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重载和腐蚀共同作用下钢桥的时变疲劳可靠性分析
聂磊, 王维, 邓露
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0702
摘要:
提出了一种能考虑重载和腐蚀耦合作用的钢桥时变疲劳可靠性分析方法。以某钢混组合简支梁桥为例,研究了日均卡车交通量、等效荷载总重、腐蚀性等级等因素对其疲劳失效概率的影响规律,计算了其疲劳细节在多种工况下的疲劳失效概率,比较了多种腐蚀环境下基于确定性分析方法和可靠性分析方法计算的疲劳寿命结果。结果表明:该文提出的基于支持向量回归和蒙特卡洛模拟的框架可快速准确地计算腐蚀环境下钢桥的疲劳失效概率;日均卡车交通量、等效荷载总重和环境腐蚀性等级的增加会造成钢桥疲劳寿命显著缩短;当环境腐蚀性等级在C5及以下时,基于确定性分析估算的疲劳寿命趋于保守。然而,当环境腐蚀性等级到达CX时,基于确定性分析得到结果可能偏不保守,应充分考虑环境腐蚀的影响。
静电成形薄膜反射面天线的裁剪设计
杜雪林, 张瑞翔, 张康, 夏杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0473
摘要:
本文通过裁剪和拼接平面薄膜片来对静电成形薄膜反射面天线的表面进行设计制作。由于抛物面型薄膜反射面是一个不可展开表面,通常由许多平面薄膜片制作而成,将不可避免地降低反射面表面的精度。因此,需要详细地分析裁剪和拼接过程对反射面表面精度的影响,从而获得设计需要的表面精度。本文基于旋转抛物面的无矩理论建立了工作状态的反射面模型,采用常应变三角形单元离散反射面,建立了反射面的展平和拼接有限元模型。将同口径反射面沿经线划分若干组不同数量子曲面,通过子曲面进行展平和拼接数值仿真分析,对薄膜反射面进行裁剪设计。最后,制作了0.55 m口径的薄膜反射器,并进行了摄影测量实验。验证了该方法的有效性,并讨论了制造误差的影响。
建筑基本周期多因素机器学习预测模型
陈隽, 宋颖豪, 王泽涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0274
摘要:
建筑物基本周期是其最重要的动力特性参数,影响因素众多。受限于曲线拟合的传统建模手段,目前的基本周期预测模型表达式中仅能包含高度或层数等单一因素,而忽略其他因素的影响。数据驱动机器学习方法的出现,为建筑周期多因素预测模型的建立提供了新思路。研究从大量文献中收集整理了2561条建筑周期的实测数据,形成了包含建筑高度、层数、材料、功能、地区等多因素的建筑周期实测数据库。建立了具有自学习能力的建筑基本周期多因素机器学习预测模型,避免了一般机器学习模型中繁琐的参数调节过程,提升模型的鲁棒性和适用性。与传统模型结果的对比表明:所提预测模型的适用结构类型范围广、准确性更高,配合云端服务器可形成一种全新的、开放式自学习的建筑周期预测模式。
青藏高原环境下混凝土结构密实性超声无损检测研究
陈正, 陈犇, 逄子超, 吴昌杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.ST07
摘要:
青藏高原的环境条件限制常导致混凝土出现密实性缺陷问题,如何对混凝土的密实性缺陷进行精确的无损检测,是保障结构承载力及耐久性的关键。该文结合此前在西藏雅鲁藏布江藏木大桥与广西南宁实地开展的混凝土超声试验结果,基于不同气压下混凝土实体的超声波速计算模型,建立了以气压、水胶比为参数的混凝土实体部分超声波速计算模型;进一步对混凝土在不同孔隙率、缺陷条件、骨料分布情况条件下的超声波速进行了计算分析。揭示了孔隙率及缺陷条件对混凝土超声波速的影响规律及机理。研究了骨料分布占比对混凝土超声检测结果的影响规律,建立了混凝土整体超声波速的多因素计算模型,并提出了基于超声波速的混凝土密实性统计分析方法,可以为实际工程中混凝土结构密实性的超声无损检测结果分析提供理论依据。
北京2022年冬奥会内场主火炬抗风性能研究
李波, 胡涛, 田玉基, 刘悦, 卢啸, 张范, 宋晓峰, 白凡
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.07.0638
摘要:
北京2022年冬奥会和冬残奥会主火炬是典型的舞美造型结构体,呈大面积薄壁状,对风荷载极为敏感,在点火仪式中有倾斜支撑和竖直悬挂两种典型状态,其中,倾斜支撑状态需要确定结构设计所需的风荷载,竖直悬挂状态需要给出主火炬的风振响应。本文基于实测数据给出了国家体育场周边的平均风速剖面和湍流度剖面,通过缩尺模型风环境风洞试验及2月份局地风速概率分布,确定了主火炬结构倾斜支撑状态与竖直悬挂状态的正常运行风速;通过主火炬倾斜支撑和竖直悬挂状态的测力风洞试验,得到了作用于主火炬风荷载的体型系数;并通过随机振动分析给出了竖直悬挂状态的风振响应,为北京2022年冬奥会主火炬点火仪式的顺利进行提供了技术支撑。
基于低频简化频散方程的充流管道泄漏固体声波波速计算方法
刘泽龙, 李素贞
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0675
摘要:
由充流管道泄漏引致并在管壁上传播的声波被称为泄漏固体声波,其中波速的确定是实现管道泄漏定位的关键。针对适合泄漏定位的低频段的T(0, 1)模态、L(0, 1)模态和F(1, 1)模态,本文提出了一种基于低频简化频散方程的声波波速计算方法。该方法将低频简化的流体荷载和土体荷载施加于管道,从而建立了流体-管道-土体的耦合方程。不同模态的波速可以通过求解耦合方程来得到。以钢管、HDPE管和球墨铸铁管为对象进行算例研究,得到了三种管道在不同流体和土体工况下的频散曲线。结果表明流体性质对波速的影响较小,而土体性质会对波速产生显著且复杂的影响。本文通过标定实验获取了埋地充水DN200球墨铸铁管的频散曲线。标定结果与所提出的计算方法的结果较为一致,这支撑了所提出方法的工程应用价值。
浅析质量矩阵对动力计算精度的影响
张尧, 董军, 李国华, 王秀芳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S016
摘要:
通过一致质量矩阵和集中质量矩阵的显示表达,对比分析了质量矩阵对Euler–Bernoulli梁理论和两结点双线性插值梁理论动力计算精度的影响。并通过Python有限元程序的数值模拟,揭示了两结点双线性插值梁的优越性。理论推导和数值分析结果表明,梁单元动力计算前必须进行网格剖分;网格密度的增大并不能提高Euler–Bernoulli梁集中质量矩阵的动力精度,而一致质量矩阵的收敛性显著高于集中质量矩阵。
打包带加固砖砌体弯曲抗拉性能研究
赵文洋, 周强, 杨凌宇, 宋固全
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S027
摘要:
为研究打包带加固对砖砌体抗弯性能的增强效果,对216个砖砌体试件开展了弯曲抗拉试验,并结合数值模拟,探究了不同强度的砌筑砂浆和抹面砂浆,以及不同网格尺寸的打包带网对砖砌体抗弯能力的影响。结果表明,砌筑砂浆强度对砖砌体的抗弯峰值荷载影响最大,与M1强度相比,当砌筑砂浆强度增为M2.5、M5、M7.5和M10时,沿通缝截面砖砌体的抗弯峰值荷载增幅依次为15.87%、31.11%、37.60%和44.45%,沿齿缝截面砖砌体的增幅依次为28.95%、46.16%、55.19%和56.76%;抹面砂浆的强度对抗弯峰值荷载影响较小,其主要作用在于增强打包带网与砖砌体表面的粘结,高强度的抹面砂浆与打包带共同作用能够有效提高砖砌体的抗变形能力;打包带网格尺寸主要影响的是砖砌体破坏之后的荷载回升幅度,与12.5 cm网格尺寸相比,当网格尺寸减小为7.5 cm和5 cm时,沿通缝截面砖砌体的荷载回升峰值增幅可达63.42%和130.38%,沿齿缝截面砖砌体的增幅可达73.29%和127.66%。打包带加固可为砌体结构,特别是村镇砌体结构的抗震加固工程提供参考。
金属网在刚性弹头静压下的力学性能分析
黄祺临, 汪敏, 陈辉国, 周帅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0752
摘要:
金属网是指由高强钢丝编织而成的三维网状结构,在近程武器(如火箭弹、迫击炮弹)拦截中应用广泛。为搞清楚金属网与弹头间相互作用的力学性能,结合金属网的实弹拦截试验情况和破坏特点,设计了刚性弹头加载装置和金属网静压试验平台,开展了刚性弹头加载装置静压金属网的力学性能试验研究。结果表明:在受到加载装置向下静压的过程中,金属网整体上呈现漏斗型变形,金属网中与弹头接触部分的菱形网孔呈现逐步接近于弹头剖面形状的变形;金属网的破坏位于与弹头接触部分的菱形网孔中钢丝交叉节点处。依据试验现象及相关结果的研究,推导了刚性弹头静压金属网临界荷载的理论计算方法,分析了误差产生的原因,理论方法与试验获得的静压临界荷载吻合较好,误差在10%以内。研究成果可为金属网拦截弹体的初步设计提供参考。
基于周向冻缩变形协调的衬砌渠道防冻胀纵缝计算方法
李瀚翔, 王正中, 李理想, 刘铨鸿, 江浩源
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0758
摘要:
寒区渠道基土法向冻胀引起渠周收缩与刚性衬砌变形不协调,造成衬砌冻胀破坏。设置纵缝是规范中防止冻胀破坏的主要措施,但纵缝位置及宽度尚无法确定。本文在充分考虑开放与半开放环境下冻胀特点下,根据变形协调条件建立了多种典型断面渠周冻缩量计算的数学模型,进一步通过理论推导给出了渠周收缩计算公式及分布规律,经渠道冻胀水热力耦合模型验证其正确性;给出了渠周冻缩量的计算方法及渠周冻缩率的分布规律,分析了断面冻缩敏感性;从变形协调角度给出了纵缝布置及最小缝宽的确定方法。结果表明:断面形状的冻缩敏感性为:梯形>抛物线形>弧底梯形/弧脚梯形/U形;半开放系统α<55°,开放系统α<70°时抛物线形渠道冻缩量大于其他形式;断面曲率是否连续决定了冻缩率的变化幅度;宽浅式渠道渠周冻缩率小于窄深式,宽浅式弧脚梯形或弧底梯形渠道冻缩分布最均匀,抗冻胀性能最优越;抛物线形仅适于窄深式断面。为了消除变形不协调导致的冻胀破坏,可以在渠周冻缩率突增处设缝,即梯形渠道坡脚处,抛物线形渠道在渠底中心,弧脚梯形/弧底梯形/U形渠道在直线与曲线交界处。研究可为寒区渠道防冻胀工程建设及设计规范修订提供理论参考。
基于渗流FW-H方法的水下回转体空泡流噪声特性数值模拟
高健, 胡常莉, 周毅, 程诚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0777
摘要:
空泡流噪声对水下回转体的隐身性能和操纵稳定性具有重要影响。采用大涡模拟结合渗流FW-H方程对平头和90°锥头两种回转体空泡流噪声特性进行了数值模拟,分别分析了两种头型回转体在无空化和空化数为0.8的条件下噪声频谱特性和声指向性。通过与实验结果对比,验证了所采用数值方法的可靠性。研究表明,绕流回转体的空穴演化规律与其辐射噪声特性之间关系密切,空泡体积与声压变化存在高度负相关性,空泡局部断裂溃灭会产生强烈的声压脉冲,空泡聚集再融合阶段,两者声压又会逐渐降低。空泡流噪声的峰值频率与空泡脱落频率相对应,垂直于来流方向上由于回转体周向存在空泡而在高频段产生明显宽带峰。此外,两种头型回转体的声指向性在无空化时呈偶极子特性,而在空化条件下呈球形单极子特性。相比之下,平头回转体空穴尺度更大且其变化加速度更大,引起的瞬时噪声更强,其远场平均总声压级比锥头的大8.7dB。
考虑3D打印残余变形的结构拓扑优化设计
闫晓磊, 杨瑞涛, 黄登峰, 花海燕, 黄晓东
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0836
摘要:
3D打印金属粉末快速熔、凝过程中反复剧烈的温度变化不可避免产生残余变形,过大的残余形变积累,可导致打印工件变形、扭曲甚至开裂、失效。本研究利用拓扑优化方法,在结构设计阶段考虑此 “制造约束”,以实现3D打印过程残余变形的有效控制。通过对相邻2个打印层金属粉末熔融过程进行弹塑性热-力耦合有限元分析,提取等效的固有应变载荷,实现金属3D打印过程高效模拟及残余变形快速预测,并进行试验验证;基于浮动映射拓扑优化(Floating Projection Topology Optimization,FPTO)方法,引入整体残余变形P范数,推导3D打印过程残余变形灵敏度,提出结构柔度和3D打印残余变形最小化的多工况多目标优化算法,满足设计性能的同时,提高制造性能;最后通过二维和三维实例,验证所提方法的有效性。
弯折钢筋初期损伤形成的规律及机制研究
郑玉龙, 孙玉涛, 陆春华, 刘翔, 幸左贤二
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0826
摘要:
为明晰混凝土膨胀作用下弯折钢筋脆性断裂的机理,从导致脆断的推测起源-钢筋初期损伤入手,开展月牙纹钢筋在弯折参量及梯度递增弯折角度下的加工试验与数值模拟。探究钢筋直径与弯心直径对初期损伤形成的影响规律,探索各细分阶段下受挤压钢筋横肋的形变规律、初期裂纹尺度的演变特征,以及弯弧内部残余应力响应等,从而分析带肋钢筋因弯折加工形成初期损伤的规律与机制,并进一步探索抑制初期损伤的横肋形貌与加工参量。结果表明:较大的钢筋直径和弯折角度,较小的弯心直径会大幅增加初期损伤程度;严峻条件下(钢筋直径及弯心直径分别为16及32 mm,弯折90°),月牙纹钢筋的初期损伤可达400 μm(钢筋直径的2.5%),超过了日本常发生脆性断裂竹节纹钢筋的水平,这增加了弯折钢筋受应力作用下初期损伤扩展的可能性;随弯折角度递增,钢筋横肋的挤压变形与根部应力集中程度愈发显著,且弯折90°卸载后弯弧内部由受压转为受拉应力状态,加剧了初期损伤的形成以及弯折钢筋如箍筋产生脆性断裂的敏感性;通过在月牙纹横肋与基圆之间设置适当的过渡圆角可较大程度缓解初期损伤。
高强铝合金角形短柱轴压局部稳定性能研究
胡晓光, 程永锋, 梅镱潇, 杨晓峰, 陈梓健, 班慧勇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.S008
摘要:
为研究高强铝合金角形轴压短柱的局部稳定性能,对9个由701-T6和703-T6两种高强铝合金材料制作的角形短柱试件开展了轴压试验,试验结果表明:试件的局部屈曲均发生在材料屈服之前,呈一阶特征值屈曲模态。对所有试件进行了有限元建模计算,将有限元模拟结果与试验结果进行了对比验证,并采用验证后的模型进行了参数分析,研究了板件宽厚比对局部稳定性能的影响,板件宽厚比越大,局部屈曲发生越早。将试验与有限元模拟结果与我国现行标准的计算结果进行了对比,发现现行标准中的局部稳定设计公式计算得到的承载力偏低,用于工程设计中尽管能保证安全性,但无法发挥高强铝合金本身的性能优势。因此,在现行标准设计公式的基础上进行了修正,修正后的设计方法能更准确地计算构件承载力,在保证可靠性的前提下更充分地利用材料强度。
随机微裂纹对岩石宏观裂纹扩展的影响规律研究
赵毅功, 张小艳, 李泽, 王志良, 申林方
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0796
摘要:
岩石微裂纹控制着岩石的宏观力学特性和破裂行为,其分布具有不确定性。现有关于岩石裂纹扩展的研究侧重于确定性裂纹扩展规律研究,而随机微裂纹的影响研究不足。本文基于键型近场动力学(Peridynamics,PD)理论,引入随机分布函数预设微裂纹的几何、位置随机参数,对预设有宏观裂纹和随机微裂纹的岩石构件拉伸破坏过程进行大规模蒙特卡洛模拟,提出了物质点断裂失效概率因子(PFP)来描述物质点的破坏概率,揭示了随机微裂纹对岩石拉伸宏观裂纹扩展的影响规律。通过分析两个经典算例,分别与FEM和XFEM对比,其结果有较强的一致性。另外,本文引入了含宏观裂纹与微裂纹的岩石构件,根据微裂纹的位置、角度和长度随机分布,首次绘制不同情况下随机裂纹的PFP云图,获得了各参数对裂纹扩展的影响规律。本文首创了物质点断裂失效概率因子,定量描述微裂纹对宏观裂纹扩展的影响规律,为预测含随机微裂纹的岩石裂纹扩展研究提供了一种新思路新方法。
双叉戟状空间自锁吸能系统设计及吸能性能研究
王柯文, 朱一林, 赵翔, 于超, 邵永波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0744
摘要:
自锁吸能系统可无需外加约束而避免元件在冲击荷载下的横向飞溅,具有广阔的应用前景。然而,已有自锁吸能系统大都只在特定方向具有自锁稳定性,构型复杂且造价昂贵,或截面形状特殊,不便拆装,制约了应用和推广。为此,本文提出了一种新型的多向自锁能量吸收系统,由具有双叉戟状横截面的薄壁管组成,拆装方式灵活便捷。当系统受冲击时,管件的管槽限制了相邻主体管的位移,使管件系统在空间多个方向的冲击载荷下,均可实现自锁,并且充分变形,稳定吸能。通过有限元分析,系统考察了双叉戟单管的几何参数效应以及阵列轮廓尺寸对系统吸能特性的影响。相较于已有的自锁系统,本文发展的双叉戟自锁吸能系统具有更优异的吸能特性。
紊流积分尺度对CAARC模型迎风面极值风压特性的影响及修正方法
张海程, 杜树碧, 李明水, 杨阳
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0092
摘要:
大气边界层流场中紊流度剖面可以正确模拟,但紊流积分尺度很难精确模拟,对于CAARC (commonwealth advisory aeronautical research council)标准高层建筑模型在大气边界层B类场地,实际紊流积分尺度为高层建筑采用常用缩尺比在常规风洞中的1.4倍~2.7倍。该文通过风洞试验在大气边界层B类场地中采用5种不同缩尺比工况,其中一种工况接近于工程实际,通过其余四种工况与这种工况对比,定量地研究了紊流积分尺度对CAARC模型迎风面极值风压特性的影响。结果表明,极值风压系数随紊流积分尺度的增大而增大,极值风压系数误差随模拟紊流积分尺度误差的增大而增大,当实际紊流积分尺度为模拟积分尺度的3.25倍时,实际极值风压系数为模拟极值风压系数的1.55倍,误差率高达35%,且迎风面越靠近驻点的测点,受紊流积分尺度的这种影响越显著;为了更深入理解紊流积分尺度的影响,利用脉动风压功率谱分析了极值风压受紊流积分尺度的影响机理;最后根据紊流积分尺度对极值风压系数的影响,提出了迎风面极值风压系数的修正公式。该试验采用的紊流积分尺度涵盖高层建筑常用缩尺比在常规风洞中紊流积分尺度模拟的所有误差范围,同时以CAARC标准高层建筑模型为试验对象,可以为所有风洞试验结果提供修正依据,同时可以推广到其他钝体。
基于刚柔指标的高层钢框架抗震韧性评估
陈寅圳, 贾明明, 吕大刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S043
摘要:
不同建筑物具有不同的固有动力特性,结合建筑物的结构高度和基本周期可表示为结构刚柔指标,结构的刚柔属性会使得建筑物的震时位移响应和加速度响应不同,进而出现了震后损失情况的差异。以偏刚性钢框架(RF)和偏柔性钢框架(FF)各一栋为研究对象,基于设防地震和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析结果和由建筑信息模型得到的构件易损性数据,按照我国《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591− 2020)对高层钢框架结构进行抗震韧性评估。RF和FF的评估结果显示:RF的层间位移角响应更小、楼面加速度响应更大,FF的响应则相反,说明各类结构构件和非结构构件的修复费用比例、修复时间以及造成的人员损失与结构刚柔指标有关。
近场脉冲型地震作用下附加支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能研究
董慧慧, 古智钧, 杜修力, 苏灿
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0337
摘要:
为了解决摇摆桥墩承载力和耗能能力不足的问题,本文提出一种附加人字形支撑的双柱式摇摆桥墩结构,支撑为纯耗能支撑或自复位耗能支撑,支撑通过连接装置安装在双柱式摇摆桥墩的盖梁和承台之间。为了研究新型附加人字形支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能,首先对其进行拟静力分析,将双柱式现浇桥墩和双柱式纯摇摆桥墩作为对比模型,研究附加纯耗能支撑和自复位耗能支撑双柱式摇摆桥墩的滞回性能;然后分别对这四种桥墩结构进行动力时程分析,探究这四种桥墩在近场对称脉冲、近场非对称脉冲和远场无脉冲地震动作用下的动力响应。研究结果表明:附加支撑的双柱式摇摆桥墩中的墩柱仍具有摇摆机制,可有效避免墩身出现塑性铰发生严重的损伤破坏,同时附加的支撑可以显著提高桥墩的承载能力和耗能能力,有效降低桥墩结构的位移响应,特别是自复位耗能支撑还可额外为桥墩提供自恢复力,有效提高结构的抗震性能。
设计定量几何结构试件预测混凝土结构断裂特性
管俊峰, 马越, 何双华, 姚贤华, 李列列, 陈珊珊, 贾胜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.0709
摘要:
本文采用描述试件尺寸、裂缝长度、前后边界、加载型式等耦合影响的几何结构参数ae,替代传统尺寸效应理论所用的单一试件尺寸W,阐释了混凝土强度与断裂特性尺寸效应的细观物理机制。不拘泥于实验室条件下试件尺寸、裂缝长度、加载型式等条件的选取限制,发展建立了由任意两组ae比值等于3的设计试件,来确定混凝土无尺寸效应的真实断裂与强度参数的模型与方法。基于所提方法,由ae比值等于3的设计试件,建立起混凝土不同断裂模式的转换曲线,其±15%即可涵盖实验室条件下的试件测试结果;将实际结构的等效面积代入所提解析公式,可预测大尺寸实际结构的峰值荷载。本文的研究内容搭建了实验室条件下与现场条件下确定混凝土真实材料性能的纽带;实现了由定量的不同几何结构的实验室试件,准确预测现场混凝土结构真实断裂性能的目的。
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