2022年 第39卷 第11期
2022, 39(11): 1-12.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0450
摘要:
结构强震观测系统是揭示工程系统抗震行为、评估结构灾后安全性能的一项重要技术，在世界范围内得到了广泛的发展与应用。介绍该观测系统的组成及历史发展，统计国内外典型建筑结构强震观测实例，并分析现有结构强震观测系统的局限性。阐述了强震观测到安全评估的内在逻辑，在此基础上，对Van Nuys酒店长期服役状态与性能评估中的数据挖掘方法进行了综述，并深入分析了当前数据研究与评估方法存在的问题。结合现有国内外研究现状与发展趋势，对未来工程结构强震观测数据的分析挖掘与安全评估进行了展望。
结构强震观测系统是揭示工程系统抗震行为、评估结构灾后安全性能的一项重要技术，在世界范围内得到了广泛的发展与应用。介绍该观测系统的组成及历史发展，统计国内外典型建筑结构强震观测实例，并分析现有结构强震观测系统的局限性。阐述了强震观测到安全评估的内在逻辑，在此基础上，对Van Nuys酒店长期服役状态与性能评估中的数据挖掘方法进行了综述，并深入分析了当前数据研究与评估方法存在的问题。结合现有国内外研究现状与发展趋势，对未来工程结构强震观测数据的分析挖掘与安全评估进行了展望。
2022, 39(11): 13-21.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0477
摘要:
由于随机荷载作用下工程结构响应的一阶时间导数往往大于结构响应自身，采用仅满足确定性结构响应分析计算精度的时间步长求解概率密度演化方程(Probability density evolution equation, PDEE)时，总变差减小(Total variation diminishing, TVD)性质差分法计算的结构响应标准差通常无法满足精度要求。该文分别对比了不同差分时间步长下单边差分、Lax-wendroff (L-W)双边差分和TVD差分三种PDEE数值求解方法的计算精度。为提升TVD差分的求解精度，该文提出了差分时间步长的合理选取方法和正态分布型初值条件，并通过数值算例验证了时间步长选取方法和正态分布型初值条件的准确性及普适性。数值算例结果表明：L-W双边差分法的样本离散性最小，误差允许范围内可采用的时间差分步长最大；当仅关注均值和标准差等统计指标时，建议使用L-W双边差分法；利用该文方法可有效降低TVD差分所带来的数值误差；正态分布型初值条件的标准差大小等于空间离散步长时，可以获得最小均值误差。
由于随机荷载作用下工程结构响应的一阶时间导数往往大于结构响应自身，采用仅满足确定性结构响应分析计算精度的时间步长求解概率密度演化方程(Probability density evolution equation, PDEE)时，总变差减小(Total variation diminishing, TVD)性质差分法计算的结构响应标准差通常无法满足精度要求。该文分别对比了不同差分时间步长下单边差分、Lax-wendroff (L-W)双边差分和TVD差分三种PDEE数值求解方法的计算精度。为提升TVD差分的求解精度，该文提出了差分时间步长的合理选取方法和正态分布型初值条件，并通过数值算例验证了时间步长选取方法和正态分布型初值条件的准确性及普适性。数值算例结果表明：L-W双边差分法的样本离散性最小，误差允许范围内可采用的时间差分步长最大；当仅关注均值和标准差等统计指标时，建议使用L-W双边差分法；利用该文方法可有效降低TVD差分所带来的数值误差；正态分布型初值条件的标准差大小等于空间离散步长时，可以获得最小均值误差。
2022, 39(11): 22-30, 108.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0508
摘要:
为提高空间Timoshenko梁单元非线性问题的计算精度，在共旋坐标法的基础上，提出了一种改进的Timoshenko梁单元几何非线性分析方法。利用虚功原理得到改进空间梁单元的刚度矩阵；使用有限质点法中的逆向运动思路计算单元局部坐标系下的刚体旋转矩阵；根据整体坐标系与局部坐标系之间旋转角度的转化以及微分关系，求得空间梁单元的切线刚度矩阵；编制了相应的有限元程序，对多个经典的大变形结构进行几何非线性分析。计算结果印证了该文所提出改进方法的正确性，同时与传统共旋坐标法相比，具有更高的精度。
为提高空间Timoshenko梁单元非线性问题的计算精度，在共旋坐标法的基础上，提出了一种改进的Timoshenko梁单元几何非线性分析方法。利用虚功原理得到改进空间梁单元的刚度矩阵；使用有限质点法中的逆向运动思路计算单元局部坐标系下的刚体旋转矩阵；根据整体坐标系与局部坐标系之间旋转角度的转化以及微分关系，求得空间梁单元的切线刚度矩阵；编制了相应的有限元程序，对多个经典的大变形结构进行几何非线性分析。计算结果印证了该文所提出改进方法的正确性，同时与传统共旋坐标法相比，具有更高的精度。
2022, 39(11): 31-41.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0498
摘要:
功能梯度材料作为一种新型材料，具有良好的力学性能，近年来被广泛关注和应用。该文针对金属-陶瓷功能梯度圆板，考虑周边夹支边界约束条件，选取多项式形式的振型函数，利用伽辽金法，推得旋转运动状态和热效应作用下系统的纵横耦合非线性振动方程，求得由旋转及密度差引起的静挠度项。用改进多尺度法求解方程，得到强非线性系统的频幅响应方程和解析解。通过算例，给出功能梯度圆板的幅频曲线、幅值-激励力曲线、幅值-温度曲线，分析了不同物理量对结构共振幅值的影响规律，并且比较了解析解和数值解，两者结果较为吻合。
功能梯度材料作为一种新型材料，具有良好的力学性能，近年来被广泛关注和应用。该文针对金属-陶瓷功能梯度圆板，考虑周边夹支边界约束条件，选取多项式形式的振型函数，利用伽辽金法，推得旋转运动状态和热效应作用下系统的纵横耦合非线性振动方程，求得由旋转及密度差引起的静挠度项。用改进多尺度法求解方程，得到强非线性系统的频幅响应方程和解析解。通过算例，给出功能梯度圆板的幅频曲线、幅值-激励力曲线、幅值-温度曲线，分析了不同物理量对结构共振幅值的影响规律，并且比较了解析解和数值解，两者结果较为吻合。
2022, 39(11): 42-51.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0520
摘要:
在经典近场动力学模型的基础上引入非局部微分算子求解理论，建立近场动力学微弹性应力分析模型。在近场动力学模型物质点处进行泰勒级数展开，利用正交非局部函数构建微分算子的数值积分方程并且根据矩阵正交性求解函数未知系数，最终由平衡方程等价性建立近场动力学应力求解模型。采用所提出的方法对固体材料变形破坏过程中的应力进行模拟，并将计算结果与理论解对比以验证方法有效性，同时对粒子离散间距、泰勒项数及权函数的数值收敛性进行分析。结果表明：该文提出的方法可以较准确的反映完整及非完整固体脆性材料在荷载作用下的应力分布，并且离散间距及权函数对数值收敛结果具有显著影响，可为使用近场动力学方法模拟变形破坏时提供新的应力分析思路，有着较为广泛的应用前景。
在经典近场动力学模型的基础上引入非局部微分算子求解理论，建立近场动力学微弹性应力分析模型。在近场动力学模型物质点处进行泰勒级数展开，利用正交非局部函数构建微分算子的数值积分方程并且根据矩阵正交性求解函数未知系数，最终由平衡方程等价性建立近场动力学应力求解模型。采用所提出的方法对固体材料变形破坏过程中的应力进行模拟，并将计算结果与理论解对比以验证方法有效性，同时对粒子离散间距、泰勒项数及权函数的数值收敛性进行分析。结果表明：该文提出的方法可以较准确的反映完整及非完整固体脆性材料在荷载作用下的应力分布，并且离散间距及权函数对数值收敛结果具有显著影响，可为使用近场动力学方法模拟变形破坏时提供新的应力分析思路，有着较为广泛的应用前景。
2022, 39(11): 52-62.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0351
摘要:
我国的城市安全面临自然灾害、事故灾难等多种重大挑战。针对城市安全现阶段的实际需求与重要难题，该研究引入“减灾体”和“减灾力”的概念，以风险源、承灾体和减灾体为三大基本要素，依托数字孪生、机器学习、知识图谱等新技术，建立了基于“风险源+承灾体+减灾体”的城市安全表征“库-网-流-谱-法”理论框架，并对该框架中每个环节涉及的研究内容与关键问题进行了详细阐述。所提出的理论有望更加合理地表征城市的管理能力在城市安全中的作用，助力实现城市安全性态的动态表征以及相关决策的智能学习与优化。
我国的城市安全面临自然灾害、事故灾难等多种重大挑战。针对城市安全现阶段的实际需求与重要难题，该研究引入“减灾体”和“减灾力”的概念，以风险源、承灾体和减灾体为三大基本要素，依托数字孪生、机器学习、知识图谱等新技术，建立了基于“风险源+承灾体+减灾体”的城市安全表征“库-网-流-谱-法”理论框架，并对该框架中每个环节涉及的研究内容与关键问题进行了详细阐述。所提出的理论有望更加合理地表征城市的管理能力在城市安全中的作用，助力实现城市安全性态的动态表征以及相关决策的智能学习与优化。
2022, 39(11): 63-72.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0463
摘要:
该文围绕防屈曲支撑钢框架结构提出了一种新的抗震性能化设计方法。在选取性能目标时，为了兼顾建筑中结构主体和非结构成分的地震安全，该方法选取了峰值层间位移角、峰值楼面加速度和残余层间位移角共同作为性能目标。以等效单自由度体系的弹塑性时程分析计算结果进行参数分析，掌握防屈曲支撑钢框架结构随基本周期和强度折减系数变化的地震响应规律；根据结构动力学理论将单自由度体系的计算结果推广至多自由度体系；基于此发展出一种新的抗震性能化设计方法。为演示和论证该方法的有效性，该文选取了一栋六层防屈曲支撑钢框架结构的基准模型进行抗震设计，并开展一组地震动作用下的弹塑性时程分析。抗震性能评估的结果表明：由该方法设计的结构能够较好地同时满足多个设计目标的要求。该文的设计方法对于其他类型结构的抗震设计也具有一定的借鉴价值。
该文围绕防屈曲支撑钢框架结构提出了一种新的抗震性能化设计方法。在选取性能目标时，为了兼顾建筑中结构主体和非结构成分的地震安全，该方法选取了峰值层间位移角、峰值楼面加速度和残余层间位移角共同作为性能目标。以等效单自由度体系的弹塑性时程分析计算结果进行参数分析，掌握防屈曲支撑钢框架结构随基本周期和强度折减系数变化的地震响应规律；根据结构动力学理论将单自由度体系的计算结果推广至多自由度体系；基于此发展出一种新的抗震性能化设计方法。为演示和论证该方法的有效性，该文选取了一栋六层防屈曲支撑钢框架结构的基准模型进行抗震设计，并开展一组地震动作用下的弹塑性时程分析。抗震性能评估的结果表明：由该方法设计的结构能够较好地同时满足多个设计目标的要求。该文的设计方法对于其他类型结构的抗震设计也具有一定的借鉴价值。
2022, 39(11): 73-88.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0456
摘要:
唐代殿堂型木结构遗存在漫长历史进程中抵抗多次地震作用仍屹立不倒，表现出良好抗震性能。由于采用放松约束平摆浮搁柱脚节点及厚重大屋盖，水平地震作用下，木构架会发生反复摇摆抬升，存在能量转化问题，因此有必要通过构架中的能量分析进一步揭示其抗震机理。分析了地震作用下摇摆木构架中的能量平衡关系，建立了典型唐代殿堂型木构架精细化有限元模型并进行动力时程分析，通过木构架中的能量组成及变化规律分析揭示其抗震机理，同时研究了地震作用参数及斗拱-梁架一体化铺作层构造、柱头馒头榫弱连接节点形式、竖向荷载大小等结构参数对木构架中能量的影响。结果表明：地震作用下木构架摇摆变形过程中动能与重力势能及弹性应变能不断转化，并通过阻尼、摩擦及塑性变形耗散能量。由于“大屋盖”储能优势，输入的动能通过转化为重力势能存储于构架中，减轻构件损伤的同时也为其消耗地震能量争取了时间。影响参数分析结果表明：竖向荷载大小和地震波加速度幅值对木构架中能量影响较大，这两个参数值越大，木构架总输入能及阻尼耗能越大。
唐代殿堂型木结构遗存在漫长历史进程中抵抗多次地震作用仍屹立不倒，表现出良好抗震性能。由于采用放松约束平摆浮搁柱脚节点及厚重大屋盖，水平地震作用下，木构架会发生反复摇摆抬升，存在能量转化问题，因此有必要通过构架中的能量分析进一步揭示其抗震机理。分析了地震作用下摇摆木构架中的能量平衡关系，建立了典型唐代殿堂型木构架精细化有限元模型并进行动力时程分析，通过木构架中的能量组成及变化规律分析揭示其抗震机理，同时研究了地震作用参数及斗拱-梁架一体化铺作层构造、柱头馒头榫弱连接节点形式、竖向荷载大小等结构参数对木构架中能量的影响。结果表明：地震作用下木构架摇摆变形过程中动能与重力势能及弹性应变能不断转化，并通过阻尼、摩擦及塑性变形耗散能量。由于“大屋盖”储能优势，输入的动能通过转化为重力势能存储于构架中，减轻构件损伤的同时也为其消耗地震能量争取了时间。影响参数分析结果表明：竖向荷载大小和地震波加速度幅值对木构架中能量影响较大，这两个参数值越大，木构架总输入能及阻尼耗能越大。
2022, 39(11): 89-96.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0465
摘要:
桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标，对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列，该传感阵列基于逆有限元方法，仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置，将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究，分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载，通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明：形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点，不仅可以准确还原出桥梁挠度，而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状，能够有效地评估桥梁工程性能质量。
桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标，对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列，该传感阵列基于逆有限元方法，仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置，将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究，分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载，通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明：形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点，不仅可以准确还原出桥梁挠度，而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状，能够有效地评估桥梁工程性能质量。
2022, 39(11): 97-108.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0453
摘要:
在风、浪的长期耦合作用下，海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出，还会加剧结构的累积疲劳损伤，危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性，该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性，采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载，通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载，对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析，对比其在不同状态下的动态行为模式；通过批处理程序，开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算，探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明：近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征，其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。
在风、浪的长期耦合作用下，海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出，还会加剧结构的累积疲劳损伤，危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性，该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性，采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载，通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载，对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析，对比其在不同状态下的动态行为模式；通过批处理程序，开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算，探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明：近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征，其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。
2022, 39(11): 109-122.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0466
摘要:
建筑结构的模态参数识别是健康监测系统中的核心算法。模态参数识别经过多年的发展已经非常成熟，种类繁多。但是基于Hilbert-Huang变换(Hilbert-Huang transform, HHT)的结构模态参数识别中多个步骤均需要研究人员对参数进行主观判断与筛选，不能直接用于长期的结构健康自动监测。该文提出了一种基于HHT的结构模态自动识别方法，利用深度神经网络(Deep neural network, DNN)结合K-L散度实现了EMD(Empirical mode decomposition)虚假分量的识别与剔除，利用奇异谱分析(Singular spectrum analysis, SSA)结合Butterworth滤波器对EMD产生的模态混叠现象进行分离，对只包含单一模态信息的固有模态函数(Intrinsic mode function, IMF)进行Hilbert变换后通过最小二乘法拟合实现模态参数识别。将上述方法应用于一3层混凝土结构振动台试验的监测数据分析，结果表明：该方法可以在不依赖研究人员的主观参数选择前提下，有效实现结构模态参数的自动化识别。
建筑结构的模态参数识别是健康监测系统中的核心算法。模态参数识别经过多年的发展已经非常成熟，种类繁多。但是基于Hilbert-Huang变换(Hilbert-Huang transform, HHT)的结构模态参数识别中多个步骤均需要研究人员对参数进行主观判断与筛选，不能直接用于长期的结构健康自动监测。该文提出了一种基于HHT的结构模态自动识别方法，利用深度神经网络(Deep neural network, DNN)结合K-L散度实现了EMD(Empirical mode decomposition)虚假分量的识别与剔除，利用奇异谱分析(Singular spectrum analysis, SSA)结合Butterworth滤波器对EMD产生的模态混叠现象进行分离，对只包含单一模态信息的固有模态函数(Intrinsic mode function, IMF)进行Hilbert变换后通过最小二乘法拟合实现模态参数识别。将上述方法应用于一3层混凝土结构振动台试验的监测数据分析，结果表明：该方法可以在不依赖研究人员的主观参数选择前提下，有效实现结构模态参数的自动化识别。
2022, 39(11): 123-132.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0469
摘要:
针对现有混凝土加固技术导致的耐久性弱、承载力低的问题，该文基于活性粉末混凝土钢筋网加固混凝土技术(Technical for strengthening concrete structures with reactive powder concrete and bar mesh, RPCBM)，展开了双面剪切试验。该文评估了各试件的抗剪强度、破坏形态与荷载位移曲线，系统性地探讨了粗糙度、植筋率、钢筋网规格对RPCBM加固旧混凝土结构界面剪切性能的影响。结果表明：RPCBM加固混凝土结构的界面抗剪强度和延性提升幅度较大，具有良好的粘结性能。在一定范围内，随着粗糙度增大，粘结界面抗剪强度提高；植筋率增高，抗剪强度与延性增强；钢筋网规格是改善界面延性的重要因素。在此基础上，为了更好地计算RPCBM加固混凝土的界面粘结强度，该文基于以上数据建立了粘结界面抗剪强度的模型，提出了综合计算RPCBM加固普通混凝土(Ordinary Concrete, OC)界面抗剪强度的公式，试验结果与理论分析吻合较好，为工程实践中加固材料的选择和改进施工方法提供了理论依据。
针对现有混凝土加固技术导致的耐久性弱、承载力低的问题，该文基于活性粉末混凝土钢筋网加固混凝土技术(Technical for strengthening concrete structures with reactive powder concrete and bar mesh, RPCBM)，展开了双面剪切试验。该文评估了各试件的抗剪强度、破坏形态与荷载位移曲线，系统性地探讨了粗糙度、植筋率、钢筋网规格对RPCBM加固旧混凝土结构界面剪切性能的影响。结果表明：RPCBM加固混凝土结构的界面抗剪强度和延性提升幅度较大，具有良好的粘结性能。在一定范围内，随着粗糙度增大，粘结界面抗剪强度提高；植筋率增高，抗剪强度与延性增强；钢筋网规格是改善界面延性的重要因素。在此基础上，为了更好地计算RPCBM加固混凝土的界面粘结强度，该文基于以上数据建立了粘结界面抗剪强度的模型，提出了综合计算RPCBM加固普通混凝土(Ordinary Concrete, OC)界面抗剪强度的公式，试验结果与理论分析吻合较好，为工程实践中加固材料的选择和改进施工方法提供了理论依据。
2022, 39(11): 133-142, 165.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0472
摘要:
大多数惯容系统的研究未考虑间隙非线性的影响，有研究表明，大间隙的产生对系统响应的影响不可忽略。该文建立了含间隙非线性的惯容-橡胶复合隔振系统的随机微分方程，基于随机非线性分析方法，推导了系统响应的统计矩，计算了系统响应的概率密度函数，利用首超可靠性分析理论求得了系统的失效概率，并分析了间隙对系统响应的统计特性及可靠性的影响。同时，也考虑了非平稳激励下间隙非线性对系统响应及可靠性的影响。结果表明，间隙值变大时，系统响应的统计矩变大，概率密度函数曲线快速发散，系统的失效概率迅速增加，这与确定性分析得到的结果不同，在设计隔振器时应当考虑间隙对系统动力可靠性的影响。
大多数惯容系统的研究未考虑间隙非线性的影响，有研究表明，大间隙的产生对系统响应的影响不可忽略。该文建立了含间隙非线性的惯容-橡胶复合隔振系统的随机微分方程，基于随机非线性分析方法，推导了系统响应的统计矩，计算了系统响应的概率密度函数，利用首超可靠性分析理论求得了系统的失效概率，并分析了间隙对系统响应的统计特性及可靠性的影响。同时，也考虑了非平稳激励下间隙非线性对系统响应及可靠性的影响。结果表明，间隙值变大时，系统响应的统计矩变大，概率密度函数曲线快速发散，系统的失效概率迅速增加，这与确定性分析得到的结果不同，在设计隔振器时应当考虑间隙对系统动力可靠性的影响。
2022, 39(11): 143-156.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0490
摘要:
高耸烟囱是一种典型的风敏感结构，尤其是横风向涡激共振会对结构安全造成不利影响，往往需要对其进行风振控制。相比传统的调谐质量阻尼器(TMD)，调谐质量惯容阻尼器(TMDI)能够通过惯容器实现动力吸振器的轻量化设计。但惯容器的连接位置，不仅影响其在对高耸烟囱结构上实施的难度，对风振控制效果的影响也尚待定量化研究。该文将高耸烟囱简化为广义单自由度结构，基于风荷载频谱的滤波表示，推导了TMDI控制下结构风振响应的解析解。在此基础上，对TMDI最优设计参数进行了参数化分析，总结了相应的经验公式供设计参考。此外，通过对比TMDI与TMD的风振响应控制效果，给出了惯容器起增强控制效果的判别准则，以及TMDI的等效TMD质量比计算公式，以指导动力吸振器的轻量化设计。最后，通过对某270 m高混凝土烟囱风洞试验数据进行TMDI风振控制算例分析，验证了理论分析的有效性。结果表明，采用该文优化设计方法，TMDI可降低涡激共振锁定区内高耸烟囱的设计风荷载45%以上。
高耸烟囱是一种典型的风敏感结构，尤其是横风向涡激共振会对结构安全造成不利影响，往往需要对其进行风振控制。相比传统的调谐质量阻尼器(TMD)，调谐质量惯容阻尼器(TMDI)能够通过惯容器实现动力吸振器的轻量化设计。但惯容器的连接位置，不仅影响其在对高耸烟囱结构上实施的难度，对风振控制效果的影响也尚待定量化研究。该文将高耸烟囱简化为广义单自由度结构，基于风荷载频谱的滤波表示，推导了TMDI控制下结构风振响应的解析解。在此基础上，对TMDI最优设计参数进行了参数化分析，总结了相应的经验公式供设计参考。此外，通过对比TMDI与TMD的风振响应控制效果，给出了惯容器起增强控制效果的判别准则，以及TMDI的等效TMD质量比计算公式，以指导动力吸振器的轻量化设计。最后，通过对某270 m高混凝土烟囱风洞试验数据进行TMDI风振控制算例分析，验证了理论分析的有效性。结果表明，采用该文优化设计方法，TMDI可降低涡激共振锁定区内高耸烟囱的设计风荷载45%以上。
2022, 39(11): 157-165.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0464
摘要:
该文提出一种测量结构变形过程中裂纹扩展长度的方法。搭建一种卷积神经网络来抵抗图像中噪声干扰并识别裂纹特征，通过卷积神经网络预测得到裂纹带的初始区域；基于该区域，又提出一种改进的裂纹尖端识别算法来计算裂纹尖端的精确位置坐标；根据位置坐标得到裂纹长度信息。通过增加摄像机的数量，可以同时检测不同位置和方向的裂纹。利用该文提出的方法可以得到裂纹扩展长度与加载信息(如疲劳周期)之间的关系。通过开展中心孔试样疲劳试验和X80管线钢全尺寸弯曲试验，验证了该方法的有效性和准确性。
该文提出一种测量结构变形过程中裂纹扩展长度的方法。搭建一种卷积神经网络来抵抗图像中噪声干扰并识别裂纹特征，通过卷积神经网络预测得到裂纹带的初始区域；基于该区域，又提出一种改进的裂纹尖端识别算法来计算裂纹尖端的精确位置坐标；根据位置坐标得到裂纹长度信息。通过增加摄像机的数量，可以同时检测不同位置和方向的裂纹。利用该文提出的方法可以得到裂纹扩展长度与加载信息(如疲劳周期)之间的关系。通过开展中心孔试样疲劳试验和X80管线钢全尺寸弯曲试验，验证了该方法的有效性和准确性。
2022, 39(11): 166-176.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0504
摘要:
为研究使用网格箍筋强度不同、素混凝土轴心抗压强度不同的约束混凝土的轴压受力性能，完成了39个网格箍筋约束混凝土方柱的轴心受压试验。混凝土设计强度等级为C20、C30、C40、C50，箍筋分别选用HRB335、HRB400、HRB500、HRB600钢筋，体积配箍率范围为1.0%~2.2%。试验结果表明：约束混凝土压应力达到峰值时，受压试件的约束箍筋屈服；随着配箍特征值增大，网格箍筋约束混凝土峰值压应力和峰值压应变提高幅度增大，受压应力-应变曲线下降段变缓。根据试验结果，通过回归分析获得了网格箍筋约束混凝土峰值压应力、峰值压应变的计算公式；建立了相应的轴心受压应力-应变模型，与几种具有代表性的箍筋约束混凝土应力-应变模型的对比表明，建立的模型与试验结果吻合较好；提出了约束混凝土极限压应变计算方法。
为研究使用网格箍筋强度不同、素混凝土轴心抗压强度不同的约束混凝土的轴压受力性能，完成了39个网格箍筋约束混凝土方柱的轴心受压试验。混凝土设计强度等级为C20、C30、C40、C50，箍筋分别选用HRB335、HRB400、HRB500、HRB600钢筋，体积配箍率范围为1.0%~2.2%。试验结果表明：约束混凝土压应力达到峰值时，受压试件的约束箍筋屈服；随着配箍特征值增大，网格箍筋约束混凝土峰值压应力和峰值压应变提高幅度增大，受压应力-应变曲线下降段变缓。根据试验结果，通过回归分析获得了网格箍筋约束混凝土峰值压应力、峰值压应变的计算公式；建立了相应的轴心受压应力-应变模型，与几种具有代表性的箍筋约束混凝土应力-应变模型的对比表明，建立的模型与试验结果吻合较好；提出了约束混凝土极限压应变计算方法。
2022, 39(11): 177-185.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0515
摘要:
针对应用高强钢与超高强混凝土的中空夹层钢管混凝土柱，开展了轴心受压柱的标准耐火试验，得到了不同截面形状、边界条件、涂料厚度、荷载比条件下该柱的耐火极限，提出了表征柱耐火性能的延性指标，探讨了高强柱与普通柱耐火性能的差异。试验结果表明：高强中空夹层钢管混凝土柱的受火时间-位移响应与普通柱相似，受火前期膨胀而后期压缩变形进一步增大达到耐火极限。参数分析表明：相同条件下，应用高强钢的中空夹层柱其耐火极限低于应用普通钢的中空夹层柱，而应用超高强混凝土的中空夹层柱其耐火极限则高于应用普通或高强混凝土的中空夹层柱。此外，该文分别基于欧洲规范4中轴心受压柱和压弯构件的常温承载力计算模型，运用材料高温力学参数，计算了该柱高温屈曲承载力与耐火极限，计算结果与试验结果吻合较好。
针对应用高强钢与超高强混凝土的中空夹层钢管混凝土柱，开展了轴心受压柱的标准耐火试验，得到了不同截面形状、边界条件、涂料厚度、荷载比条件下该柱的耐火极限，提出了表征柱耐火性能的延性指标，探讨了高强柱与普通柱耐火性能的差异。试验结果表明：高强中空夹层钢管混凝土柱的受火时间-位移响应与普通柱相似，受火前期膨胀而后期压缩变形进一步增大达到耐火极限。参数分析表明：相同条件下，应用高强钢的中空夹层柱其耐火极限低于应用普通钢的中空夹层柱，而应用超高强混凝土的中空夹层柱其耐火极限则高于应用普通或高强混凝土的中空夹层柱。此外，该文分别基于欧洲规范4中轴心受压柱和压弯构件的常温承载力计算模型，运用材料高温力学参数，计算了该柱高温屈曲承载力与耐火极限，计算结果与试验结果吻合较好。
2022, 39(11): 186-195.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0517
摘要:
基于自回归模型分别模拟重现期为1年、10年和50年下不同高度处的风荷载时程，并与不同峰值加速度的地震动记录进行组合，对一布置预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑的50层钢框架-自复位支撑筒结构在地震-风耦合作用下的性能进行研究。结果表明：在地震-风耦合作用下，风荷载强度的增大对结构层间位移角的增大效果并不显著，结构层间位移角主要由地震动强度控制；风荷载强度越大，结构层间变形集中程度越小；地震动强度越小，风荷载对结构基底剪力影响越显著；地震动强度越大，地震-风耦合作用下结构各层加速度放大系数与地震单独作用下的结果差异越显著；PS-SCED支撑在地震-风耦合作用下能充分发挥耗能能力，有效保护主体结构，其良好的自复位特性能有效减小结构的残余变形。
基于自回归模型分别模拟重现期为1年、10年和50年下不同高度处的风荷载时程，并与不同峰值加速度的地震动记录进行组合，对一布置预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑的50层钢框架-自复位支撑筒结构在地震-风耦合作用下的性能进行研究。结果表明：在地震-风耦合作用下，风荷载强度的增大对结构层间位移角的增大效果并不显著，结构层间位移角主要由地震动强度控制；风荷载强度越大，结构层间变形集中程度越小；地震动强度越小，风荷载对结构基底剪力影响越显著；地震动强度越大，地震-风耦合作用下结构各层加速度放大系数与地震单独作用下的结果差异越显著；PS-SCED支撑在地震-风耦合作用下能充分发挥耗能能力，有效保护主体结构，其良好的自复位特性能有效减小结构的残余变形。
2022, 39(11): 196-202, 256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0527
摘要:
沿江临河修建的深基坑中，临水岸坡与基坑围护结构构成了有限宽度土体，其土压力计算方法与常规模式有较大不同。基于极上限分析法，运用改进多线段滑裂面生成技术，推导非均质临水深基坑围护结构主动土压力的上限解；并在均质土条件下，与传统直线或对数螺线滑裂面假定的计算结果进行对比验证。将上述计算方法运用于福州地铁5号线农林大学站基坑工程实例，认为围护结构主动土压力随水位的上升近似呈线性增大，随坡坑宽高比增大呈先快速增长后趋于稳定的趋势；当坡坑宽高比大于0.7时，主动土压力开始趋于稳定，说明滑裂面由模式Ⅰ(相交于坡面)过渡到模式Ⅱ(相交于坡顶)。进一步地，基于支撑刚度折减的数值模拟结果表明，临江侧土体滑裂面形态、围护结构主动土压力及合力作用点位置与理论计算结果较为吻合。上述研究成果可为临水深基坑围护结构的科学设计提供参考借鉴。
沿江临河修建的深基坑中，临水岸坡与基坑围护结构构成了有限宽度土体，其土压力计算方法与常规模式有较大不同。基于极上限分析法，运用改进多线段滑裂面生成技术，推导非均质临水深基坑围护结构主动土压力的上限解；并在均质土条件下，与传统直线或对数螺线滑裂面假定的计算结果进行对比验证。将上述计算方法运用于福州地铁5号线农林大学站基坑工程实例，认为围护结构主动土压力随水位的上升近似呈线性增大，随坡坑宽高比增大呈先快速增长后趋于稳定的趋势；当坡坑宽高比大于0.7时，主动土压力开始趋于稳定，说明滑裂面由模式Ⅰ(相交于坡面)过渡到模式Ⅱ(相交于坡顶)。进一步地，基于支撑刚度折减的数值模拟结果表明，临江侧土体滑裂面形态、围护结构主动土压力及合力作用点位置与理论计算结果较为吻合。上述研究成果可为临水深基坑围护结构的科学设计提供参考借鉴。
2022, 39(11): 203-211.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0539
摘要:
为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能，用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土，进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量，并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析，得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明：应力水平相同时，橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土，且随橡胶掺量的增加，混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律，橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析，可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。
为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能，用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土，进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量，并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析，得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明：应力水平相同时，橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土，且随橡胶掺量的增加，混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律，橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析，可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。
2022, 39(11): 212-221.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0598
摘要:
空间结构压杆失稳是结构失效的重要原因之一。利用套管加固空间结构压杆以抑制压杆屈曲，增加构件的极限承载能力和延性。通过对不同壁厚、套管与内压杆间隙和内压杆外伸段长度的12根试件进行轴压试验，得到加固前后试件的极限承载能力、破坏模式和延性变化。加固后试件的极限承载能力最大提高了147%，且外套管壁厚越大，内压杆外伸段越短，承载力越高；内压杆与外套管间隙越大，承载力略有下降。加固试验中构件的破坏模式由加固前的整体屈曲失稳变化为加固后的整体失稳、内压杆端部外伸段失稳和两种耦合失稳，且壁厚越小，易发生整体失稳，外伸段越长，易发生内压杆端部失稳，间隙对失稳形态影响不明显。此外，加固后试件延性均大于未经加固内压杆，经过合理设计延性指标能够增加一倍以上。
空间结构压杆失稳是结构失效的重要原因之一。利用套管加固空间结构压杆以抑制压杆屈曲，增加构件的极限承载能力和延性。通过对不同壁厚、套管与内压杆间隙和内压杆外伸段长度的12根试件进行轴压试验，得到加固前后试件的极限承载能力、破坏模式和延性变化。加固后试件的极限承载能力最大提高了147%，且外套管壁厚越大，内压杆外伸段越短，承载力越高；内压杆与外套管间隙越大，承载力略有下降。加固试验中构件的破坏模式由加固前的整体屈曲失稳变化为加固后的整体失稳、内压杆端部外伸段失稳和两种耦合失稳，且壁厚越小，易发生整体失稳，外伸段越长，易发生内压杆端部失稳，间隙对失稳形态影响不明显。此外，加固后试件延性均大于未经加固内压杆，经过合理设计延性指标能够增加一倍以上。
2022, 39(11): 222-232.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0487
摘要:
聚合物抽油机井抽油杆柱在粘弹性流体井筒内偏心运动时，抽油杆柱受到交变粘弹性流体法向力的作用。该文指出了交变粘弹性流体法向力是抽油杆柱横向振动的激励。考虑抽油杆柱所受粘弹性流体法向力与抽油杆柱横向振动位移的耦合关系，建立了受粘弹性流体法向力作用的抽油杆柱在油管内横向振动仿真的力学和数学模型。采用有限差分法和Newmark法实现了对抽油杆柱在油管内横向振动的仿真计算。分析了抽油杆柱在初始偏心和粘弹性流体法向力激励下的横向振动规律。仿真结果表明：抽油杆柱的任何初始偏心都会导致在全井范围内发生杆管碰撞现象；抽油杆柱下冲程杆管碰撞更为剧烈，且泵端附近碰撞力最大；由于粘弹性流体法向力的存在，杆柱与油管壁的接触碰撞更加频繁，加剧了杆管偏磨。所建立的粘弹性流体法向力作用下的抽油杆柱横向振动仿真模型对于聚驱井杆管偏磨分析、扶正器的优化配置具有指导作用。
聚合物抽油机井抽油杆柱在粘弹性流体井筒内偏心运动时，抽油杆柱受到交变粘弹性流体法向力的作用。该文指出了交变粘弹性流体法向力是抽油杆柱横向振动的激励。考虑抽油杆柱所受粘弹性流体法向力与抽油杆柱横向振动位移的耦合关系，建立了受粘弹性流体法向力作用的抽油杆柱在油管内横向振动仿真的力学和数学模型。采用有限差分法和Newmark法实现了对抽油杆柱在油管内横向振动的仿真计算。分析了抽油杆柱在初始偏心和粘弹性流体法向力激励下的横向振动规律。仿真结果表明：抽油杆柱的任何初始偏心都会导致在全井范围内发生杆管碰撞现象；抽油杆柱下冲程杆管碰撞更为剧烈，且泵端附近碰撞力最大；由于粘弹性流体法向力的存在，杆柱与油管壁的接触碰撞更加频繁，加剧了杆管偏磨。所建立的粘弹性流体法向力作用下的抽油杆柱横向振动仿真模型对于聚驱井杆管偏磨分析、扶正器的优化配置具有指导作用。
2022, 39(11): 233-244.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0495
摘要:
通过现场及线下试验，测试了整体浮筑隔振措施在实际列车激励与定点锤击激励下的振动响应，分析了2种荷载激励下隔振效果的差异，并对定点锤击激励的有效性和准确性进行评价。结果表明：列车及定点锤击荷载激励下，浮筑隔振可显著减小振动加速度响应；两种荷载激励下，浮筑隔振体系的特征峰值和各频段能量分布走势相近。锤击激励下的计权Z振级隔振量略低于列车激励，其隔振效果偏于保守，可见，针对浮筑隔振系统的效果评价，实际列车激励方式要优于定点锤击激励方式。结合理论及试验分析，提出针对受振体柔性支撑浮筑隔振体系的隔振效果预测方法，可为类似隔振措施的评估和比选提供参考。
通过现场及线下试验，测试了整体浮筑隔振措施在实际列车激励与定点锤击激励下的振动响应，分析了2种荷载激励下隔振效果的差异，并对定点锤击激励的有效性和准确性进行评价。结果表明：列车及定点锤击荷载激励下，浮筑隔振可显著减小振动加速度响应；两种荷载激励下，浮筑隔振体系的特征峰值和各频段能量分布走势相近。锤击激励下的计权Z振级隔振量略低于列车激励，其隔振效果偏于保守，可见，针对浮筑隔振系统的效果评价，实际列车激励方式要优于定点锤击激励方式。结合理论及试验分析，提出针对受振体柔性支撑浮筑隔振体系的隔振效果预测方法，可为类似隔振措施的评估和比选提供参考。
2022, 39(11): 245-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0479
摘要:
现代飞机强调高速巡航特性且兼顾隐身特性，因此翼型往往采用厚度较小，前缘半径不大，弯度不大的薄翼型。这类翼型的低速气动性能较差，容易失速，限制了这类飞机的短距起降特性和载重能力，因此需要借助流动控制技术来改善低速特性。该文讨论新型的协同射流主动流动控制技术，同变弯度技术包括后缘变弯和前缘下垂技术等被动流动控制技术相结合，探索混合流动控制技术的流动控制机理和控制效果。基于数值模拟的结果发现：仅采用单一的流动控制技术在薄翼型上得到的控制效果有限，而将协同射流同变弯度技术结合的混合流动控制技术可同时发挥不同流动控制技术的优点(例如协同射流引起的后缘失速的推迟，下垂前缘带来的前缘失速推迟，后缘襟翼带来的零升迎角减小)。该文提供的混合流动控制方案可以将薄翼型的最大升力系数提升至CLmax=3.3127，相对原始构型提升了96%，具有广阔的工程应用前景。
现代飞机强调高速巡航特性且兼顾隐身特性，因此翼型往往采用厚度较小，前缘半径不大，弯度不大的薄翼型。这类翼型的低速气动性能较差，容易失速，限制了这类飞机的短距起降特性和载重能力，因此需要借助流动控制技术来改善低速特性。该文讨论新型的协同射流主动流动控制技术，同变弯度技术包括后缘变弯和前缘下垂技术等被动流动控制技术相结合，探索混合流动控制技术的流动控制机理和控制效果。基于数值模拟的结果发现：仅采用单一的流动控制技术在薄翼型上得到的控制效果有限，而将协同射流同变弯度技术结合的混合流动控制技术可同时发挥不同流动控制技术的优点(例如协同射流引起的后缘失速的推迟，下垂前缘带来的前缘失速推迟，后缘襟翼带来的零升迎角减小)。该文提供的混合流动控制方案可以将薄翼型的最大升力系数提升至CLmax=3.3127，相对原始构型提升了96%，具有广阔的工程应用前景。
