2021年 第38卷 第1期
2021, 38(1): 1-7, 51.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST04
摘要:
在中国地震灾害预测的理论、技术和实践已经有40年的历史，由于政府、社会和公众对防灾减灾意识的逐渐增强，该学科得到了较为广泛的应用，使其成长为地震工程领域比较受关注的学科之一。该文拟从时间节点维度和政府、社会和公众应用的视角阐述其沿革、发展和应用延伸的历程。总体来说，震害预测的发展过程是按照以下的脉络延展的：初期只是针对典型区域内几类建(构)筑物的单体，目的是找出不同类型结构抗震的薄弱环节，为其减灾和加固提供基础依据；而后，重点转向了工作区域内不同结构的群体抗震能力和可能造成的损失及人员伤亡的分布，目标放到了城市、区域的规划、防灾准备和震时的应急评估；近十余年，保险业为了厘定保额和赔率，推动了群体震害预测和灾害风险评估工作；目前，由于政府的大量投入和指导，并分类推进全社会的灾害风险评估和治理，使得震害预测工作迎来了新的发展契机。随着不同的发展阶段，震害预测理论和方法的研究都得到了逐步完善、深化和延伸。该文仅从一个侧面概述了震害预测发展历程，难免挂一漏万和出现评论上谬误，供本行业从业人员讨论。
在中国地震灾害预测的理论、技术和实践已经有40年的历史，由于政府、社会和公众对防灾减灾意识的逐渐增强，该学科得到了较为广泛的应用，使其成长为地震工程领域比较受关注的学科之一。该文拟从时间节点维度和政府、社会和公众应用的视角阐述其沿革、发展和应用延伸的历程。总体来说，震害预测的发展过程是按照以下的脉络延展的：初期只是针对典型区域内几类建(构)筑物的单体，目的是找出不同类型结构抗震的薄弱环节，为其减灾和加固提供基础依据；而后，重点转向了工作区域内不同结构的群体抗震能力和可能造成的损失及人员伤亡的分布，目标放到了城市、区域的规划、防灾准备和震时的应急评估；近十余年，保险业为了厘定保额和赔率，推动了群体震害预测和灾害风险评估工作；目前，由于政府的大量投入和指导，并分类推进全社会的灾害风险评估和治理，使得震害预测工作迎来了新的发展契机。随着不同的发展阶段，震害预测理论和方法的研究都得到了逐步完善、深化和延伸。该文仅从一个侧面概述了震害预测发展历程，难免挂一漏万和出现评论上谬误，供本行业从业人员讨论。
2021, 38(1): 8-14.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST05
摘要:
该文基于有限元超收敛计算的单元能量投影(Element Energy Projection，简称EEP)法，尝试将一维有限元中新近提出的先验定量误差估计的“固端法”拓展到二维有限元分析，以Poisson方程为例，用EEP公式预先估算出各单元的误差，可以不经有限元求解计算而直接给出满足精度要求的网格划分。该文给出的初步数值算例验证了该法的有效性。
该文基于有限元超收敛计算的单元能量投影(Element Energy Projection，简称EEP)法，尝试将一维有限元中新近提出的先验定量误差估计的“固端法”拓展到二维有限元分析，以Poisson方程为例，用EEP公式预先估算出各单元的误差，可以不经有限元求解计算而直接给出满足精度要求的网格划分。该文给出的初步数值算例验证了该法的有效性。
2021, 38(1): 15-26.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0162
摘要:
传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式，需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果。该文将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形，发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法。将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段，基于多自由度体系动力响应积分解，以精细积分法结合秦九韶算法计算各时间节点的矩阵指数。逆用微分求积原理发展一种针对含有矩阵指数卷积的高精度数值方法，逐时段求解得到体系各时刻的动力响应。该文方法为动力时程高阶分析方法，全部分析过程仅表现为一系列矩阵乘法及其递推计算，无需求解方程及额外插值，一步计算便可同时获得时段内ρ个时步的全部动态响应(实际动力分析时可取ρ=10~15)，具备高效显式算法的特点。由于不必直接计算动力响应积分解中的定积分项，因而避免了对动力方程非齐次项进行特殊处理时所面临的困难。数值试验进一步表明，该方法能很快收敛到精确解，具有较高的计算精度，且数值稳定性好，在较大的时间步距下依然能得到较精确可靠的结果。
传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式，需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果。该文将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形，发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法。将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段，基于多自由度体系动力响应积分解，以精细积分法结合秦九韶算法计算各时间节点的矩阵指数。逆用微分求积原理发展一种针对含有矩阵指数卷积的高精度数值方法，逐时段求解得到体系各时刻的动力响应。该文方法为动力时程高阶分析方法，全部分析过程仅表现为一系列矩阵乘法及其递推计算，无需求解方程及额外插值，一步计算便可同时获得时段内ρ个时步的全部动态响应(实际动力分析时可取ρ=10~15)，具备高效显式算法的特点。由于不必直接计算动力响应积分解中的定积分项，因而避免了对动力方程非齐次项进行特殊处理时所面临的困难。数值试验进一步表明，该方法能很快收敛到精确解，具有较高的计算精度，且数值稳定性好，在较大的时间步距下依然能得到较精确可靠的结果。
2021, 38(1): 27-39.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0128
摘要:
通过考虑序列型地震动中主震和余震间的空间相关性，将已有地震动物理随机模型推广至序列型地震动随机模型。依据序列型地震动的产生与传播机制，将其表示为包含16个随机变量的Fourier模型。考虑主震与余震的空间相关性，基于Copula理论，将模型更准确地表示为6个二维随机变量和2个一维随机变量；为描述地震动在局部场地上传播的过程，建立了序列型地震动的随机场模型；根据1038组实测序列型地震动及5组地震动台阵数据，对模型中的物理随机变量进行参数识别和统计分析，结合Copula函数，给出了各参数的概率分布。与实测地震动对比表明：该文提出的序列型地震动随机模型，能够较为真实地再现序列型地震动的空间相关性以及地震动在局部场地的行波效应。
通过考虑序列型地震动中主震和余震间的空间相关性，将已有地震动物理随机模型推广至序列型地震动随机模型。依据序列型地震动的产生与传播机制，将其表示为包含16个随机变量的Fourier模型。考虑主震与余震的空间相关性，基于Copula理论，将模型更准确地表示为6个二维随机变量和2个一维随机变量；为描述地震动在局部场地上传播的过程，建立了序列型地震动的随机场模型；根据1038组实测序列型地震动及5组地震动台阵数据，对模型中的物理随机变量进行参数识别和统计分析，结合Copula函数，给出了各参数的概率分布。与实测地震动对比表明：该文提出的序列型地震动随机模型，能够较为真实地再现序列型地震动的空间相关性以及地震动在局部场地的行波效应。
2021, 38(1): 40-51.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0143
摘要:
西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥，下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月，在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明：桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振，横桥向为随机微振动；顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2，梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数，将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系，在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速Ur=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟，得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正，得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明：上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用，在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后，ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加，涡振最大振幅变小，锁定区间基本不变。
西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥，下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月，在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明：桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振，横桥向为随机微振动；顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2，梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数，将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系，在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速Ur=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟，得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正，得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明：上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用，在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后，ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加，涡振最大振幅变小，锁定区间基本不变。
2021, 38(1): 52-63, 99.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0350
摘要:
为提高钢筋混凝土(RC)梁的变形能力，考虑在其塑性铰区采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土。共设计6个剪跨比为3.6的RC梁试件，包含5个塑性铰区采用HDC的试件和1个RC对比试件。考虑HDC区长度、纵筋配筋率以及配筋方式和梁端配箍率的影响，研究试件在低周反复荷载下的滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明：与RC梁相比，塑性铰区采用HDC后，试件的破坏形态由弯剪破坏向弯曲破坏转变，延性和耗能能力均得到显著提高；纵筋配筋率、配筋方式相同时，在梁端塑性铰区采用HDC，试件的位移延性系数和极限位移角分别提高30%和53%，而同时采用HDC和箍筋时分别相应提高33%和76%；梁端局部采用HDC替换混凝土可减少箍筋用量；梁端塑性铰区的HDC长度对试件延性的影响较小。分别计算塑性铰区采用HDC梁在开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载、极限荷载时的顶点位移，其计算值与试验值吻合较好。
为提高钢筋混凝土(RC)梁的变形能力，考虑在其塑性铰区采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土。共设计6个剪跨比为3.6的RC梁试件，包含5个塑性铰区采用HDC的试件和1个RC对比试件。考虑HDC区长度、纵筋配筋率以及配筋方式和梁端配箍率的影响，研究试件在低周反复荷载下的滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明：与RC梁相比，塑性铰区采用HDC后，试件的破坏形态由弯剪破坏向弯曲破坏转变，延性和耗能能力均得到显著提高；纵筋配筋率、配筋方式相同时，在梁端塑性铰区采用HDC，试件的位移延性系数和极限位移角分别提高30%和53%，而同时采用HDC和箍筋时分别相应提高33%和76%；梁端局部采用HDC替换混凝土可减少箍筋用量；梁端塑性铰区的HDC长度对试件延性的影响较小。分别计算塑性铰区采用HDC梁在开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载、极限荷载时的顶点位移，其计算值与试验值吻合较好。
2021, 38(1): 64-77.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0781
摘要:
多重环索-张弦组合屋盖为复杂的弦支穹顶结构。任一拉索瞬断均会对屋盖结构产生十分显著的动力冲击作用。针对多重环索-张弦穹顶屋盖的结构特点，提出基于AP法的断索冲击动力分析方法。针对断索失效路径、断索持续时间、结构阻尼比及屋盖初始荷载等参数开展敏感性分析，得到适用于多重环索-张弦屋盖的断索冲击动力分析的适用参数。剩余屋盖结构的动力分析结果表明：拉索瞬断冲击下，剩余屋盖的位移及内力响应均会不同程度地大于拉索静力失效，拉索瞬断引起的冲击效应不可忽视。而且，部分结构响应的动力放大系数会大显著大于规范所推荐的放大系数DAF=2.0。不同类型的拉索瞬断分析结果表明：同一重环索中任一拉索瞬断引起的动力效应大致相同；外环索瞬断引起的动力效应会显著大于其他拉索；虽然外环索和张弦索的瞬断均会引起较大的动力响应，但是两者的分布规律差异较大；多根拉索瞬断引起的动力响应并非总是大于单根拉索瞬断。
多重环索-张弦组合屋盖为复杂的弦支穹顶结构。任一拉索瞬断均会对屋盖结构产生十分显著的动力冲击作用。针对多重环索-张弦穹顶屋盖的结构特点，提出基于AP法的断索冲击动力分析方法。针对断索失效路径、断索持续时间、结构阻尼比及屋盖初始荷载等参数开展敏感性分析，得到适用于多重环索-张弦屋盖的断索冲击动力分析的适用参数。剩余屋盖结构的动力分析结果表明：拉索瞬断冲击下，剩余屋盖的位移及内力响应均会不同程度地大于拉索静力失效，拉索瞬断引起的冲击效应不可忽视。而且，部分结构响应的动力放大系数会大显著大于规范所推荐的放大系数DAF=2.0。不同类型的拉索瞬断分析结果表明：同一重环索中任一拉索瞬断引起的动力效应大致相同；外环索瞬断引起的动力效应会显著大于其他拉索；虽然外环索和张弦索的瞬断均会引起较大的动力响应，但是两者的分布规律差异较大；多根拉索瞬断引起的动力响应并非总是大于单根拉索瞬断。
2021, 38(1): 78-88.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0022
摘要:
为研究不锈钢梁非线性变形性能，对5根不锈钢焊接工字形截面梁开展三点弯曲加载试验。建立了考虑不锈钢材料非线性、构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型，根据试验结果对数值模型的准确性进行验证。基于验证的有限元模型，对中国CECS 410《不锈钢结构技术规程》和Real-Mirambell建议的不锈钢梁挠度计算方法进行分析。在此基础上，根据平截面假定和不锈钢应力–应变关系曲线，提出不锈钢梁截面屈服弯矩M0.2的简化计算公式；考虑截面焊接残余应力对梁初始变形刚度的不利影响，提出针对不同材料牌号梁变形刚度的折减系数建议取值，对CECS 410和Real-Mirambell的挠度计算方法进行修正。分析结果表明，修正公式能够准确合理地计算不锈钢焊接工字形梁的挠度。
为研究不锈钢梁非线性变形性能，对5根不锈钢焊接工字形截面梁开展三点弯曲加载试验。建立了考虑不锈钢材料非线性、构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型，根据试验结果对数值模型的准确性进行验证。基于验证的有限元模型，对中国CECS 410《不锈钢结构技术规程》和Real-Mirambell建议的不锈钢梁挠度计算方法进行分析。在此基础上，根据平截面假定和不锈钢应力–应变关系曲线，提出不锈钢梁截面屈服弯矩M0.2的简化计算公式；考虑截面焊接残余应力对梁初始变形刚度的不利影响，提出针对不同材料牌号梁变形刚度的折减系数建议取值，对CECS 410和Real-Mirambell的挠度计算方法进行修正。分析结果表明，修正公式能够准确合理地计算不锈钢焊接工字形梁的挠度。
2021, 38(1): 89-99.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0077
摘要:
该文主要研究一种改进的新型全装配式组合梁结构，主要包括：全预制混凝土楼板、TJ型紧固件(抗剪连接件)、C型钢导槽、钢梁，其具有无现场湿作业，安装制作精度要求低，可局部更换、循环使用等优点。为研究此新型组合梁连接件的抗剪性能，在考虑钢导槽间距、紧固件预紧力、紧固件类型等因素的基础上，设计制作了6组试件，共12次推出试验。根据螺杆顶帽的不同，紧固件类别分为A、B两类，A类紧固件的螺杆端部万向铰为工厂加工成型，B类紧固件的螺杆端部万向铰为德国产的标准件(直接拧入螺杆端部即可，无需加工螺杆端部)。在试验参数的基础上，建立了紧固件和新型组合梁的有限元模型进行对比分析。结果表明：A类各试件表现出良好的残余强度稳定性，B类试件的荷载滑移曲线较A类曲线更为光滑，具有明显的强度下降段；组合梁连接件拆卸后重新安装不会导致抗剪性能的降低；组合梁连接件受力后不拆卸并复拧(再次施加扭矩)后抗剪性能有所提升；300 mm钢导槽间距试件的抗剪性能明显优于450 mm与600 mm；该文提出的紧固件预紧力计算公式与试验和有限元模拟结果吻合较好，建立的有限元模型能够较好地模拟紧固件的抗剪性能。
该文主要研究一种改进的新型全装配式组合梁结构，主要包括：全预制混凝土楼板、TJ型紧固件(抗剪连接件)、C型钢导槽、钢梁，其具有无现场湿作业，安装制作精度要求低，可局部更换、循环使用等优点。为研究此新型组合梁连接件的抗剪性能，在考虑钢导槽间距、紧固件预紧力、紧固件类型等因素的基础上，设计制作了6组试件，共12次推出试验。根据螺杆顶帽的不同，紧固件类别分为A、B两类，A类紧固件的螺杆端部万向铰为工厂加工成型，B类紧固件的螺杆端部万向铰为德国产的标准件(直接拧入螺杆端部即可，无需加工螺杆端部)。在试验参数的基础上，建立了紧固件和新型组合梁的有限元模型进行对比分析。结果表明：A类各试件表现出良好的残余强度稳定性，B类试件的荷载滑移曲线较A类曲线更为光滑，具有明显的强度下降段；组合梁连接件拆卸后重新安装不会导致抗剪性能的降低；组合梁连接件受力后不拆卸并复拧(再次施加扭矩)后抗剪性能有所提升；300 mm钢导槽间距试件的抗剪性能明显优于450 mm与600 mm；该文提出的紧固件预紧力计算公式与试验和有限元模拟结果吻合较好，建立的有限元模型能够较好地模拟紧固件的抗剪性能。
2021, 38(1): 100-108.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0085
摘要:
地震动强度指标是影响结构地震风险评估准确性的重要参数，在基于性能的地震工程研究框架中发挥着重要作用。合理的地震动强度指标可以使结构地震反应预测结果更加准确。为研究适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标，该文基于整体式非线性动力时程分析方法，建立圆形隧道-围岩相互作用二维有限元分析模型，采用FEMA-P695推荐的近场无脉冲及远场地震动作为输入，并以衬砌横断面整体压缩损伤指数和拉伸损伤指数作为结构损伤指标评估衬砌损伤状态，对比分析了工程中常用的20种地震动强度指标在圆形隧道损伤评价中的适用性。研究结果表明：基于有效性、实用性、有益性和充分性判别准则，适用于圆形隧道损伤评价的最优地震动强度指标为持续最大加速度SMA，其次为加速度谱强度ASI。
地震动强度指标是影响结构地震风险评估准确性的重要参数，在基于性能的地震工程研究框架中发挥着重要作用。合理的地震动强度指标可以使结构地震反应预测结果更加准确。为研究适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标，该文基于整体式非线性动力时程分析方法，建立圆形隧道-围岩相互作用二维有限元分析模型，采用FEMA-P695推荐的近场无脉冲及远场地震动作为输入，并以衬砌横断面整体压缩损伤指数和拉伸损伤指数作为结构损伤指标评估衬砌损伤状态，对比分析了工程中常用的20种地震动强度指标在圆形隧道损伤评价中的适用性。研究结果表明：基于有效性、实用性、有益性和充分性判别准则，适用于圆形隧道损伤评价的最优地震动强度指标为持续最大加速度SMA，其次为加速度谱强度ASI。
2021, 38(1): 109-118, 142.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087
摘要:
有效提高支撑的延性和耗能能力以及减小支撑的残余变形，是提高建筑结构抗震性能和震后功能恢复能力的重要手段之一。该文基于形状记忆合金(SMA)的自复位性能和滑移螺杆摩擦耗能等思想，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA支撑。对五个不带SMA的支撑和六个自复位SMA支撑进行低周往复加载试验研究，得到了支撑的滞回曲线、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位能力等抗震性能指标。试验结果表明：所提出的自复位SMA支撑具有良好的耗能能力、承载能力、延性及自复位能力，整个试验过程中各板件未达到屈服，且SMA可复位至初始状态，无任何构件发生损伤；各自复位SMA支撑试件的滞回曲线均较饱满且大致呈现旗帜型，最大自复位率达到93.7%。所提出的自复位SMA支撑具有良好的抗震性能，可作为自复位阻尼器使用。
有效提高支撑的延性和耗能能力以及减小支撑的残余变形，是提高建筑结构抗震性能和震后功能恢复能力的重要手段之一。该文基于形状记忆合金(SMA)的自复位性能和滑移螺杆摩擦耗能等思想，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA支撑。对五个不带SMA的支撑和六个自复位SMA支撑进行低周往复加载试验研究，得到了支撑的滞回曲线、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位能力等抗震性能指标。试验结果表明：所提出的自复位SMA支撑具有良好的耗能能力、承载能力、延性及自复位能力，整个试验过程中各板件未达到屈服，且SMA可复位至初始状态，无任何构件发生损伤；各自复位SMA支撑试件的滞回曲线均较饱满且大致呈现旗帜型，最大自复位率达到93.7%。所提出的自复位SMA支撑具有良好的抗震性能，可作为自复位阻尼器使用。
2021, 38(1): 119-128.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0111
摘要:
为促进钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构的连接技术发展，该文介绍了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式，并设计了5个摩擦型连接接头试件。通过开展抗剪试验，研究了其扭矩系数、抗滑移系数、抗剪承载力、抗剪机理等，并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的相关设计方法进行了对比分析。采用有限元软件ABAQUS建立了高强度螺栓连接接头试件的有限元模型，验证了有限元模型的准确性和适用性，并对该新型螺栓连接接头进行了参数分析。结果表明，该文提出的新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接方式安装简单、易于施工和拆卸，抗剪连接破坏前螺栓预拉力损失值在15%~20%，其抗滑移系数、抗剪承载力仍可按照现行标准进行设计计算。研究成果能够为此类新型单边连接技术的工程应用提供基础。
为促进钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构的连接技术发展，该文介绍了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式，并设计了5个摩擦型连接接头试件。通过开展抗剪试验，研究了其扭矩系数、抗滑移系数、抗剪承载力、抗剪机理等，并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的相关设计方法进行了对比分析。采用有限元软件ABAQUS建立了高强度螺栓连接接头试件的有限元模型，验证了有限元模型的准确性和适用性，并对该新型螺栓连接接头进行了参数分析。结果表明，该文提出的新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接方式安装简单、易于施工和拆卸，抗剪连接破坏前螺栓预拉力损失值在15%~20%，其抗滑移系数、抗剪承载力仍可按照现行标准进行设计计算。研究成果能够为此类新型单边连接技术的工程应用提供基础。
2021, 38(1): 129-142.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0121
摘要:
松软场地上核岛结构的地震安全正成为一个挑战性的重大工程问题。选取代表性的近场强震、中远场强震和远场大震记录作为基岩地震动，考虑场地工程地质特性、土体非线性和人工边界条件，对松软场地-桩筏基础-AP1000核岛结构三维体系进行非线性地震反应分析，结果表明：核岛结构谱加速度的卓越周期与基岩地震动的基本相同，对与核岛主体结构基本频率相近的地震动分量的反应更为强烈，冷却系统水箱“晃动水”的地震反应对核岛结构的影响类似于鞭梢效应；核岛结构的峰值加速度放大系数随结构高度增大，近场和远场强震作用时，该放大效应主要取决于核岛结构自身特性及基岩地震动经土层到核岛底部的传播；核岛结构相对其底部的峰值相对位移随结构高度增大，且远场大震作用时的反应更为强烈；随基岩峰值加速度的增大，核岛结构的峰值加速度放大效应减弱、峰值相对位移反应增大。地基柔性及土-结构相互作用的耦合效应对输入地震动具有高频过滤、低频放大效应，从而使核岛结构下部的峰值加速度显著放大、中上部的峰值加速度显著减小。
松软场地上核岛结构的地震安全正成为一个挑战性的重大工程问题。选取代表性的近场强震、中远场强震和远场大震记录作为基岩地震动，考虑场地工程地质特性、土体非线性和人工边界条件，对松软场地-桩筏基础-AP1000核岛结构三维体系进行非线性地震反应分析，结果表明：核岛结构谱加速度的卓越周期与基岩地震动的基本相同，对与核岛主体结构基本频率相近的地震动分量的反应更为强烈，冷却系统水箱“晃动水”的地震反应对核岛结构的影响类似于鞭梢效应；核岛结构的峰值加速度放大系数随结构高度增大，近场和远场强震作用时，该放大效应主要取决于核岛结构自身特性及基岩地震动经土层到核岛底部的传播；核岛结构相对其底部的峰值相对位移随结构高度增大，且远场大震作用时的反应更为强烈；随基岩峰值加速度的增大，核岛结构的峰值加速度放大效应减弱、峰值相对位移反应增大。地基柔性及土-结构相互作用的耦合效应对输入地震动具有高频过滤、低频放大效应，从而使核岛结构下部的峰值加速度显著放大、中上部的峰值加速度显著减小。
2021, 38(1): 143-153.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0123
摘要:
为实现对型钢混凝土异形柱框架的地震损伤分析，采用加权系数法建立了能够反映构件损伤、楼层损伤和整体框架损伤三者迁移演化的地震损伤模型，并对两榀型钢混凝土异形柱框架进行了地震损伤试验及有限元模拟，获得了梁的弯矩-转角滞回曲线和柱的水平荷载-位移滞回曲线，进而对试件的地震损伤指数进行了计算分析。结果表明，构件、楼层和整体框架的损伤指数变化规律与试件的破坏发展历程较为吻合，说明所建立的型钢混凝土异形柱框架地震损伤模型是合理的。基于试件的破坏状态及地震损伤分析结果，提出了型钢混凝土异形柱框架对应5个性能水平的损伤指数范围，为该类结构的震后损伤评估提供了依据。
为实现对型钢混凝土异形柱框架的地震损伤分析，采用加权系数法建立了能够反映构件损伤、楼层损伤和整体框架损伤三者迁移演化的地震损伤模型，并对两榀型钢混凝土异形柱框架进行了地震损伤试验及有限元模拟，获得了梁的弯矩-转角滞回曲线和柱的水平荷载-位移滞回曲线，进而对试件的地震损伤指数进行了计算分析。结果表明，构件、楼层和整体框架的损伤指数变化规律与试件的破坏发展历程较为吻合，说明所建立的型钢混凝土异形柱框架地震损伤模型是合理的。基于试件的破坏状态及地震损伤分析结果，提出了型钢混凝土异形柱框架对应5个性能水平的损伤指数范围，为该类结构的震后损伤评估提供了依据。
2021, 38(1): 154-163, 173.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0130
摘要:
该文基于美国太平洋地震工程研究中心结构性能数据库中的76根弯曲破坏及弯剪破坏的钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)圆柱试验数据，以峰值指向型改进Ibarra-Medina-Krawinkler (I-M-K)材料模型作为恢复力模型，采用OpenSEES有限元平台对所选择的RC圆柱试验数据进行数值模拟，识别得到了每一RC圆柱的恢复力模型参数。选取RC圆柱的15个基本设计参数为基本变量，采用多元线性回归和分步拟合，获得了RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)。通过对试验验证组中3根RC圆柱的滞回试验数据进行模拟，对该文提出的RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)的合理性进行了验证。结果表明：该文获得的经验预测公式(值)可以较为准确地预测RC圆柱的恢复力模型参数，可以较合理地反映RC圆柱在循环加载过程中的强度及刚度的退化特征。
该文基于美国太平洋地震工程研究中心结构性能数据库中的76根弯曲破坏及弯剪破坏的钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)圆柱试验数据，以峰值指向型改进Ibarra-Medina-Krawinkler (I-M-K)材料模型作为恢复力模型，采用OpenSEES有限元平台对所选择的RC圆柱试验数据进行数值模拟，识别得到了每一RC圆柱的恢复力模型参数。选取RC圆柱的15个基本设计参数为基本变量，采用多元线性回归和分步拟合，获得了RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)。通过对试验验证组中3根RC圆柱的滞回试验数据进行模拟，对该文提出的RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)的合理性进行了验证。结果表明：该文获得的经验预测公式(值)可以较为准确地预测RC圆柱的恢复力模型参数，可以较合理地反映RC圆柱在循环加载过程中的强度及刚度的退化特征。
2021, 38(1): 164-173.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0138
摘要:
基于延性的工程抗震设计允许结构在强地震作用下进入非线性，即允许结构产生地震损伤。从物理和力学的角度，抗震行为模拟与性态评估一般考虑地震损伤的峰值效应和累积效应。但是，由于先验性知识(如滞回耗能、承载力与变形能力)的限制，抗震研究中广泛应用的Park-Ang损伤模型较难直接用于大型在役结构的地震损伤评价。受到控制领域模型参考思想的启发，该文提出一类基于数据驱动的损伤评估模型，能自适应于不同的受力状态与破坏模式，实现综合评估震损结构峰值和累积损伤效应。利用美国NEES计划公开的足尺钢筋混凝土(RC)柱动力试验数据，研究了所提出数据驱动损伤指标与RC柱地震损伤发展的相关性与时域追踪效果，验证了评估指标能有效区分RC柱水平侧移与弯曲变形相应损伤的发展与累积差异。此类基于模型参考思想的新型损伤评估指标，不需要提前获知结构非线性特征和计算滞回耗能，可应用于基于强震观测的工程结构抗震性态评估。
基于延性的工程抗震设计允许结构在强地震作用下进入非线性，即允许结构产生地震损伤。从物理和力学的角度，抗震行为模拟与性态评估一般考虑地震损伤的峰值效应和累积效应。但是，由于先验性知识(如滞回耗能、承载力与变形能力)的限制，抗震研究中广泛应用的Park-Ang损伤模型较难直接用于大型在役结构的地震损伤评价。受到控制领域模型参考思想的启发，该文提出一类基于数据驱动的损伤评估模型，能自适应于不同的受力状态与破坏模式，实现综合评估震损结构峰值和累积损伤效应。利用美国NEES计划公开的足尺钢筋混凝土(RC)柱动力试验数据，研究了所提出数据驱动损伤指标与RC柱地震损伤发展的相关性与时域追踪效果，验证了评估指标能有效区分RC柱水平侧移与弯曲变形相应损伤的发展与累积差异。此类基于模型参考思想的新型损伤评估指标，不需要提前获知结构非线性特征和计算滞回耗能，可应用于基于强震观测的工程结构抗震性态评估。
2021, 38(1): 174-182, 204.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0153
摘要:
针对传统模型采用一致协调浓度矩阵和Taylor级数展开难以兼顾计算精度、效率和数值稳定性的缺陷，研究提出了一种基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型：通过引入等效扩散时间，将氯离子的时变扩散控制方程变换为等效常扩散控制方程；基于伽辽金加权余量法，建立了基于集中浓度矩阵的氯离子时变扩散有限元模型；结合Padé级数展开技术，提出了基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型；通过与传统有限元模型、解析模型和自然暴露试验数据的对比分析，验证了该模型的有效性。分析表明：与传统的一致协调浓度矩阵相比，采用集中浓度矩阵具有更高的计算精度，而且可以避免振荡和负值等数值不稳定性问题；与传统的Taylor级数展开相比，采用Padé级数展开只需较小的尺度因子就可以保证计算精度，计算效率大幅提高；该模型不仅可以同时兼顾计算精度、效率和数值稳定性，而且对空间离散网格和时间步长的依赖性相对较小。
针对传统模型采用一致协调浓度矩阵和Taylor级数展开难以兼顾计算精度、效率和数值稳定性的缺陷，研究提出了一种基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型：通过引入等效扩散时间，将氯离子的时变扩散控制方程变换为等效常扩散控制方程；基于伽辽金加权余量法，建立了基于集中浓度矩阵的氯离子时变扩散有限元模型；结合Padé级数展开技术，提出了基于集中浓度矩阵和精细积分法的氯离子时变扩散模型；通过与传统有限元模型、解析模型和自然暴露试验数据的对比分析，验证了该模型的有效性。分析表明：与传统的一致协调浓度矩阵相比，采用集中浓度矩阵具有更高的计算精度，而且可以避免振荡和负值等数值不稳定性问题；与传统的Taylor级数展开相比，采用Padé级数展开只需较小的尺度因子就可以保证计算精度，计算效率大幅提高；该模型不仅可以同时兼顾计算精度、效率和数值稳定性，而且对空间离散网格和时间步长的依赖性相对较小。
2021, 38(1): 183-194.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0158
摘要:
以含钢率和套箍系数为参数，开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验；而后，采用已验证的有限元模型，对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明，高强钢管UHPC梁发生延性破坏，组合截面满足平截面假定，受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管，高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加，钢管混凝土梁达抗弯承载力时，中性轴趋近截面中线，受拉区钢管应力减小，受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现，对于高强钢管UHPC梁而言，现有中国规范GB50936−2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题，为此该文提出了新实用计算方法。
以含钢率和套箍系数为参数，开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验；而后，采用已验证的有限元模型，对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明，高强钢管UHPC梁发生延性破坏，组合截面满足平截面假定，受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管，高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加，钢管混凝土梁达抗弯承载力时，中性轴趋近截面中线，受拉区钢管应力减小，受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现，对于高强钢管UHPC梁而言，现有中国规范GB50936−2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题，为此该文提出了新实用计算方法。
2021, 38(1): 195-204.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0168
摘要:
提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace，SCVEDB)，该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量，同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型，对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验，研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响，同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验，利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型，然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联，建立了该支撑的力学模型，进而模拟了支撑的力学性能，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace，SCVEDB)，该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量，同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型，对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验，研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响，同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验，利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型，然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联，建立了该支撑的力学模型，进而模拟了支撑的力学性能，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
2021, 38(1): 205-219.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0171
摘要:
为研究方钢管螺旋筋混凝土柱的偏压力学性能，以螺旋筋间距、径宽比、长细比、偏心率、纵筋直径及方钢管壁厚作为变化参数，设计并完成了18个试件进行偏心受压加载试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态，获取了试件荷载-跨中挠度曲线及钢材应变分布状况，分析了各变化参数对试件偏压力学性能的影响规律。结果表明：螺旋筋间距和径宽比能够有效地提升试件延性和抗弯刚度；随着长细比的增加，试件各项力学性能均有所下降；随着偏心率增加，试件的极限承载力、延性及抗弯刚度均有明显下降，而耗能系数则有所提升。最后采用了纤维模型法编制的程序计算了试件的偏压极限承载力，其计算值与试验值吻合较好，并以该程序为基准进行拓展参数分析，提出了试件的最优化配钢方式及设计建议。
为研究方钢管螺旋筋混凝土柱的偏压力学性能，以螺旋筋间距、径宽比、长细比、偏心率、纵筋直径及方钢管壁厚作为变化参数，设计并完成了18个试件进行偏心受压加载试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态，获取了试件荷载-跨中挠度曲线及钢材应变分布状况，分析了各变化参数对试件偏压力学性能的影响规律。结果表明：螺旋筋间距和径宽比能够有效地提升试件延性和抗弯刚度；随着长细比的增加，试件各项力学性能均有所下降；随着偏心率增加，试件的极限承载力、延性及抗弯刚度均有明显下降，而耗能系数则有所提升。最后采用了纤维模型法编制的程序计算了试件的偏压极限承载力，其计算值与试验值吻合较好，并以该程序为基准进行拓展参数分析，提出了试件的最优化配钢方式及设计建议。
2021, 38(1): 220-230.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0186
摘要:
为研究受火后叠合板组合梁的受力性能，分别对五个火灾后叠合板组合梁和一个常温下叠合板组合梁进行静力加载试验，研究了后浇层厚度、栓钉间距、预制底板在钢梁上翼缘的搁置长度、预制底板接缝形式、是否受火等因素对叠合板组合梁的破坏形态、承载能力和抗弯刚度的影响。结果表明：火灾后整体式叠合板组合梁的极限承载力较分离式叠合板组合梁提高9%；后浇层厚度和栓钉间距是影响火灾后整体式叠合板组合梁初始抗弯刚度的主要因素；火灾前后整体式叠合板组合梁在荷载作用下均发生受弯破坏，且破坏形态基本相同，但经历火灾高温作用后，整体式叠合板组合梁出现裂缝的时间提前，其抗弯承载力和延性均有不同程度的降低，本次试验中火灾后整体式叠合板组合梁在荷载作用下的抗弯承载力和延性较常温下分别降低23.3%和55.4%；分离式叠合板组合梁中预制底板接缝的存在，破坏了预制底板的连续性，造成试件发生粘结破坏，但在远离接缝处，叠合板的协同工作性能良好；提出火灾后叠合板组合梁剩余承载力和抗弯刚度的计算方法，该方法具有良好的精度。
为研究受火后叠合板组合梁的受力性能，分别对五个火灾后叠合板组合梁和一个常温下叠合板组合梁进行静力加载试验，研究了后浇层厚度、栓钉间距、预制底板在钢梁上翼缘的搁置长度、预制底板接缝形式、是否受火等因素对叠合板组合梁的破坏形态、承载能力和抗弯刚度的影响。结果表明：火灾后整体式叠合板组合梁的极限承载力较分离式叠合板组合梁提高9%；后浇层厚度和栓钉间距是影响火灾后整体式叠合板组合梁初始抗弯刚度的主要因素；火灾前后整体式叠合板组合梁在荷载作用下均发生受弯破坏，且破坏形态基本相同，但经历火灾高温作用后，整体式叠合板组合梁出现裂缝的时间提前，其抗弯承载力和延性均有不同程度的降低，本次试验中火灾后整体式叠合板组合梁在荷载作用下的抗弯承载力和延性较常温下分别降低23.3%和55.4%；分离式叠合板组合梁中预制底板接缝的存在，破坏了预制底板的连续性，造成试件发生粘结破坏，但在远离接缝处，叠合板的协同工作性能良好；提出火灾后叠合板组合梁剩余承载力和抗弯刚度的计算方法，该方法具有良好的精度。
2021, 38(1): 231-240.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0139
摘要:
该文针对板带轧制过程偏载工况下滚动轴承接触力学模型进行研究。建立了支承辊四列圆柱滚子轴承的Hertz理想接触模型、基于柔度矩阵法的轴承偏载接触力学模型。针对辊间不同载荷进行了模型数值求解，仿真模拟了理想及偏载接触过程。研究表明：偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布，15°~30°位置角的滚动体承载最大，最大接触应力呈“M”形分布；仿真结果与数值模拟结果吻合程度较好，误差不超过15%，且略小于数值求解结果，在实际工程应用范围内；随着轧制载荷的增大，轴承同一列上的总径向力不断增大，偏载程度越来越严重。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据，具有重要工程意义。
该文针对板带轧制过程偏载工况下滚动轴承接触力学模型进行研究。建立了支承辊四列圆柱滚子轴承的Hertz理想接触模型、基于柔度矩阵法的轴承偏载接触力学模型。针对辊间不同载荷进行了模型数值求解，仿真模拟了理想及偏载接触过程。研究表明：偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布，15°~30°位置角的滚动体承载最大，最大接触应力呈“M”形分布；仿真结果与数值模拟结果吻合程度较好，误差不超过15%，且略小于数值求解结果，在实际工程应用范围内；随着轧制载荷的增大，轴承同一列上的总径向力不断增大，偏载程度越来越严重。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据，具有重要工程意义。
2021, 38(1): 241-248.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0157
摘要:
液体静压支承在高速重载工况下运行时，由于强挤压和高速剪切联合作用，微间隙油膜温度和油腔压力分布不均匀，导致静压支承摩擦副发生热固耦合变形，影响液体静压支承的承载能力和高精度稳定运行。为了解决该难题，提出一种新型油垫可倾式静压支承结构，其运行过程中可实现任意方向微摆，产生附加动压，形成静动压混合支承，达到高速重载工况条件下静压支承高精度稳定运行的目的。依据流热固耦合理论，采用ANSYS Workbench对支承摩擦副变形进行流热固耦合分析，探讨承载0 t~32 t极端工况条件下旋转工作台、可倾油垫和底座的流热固耦合变形规律。提取变形数据，并经MATLAB编程处理后得到摩擦副变形关系，发现油腔外侧封油边边角处变形最大，此处间隙油膜最薄，最易发生摩擦学失效，成果为进一步控制摩擦副变形和摩擦学失效机理研究提供新方法。
液体静压支承在高速重载工况下运行时，由于强挤压和高速剪切联合作用，微间隙油膜温度和油腔压力分布不均匀，导致静压支承摩擦副发生热固耦合变形，影响液体静压支承的承载能力和高精度稳定运行。为了解决该难题，提出一种新型油垫可倾式静压支承结构，其运行过程中可实现任意方向微摆，产生附加动压，形成静动压混合支承，达到高速重载工况条件下静压支承高精度稳定运行的目的。依据流热固耦合理论，采用ANSYS Workbench对支承摩擦副变形进行流热固耦合分析，探讨承载0 t~32 t极端工况条件下旋转工作台、可倾油垫和底座的流热固耦合变形规律。提取变形数据，并经MATLAB编程处理后得到摩擦副变形关系，发现油腔外侧封油边边角处变形最大，此处间隙油膜最薄，最易发生摩擦学失效，成果为进一步控制摩擦副变形和摩擦学失效机理研究提供新方法。
2021, 38(1): 249-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0146
摘要:
温升是复合材料储氢气瓶充氢过程中十分重要的问题，由于温度场的不均匀和材料热膨胀系数的不同，热机械耦合效应必然存在。为了研究复合材料气瓶充氢时的热机械耦合效应，该文提出了流-热-固耦合分析方法。该方法先建立复合材料气瓶充氢过程的computational fluid dynamics (CFD)分析模型，采用该模型分析充氢过程气瓶的温度分布；再建立复合材料气瓶的热-机械耦合分析模型，将CFD模型获得的温度场输入到热机械耦合模型中，并施加位移和载荷边界条件，分析热-机械耦合效应，通过解析解和试验数据验证方法的可靠性和准确性。采用该方法研究充氢速率、充氢口位置和气瓶几何尺寸对温度场、应力场的影响，该文获得的结果将为复合材料储氢气瓶的设计和充氢工艺优化提供技术支持。
温升是复合材料储氢气瓶充氢过程中十分重要的问题，由于温度场的不均匀和材料热膨胀系数的不同，热机械耦合效应必然存在。为了研究复合材料气瓶充氢时的热机械耦合效应，该文提出了流-热-固耦合分析方法。该方法先建立复合材料气瓶充氢过程的computational fluid dynamics (CFD)分析模型，采用该模型分析充氢过程气瓶的温度分布；再建立复合材料气瓶的热-机械耦合分析模型，将CFD模型获得的温度场输入到热机械耦合模型中，并施加位移和载荷边界条件，分析热-机械耦合效应，通过解析解和试验数据验证方法的可靠性和准确性。采用该方法研究充氢速率、充氢口位置和气瓶几何尺寸对温度场、应力场的影响，该文获得的结果将为复合材料储氢气瓶的设计和充氢工艺优化提供技术支持。
