 36(3): 121-130.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0941
摘要:
同时采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为输入，开展了非线性单自由度体系在主余震序列作用下的增量损伤分析。挑选75组真实主余震序列，并基于相同的主震记录，分别采用重复法、随机法和衰减法构造不同的人工主余震序列作为输入。分别采用理想弹塑性模型、考虑屈服后刚度的双线型模型和三线型模型，开展主余震序列作用下非线性单自由度体系的反应分析。以修正的Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标，对主余震序列作用下的结构增量损伤进行研究，并对强度折减系数、恢复力模型及主余震序列人工构造方法对增量损伤的影响进行研究。结果表明：余震造成的结构增量损伤不可忽视。基于重复法和随机法合成的人工主余震序列相比真实主余震序列的余震强度偏大，因此会高估余震对结构造成的增量损伤。基于衰减法合成的人工主余震序列的余震强度偏小，会低估余震对结构造成的增量损伤。结构特性对增量损伤的影响很小，体现为不同强度折减系数及不同恢复力模型对结构增量损伤的影响均不明显。
同时采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为输入，开展了非线性单自由度体系在主余震序列作用下的增量损伤分析。挑选75组真实主余震序列，并基于相同的主震记录，分别采用重复法、随机法和衰减法构造不同的人工主余震序列作为输入。分别采用理想弹塑性模型、考虑屈服后刚度的双线型模型和三线型模型，开展主余震序列作用下非线性单自由度体系的反应分析。以修正的Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标，对主余震序列作用下的结构增量损伤进行研究，并对强度折减系数、恢复力模型及主余震序列人工构造方法对增量损伤的影响进行研究。结果表明：余震造成的结构增量损伤不可忽视。基于重复法和随机法合成的人工主余震序列相比真实主余震序列的余震强度偏大，因此会高估余震对结构造成的增量损伤。基于衰减法合成的人工主余震序列的余震强度偏小，会低估余震对结构造成的增量损伤。结构特性对增量损伤的影响很小，体现为不同强度折减系数及不同恢复力模型对结构增量损伤的影响均不明显。
2019, 36(3): 131-138,202.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0020
摘要:
为明确结构基频f0对冷却塔风振效应的影响，以某大型冷却塔为例，在风振响应时程计算和风振效应特征分析的基础上，通过调整材料弹性模量E实现对f0的改变，以单独分析f0对风振效应尤其是共振分量σR的影响，并阐述了该方法的优点。结果表明，根据共振与背景分量σR、σB在时域内的分离方法，不管f0如何变化，σR与σB之间的耦合分量始终可以忽略。各响应σR随f0的降低而增加，并在f0小于0.7 Hz以后急剧增加，但因σB在总脉动响应σT中贡献较高，故σT和阵风响应因子GRF仅在f0小于0.5 Hz以后才有较明显的增加。各响应σR随f0的降低而增加的原因在于风谱能量随频率的降低而增加，且结构f0越小其共振参与模态越多。为方便评价共振响应σR随f0的变化，提出参数RP=（1/f0×（1/f0-1/2））综合考虑以上两种因素作为σR的评价指标，且各响应的σR与RP均呈线性变化。
为明确结构基频f0对冷却塔风振效应的影响，以某大型冷却塔为例，在风振响应时程计算和风振效应特征分析的基础上，通过调整材料弹性模量E实现对f0的改变，以单独分析f0对风振效应尤其是共振分量σR的影响，并阐述了该方法的优点。结果表明，根据共振与背景分量σR、σB在时域内的分离方法，不管f0如何变化，σR与σB之间的耦合分量始终可以忽略。各响应σR随f0的降低而增加，并在f0小于0.7 Hz以后急剧增加，但因σB在总脉动响应σT中贡献较高，故σT和阵风响应因子GRF仅在f0小于0.5 Hz以后才有较明显的增加。各响应σR随f0的降低而增加的原因在于风谱能量随频率的降低而增加，且结构f0越小其共振参与模态越多。为方便评价共振响应σR随f0的变化，提出参数RP=（1/f0×（1/f0-1/2））综合考虑以上两种因素作为σR的评价指标，且各响应的σR与RP均呈线性变化。
2019, 36(3): 139-148.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0048
摘要:
制作2个考虑竖向与水平接缝的工字形装配式混凝土剪力墙试件和2个对比用现浇混凝土试件，装配式试件剪力墙竖向钢筋采用金属波纹管浆锚连接技术，剪力墙翼缘全预制，腹板中部预制并在靠近翼缘300 mm范围内现浇。对其进行0.1和0.15两种轴压比条件下的低周反复荷载试验，与现浇试件比对对其抗震能力进行评价。既有试验结果表明，装配式试件能基本达到与现浇对比试件相当的抗震能力。基于试验结果，采用ABAQUS建立其有限元模型，进一步分析竖向接缝的现浇带设置对装配式剪力墙力学性能的影响及竖向接缝连接钢筋的应力情况，基于分析结果对竖向接缝现浇带及连接钢筋构造提出相关建议。
制作2个考虑竖向与水平接缝的工字形装配式混凝土剪力墙试件和2个对比用现浇混凝土试件，装配式试件剪力墙竖向钢筋采用金属波纹管浆锚连接技术，剪力墙翼缘全预制，腹板中部预制并在靠近翼缘300 mm范围内现浇。对其进行0.1和0.15两种轴压比条件下的低周反复荷载试验，与现浇试件比对对其抗震能力进行评价。既有试验结果表明，装配式试件能基本达到与现浇对比试件相当的抗震能力。基于试验结果，采用ABAQUS建立其有限元模型，进一步分析竖向接缝的现浇带设置对装配式剪力墙力学性能的影响及竖向接缝连接钢筋的应力情况，基于分析结果对竖向接缝现浇带及连接钢筋构造提出相关建议。
2019, 36(3): 149-158.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0053
摘要:
提出设置含负刚度特性的非线性能量阱（NES）来实现结构地震响应控制，针对典型的单层和双层层模型，在附加质量占主质量5%的限定条件下，对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器（TMD）控制方式的装置参数进行数值寻优，对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明，负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES，对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD，对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析，揭示了在地震作用过程中，负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为，因而其减震效率较高，且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的，使其减震控制性能具有强鲁棒性。
提出设置含负刚度特性的非线性能量阱（NES）来实现结构地震响应控制，针对典型的单层和双层层模型，在附加质量占主质量5%的限定条件下，对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器（TMD）控制方式的装置参数进行数值寻优，对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明，负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES，对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD，对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析，揭示了在地震作用过程中，负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为，因而其减震效率较高，且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的，使其减震控制性能具有强鲁棒性。
2019, 36(3): 159-168.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0058
摘要:
提出了一种带横向栓钉的新型组合PBL剪力键（简称组合剪力键），并开展了6个组合剪力键试件的静力推出试验。建立了组合剪力键的精细化有限元模型，在试验验证的基础上，开展了216个试件的数值模拟和参数分析。基于试验研究和有限元分析结果，对组合剪力键的受力机理进行了分析。研究表明：该组合剪力键具有良好的抗剪性能，其抗剪承载力由PBL部分的混凝土榫柱和横向栓钉共同提供，可按叠加原理进行计算。参数分析表明：增加栓钉直径和混凝土强度均可有效提高组合剪力键抗剪承载力。其中，当栓钉直径由16 mm增至22 mm时，其承载力约提高27.7%；当混凝土强度等级由C30提高至C50时承载力约提高20.6%。但增加开孔直径和肋板厚度对抗剪承载力的提高影响并不明显基于可靠度分析和叠加原理提出了该组合剪力键抗剪承载力计算公式。研究结果可为该新型剪力键的工程应用和后续研究提供参考。
提出了一种带横向栓钉的新型组合PBL剪力键（简称组合剪力键），并开展了6个组合剪力键试件的静力推出试验。建立了组合剪力键的精细化有限元模型，在试验验证的基础上，开展了216个试件的数值模拟和参数分析。基于试验研究和有限元分析结果，对组合剪力键的受力机理进行了分析。研究表明：该组合剪力键具有良好的抗剪性能，其抗剪承载力由PBL部分的混凝土榫柱和横向栓钉共同提供，可按叠加原理进行计算。参数分析表明：增加栓钉直径和混凝土强度均可有效提高组合剪力键抗剪承载力。其中，当栓钉直径由16 mm增至22 mm时，其承载力约提高27.7%；当混凝土强度等级由C30提高至C50时承载力约提高20.6%。但增加开孔直径和肋板厚度对抗剪承载力的提高影响并不明显基于可靠度分析和叠加原理提出了该组合剪力键抗剪承载力计算公式。研究结果可为该新型剪力键的工程应用和后续研究提供参考。
2019, 36(3): 169-181.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0067
摘要:
为了在塑性力学与大变形理论基础上分析黄土地区劈裂注浆力学机理，将注浆初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题，将孔周围的土体应力分布分为3个区域：弹性区、塑性区及破坏区。结合结构性黄土修正剑桥模型，在弹性区采用小变形理论，在塑性区、破坏区采用大变形理论。根据应力平衡方程、应力应变连续边界条件，推导了考虑排水和大变形时塑性区、破坏区半径及竖向、水平劈裂注浆压力的理论解答，最后结合工程算例进行论证。结果表明：该解答综合考虑了黄土的结构性参数、压缩模量、泊松比、内摩擦角、塑性破坏参数、剪胀系数、扩孔形式k及屈服准则等因素；同时，还分析了浆泡周围土体的应力应变分布解及在参数影响下的递变规律；经对比分析发现，该文的劈裂注浆压力理论计算值与工程实测值比较接近，初步证实了理论的可靠性，在黄土地区劈裂注浆工程中具有一定的实用价值。
为了在塑性力学与大变形理论基础上分析黄土地区劈裂注浆力学机理，将注浆初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题，将孔周围的土体应力分布分为3个区域：弹性区、塑性区及破坏区。结合结构性黄土修正剑桥模型，在弹性区采用小变形理论，在塑性区、破坏区采用大变形理论。根据应力平衡方程、应力应变连续边界条件，推导了考虑排水和大变形时塑性区、破坏区半径及竖向、水平劈裂注浆压力的理论解答，最后结合工程算例进行论证。结果表明：该解答综合考虑了黄土的结构性参数、压缩模量、泊松比、内摩擦角、塑性破坏参数、剪胀系数、扩孔形式k及屈服准则等因素；同时，还分析了浆泡周围土体的应力应变分布解及在参数影响下的递变规律；经对比分析发现，该文的劈裂注浆压力理论计算值与工程实测值比较接近，初步证实了理论的可靠性，在黄土地区劈裂注浆工程中具有一定的实用价值。
2019, 36(3): 182-191.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0962
摘要:
为了合理评估高强钢组合K形偏心支撑框架（K-HSS-EBFs）的抗震性能，首先建立了振动台试验试件的有限元模型，验证了有限元分析方法的适用性。设计了一个10层K-HSS-EBF结构，选取10条地震记录对其进行增量动力分析（IDA）。探讨了在强震作用下结构的薄弱部位、耗能梁塑性区的形成和发展、基底剪力和最大层间位移的关系，得到了结构概率分位值为10%、50%和90%的IDA曲线以及位移延性系数，结合定义的性能参数评估了结构的抗震性能。研究表明：随着地震动峰值加速度的增加，各层耗能梁先后进入塑性，并逐渐发展，吸收地震能量； K-HSS-EBFs的易损曲线能很好地反映其抗震性能；按《建筑抗震设计规范》设计的高强钢组合K形偏心支撑框架偏保守，能承受远大于设防烈度的地震作用，造成结构设计的浪费。
为了合理评估高强钢组合K形偏心支撑框架（K-HSS-EBFs）的抗震性能，首先建立了振动台试验试件的有限元模型，验证了有限元分析方法的适用性。设计了一个10层K-HSS-EBF结构，选取10条地震记录对其进行增量动力分析（IDA）。探讨了在强震作用下结构的薄弱部位、耗能梁塑性区的形成和发展、基底剪力和最大层间位移的关系，得到了结构概率分位值为10%、50%和90%的IDA曲线以及位移延性系数，结合定义的性能参数评估了结构的抗震性能。研究表明：随着地震动峰值加速度的增加，各层耗能梁先后进入塑性，并逐渐发展，吸收地震能量； K-HSS-EBFs的易损曲线能很好地反映其抗震性能；按《建筑抗震设计规范》设计的高强钢组合K形偏心支撑框架偏保守，能承受远大于设防烈度的地震作用，造成结构设计的浪费。
2019, 36(3): 192-202.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0972
摘要:
为改善小跨高比连梁的抗震性能，采用高延性混凝土（HDC）代替混凝土，设计了2个外包钢板-HDC组合连梁、1个外包钢板-混凝土组合连梁和1个内置钢板-HDC组合连梁试件。通过拟静力试验，研究其破坏形态、变形能力及耗能能力。试验结果表明：采用HDC代替混凝土可提高外包钢板组合连梁的变形能力和耐损伤能力；HDC与钢腹板的协同工作性能较好，有利于钢腹板抗剪作用的发挥；外包钢板-HDC组合连梁的耗能能力明显高于外包钢板-混凝土组合连梁和内置钢板组合连梁；外包钢板-HDC组合连梁的剪压比设计值为0.65~0.70，其剪压比明显高于内置钢板组合连梁。因此，采用外包钢板-HDC组合连梁，可提高小跨高比连梁的剪压比限值，解决连梁设计中剪压比超限的问题。
为改善小跨高比连梁的抗震性能，采用高延性混凝土（HDC）代替混凝土，设计了2个外包钢板-HDC组合连梁、1个外包钢板-混凝土组合连梁和1个内置钢板-HDC组合连梁试件。通过拟静力试验，研究其破坏形态、变形能力及耗能能力。试验结果表明：采用HDC代替混凝土可提高外包钢板组合连梁的变形能力和耐损伤能力；HDC与钢腹板的协同工作性能较好，有利于钢腹板抗剪作用的发挥；外包钢板-HDC组合连梁的耗能能力明显高于外包钢板-混凝土组合连梁和内置钢板组合连梁；外包钢板-HDC组合连梁的剪压比设计值为0.65~0.70，其剪压比明显高于内置钢板组合连梁。因此，采用外包钢板-HDC组合连梁，可提高小跨高比连梁的剪压比限值，解决连梁设计中剪压比超限的问题。
2019, 36(3): 203-213,223.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0973
摘要:
初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷，结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题，在此基础上编写裂纹扩展模拟程序，建立表面焊接缺陷效应评价方法，通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明：所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应；面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著，其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素，体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定；焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定，直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命；考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。
初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷，结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题，在此基础上编写裂纹扩展模拟程序，建立表面焊接缺陷效应评价方法，通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明：所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应；面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著，其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素，体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定；焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定，直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命；考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。
2019, 36(3): 214-223.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0991
摘要:
为更加深入研究型钢混凝土叠合梁的受剪机理，提出更为优化的截面形式，该文完成了10个足尺型钢混凝土叠合梁在单调集中荷载作用下的静力试验研究。通过考察剪跨比、截面形式（空腹和实腹）等参数对受剪性能的影响，着重研究了足尺型钢混凝土空腹叠合梁的受剪性能。结合试验结果对各试件的裂缝形态、破坏特征、承载能力、变形等性能进行了分析研究。采用桁架-拱模型并基于变形协调条件将桁架、拱和型钢三者对受剪承载力的作用相结合，建立了适用于型钢混凝土叠合梁的受剪承载力计算方法。结果表明：型钢混凝土空腹叠合梁与实腹叠合梁具有相似的受剪性能和破坏形态，承载力随剪跨比的增大而减小，试件整体性良好；采用JGJ 2016和YB 9082-2006计算的受剪承载力离散型偏大，该文建立的修正桁架-拱模型计算值与试验结果吻合较好。
为更加深入研究型钢混凝土叠合梁的受剪机理，提出更为优化的截面形式，该文完成了10个足尺型钢混凝土叠合梁在单调集中荷载作用下的静力试验研究。通过考察剪跨比、截面形式（空腹和实腹）等参数对受剪性能的影响，着重研究了足尺型钢混凝土空腹叠合梁的受剪性能。结合试验结果对各试件的裂缝形态、破坏特征、承载能力、变形等性能进行了分析研究。采用桁架-拱模型并基于变形协调条件将桁架、拱和型钢三者对受剪承载力的作用相结合，建立了适用于型钢混凝土叠合梁的受剪承载力计算方法。结果表明：型钢混凝土空腹叠合梁与实腹叠合梁具有相似的受剪性能和破坏形态，承载力随剪跨比的增大而减小，试件整体性良好；采用JGJ 2016和YB 9082-2006计算的受剪承载力离散型偏大，该文建立的修正桁架-拱模型计算值与试验结果吻合较好。
2019, 36(3): 224-230,239.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0914
摘要:
通过球墨铸铁供水管线承插式接口抗拉静载力学性能试验，分析管道接口轴向的拉伸力学性能和破坏模式，并建立相应管道接口受力分析的有限元数值模型。在外部无覆土、加压注水条件下，对球墨铸铁输水管道承插式接口进行拟静力拉拔试验，模拟其在地震作用等往复荷载下的轴向受力与变形特征。试验结果表明，加载方式以及管道内部水压等对接口的轴向抗拉力学性能和破坏方式的影响不大，抗拉极限位移达到60 cm。基于OpenSees计算平台建立管道接口有限元模型，并对试验结果进行了模拟，结果表明建立的管道接口有限元模型能够较好地模拟管道接口在轴向往复荷载作用下的刚度退化和耗能等力学特征，为埋地管道在复杂轴向荷载作用下的受力分析和性能评估提供了必要的试验数据和计算模型。
通过球墨铸铁供水管线承插式接口抗拉静载力学性能试验，分析管道接口轴向的拉伸力学性能和破坏模式，并建立相应管道接口受力分析的有限元数值模型。在外部无覆土、加压注水条件下，对球墨铸铁输水管道承插式接口进行拟静力拉拔试验，模拟其在地震作用等往复荷载下的轴向受力与变形特征。试验结果表明，加载方式以及管道内部水压等对接口的轴向抗拉力学性能和破坏方式的影响不大，抗拉极限位移达到60 cm。基于OpenSees计算平台建立管道接口有限元模型，并对试验结果进行了模拟，结果表明建立的管道接口有限元模型能够较好地模拟管道接口在轴向往复荷载作用下的刚度退化和耗能等力学特征，为埋地管道在复杂轴向荷载作用下的受力分析和性能评估提供了必要的试验数据和计算模型。
2019, 36(3): 231-239.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0988
摘要:
该文研究确定热轧碳素钢的材料韧度与强度特性，提出一种确定热轧碳素钢材料的断裂韧度与屈服强度的模型及方法。建立了等效裂缝长度、名义应力等具体设计参数的计算表达式。通过相同尺寸而不同初始缝高比的单边拉伸Q235B热轧碳素钢板的系列试验，证明所提模型及方法的合理性与适用性。所提模型及方法只需由小尺寸单边裂缝钢板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可同时确定出热轧碳素钢平面应力条件下的断裂韧度KC及屈服强度σY。采用该文所提方法确定热轧碳素钢的材料特性，试验试样不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，试样不需要预制疲劳裂纹。
该文研究确定热轧碳素钢的材料韧度与强度特性，提出一种确定热轧碳素钢材料的断裂韧度与屈服强度的模型及方法。建立了等效裂缝长度、名义应力等具体设计参数的计算表达式。通过相同尺寸而不同初始缝高比的单边拉伸Q235B热轧碳素钢板的系列试验，证明所提模型及方法的合理性与适用性。所提模型及方法只需由小尺寸单边裂缝钢板的拉伸试验测得的屈服荷载，即可同时确定出热轧碳素钢平面应力条件下的断裂韧度KC及屈服强度σY。采用该文所提方法确定热轧碳素钢的材料特性，试验试样不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，试样不需要预制疲劳裂纹。
2019, 36(3): 240-246,256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0012
摘要:
软式平流层飞艇具有较大的尺寸，基于风洞试验探讨其气弹响应特性时，需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应，与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象，基于量纲分析法推导了模型的相似准则；建立软式平流层飞艇的有限元模型，对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析，获得对应的振动频率与位移响应；统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度；对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估，且给出相应的补偿修正。结果表明：风速偏差的影响可以忽略；蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略；蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差，对振动频率及位移响应都有较大的影响。
软式平流层飞艇具有较大的尺寸，基于风洞试验探讨其气弹响应特性时，需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应，与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象，基于量纲分析法推导了模型的相似准则；建立软式平流层飞艇的有限元模型，对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析，获得对应的振动频率与位移响应；统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度；对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估，且给出相应的补偿修正。结果表明：风速偏差的影响可以忽略；蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略；蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差，对振动频率及位移响应都有较大的影响。
2019, 36(3): 247-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0002
摘要:
提出一种考虑周期性约束的多材料结构稳态热传导拓扑优化设计方法。针对多材料结构，提出基于有序有理近似材料属性模型（ordered rational approximation of material properties，Ordered-RAMP）的多材料插值模型。以结构散热弱度最小化为目标函数，体积为约束条件，将设计区域划分为有限个相同的子多材料区域。通过重新分配单元散热弱度基值，实现周期性几何约束，借助优化准则法推导设计变量的迭代格式。通过典型2D与3D数值算例，分析不同子区域个数对宏观结构与微观子区域多材料拓扑构型的影响。结果表明：所提方法可实现面向多材料结构的周期性微观构型设计，且各材料分布合理边界清晰，具有良好的稳健性；当子区域个数不同时，均可得到具有周期性的拓扑构型，且所获拓扑形式具有差异性。
提出一种考虑周期性约束的多材料结构稳态热传导拓扑优化设计方法。针对多材料结构，提出基于有序有理近似材料属性模型（ordered rational approximation of material properties，Ordered-RAMP）的多材料插值模型。以结构散热弱度最小化为目标函数，体积为约束条件，将设计区域划分为有限个相同的子多材料区域。通过重新分配单元散热弱度基值，实现周期性几何约束，借助优化准则法推导设计变量的迭代格式。通过典型2D与3D数值算例，分析不同子区域个数对宏观结构与微观子区域多材料拓扑构型的影响。结果表明：所提方法可实现面向多材料结构的周期性微观构型设计，且各材料分布合理边界清晰，具有良好的稳健性；当子区域个数不同时，均可得到具有周期性的拓扑构型，且所获拓扑形式具有差异性。
