2023年 第40卷 第3期
2023, 40(3): 1-13.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.11.ST08
摘要:
保证城市土木工程基础设施的功能是建设韧性城市的关键。以“灾害/环境作用-结构响应-灾变控制-韧性提升”为主线，从材料、结构、系统等不同尺度，对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明：对单一灾害或单一环境作用机制、单一环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、单一灾害作用下单体结构的灾变响应与控制等方面有了清晰的认识和技术应对措施。但是，多重灾害和复杂环境作用下城市土木工程基础设施的灾变机理更加复杂、韧性提升难度更大。未来需进一步深入研究多重灾害触发及复杂环境作用机制、复杂环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、多灾害与复杂环境作用下单体结构灾变机理与控制方法以及城市土木工程基础设施系统的灾变机理与韧性提升方法。
保证城市土木工程基础设施的功能是建设韧性城市的关键。以“灾害/环境作用-结构响应-灾变控制-韧性提升”为主线，从材料、结构、系统等不同尺度，对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明：对单一灾害或单一环境作用机制、单一环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、单一灾害作用下单体结构的灾变响应与控制等方面有了清晰的认识和技术应对措施。但是，多重灾害和复杂环境作用下城市土木工程基础设施的灾变机理更加复杂、韧性提升难度更大。未来需进一步深入研究多重灾害触发及复杂环境作用机制、复杂环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、多灾害与复杂环境作用下单体结构灾变机理与控制方法以及城市土木工程基础设施系统的灾变机理与韧性提升方法。
2023, 40(3): 14-26.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0699
摘要:
给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元，并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中，功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征；梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述；压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征，且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式，用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵，以及采用线性二次型 (LQR) 最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明，所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效，LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。
给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元，并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中，功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征；梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述；压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征，且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式，用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵，以及采用线性二次型 (LQR) 最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明，所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效，LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。
2023, 40(3): 27-35.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0708
摘要:
结构可靠性分析需要精确计算结构或系统的失效概率，当结构失效概率低时，运算量大且操作困难。可采用代理模型替代原始性能函数，结合自适应实验设计，在保证准确率的同时大幅减少原始模型的总运行次数。该文提出了基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法，将适应性较广的Kriging与最近发展的PC-Kriging代理模型集成；利用代理模型提供预测点的方差特征，提出新的集成学习函数，识别高预测误差区域，实现高效拟合失效边界；通过主动学习算法在预测误差大和接近极限状态的区域添加采样，迭代更新集成代理模型。通过3个算例，验证了该文方法与单一代理模型结构可靠性分析方法的优势，与AK-MCS+U和AK-MCS+EFF相比，所提方法计算成本低、准确度高。
结构可靠性分析需要精确计算结构或系统的失效概率，当结构失效概率低时，运算量大且操作困难。可采用代理模型替代原始性能函数，结合自适应实验设计，在保证准确率的同时大幅减少原始模型的总运行次数。该文提出了基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法，将适应性较广的Kriging与最近发展的PC-Kriging代理模型集成；利用代理模型提供预测点的方差特征，提出新的集成学习函数，识别高预测误差区域，实现高效拟合失效边界；通过主动学习算法在预测误差大和接近极限状态的区域添加采样，迭代更新集成代理模型。通过3个算例，验证了该文方法与单一代理模型结构可靠性分析方法的优势，与AK-MCS+U和AK-MCS+EFF相比，所提方法计算成本低、准确度高。
2023, 40(3): 36-43.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0733
摘要:
采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟，得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性，以平屋面风吹雪为案例，将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中，考虑了桥梁护栏的影响，对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现：当护栏透风率大于50%时，桥面上不会出现显著的积雪沉积；当护栏透风率小于50%时，桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积，且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响，建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。
采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟，得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性，以平屋面风吹雪为案例，将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中，考虑了桥梁护栏的影响，对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现：当护栏透风率大于50%时，桥面上不会出现显著的积雪沉积；当护栏透风率小于50%时，桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积，且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响，建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。
2023, 40(3): 44-53.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0665
摘要:
边坡容易在地震作用下丧失稳定性，引发滑坡等次生灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。目前，关于边坡在地震作用下的位移响应研究主要关注主震作用，而没有充分考虑余震作用的影响。针对这一问题，该文挑选210条真实主余震序列作为边坡底部输入地震动，基于有限差分软件FLAC对边坡在主余震序列作用下的滑动永久位移进行了分析，采用增量位移比来量化余震对边坡位移响应的影响。进一步挑选15个地震动强度参数，分别研究了主震强度、余震强度、主余震强度与边坡主震位移、余震增量位移、主余震位移的相关性。研究结果表明：余震作用会对主震损伤边坡产生显著的竖向永久位移增量，该位移增量甚至可以大于主震位移。与边坡主余震位移的相关性最强的是主震强度；在所考虑的地震动强度参数中，主震反应谱加速度与加速度谱强度与主余震位移的相关性最强。最后，分别基于这两个最优地震动强度参数建立了主余震位移预测模型，模型精度较好。
边坡容易在地震作用下丧失稳定性，引发滑坡等次生灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。目前，关于边坡在地震作用下的位移响应研究主要关注主震作用，而没有充分考虑余震作用的影响。针对这一问题，该文挑选210条真实主余震序列作为边坡底部输入地震动，基于有限差分软件FLAC对边坡在主余震序列作用下的滑动永久位移进行了分析，采用增量位移比来量化余震对边坡位移响应的影响。进一步挑选15个地震动强度参数，分别研究了主震强度、余震强度、主余震强度与边坡主震位移、余震增量位移、主余震位移的相关性。研究结果表明：余震作用会对主震损伤边坡产生显著的竖向永久位移增量，该位移增量甚至可以大于主震位移。与边坡主余震位移的相关性最强的是主震强度；在所考虑的地震动强度参数中，主震反应谱加速度与加速度谱强度与主余震位移的相关性最强。最后，分别基于这两个最优地震动强度参数建立了主余震位移预测模型，模型精度较好。
2023, 40(3): 54-64.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0671
摘要:
提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法，通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型，将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应，进而重构出待测位置的剩余模态响应，待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到，通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究，将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率，此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明：该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量，并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足，无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。
提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法，通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型，将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应，进而重构出待测位置的剩余模态响应，待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到，通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究，将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率，此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明：该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量，并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足，无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。
2023, 40(3): 65-77.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0718
摘要:
考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制，将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数，引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式，从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件，基于所提模型，同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度，确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实，采用确定的断裂韧度及拉伸强度，建立起钢纤维高强混凝土塑性——准脆性——线弹性不同结构断裂模式的±20%全曲线，其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土，可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定，及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。
考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制，将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数，引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式，从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件，基于所提模型，同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度，确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实，采用确定的断裂韧度及拉伸强度，建立起钢纤维高强混凝土塑性——准脆性——线弹性不同结构断裂模式的±20%全曲线，其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土，可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定，及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。
2023, 40(3): 78-87.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0672
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)与带肋钢筋的黏结性能，设计制作了20组试件。通过中心拔出试验，研究单调和重复荷载作用下试件的破坏形态及黏结滑移破坏机理，分析了HDC的抗压强度、纤维掺量、纤维种类及保护层厚度对带肋钢筋与HDC黏结性能的影响。结果表明：单调与重复荷载作用下，普通混凝土试件发生了脆性劈裂破坏，HDC试件发生劈裂和拔出破坏；试验结果表明，带肋钢筋与HDC的黏结强度随HDC抗压强度增加而提高；相同HDC抗压强度时，纤维掺量的增加可改善带肋钢筋与HDC的黏结性能；相比PP纤维，相同体积掺量的PE纤维与PVA纤维可有效限制混凝土内部径向裂缝的开展，提高带肋钢筋与HDC的黏结强度；依据破坏形态和黏结强度，得出临界相对保护层厚度为2.0；单调与重复荷载作用下，试件黏结强度比由纤维种类和相对保护层厚度主导，残余黏结强度比由抗压强度和纤维掺量主导；根据试验结果，建立了带肋钢筋与HDC的黏结强度计算公式和黏结-滑移本构模型。
为研究高延性混凝土(HDC)与带肋钢筋的黏结性能，设计制作了20组试件。通过中心拔出试验，研究单调和重复荷载作用下试件的破坏形态及黏结滑移破坏机理，分析了HDC的抗压强度、纤维掺量、纤维种类及保护层厚度对带肋钢筋与HDC黏结性能的影响。结果表明：单调与重复荷载作用下，普通混凝土试件发生了脆性劈裂破坏，HDC试件发生劈裂和拔出破坏；试验结果表明，带肋钢筋与HDC的黏结强度随HDC抗压强度增加而提高；相同HDC抗压强度时，纤维掺量的增加可改善带肋钢筋与HDC的黏结性能；相比PP纤维，相同体积掺量的PE纤维与PVA纤维可有效限制混凝土内部径向裂缝的开展，提高带肋钢筋与HDC的黏结强度；依据破坏形态和黏结强度，得出临界相对保护层厚度为2.0；单调与重复荷载作用下，试件黏结强度比由纤维种类和相对保护层厚度主导，残余黏结强度比由抗压强度和纤维掺量主导；根据试验结果，建立了带肋钢筋与HDC的黏结强度计算公式和黏结-滑移本构模型。
2023, 40(3): 88-97, 128.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0677
摘要:
为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能，以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数，设计了102个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态，获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线，深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明：随着法向应力的增大，剪切强度逐渐增大；随着取代率的增加，掺量为0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小，掺量为1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小；与掺量为0%的钢纤维再生混凝土相比，掺量为1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了10.77%；提出了剪切强度公式，所得计算值与试验值吻合良好。
为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能，以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数，设计了102个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态，获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线，深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明：随着法向应力的增大，剪切强度逐渐增大；随着取代率的增加，掺量为0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小，掺量为1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小；与掺量为0%的钢纤维再生混凝土相比，掺量为1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了10.77%；提出了剪切强度公式，所得计算值与试验值吻合良好。
2023, 40(3): 98-106.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0679
摘要:
该文借助经过校验的组合楼盖精细模型，建立了组合楼板钢框架结构连续倒塌有限元简化模型，通过与组合楼盖子结构试验对比验证了此简化模型的准确性。采用简化模型，分析了柱子失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。分析结果表明：原型结构具有足够的承载力以避免由单个底层柱子失效所导致的结构连续倒塌；除了角柱失效工况外，原型结构的层数变化对结构抗连续倒塌性能的影响可以忽略，而在角柱失效工况下，层间桁架承载机制的贡献会使得原型结构比单层有楼板结构的抗连续倒塌承载力更高；在考虑组合楼板之后，原型结构的抗连续倒塌承载力提升了114%。
该文借助经过校验的组合楼盖精细模型，建立了组合楼板钢框架结构连续倒塌有限元简化模型，通过与组合楼盖子结构试验对比验证了此简化模型的准确性。采用简化模型，分析了柱子失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。分析结果表明：原型结构具有足够的承载力以避免由单个底层柱子失效所导致的结构连续倒塌；除了角柱失效工况外，原型结构的层数变化对结构抗连续倒塌性能的影响可以忽略，而在角柱失效工况下，层间桁架承载机制的贡献会使得原型结构比单层有楼板结构的抗连续倒塌承载力更高；在考虑组合楼板之后，原型结构的抗连续倒塌承载力提升了114%。
2023, 40(3): 107-116.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0700
摘要:
结构不确定性量化是定量参数不确定性传递到结构响应的不确定性大小。传统的蒙特卡洛法需要进行大量的数值计算，耗时较高，难以应用于大型复杂结构的不确定性量化。代理模型方法是基于少量训练样本建立的近似数学模型，可代替原始物理模型进行不确定性量化以提高计算效率。针对高精度样本计算成本高而低精度样本计算精度低的问题，该文提出了整合高、低精度训练样本的广义协同高斯过程模型。基于该模型框架推导了结构响应均值和方差的解析表达式，实现了结构不确定性的量化解析。采用三个空间结构算例来验证结构不确定性量化解析方法的准确性，并与传统的蒙特卡洛法、协同高斯过程模型和高斯过程模型的计算结果对比，结果表明所提方法在计算精度和效率方面均具有优势。
结构不确定性量化是定量参数不确定性传递到结构响应的不确定性大小。传统的蒙特卡洛法需要进行大量的数值计算，耗时较高，难以应用于大型复杂结构的不确定性量化。代理模型方法是基于少量训练样本建立的近似数学模型，可代替原始物理模型进行不确定性量化以提高计算效率。针对高精度样本计算成本高而低精度样本计算精度低的问题，该文提出了整合高、低精度训练样本的广义协同高斯过程模型。基于该模型框架推导了结构响应均值和方差的解析表达式，实现了结构不确定性的量化解析。采用三个空间结构算例来验证结构不确定性量化解析方法的准确性，并与传统的蒙特卡洛法、协同高斯过程模型和高斯过程模型的计算结果对比，结果表明所提方法在计算精度和效率方面均具有优势。
2023, 40(3): 117-128.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0702
摘要:
我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于GBJ 11−1989、GB 50011−2001和GB 50011−2010三次抗震设计规范所设计，由于建筑功能的需求，常见框架结构的首层层高明显高于其它层，易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其它层的三栋现役RC框架为分析算例，综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素，利用OpenSees有限元分析软件，分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析，研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明：相对于GBJ 11−1989和GB 50011−2001，基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构损伤最小，对于潜在薄弱层的加强效果更加明显；中、大震水平，三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低，但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构损伤较严重，较难修复；特大震水平，基于GBJ 11−1989和GB 50011−2001抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大，基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构倒塌概率相对较低，但其修复需较大的经济投入。经过规范的依次修订，在特大震水平，基于GBJ 11−1989至GB50011−2010抗震设计规范设计的结构中结构构件的失效率逐渐降低；基于GB 50011−2001和GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构中，柱以延性破坏为主，但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构中，柱发生明显的脆性破坏。
我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于GBJ 11−1989、GB 50011−2001和GB 50011−2010三次抗震设计规范所设计，由于建筑功能的需求，常见框架结构的首层层高明显高于其它层，易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其它层的三栋现役RC框架为分析算例，综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素，利用OpenSees有限元分析软件，分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析，研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明：相对于GBJ 11−1989和GB 50011−2001，基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构损伤最小，对于潜在薄弱层的加强效果更加明显；中、大震水平，三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低，但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构损伤较严重，较难修复；特大震水平，基于GBJ 11−1989和GB 50011−2001抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大，基于GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构倒塌概率相对较低，但其修复需较大的经济投入。经过规范的依次修订，在特大震水平，基于GBJ 11−1989至GB50011−2010抗震设计规范设计的结构中结构构件的失效率逐渐降低；基于GB 50011−2001和GB 50011−2010抗震设计规范设计的结构中，柱以延性破坏为主，但基于GBJ 11−1989抗震设计规范设计的结构中，柱发生明显的脆性破坏。
2023, 40(3): 129-140, 188.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0711
摘要:
北疆供水一期工程属于季节性供水工程，渠道运行多年，渗漏现象严重，渠坡滑动破坏现象频发。为深入探究渠坡的滑动破坏机制，首先对渠基土开展力学特性研究，然后利用其强度特性变化规律对渠坡的不同工况进行数值模拟分析。结果表明：在湿干-冻融循环条件下，膨胀土抗剪强度\begin{document}${c} $\end{document} ![]()
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北疆供水一期工程属于季节性供水工程，渠道运行多年，渗漏现象严重，渠坡滑动破坏现象频发。为深入探究渠坡的滑动破坏机制，首先对渠基土开展力学特性研究，然后利用其强度特性变化规律对渠坡的不同工况进行数值模拟分析。结果表明：在湿干-冻融循环条件下，膨胀土抗剪强度
2023, 40(3): 141-152.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0712
摘要:
为探究循环动荷载下，孔隙尺寸对饱和土地基动力特性的影响，利用虚位移原理及Newmark积分法对非局部Biot模型进行了空间及时间离散，并采用有限单元法编制了循环荷载下饱和土地基动力响应的计算程序。将该程序计算得到的饱和土一维固结结果和二维单相弹性地基的动力响应结果与已有文献对比，验证了该程序的正确性。研究了循环荷载下孔隙尺寸效应对一维饱和地基，二维饱和地基及饱和路基动力特性的影响。结果表明：荷载频率较高时，随着非局部参数的增加，饱和土地基的动力响应明显滞后，孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响明显，即荷载频率较高时，孔隙尺寸效应不可忽略。
为探究循环动荷载下，孔隙尺寸对饱和土地基动力特性的影响，利用虚位移原理及Newmark积分法对非局部Biot模型进行了空间及时间离散，并采用有限单元法编制了循环荷载下饱和土地基动力响应的计算程序。将该程序计算得到的饱和土一维固结结果和二维单相弹性地基的动力响应结果与已有文献对比，验证了该程序的正确性。研究了循环荷载下孔隙尺寸效应对一维饱和地基，二维饱和地基及饱和路基动力特性的影响。结果表明：荷载频率较高时，随着非局部参数的增加，饱和土地基的动力响应明显滞后，孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响明显，即荷载频率较高时，孔隙尺寸效应不可忽略。
2023, 40(3): 153-162.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0719
摘要:
为研究锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响，该文对36个不同锈蚀率的钢衬里板进行了单轴拉伸试验，分析了锈蚀钢衬里板的力学性能退化机理和退化规律；建立了锈蚀钢衬里板的本构模型；根据试验结果，提出了考虑不同锈蚀率的钢衬里撕裂准则和锈蚀模拟方法；通过数值模拟，分析了锈蚀对安全壳钢衬里撕裂的影响；最后对比了该文模拟方法与美国核管理委员会(NRC)方法的差异，并给出了NRC方法中锈蚀影响系数的取值建议。结果表明：随锈蚀率增大，钢衬里板的弹性模量变化不大，但其屈服强度、峰值强度、峰值应变和断裂应变大致呈线性退化规律；该文建立的锈蚀钢衬里板的本构模型与试验结果吻合良好；随锈蚀率增大，安全壳钢衬里发生撕裂时的内压逐渐降低，且当锈蚀率为50%时，内压降低29.06%；与NRC方法相比，该文方法能直观反映不同锈蚀率对钢衬里的影响，更能接近实际锈蚀情况；对于NRC所建议的锈蚀影响系数，锈蚀率小于20%时，可取上限值，锈蚀率为20%~40%时，建议取最佳估值，而锈蚀率超过40%后，应当取下限值。该文研究工作可为安全壳钢衬里锈蚀后的性能评估提供借鉴和参考。
为研究锈蚀对核安全壳结构钢衬里撕裂的影响，该文对36个不同锈蚀率的钢衬里板进行了单轴拉伸试验，分析了锈蚀钢衬里板的力学性能退化机理和退化规律；建立了锈蚀钢衬里板的本构模型；根据试验结果，提出了考虑不同锈蚀率的钢衬里撕裂准则和锈蚀模拟方法；通过数值模拟，分析了锈蚀对安全壳钢衬里撕裂的影响；最后对比了该文模拟方法与美国核管理委员会(NRC)方法的差异，并给出了NRC方法中锈蚀影响系数的取值建议。结果表明：随锈蚀率增大，钢衬里板的弹性模量变化不大，但其屈服强度、峰值强度、峰值应变和断裂应变大致呈线性退化规律；该文建立的锈蚀钢衬里板的本构模型与试验结果吻合良好；随锈蚀率增大，安全壳钢衬里发生撕裂时的内压逐渐降低，且当锈蚀率为50%时，内压降低29.06%；与NRC方法相比，该文方法能直观反映不同锈蚀率对钢衬里的影响，更能接近实际锈蚀情况；对于NRC所建议的锈蚀影响系数，锈蚀率小于20%时，可取上限值，锈蚀率为20%~40%时，建议取最佳估值，而锈蚀率超过40%后，应当取下限值。该文研究工作可为安全壳钢衬里锈蚀后的性能评估提供借鉴和参考。
2023, 40(3): 163-174.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0722
摘要:
为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征，开展了横桥向3个典型工况的货车加载试验和有限元分析，记录了货车低速通行下OSD构造细节的应力时程，研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明：OSD构造细节轮载局部应力效应显著，构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各1倍纵肋中心距范围，表明OSD疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内，货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环；跨肋式是RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向，RD面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理，纵肋侧以RD两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理；纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理；纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理；弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理，能简化OSD结构疲劳有限元分析，有助于改善OSD结构抗疲劳设计。
为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征，开展了横桥向3个典型工况的货车加载试验和有限元分析，记录了货车低速通行下OSD构造细节的应力时程，研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明：OSD构造细节轮载局部应力效应显著，构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各1倍纵肋中心距范围，表明OSD疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内，货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环；跨肋式是RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向，RD面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理，纵肋侧以RD两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理；纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理；纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理；弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理，能简化OSD结构疲劳有限元分析，有助于改善OSD结构抗疲劳设计。
2023, 40(3): 175-188.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0724
摘要:
考虑钢筋网承载-破坏全过程，探明锚网喷结构中钢筋网的力学行为，可切实指导钢筋网选型与参数设计。采用已有的试验结果对计算模型与参数的合理性进行验证，在此基础上完成承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析，并利用多元非线性回归和BP神经网络方法对钢筋网的最大应力和竖向位移进行预测与分析。研究发现：单一荷载作用下钢筋网的应力分布呈现分区现象，1区和2区特定范围的钢筋应力基本处于单轴拉伸状态，2区其余区域的应力处于拉-剪复合状态；钢筋网的力学行为受钢材型号影响显著：由HPB300、HPB400、HPB500钢筋制成的钢筋网存在流幅现象，由1650级、1770级高强不锈钢丝制成的钢筋网无流幅现象；BP神经网络模型预测精度明显优于多元非线性回归方法，对于最大应力和竖向位移两个指标，采用BP神经网络预测的平均相对误差分别为1.31%和1.67%，而多元非线性回归方法的预测误差为7.39%和8.19%。
考虑钢筋网承载-破坏全过程，探明锚网喷结构中钢筋网的力学行为，可切实指导钢筋网选型与参数设计。采用已有的试验结果对计算模型与参数的合理性进行验证，在此基础上完成承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析，并利用多元非线性回归和BP神经网络方法对钢筋网的最大应力和竖向位移进行预测与分析。研究发现：单一荷载作用下钢筋网的应力分布呈现分区现象，1区和2区特定范围的钢筋应力基本处于单轴拉伸状态，2区其余区域的应力处于拉-剪复合状态；钢筋网的力学行为受钢材型号影响显著：由HPB300、HPB400、HPB500钢筋制成的钢筋网存在流幅现象，由1650级、1770级高强不锈钢丝制成的钢筋网无流幅现象；BP神经网络模型预测精度明显优于多元非线性回归方法，对于最大应力和竖向位移两个指标，采用BP神经网络预测的平均相对误差分别为1.31%和1.67%，而多元非线性回归方法的预测误差为7.39%和8.19%。
2023, 40(3): 189-200.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0739
摘要:
为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能，提升古建木结构的抗震安全性，提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验，研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响；利用有限元软件OpenSees对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟，通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性；分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明，内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力；外包CFRP布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸，提高方形木柱的延性性能，延缓其刚度退化；复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力，改善其刚度和强度退化，抗震加固效果显著。
为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能，提升古建木结构的抗震安全性，提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验，研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响；利用有限元软件OpenSees对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟，通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性；分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明，内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力；外包CFRP布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸，提高方形木柱的延性性能，延缓其刚度退化；复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力，改善其刚度和强度退化，抗震加固效果显著。
2023, 40(3): 201-212.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0742
摘要:
采用标准试验方法，对首钢集团生产的楼承板用SQ410FRW耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验，以测定其典型高温力学性能指标，包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式，包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线，回归得出基于Ramberg-Osgood模型(R-O模型)的应力-应变本构模型，以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂，且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势；高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在600 ℃及以下时降低较少，均保持在常温名义值的60%以上，基本满足耐火钢的力学性能指标要求；基于R-O模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在90%以上，与试验应力-应变曲线吻合良好，故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。
采用标准试验方法，对首钢集团生产的楼承板用SQ410FRW耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验，以测定其典型高温力学性能指标，包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式，包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线，回归得出基于Ramberg-Osgood模型(R-O模型)的应力-应变本构模型，以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂，且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势；高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在600 ℃及以下时降低较少，均保持在常温名义值的60%以上，基本满足耐火钢的力学性能指标要求；基于R-O模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在90%以上，与试验应力-应变曲线吻合良好，故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。
2023, 40(3): 213-224.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0743
摘要:
为揭示酸雨环境中低矮RC剪力墙的抗震性能变化规律，在人工气候实验室中模拟酸雨环境，对5榀低矮RC剪力墙进行加速腐蚀，在达到预期腐蚀目标后对其进行拟静力加载试验。以此研究酸雨腐蚀程度相同情况下，不同设计参数对剪力墙试件承载力、变形等指标的影响。试验结果表明：酸雨环境下，H+、\begin{document}${\rm{SO}}_4^{2-} $\end{document} ![]()
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\begin{document}${\rm{NO}}_3^{-} $\end{document} ![]()
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为揭示酸雨环境中低矮RC剪力墙的抗震性能变化规律，在人工气候实验室中模拟酸雨环境，对5榀低矮RC剪力墙进行加速腐蚀，在达到预期腐蚀目标后对其进行拟静力加载试验。以此研究酸雨腐蚀程度相同情况下，不同设计参数对剪力墙试件承载力、变形等指标的影响。试验结果表明：酸雨环境下，H+、
2023, 40(3): 225-237.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0757
摘要:
受水化放热的影响，大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用，极易发生损伤、开裂等不利行为，会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题，该文基于经典损伤理论框架，发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型，综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而，基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系，引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变，根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形，并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。结合相应的显式求解算法，将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析，并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明：该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟，对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。
受水化放热的影响，大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用，极易发生损伤、开裂等不利行为，会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题，该文基于经典损伤理论框架，发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型，综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而，基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系，引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变，根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形，并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。结合相应的显式求解算法，将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析，并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明：该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟，对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。
2023, 40(3): 238-244.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0715
摘要:
随着大型装备制造及航天工程的发展，桁架在结构轻量化设计中的作用越来越显著。针对桁架结构各方向上不同的承载需求，利用连续体等效方法研究了三棱直线桁架的承载特性。考虑桁架截面特征，基于能量等效原则将离散桁架等效为连续介质梁模型，获得连续介质梁模型的等效刚度和等效质量，对比验证了桁架结构的数值计算频率和等效梁模型的理论推导结果，研究了在改变桁架横截面边长比例时其横向弯曲刚度和频率的变化趋势，分析了单胞形式对桁架横向弯曲刚度及频率的影响。研究结论对桁架结构在工程中的应用有一定的指导意义。
随着大型装备制造及航天工程的发展，桁架在结构轻量化设计中的作用越来越显著。针对桁架结构各方向上不同的承载需求，利用连续体等效方法研究了三棱直线桁架的承载特性。考虑桁架截面特征，基于能量等效原则将离散桁架等效为连续介质梁模型，获得连续介质梁模型的等效刚度和等效质量，对比验证了桁架结构的数值计算频率和等效梁模型的理论推导结果，研究了在改变桁架横截面边长比例时其横向弯曲刚度和频率的变化趋势，分析了单胞形式对桁架横向弯曲刚度及频率的影响。研究结论对桁架结构在工程中的应用有一定的指导意义。
2023, 40(3): 245-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0761
摘要:
针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大，崩齿、碎齿严重等问题，各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距，提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率，进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明：在切削花岗岩且切深为1.0 mm时，平面齿组合的最优布齿间距为10 mm，斧形齿为12 mm，锥形齿为3 mm，三平面齿为11 mm。混合布齿组合中，“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm，“平面齿+锥形齿”为8 mm，“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中，包含三平面齿的组合其破岩比功最低，破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。
针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大，崩齿、碎齿严重等问题，各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距，提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率，进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明：在切削花岗岩且切深为1.0 mm时，平面齿组合的最优布齿间距为10 mm，斧形齿为12 mm，锥形齿为3 mm，三平面齿为11 mm。混合布齿组合中，“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm，“平面齿+锥形齿”为8 mm，“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中，包含三平面齿的组合其破岩比功最低，破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。
