2023年 第40卷 第5期
2023, 40(5): 1-19.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.ST05
摘要:
双连拱隧道因其较高的空间利用率而在工程中被广泛应用，然而在后行洞施工过程中先行洞衬砌常发生开裂。为研究此过程中衬砌的开裂及力学行为，该文提出了将分布式光纤监测、反演分析方法及可反映混凝土开裂行为的有限元模拟相结合的研究方法，在广泛调研国内外文献的基础上，梳理总结了该课题组研究相关成果，包括：依托于实际工程，实现了分布式光纤监测在连拱隧道施工中的应用；提出了精度更高的衬砌结构力学行为反演分析方法；验证了利用总应变旋转裂缝本构模型反映复杂受力及约束下的钢筋混凝土构件力学性能和开裂模式的可行性。该文的研究方法与结论可为有关工程实践提供参考。
双连拱隧道因其较高的空间利用率而在工程中被广泛应用，然而在后行洞施工过程中先行洞衬砌常发生开裂。为研究此过程中衬砌的开裂及力学行为，该文提出了将分布式光纤监测、反演分析方法及可反映混凝土开裂行为的有限元模拟相结合的研究方法，在广泛调研国内外文献的基础上，梳理总结了该课题组研究相关成果，包括：依托于实际工程，实现了分布式光纤监测在连拱隧道施工中的应用；提出了精度更高的衬砌结构力学行为反演分析方法；验证了利用总应变旋转裂缝本构模型反映复杂受力及约束下的钢筋混凝土构件力学性能和开裂模式的可行性。该文的研究方法与结论可为有关工程实践提供参考。
2023, 40(5): 20-31.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0836
摘要:
在显式动力计算中引入粘弹性人工边界时，受人工边界刚度和阻尼等因素影响，整体模型的数值积分稳定性将变得更为严格，这在一定程度上限制了粘弹性人工边界在大规模显式动力计算中的应用。该文基于对采用粘弹性人工边界的显式时域逐步积分算法稳定性条件的分析及其影响因素的研究，提出通过对人工边界附加集中质量来改善其数值积分稳定性的方法，发展了稳定性更优的改进粘弹性人工边界。为确定合理的人工边界质量值，利用基于局部子系统的稳定性分析方法推导得到改进粘弹性人工边界的稳定性条件，通过比较分析给出人工边界质量参数的建议值。采用该建议值后，粘弹性人工边界区的数值积分稳定性条件优于内部计算域的稳定性条件，整体计算模型的稳定性由内部计算域控制，此时可以用常规的稳定性判别准则来确定临界时间积分步长。数值算例表明，该文提出的粘弹性人工边界数值积分稳定性改善方法在提高计算效率的同时保持原人工边界的计算精度，具有较强的实用性。
在显式动力计算中引入粘弹性人工边界时，受人工边界刚度和阻尼等因素影响，整体模型的数值积分稳定性将变得更为严格，这在一定程度上限制了粘弹性人工边界在大规模显式动力计算中的应用。该文基于对采用粘弹性人工边界的显式时域逐步积分算法稳定性条件的分析及其影响因素的研究，提出通过对人工边界附加集中质量来改善其数值积分稳定性的方法，发展了稳定性更优的改进粘弹性人工边界。为确定合理的人工边界质量值，利用基于局部子系统的稳定性分析方法推导得到改进粘弹性人工边界的稳定性条件，通过比较分析给出人工边界质量参数的建议值。采用该建议值后，粘弹性人工边界区的数值积分稳定性条件优于内部计算域的稳定性条件，整体计算模型的稳定性由内部计算域控制，此时可以用常规的稳定性判别准则来确定临界时间积分步长。数值算例表明，该文提出的粘弹性人工边界数值积分稳定性改善方法在提高计算效率的同时保持原人工边界的计算精度，具有较强的实用性。
2023, 40(5): 32-40.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0826
摘要:
为研究偏心圆柱绕流柱体的运动特征及其转化海流能等低流速流体能量的特性，开展了偏心圆柱绕流试验研究，测量了角度摆动、扭矩变化规律，分析了偏心圆柱的运动特征、水动力学性能，以及偏心圆柱绕流摆动动力学系统的混沌特性，计算了平均输出功率与能量转化效率。结果表明：偏心圆柱绕流摆动需要一定的启动流速，来流雷诺数大于一定数值时，发生偏心圆柱的摆动频率锁定现象；偏心圆柱绕流转化流体能量的效率与阻尼呈线性正比关系，随来流雷诺数的增大而减小，最大转化效率可达37%。偏心圆柱绕流摆动系统为一弱混沌系统，其运动规律可近似由线性方程拟合。依据斯特劳哈尔相似准则和拟合的运动规律预测了原型偏心圆柱绕流的运动规律和能量转化效率。研究成果可为海流能开发利用装备的设计研发提供理论基础和试验依据。
为研究偏心圆柱绕流柱体的运动特征及其转化海流能等低流速流体能量的特性，开展了偏心圆柱绕流试验研究，测量了角度摆动、扭矩变化规律，分析了偏心圆柱的运动特征、水动力学性能，以及偏心圆柱绕流摆动动力学系统的混沌特性，计算了平均输出功率与能量转化效率。结果表明：偏心圆柱绕流摆动需要一定的启动流速，来流雷诺数大于一定数值时，发生偏心圆柱的摆动频率锁定现象；偏心圆柱绕流转化流体能量的效率与阻尼呈线性正比关系，随来流雷诺数的增大而减小，最大转化效率可达37%。偏心圆柱绕流摆动系统为一弱混沌系统，其运动规律可近似由线性方程拟合。依据斯特劳哈尔相似准则和拟合的运动规律预测了原型偏心圆柱绕流的运动规律和能量转化效率。研究成果可为海流能开发利用装备的设计研发提供理论基础和试验依据。
2023, 40(5): 41-48.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0830
摘要:
沿海桥梁常受到破碎波浪作用，其中卷破波砰击严重威胁结构安全。该文通过理论和试验相结合的方法研究了方形桥墩受到的卷破波砰击荷载。以结构破波荷载经验计算公式和MLM理论模型为基础，建立了方形截面桥墩卷破波砰击荷载理论计算模型。通过卷破波水槽试验探究砰击角度与砰击荷载的关系；对比不同砰击角度理论和试验下方形桥墩截面砰击压强时程，验证了理论模型的有效性，结合试验与理论模型确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围。研究表明：卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小，砰击荷载越大；该文提出的理论模型能很好地描述方形截面砰击压强时程随砰击角度的变化情况；根据试验结果拟合得出了方形截面卷曲因子随砰击角度的变化公式。
沿海桥梁常受到破碎波浪作用，其中卷破波砰击严重威胁结构安全。该文通过理论和试验相结合的方法研究了方形桥墩受到的卷破波砰击荷载。以结构破波荷载经验计算公式和MLM理论模型为基础，建立了方形截面桥墩卷破波砰击荷载理论计算模型。通过卷破波水槽试验探究砰击角度与砰击荷载的关系；对比不同砰击角度理论和试验下方形桥墩截面砰击压强时程，验证了理论模型的有效性，结合试验与理论模型确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围。研究表明：卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小，砰击荷载越大；该文提出的理论模型能很好地描述方形截面砰击压强时程随砰击角度的变化情况；根据试验结果拟合得出了方形截面卷曲因子随砰击角度的变化公式。
2023, 40(5): 49-58.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0808
摘要:
为了实现对地铁低频环境振动的控制，提出了一种基于TID(Tuned inerter damper, 调谐惯容阻尼器)的浮置板板下隔振器，并以此形成新型浮置板轨道结构。分别探究了TID隔振器浮置板轨道的低频弹性波传播特性、简谐点荷载作用下振动特性以及列车荷载作用下减振效果；结合多目标遗传算法，开展了TID参数优化分析。结果表明：TID的引入使得传统钢弹簧浮置板新增弯曲波带隙，实现了对板内弹性波的调控；浮置板低频共振所致的振动放大问题得到较大改善。TID隔振器浮置板轨道在4 Hz~16 Hz频率范围内的减振效果得以提升，浮置板振动响应也得到减弱。
为了实现对地铁低频环境振动的控制，提出了一种基于TID(Tuned inerter damper, 调谐惯容阻尼器)的浮置板板下隔振器，并以此形成新型浮置板轨道结构。分别探究了TID隔振器浮置板轨道的低频弹性波传播特性、简谐点荷载作用下振动特性以及列车荷载作用下减振效果；结合多目标遗传算法，开展了TID参数优化分析。结果表明：TID的引入使得传统钢弹簧浮置板新增弯曲波带隙，实现了对板内弹性波的调控；浮置板低频共振所致的振动放大问题得到较大改善。TID隔振器浮置板轨道在4 Hz~16 Hz频率范围内的减振效果得以提升，浮置板振动响应也得到减弱。
2023, 40(5): 59-68.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0828
摘要:
基于隧道开挖下穿引起既有隧道变形的工况，获得了一种可计算既有隧道受力变形的解析方法。采用修正高斯公式解得既有隧道在盾构下穿作用下的附加应力，将既有隧道视为放置在Kerr地基上的无限长Euler-Bernoulli梁，结合隧道两端自由的情况获得上覆隧道受力变形响应。案例研究表明：与既有文献离心机试验比较，该方法计算结果符合离心机实测数据；与既有理论和可退化的Pasternak地基模型比较，该方法预测结果更贴近实测数据。进一步参数研究表明：双隧夹角的增大会引起既有隧道位移减小及弯矩增大；既有隧道的位移和弯矩会随着地层损失率的增大近似线性增大；既有隧道位移及弯矩会随着新建隧道埋深的增大逐渐减小。
基于隧道开挖下穿引起既有隧道变形的工况，获得了一种可计算既有隧道受力变形的解析方法。采用修正高斯公式解得既有隧道在盾构下穿作用下的附加应力，将既有隧道视为放置在Kerr地基上的无限长Euler-Bernoulli梁，结合隧道两端自由的情况获得上覆隧道受力变形响应。案例研究表明：与既有文献离心机试验比较，该方法计算结果符合离心机实测数据；与既有理论和可退化的Pasternak地基模型比较，该方法预测结果更贴近实测数据。进一步参数研究表明：双隧夹角的增大会引起既有隧道位移减小及弯矩增大；既有隧道的位移和弯矩会随着地层损失率的增大近似线性增大；既有隧道位移及弯矩会随着新建隧道埋深的增大逐渐减小。
2023, 40(5): 69-78, 92.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0752
摘要:
结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据，统计分析桥址区风场的平均风特性，以风速超过8 m/s为强风标准，分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明：深切峡谷地形对风场特征存在显著影响，风特性参数呈各向异性分布，最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近，各观测高度主风向均为SSE方向，强风攻角以负为主，风速、风攻角与风向具有显著相关性；风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型，风剖面指数随风速增大而减小，与风向具有显著相关性，拟合风剖面指数的均值为0.09；顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27，竖向紊流强度偏高，采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系；紊流积分尺度高于规范推荐值，随风速的增大而增大；实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳，竖向功率谱偏高，脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。
结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据，统计分析桥址区风场的平均风特性，以风速超过8 m/s为强风标准，分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明：深切峡谷地形对风场特征存在显著影响，风特性参数呈各向异性分布，最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近，各观测高度主风向均为SSE方向，强风攻角以负为主，风速、风攻角与风向具有显著相关性；风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型，风剖面指数随风速增大而减小，与风向具有显著相关性，拟合风剖面指数的均值为0.09；顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27，竖向紊流强度偏高，采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系；紊流积分尺度高于规范推荐值，随风速的增大而增大；实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳，竖向功率谱偏高，脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。
2023, 40(5): 79-92.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0812
摘要:
水平和竖向地震动强度参数的相关性是水平和竖向地震动选取等研究的重要基础。该文从PEER NGA-West2数据库中选取了975组地震动记录，基于水平向地震动四种合成方法，计算合成后的水平向地震动强度参数和竖向地震动强度参数。利用K-S检验、AIC和BIC准则，确定了水平和竖向地震动强度参数的最优边缘分布。采用Pearson线性相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数，分别计算了水平和竖向地震动强度参数相关性度量指标。利用AIC和BIC准则，确定了水平和竖向地震动强度参数最优Copula函数。综合最优边缘分布和最优Copula函数，建立了水平和竖向地震动强度参数联合分布模型，给出了以水平向地震动强度参数为条件的竖向地震动强度参数预测均值，并且研究了不同场地类别对其相关性结果的影响。研究表明：水平和竖向地震动强度参数的边缘分布以广义极值分布为主；在四类地震动强度参数中，与时程相关的地震动强度参数相关性最高；Copula函数是一个建立水平和竖向地震动强度参数的联合分布模型的有效工具；基于四种方法合成的水平地震动强度参数与竖向地震动强度参数间的相关性基本相同；不同场地类别下水平和竖向地震动强度参数间的相关性差别不大。
水平和竖向地震动强度参数的相关性是水平和竖向地震动选取等研究的重要基础。该文从PEER NGA-West2数据库中选取了975组地震动记录，基于水平向地震动四种合成方法，计算合成后的水平向地震动强度参数和竖向地震动强度参数。利用K-S检验、AIC和BIC准则，确定了水平和竖向地震动强度参数的最优边缘分布。采用Pearson线性相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数，分别计算了水平和竖向地震动强度参数相关性度量指标。利用AIC和BIC准则，确定了水平和竖向地震动强度参数最优Copula函数。综合最优边缘分布和最优Copula函数，建立了水平和竖向地震动强度参数联合分布模型，给出了以水平向地震动强度参数为条件的竖向地震动强度参数预测均值，并且研究了不同场地类别对其相关性结果的影响。研究表明：水平和竖向地震动强度参数的边缘分布以广义极值分布为主；在四类地震动强度参数中，与时程相关的地震动强度参数相关性最高；Copula函数是一个建立水平和竖向地震动强度参数的联合分布模型的有效工具；基于四种方法合成的水平地震动强度参数与竖向地震动强度参数间的相关性基本相同；不同场地类别下水平和竖向地震动强度参数间的相关性差别不大。
2023, 40(5): 93-103, 139.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0799
摘要:
采用形状记忆合金(SMA)、粘弹性橡胶等材料的结构，其地震响应存在温度相关性，对其结构性能的评估应考虑温度影响和区域温度分布特性的不确定性。以第二代基于性能的地震工程评估框架为基础，该文提出一种考虑区域温度分布特性的温度相关型结构地震风险评估方法。该方法将传统地震易损性扩展为地震动强度-温度联合易损性，在此基础上得到包含温度分布信息的修正区域易损性，并用于评估结构地震风险。基于该方法，该文以9层SMA支撑钢框架结构作为分析对象，研究温度对结构性能的影响。选取北京和文昌为案例地区，给出其区域温度分布特性描述，并计算对象结构的地震风险曲线。结果表明：环境温度降低将影响结构变形分布。同时，结构在低温下更易发生倒塌。相对于位于文昌和设计基准温度下的对象结构，位于北京的对象结构具有更高的倒塌风险。所提出的方法能够量化评估不同地区温度相关型结构的地震风险。
采用形状记忆合金(SMA)、粘弹性橡胶等材料的结构，其地震响应存在温度相关性，对其结构性能的评估应考虑温度影响和区域温度分布特性的不确定性。以第二代基于性能的地震工程评估框架为基础，该文提出一种考虑区域温度分布特性的温度相关型结构地震风险评估方法。该方法将传统地震易损性扩展为地震动强度-温度联合易损性，在此基础上得到包含温度分布信息的修正区域易损性，并用于评估结构地震风险。基于该方法，该文以9层SMA支撑钢框架结构作为分析对象，研究温度对结构性能的影响。选取北京和文昌为案例地区，给出其区域温度分布特性描述，并计算对象结构的地震风险曲线。结果表明：环境温度降低将影响结构变形分布。同时，结构在低温下更易发生倒塌。相对于位于文昌和设计基准温度下的对象结构，位于北京的对象结构具有更高的倒塌风险。所提出的方法能够量化评估不同地区温度相关型结构的地震风险。
2023, 40(5): 104-116.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0823
摘要:
近断层脉冲型地震动具有短时高能量的脉冲特性，会对埋地管道等长周期结构造成较为严重的破坏。为研究近断层脉冲型地震动影响的埋地管道抗震性能，该文基于简化速度脉冲模型，结合脉冲周期、脉冲峰值的经验统计公式，模拟了不同地震动的方向性脉冲分量和滑冲脉冲分量，通过与ATC-63报告推荐的远场地震动中的高频成份进行叠加，合成了具有多种频率成分的近断层脉冲型地震动；在此基础上，进一步考虑空间变异性，生成了的空间相关多点非平稳地震动。利用ANSYS软件进行有限元建模，输入人工合成的地震动进行增量动力时程分析，建立了PGV与埋地管道最大应变之间关系的概率地震需求模型，结合管道极限破坏状态的划分，进而建立了考虑不确定性的不同管材、管径、壁厚及填覆土的埋地管道地震易损性模型。该模型为跨断层埋地管道地震风险评估中的地震易损性分析提供了理论基础。
近断层脉冲型地震动具有短时高能量的脉冲特性，会对埋地管道等长周期结构造成较为严重的破坏。为研究近断层脉冲型地震动影响的埋地管道抗震性能，该文基于简化速度脉冲模型，结合脉冲周期、脉冲峰值的经验统计公式，模拟了不同地震动的方向性脉冲分量和滑冲脉冲分量，通过与ATC-63报告推荐的远场地震动中的高频成份进行叠加，合成了具有多种频率成分的近断层脉冲型地震动；在此基础上，进一步考虑空间变异性，生成了的空间相关多点非平稳地震动。利用ANSYS软件进行有限元建模，输入人工合成的地震动进行增量动力时程分析，建立了PGV与埋地管道最大应变之间关系的概率地震需求模型，结合管道极限破坏状态的划分，进而建立了考虑不确定性的不同管材、管径、壁厚及填覆土的埋地管道地震易损性模型。该模型为跨断层埋地管道地震风险评估中的地震易损性分析提供了理论基础。
2023, 40(5): 117-124.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0824
摘要:
基于地震动峰值和频谱，提出了一种适用于地震工程领域、流程简单的主余震序列构造方法，构造出7条主余震序列地震动。对一12层的预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑RC框架结构在主余震下的抗震性能进行分析，并与防屈曲支撑(BRB)结构进行对比。结果表明：两种支撑都具有稳定的滞回性能，且滞回环饱满；PS-SCED支撑还具备良好的自复位特性，PS-SCED支撑结构最大残余位移角比BRB结构减小74.7%；在主余震序列作用下，PS-SCED支撑结构的顶层残余位移角和结构耗能比仅主震作用下的值增大，最大增幅为35.3%和19.6%。余震会使结构的耗能和损伤增加，PS-SCED支撑能够显著提高RC框架结构的抗震性能。
基于地震动峰值和频谱，提出了一种适用于地震工程领域、流程简单的主余震序列构造方法，构造出7条主余震序列地震动。对一12层的预压碟簧自复位耗能(PS-SCED)支撑RC框架结构在主余震下的抗震性能进行分析，并与防屈曲支撑(BRB)结构进行对比。结果表明：两种支撑都具有稳定的滞回性能，且滞回环饱满；PS-SCED支撑还具备良好的自复位特性，PS-SCED支撑结构最大残余位移角比BRB结构减小74.7%；在主余震序列作用下，PS-SCED支撑结构的顶层残余位移角和结构耗能比仅主震作用下的值增大，最大增幅为35.3%和19.6%。余震会使结构的耗能和损伤增加，PS-SCED支撑能够显著提高RC框架结构的抗震性能。
2023, 40(5): 125-139.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0827
摘要:
将具有良好控裂耗能能力和抗剥落性能的水泥基材料UHTCC应用于型钢混凝土SRC短柱，制作并完成了7个型钢-UHTCC(SUHTCC)短柱和1个SRC对比短柱的拟静力试验。试验主要变量为：配箍率、轴压比和翼缘栓钉布置。结果表明：UHTCC的使用可有效避免SRC短柱粘结裂缝的滋生，减缓剪切主裂缝的扩展，能够将SRC短柱的脆性剪切粘结混合破坏模式转变为延性较好的剪切破坏模式，大幅提升短柱的震后完整性；对SUHTCC短柱，增大配箍率对承载力几乎没有影响，但需确保箍筋最大间距以延缓粘结破坏，高配箍率的试件能显示出较好的峰后滞回曲线，具有较高的极限变形和耗能；轴压比对抗震破坏形态和力学性能影响较小，高轴压比下依然拥有较高的大变形能力和良好的抗震耗能；与型钢翼缘没有布置栓钉的SUHTCC试件相比，布置栓钉的SUHTCC短柱表现出更为饱满的峰前抗震滞回曲线，对峰前行为的影响较为显著，但峰后破坏加快导致延性降低。最后采用3种不同规范对SUHTCC短柱受剪承载力进行了预测，初步验证了现行JGJ 138−2016规范受剪承载力计算公式的适用性，并对SUHTCC短柱的剪切变形进行了定量分析，讨论了各参数对剪切变形的限制能力。
将具有良好控裂耗能能力和抗剥落性能的水泥基材料UHTCC应用于型钢混凝土SRC短柱，制作并完成了7个型钢-UHTCC(SUHTCC)短柱和1个SRC对比短柱的拟静力试验。试验主要变量为：配箍率、轴压比和翼缘栓钉布置。结果表明：UHTCC的使用可有效避免SRC短柱粘结裂缝的滋生，减缓剪切主裂缝的扩展，能够将SRC短柱的脆性剪切粘结混合破坏模式转变为延性较好的剪切破坏模式，大幅提升短柱的震后完整性；对SUHTCC短柱，增大配箍率对承载力几乎没有影响，但需确保箍筋最大间距以延缓粘结破坏，高配箍率的试件能显示出较好的峰后滞回曲线，具有较高的极限变形和耗能；轴压比对抗震破坏形态和力学性能影响较小，高轴压比下依然拥有较高的大变形能力和良好的抗震耗能；与型钢翼缘没有布置栓钉的SUHTCC试件相比，布置栓钉的SUHTCC短柱表现出更为饱满的峰前抗震滞回曲线，对峰前行为的影响较为显著，但峰后破坏加快导致延性降低。最后采用3种不同规范对SUHTCC短柱受剪承载力进行了预测，初步验证了现行JGJ 138−2016规范受剪承载力计算公式的适用性，并对SUHTCC短柱的剪切变形进行了定量分析，讨论了各参数对剪切变形的限制能力。
2023, 40(5): 140-150.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0829
摘要:
研究表明：高层建筑表面附属物，如外伸水平和竖向肋板，能大幅降低结构风荷载。然而，此类气动优化措施的作用机理尚不清楚。针对这一问题最有效的方法是对气动优化前后的建筑周围流场进行对比分析以明确优化措施对流场的作用效果。该文通过粒子图像测速 (PIV) 试验研究了5种不同布置形式的外伸肋板对高层建筑周围流场的影响，通过对比不同类型外伸肋板对平均和脉动流场的影响，分析了外伸肋板的作用效果，揭示了外伸肋板气动优化的工作机理。结果表明：水平连续横板可以明显限制流场的竖向流动，降低剪切层内的湍流强度。相比水平横板，外伸竖板能更明显地修正模型周围的脉动流场。外伸竖板接近建筑角部时可以改变来流的流动分离过程，减小建筑两侧剪切层曲率，明显减弱建筑周围顺风向和横风向湍流强度。水平和竖向外伸肋板使尾涡沿顺风向和横风向尺寸明显增大。以上流场特征的变化直接影响了作用于建筑上的平均和脉动风荷载。
研究表明：高层建筑表面附属物，如外伸水平和竖向肋板，能大幅降低结构风荷载。然而，此类气动优化措施的作用机理尚不清楚。针对这一问题最有效的方法是对气动优化前后的建筑周围流场进行对比分析以明确优化措施对流场的作用效果。该文通过粒子图像测速 (PIV) 试验研究了5种不同布置形式的外伸肋板对高层建筑周围流场的影响，通过对比不同类型外伸肋板对平均和脉动流场的影响，分析了外伸肋板的作用效果，揭示了外伸肋板气动优化的工作机理。结果表明：水平连续横板可以明显限制流场的竖向流动，降低剪切层内的湍流强度。相比水平横板，外伸竖板能更明显地修正模型周围的脉动流场。外伸竖板接近建筑角部时可以改变来流的流动分离过程，减小建筑两侧剪切层曲率，明显减弱建筑周围顺风向和横风向湍流强度。水平和竖向外伸肋板使尾涡沿顺风向和横风向尺寸明显增大。以上流场特征的变化直接影响了作用于建筑上的平均和脉动风荷载。
2023, 40(5): 151-160.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0831
摘要:
基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009−2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。
基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009−2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。
2023, 40(5): 161-171.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0832
摘要:
土体动剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ随剪应变幅值γa的变化曲线的不确定性对场地非线性地震反应分析结果的不确定性有重要影响。以莱州湾海床110 m以浅的原状粉质黏土试样G/Gmax和λ的试验数据为例，采用Davidenkov骨架曲线描述G/Gmax曲线，λ表示为小应变阻尼比λmin和G/Gmax的函数，发现描述G/Gmax曲线的参数A、B、γr及λmin的预测方程均为海床深度H的函数。基于点估计法的不确定性传递分析表明，参数A、B和γr三者的不确定性共同引起的预测G/Gmax的总体不确定性以及仅由单一参数A、B、γr值的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性均随γa的增大而先增大后减小。预测G/Gmax的总体不确定性和仅由B或γr的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性均随H的增加而降低；参数A的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性随H的增加而增大。由G/Gmax和λmin两者的不确定性引起的预测λ的总体不确定性以及仅由G/Gmax的不确定性引起的预测λ的单变量不确定性均随γa的增大而略有先增大后减小的趋势，且均随H的增大而略有减小。由λmin的不确定性引起的预测λ的单变量不确定性与γa无关且随H的增大而略有增大。
土体动剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ随剪应变幅值γa的变化曲线的不确定性对场地非线性地震反应分析结果的不确定性有重要影响。以莱州湾海床110 m以浅的原状粉质黏土试样G/Gmax和λ的试验数据为例，采用Davidenkov骨架曲线描述G/Gmax曲线，λ表示为小应变阻尼比λmin和G/Gmax的函数，发现描述G/Gmax曲线的参数A、B、γr及λmin的预测方程均为海床深度H的函数。基于点估计法的不确定性传递分析表明，参数A、B和γr三者的不确定性共同引起的预测G/Gmax的总体不确定性以及仅由单一参数A、B、γr值的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性均随γa的增大而先增大后减小。预测G/Gmax的总体不确定性和仅由B或γr的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性均随H的增加而降低；参数A的不确定性引起的预测G/Gmax的单变量不确定性随H的增加而增大。由G/Gmax和λmin两者的不确定性引起的预测λ的总体不确定性以及仅由G/Gmax的不确定性引起的预测λ的单变量不确定性均随γa的增大而略有先增大后减小的趋势，且均随H的增大而略有减小。由λmin的不确定性引起的预测λ的单变量不确定性与γa无关且随H的增大而略有增大。
2023, 40(5): 172-181.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0838
摘要:
隧道外水压力和涌水量是水下隧道施工的重要参数。针对以往大多是基于半无限含水层模型求解隧道渗流场，只考虑了单一边界的影响，而对边界条件复杂的隧道渗流场求解存在局限性的问题。建立有限含水层内带衬砌隧道渗流模型；基于镜像法，将该模型转化为无限平面内直线多隧道渗流模型，推导了水头及涌水量解析公式，通过数值解对比及公式退化验算，验证了该解的准确性；基于此解，研究了含水层厚度h、隧道埋深比(d/R1)、注浆圈参数等对水头分布及隧道涌水量的影响。研究结果表明：任意位置的水头随含水层厚度的增大而增大，隧道越靠近不透水边界，隧道上、下方的水头差越大；隧道与不透水边界距离小于3倍隧道直径时，隧道埋深比对涌水量、衬砌外水头的影响显著，二者的值出现陡降；提高注浆圈抗渗性比增大注浆圈厚度更能降低隧道涌水量。研究成果可为有限含水层地区隧道渗流场预测提供一定理论依据。
隧道外水压力和涌水量是水下隧道施工的重要参数。针对以往大多是基于半无限含水层模型求解隧道渗流场，只考虑了单一边界的影响，而对边界条件复杂的隧道渗流场求解存在局限性的问题。建立有限含水层内带衬砌隧道渗流模型；基于镜像法，将该模型转化为无限平面内直线多隧道渗流模型，推导了水头及涌水量解析公式，通过数值解对比及公式退化验算，验证了该解的准确性；基于此解，研究了含水层厚度h、隧道埋深比(d/R1)、注浆圈参数等对水头分布及隧道涌水量的影响。研究结果表明：任意位置的水头随含水层厚度的增大而增大，隧道越靠近不透水边界，隧道上、下方的水头差越大；隧道与不透水边界距离小于3倍隧道直径时，隧道埋深比对涌水量、衬砌外水头的影响显著，二者的值出现陡降；提高注浆圈抗渗性比增大注浆圈厚度更能降低隧道涌水量。研究成果可为有限含水层地区隧道渗流场预测提供一定理论依据。
2023, 40(5): 182-194.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0839
摘要:
相比圆形钢管桁架，矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势，并已广泛应用于桥梁工程中，鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要，该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法，并与试验进行验证；通过参数分析，研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响；多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式，并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明：有限元结果与试验结果比值均值为1.012，变异系数为0.034，两者最大差值仅为5.5%，表明有限元计算结果可靠；节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关，θ与Y呈负相关，其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化，改变了裂纹尖端应力场，从而影响了裂纹扩展速率，裂纹几何参数c/a与Y呈正相关，但影响不明显，a/t0与Y呈负相关；提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好，且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度；圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点，平均提高24.9%，说明在相同荷载工况下，圆形钢管节点裂纹扩展速率更快，算例分析也进一步验证该结论，圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次，低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。
相比圆形钢管桁架，矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势，并已广泛应用于桥梁工程中，鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要，该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法，并与试验进行验证；通过参数分析，研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响；多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式，并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明：有限元结果与试验结果比值均值为1.012，变异系数为0.034，两者最大差值仅为5.5%，表明有限元计算结果可靠；节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关，θ与Y呈负相关，其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化，改变了裂纹尖端应力场，从而影响了裂纹扩展速率，裂纹几何参数c/a与Y呈正相关，但影响不明显，a/t0与Y呈负相关；提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好，且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度；圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点，平均提高24.9%，说明在相同荷载工况下，圆形钢管节点裂纹扩展速率更快，算例分析也进一步验证该结论，圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次，低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。
2023, 40(5): 195-203.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0851
摘要:
该文提出了一种具有高弹塑性屈曲荷载、大延性变形能力的梯形波纹钢板剪力墙，并通过试验研究和数值模拟，研究了墙板参数对其滞回特性、失效模式和抗震性能指标的影响规律。研究结果表明：波纹钢板剪力墙试件表现出优秀的滞回特性，墙板屈曲均发生在变形较大的弹塑性阶段，弹塑性屈曲位移角可达2%以上；墙板宽厚比的增大可以显著提高屈曲位移角和承载能力，面外波折角度的增大能够一定程度提高屈曲位移角和承载能力；墙板宽高比的增大会减小屈曲位移角，并导致屈曲后承载力退化加快。
该文提出了一种具有高弹塑性屈曲荷载、大延性变形能力的梯形波纹钢板剪力墙，并通过试验研究和数值模拟，研究了墙板参数对其滞回特性、失效模式和抗震性能指标的影响规律。研究结果表明：波纹钢板剪力墙试件表现出优秀的滞回特性，墙板屈曲均发生在变形较大的弹塑性阶段，弹塑性屈曲位移角可达2%以上；墙板宽厚比的增大可以显著提高屈曲位移角和承载能力，面外波折角度的增大能够一定程度提高屈曲位移角和承载能力；墙板宽高比的增大会减小屈曲位移角，并导致屈曲后承载力退化加快。
2023, 40(5): 204-216, 256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0854
摘要:
为了研究钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火保护层厚度的计算方法，设计加工了6个多腔式钢管混凝土异形柱试件，研究参数包括截面形状和防火保护层厚度，防火保护层采用非膨胀型防火涂料。通过耐火性能试验研究了试件的破坏形态、温度场分布和耐火极限。结果表明：钢管混凝土异形柱各腔室受火面数量越多，混凝土中心温度越高；防火涂料厚度相同时，截面形状对试件耐火极限影响较小；当防火涂料厚度大于16 mm时，文中试件可达到一级耐火等级的要求。基于有限元软件ABAQUS分别建立了温度场和热力耦合分析模型，有限元结果和试验结果吻合良好。在不同防火涂料厚度下进行了参数分析，发现荷载比(n)和混凝土强度(fck)对有无防火涂料试件耐火极限的比值(te/t0)影响较大，基于参数分析结果提出了钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火涂料厚度的设计方法。
为了研究钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火保护层厚度的计算方法，设计加工了6个多腔式钢管混凝土异形柱试件，研究参数包括截面形状和防火保护层厚度，防火保护层采用非膨胀型防火涂料。通过耐火性能试验研究了试件的破坏形态、温度场分布和耐火极限。结果表明：钢管混凝土异形柱各腔室受火面数量越多，混凝土中心温度越高；防火涂料厚度相同时，截面形状对试件耐火极限影响较小；当防火涂料厚度大于16 mm时，文中试件可达到一级耐火等级的要求。基于有限元软件ABAQUS分别建立了温度场和热力耦合分析模型，有限元结果和试验结果吻合良好。在不同防火涂料厚度下进行了参数分析，发现荷载比(n)和混凝土强度(fck)对有无防火涂料试件耐火极限的比值(te/t0)影响较大，基于参数分析结果提出了钢管混凝土异形柱在偏心荷载作用下防火涂料厚度的设计方法。
2023, 40(5): 217-227.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0016
摘要:
环境激励下利用时域振动响应构建的内积矩阵是结构健康监测中一种较好的结构特征参数。为了提升结构健康监测方法的识别准确率，构建内积矩阵时往往需要较多的振动响应测点，这将直接影响方法的工程实用性。该文基于时域振动响应的相关性分析理论，将内积矩阵扩展到了相关函数矩阵，实现从少量的振动响应测点中获取更多的结构健康特征信息，以降低结构健康监测方法对测点数量的需求。进一步结合卷积神经网络优异的数据特征提取能力，以相关函数矩阵为输入、结构健康状态为输出，提出了基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测方法。典型航空加筋壁板螺栓松动监测的实验研究结果表明，仅采用结构上任意2个测点的时域振动响应，该文方法针对螺栓松动位置的识别准确率可达99%以上。
环境激励下利用时域振动响应构建的内积矩阵是结构健康监测中一种较好的结构特征参数。为了提升结构健康监测方法的识别准确率，构建内积矩阵时往往需要较多的振动响应测点，这将直接影响方法的工程实用性。该文基于时域振动响应的相关性分析理论，将内积矩阵扩展到了相关函数矩阵，实现从少量的振动响应测点中获取更多的结构健康特征信息，以降低结构健康监测方法对测点数量的需求。进一步结合卷积神经网络优异的数据特征提取能力，以相关函数矩阵为输入、结构健康状态为输出，提出了基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测方法。典型航空加筋壁板螺栓松动监测的实验研究结果表明，仅采用结构上任意2个测点的时域振动响应，该文方法针对螺栓松动位置的识别准确率可达99%以上。
2023, 40(5): 228-235.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0863
摘要:
船体板材不可避免地存在不同形式的开孔，开孔破坏了结构的连续性，对结构的强度、稳定性具有重要影响，因此研究船体板开孔结构的屈曲特性对保证船舶安全十分重要。在面内载荷作用下，通过画框型剪切夹具、3D 全场变形测量-分析系统等对两种不同形式的船体开孔薄板进行剪切屈曲试验，获得了圆形开孔板和方形开孔板的临界屈曲载荷、全场位移/应变信息和拉力-伸长率曲线等；考虑试验夹具的影响，基于Abaqus对不同形式的开孔板进行数值仿真，通过对开孔板进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，获得了两种不同形式船用开孔薄板的屈曲、后屈曲力学响应信息。通过数值仿真与试验结果的对比研究，验证了数值仿真方法的有效性、准确性。在此基础上，重点剖析载荷-伸长率关系、典型时刻板面全场位移、临界屈曲载荷以及开孔边缘的应力分布响应特征，明确了面积等效情况下圆孔和倒圆角方孔对方形薄板剪切稳定性的影响。为船用薄板面内剪切稳定性的试验和仿真研究以及大型船体结构的设计优化、力学性能评估等提供有益参考。
船体板材不可避免地存在不同形式的开孔，开孔破坏了结构的连续性，对结构的强度、稳定性具有重要影响，因此研究船体板开孔结构的屈曲特性对保证船舶安全十分重要。在面内载荷作用下，通过画框型剪切夹具、3D 全场变形测量-分析系统等对两种不同形式的船体开孔薄板进行剪切屈曲试验，获得了圆形开孔板和方形开孔板的临界屈曲载荷、全场位移/应变信息和拉力-伸长率曲线等；考虑试验夹具的影响，基于Abaqus对不同形式的开孔板进行数值仿真，通过对开孔板进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，获得了两种不同形式船用开孔薄板的屈曲、后屈曲力学响应信息。通过数值仿真与试验结果的对比研究，验证了数值仿真方法的有效性、准确性。在此基础上，重点剖析载荷-伸长率关系、典型时刻板面全场位移、临界屈曲载荷以及开孔边缘的应力分布响应特征，明确了面积等效情况下圆孔和倒圆角方孔对方形薄板剪切稳定性的影响。为船用薄板面内剪切稳定性的试验和仿真研究以及大型船体结构的设计优化、力学性能评估等提供有益参考。
2023, 40(5): 236-244.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0807
摘要:
在势流理论和线性波理论的假设下，运用特征函数展开法和贝塞尔函数加法理论，研究了规则波作用下开孔圆盘阵列的绕射效应。阵列中每个圆盘都是刚性、开孔的，固定在静水面以下，其厚度相对于入射波波长可以忽略，且通过其表面的流体运动满足达西定律。根据推导出的速度势，进一步得到圆盘的垂荡力和流场的自由表面高程解析表达式。利用该解析解与已发表的孤立圆盘计算结果进行验证；分析了四盘阵列在各种波浪和结构参数下的绕射现象。研究表明：当圆盘开孔率、吃水深度及入射波波长在一定范围内时，圆盘阵列内部将发生显著的相互作用现象，主要表现为迎浪侧圆盘对背浪侧圆盘的遮蔽效应。在特定的入射波波数下，选择适当的四盘阵列圆盘间距，最大可将背浪侧圆盘垂荡力降低至迎浪侧圆盘的76%。同时还发现，四盘阵列中，迎浪侧圆盘上可能发生波能聚焦现象，引起自由表面高程的急剧增大，但这种波能聚焦现象会随着圆盘开孔率的增大而逐渐减弱。
在势流理论和线性波理论的假设下，运用特征函数展开法和贝塞尔函数加法理论，研究了规则波作用下开孔圆盘阵列的绕射效应。阵列中每个圆盘都是刚性、开孔的，固定在静水面以下，其厚度相对于入射波波长可以忽略，且通过其表面的流体运动满足达西定律。根据推导出的速度势，进一步得到圆盘的垂荡力和流场的自由表面高程解析表达式。利用该解析解与已发表的孤立圆盘计算结果进行验证；分析了四盘阵列在各种波浪和结构参数下的绕射现象。研究表明：当圆盘开孔率、吃水深度及入射波波长在一定范围内时，圆盘阵列内部将发生显著的相互作用现象，主要表现为迎浪侧圆盘对背浪侧圆盘的遮蔽效应。在特定的入射波波数下，选择适当的四盘阵列圆盘间距，最大可将背浪侧圆盘垂荡力降低至迎浪侧圆盘的76%。同时还发现，四盘阵列中，迎浪侧圆盘上可能发生波能聚焦现象，引起自由表面高程的急剧增大，但这种波能聚焦现象会随着圆盘开孔率的增大而逐渐减弱。
2023, 40(5): 245-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0822
摘要:
帷幕式防波堤下部透水，利于港内外的海水交换，防止水质恶化，维持原始水域生态平衡，因此模拟波浪与防波堤的相互作用具有重要的现实意义。该文基于高阶紧致插值CIP(Constrained Interpolation Profile)方法的二维波浪数值模型水槽，通过与文献结果进行比较，结果表明：该文数值模型能够有效地模拟孤立波在冲击帷幕式防波堤过程中的波浪破碎等强非线性现象。通过数值模拟，描述了帷幕式防波堤在不同的宽度和浸没深度情况下与孤立波之间的相互作用中流速和涡度的演变过程，并讨论了孤立波波高和帷幕式防波堤结构尺寸对反射、透射、耗散系数以及在帷幕式防波堤上冲击力的影响。研究表明：帷幕式防波堤的相对浸没深度越大时，消浪效果良好，同时帷幕式防波堤的相对宽度对消浪效果的影响较大。
帷幕式防波堤下部透水，利于港内外的海水交换，防止水质恶化，维持原始水域生态平衡，因此模拟波浪与防波堤的相互作用具有重要的现实意义。该文基于高阶紧致插值CIP(Constrained Interpolation Profile)方法的二维波浪数值模型水槽，通过与文献结果进行比较，结果表明：该文数值模型能够有效地模拟孤立波在冲击帷幕式防波堤过程中的波浪破碎等强非线性现象。通过数值模拟，描述了帷幕式防波堤在不同的宽度和浸没深度情况下与孤立波之间的相互作用中流速和涡度的演变过程，并讨论了孤立波波高和帷幕式防波堤结构尺寸对反射、透射、耗散系数以及在帷幕式防波堤上冲击力的影响。研究表明：帷幕式防波堤的相对浸没深度越大时，消浪效果良好，同时帷幕式防波堤的相对宽度对消浪效果的影响较大。
