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基于聚类分析和支持向量机的非等间隔应力谱编制方法
薛海, 杜文, 尹怀彦, 胡李军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0139
摘要:
为保证根据实测应力-时间历程数据编制的应力谱最大程度反映载荷实际作用特性,提出了一种基于疲劳损伤的非等间隔应力谱编制方法。通过引入非等间隔自适应比值系数,根据损伤等效原则建立应力谱分级数与疲劳损伤关系数学模型;考虑每个应力循环的属性特征,采用聚类分析对所有应力循环进行分类,结合支持向量机多分类进行判别,得到不同分级数下的准确率和预测图;综合考虑数学模型得到的损伤相对误差和支持向量机分类准确率,选取应力谱最佳分级数,编制了相应的非等间隔应力谱,并与目前常用的等间隔和非等间隔8级谱进行比较。分析结果表明:基于损伤等效原则,采用聚类分析和支持向量机进行应力谱分级,不仅考虑了所有应力循环的整体特征,很大程度保留了应力的局部信息和属性,且根据疲劳累积损伤理论得到的损伤与实际损伤结果差异明显降低,从而更能准确反映实测数据的应力特性和疲劳效应,可为其他实测载荷-时间历程数据进行非等间隔分级和载荷谱编制提供参考。
基于混合元的变刚度层合板静力学分析
杨立洲, 卿光辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0308
摘要:
针对变刚度层合结构,大多采用板壳理论或常规的位移有限元法分析其力学行为。相较位移元,非协调广义部分混合元同时引入位移和应力边界条件,提高了应力结果精度,且边界应力更符合真实情况。扩展了纯弹性体的非协调广义部分混合元理论,提出适用于变刚度层合结构修正的非协调广义部分混合元模型。与ABAQUS计算结果对比证明,即使在网格较稀疏的情况下,本文方法也具有较好的适用性,且数值结果精确度高。通过算例分析了纤维铺设角度的变化对变刚度层合板平面内位移场的影响,可为变刚度结构的设计提供一定的思路。
输电线路共振舞动机理试验研究
谢献忠, 张淳淇, 林文欣, 彭剑
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0059
摘要:
该文开展了输电线路共振舞动机理试验研究,以湖南省某220 kV输电线路工程为原型,基于动力相似原理,设计制作了塔线体系试验模型。为最大限度保有输电线路本身的动力特性,设计研发了一套非接触式电磁激励系统。采用单相面内激励、三相面内激励以及三相面外激励等不同的激励工况,对输电线路的强迫振动特性进行了测试和分析。结果表明:系统共振是引发输电线大幅舞动的主要机理,输电线路发生大幅舞动的激励频率均趋近于系统的各阶固有频率且振型一致。塔-线之间、相-相之间存在显著的耦合振动现象,非激励相也会发生大幅舞动,其幅值有时甚至超过激励相,相与相之间存在明显的动力吸振现象。三相输电线路在共振状态下的振动形式非常复杂,从时程上看,相间存在同步、反向同步和延迟同步等振动形式,且相间常常发生同周期拍振或异周期拍振现象,异周期拍振时,振幅此消彼长,能量在相间往复传递。从轨迹上看,有直线形、椭圆形、新月形、“8”字形、甚至混沌运动等,且由于随机干扰的影响,轨迹会发生漂移现象。
扭矩-竖向荷载联合作用下楔形端承摩擦桩承载性能分析
张锐, 李传勋, 王飞, 金丹丹, 苏波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.07.0633
摘要:
为了讨论楔形端承摩擦桩在扭矩(T)-竖向荷载(V)联合作用下的承载性能,考虑地基土剪切模量在地面处为非零值且随深度呈幂函数的分布形式,根据能量法和变分原理,分别得出基桩在桩顶竖向荷载和扭矩作用下的桩身竖向位移以及扭转角微分控制方程。采用MATLAB编制程序求解楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载、极限扭矩,进而得到相应的承载力包络图。在TV加载顺序下,通过改变初始扭矩值,分析了初始扭矩对楔形端承摩擦桩竖向承载特性的影响。最后对T-V联合受荷楔形端承摩擦桩进行了参数影响分析。研究结果表明:与等截面桩相比,纯压和纯扭作用下楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载和极限扭矩有所提高。在TV加载顺序下,楔形端承摩擦桩承载力包络线相比等截面桩有所外扩。随着桩径变化率的增大,楔形端承摩擦桩的承载力包络线也随之向外扩张。当初始扭矩与极限扭矩之比超过一定值时,楔形端承摩擦桩极限竖向荷载开始显著降低,需注意T-V组合效应。对于大直径长桩而言,需要重视初始扭矩对基桩竖向承载性能的影响。一味提高混凝土标号并不能极大的改善基桩在TV受荷模式下的竖向承载性能。
带有防火保护的圆钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析与设计
段泊池, 杨冬冬, 刘发起, 杨华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0470
摘要:
抗火性能是圆钢管约束钢筋混凝土柱设计时的关键问题之一,尽管目前相关研究已逐渐完善,但带有防火保护条件下该类构件的抗火性能研究与设计仍不充分,已有的行业标准中构件高温稳定承载力公式未与常温公式相连续,且其中的防火保护层设计公式不具有明确的物理意义。基于ABAQUS软件,本文开展了带有防火保护圆钢管约束钢筋混凝土柱在ISO 834标准火灾作用下温度场和耐火极限的有限元分析,研究了荷载比、截面尺寸、长细比、防火保护层厚度等关键参数对构件耐火极限的影响规律,并提出了钢管温度、钢筋温度以及混凝土等效温度的简化计算公式。结果表明随着防火保护层厚度的增大,构件的耐火极限近似线性增大。基于系统性参数分析,提出了带有防火保护圆钢管约束钢筋混凝土柱高温下截面承载力和稳定承载力设计公式,以用于确定构件达到不同耐火极限所需的防火保护层厚度,该方法保持了与现行标准中常温承载力计算公式的连续性。
一种基于绕晶失效模式的混凝土断裂分析模型
李冬, 韩丛熹, 金浏, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0383
摘要:
基于普通强度混凝土发生I-型开裂后的形态学特征,充分考虑其材料组成的非均质性及细观尺度绕晶失效模式,建立了用于混凝土断裂破坏行为及其宏观力学性能研究的三维细观断裂理论分析模型。模型采用细观力学基本理论框架,假设混凝土材料由骨料、砂浆和界面构成。为简化理论推导,采用弹性球体代表骨料,采用典型双线性弹性本构模型表征砂浆和界面的力学行为。建立的理论分析模型能够描述普通强度混凝土在唯一裂缝面假定下的断裂面形态学特征,并定量给出宏观尺度断裂参数。该文工作可为后续建立基于穿晶失效模式的混凝土断裂分析模型提供研究框架,为最终建立基于性能的混凝土材料配合比设计理论奠定基础。
复合加固木柱抗侧性能的试验研究
阿斯哈, 周长东
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0195
摘要:
为了探究内嵌钢筋外包碳纤维(CFRP)布复合加固圆形木柱的抗震性能,并提出加固木柱的抗侧性能计算方法,以内嵌钢筋数量和CFRP布加固量为变量,开展了5根复合加固木柱的低周往复荷载试验。试验结果表明:复合加固方法能够延缓木柱损伤破坏的进程,加固木柱均表现为试件底部受拉侧木材纤维的断裂,脆性破坏特征显著。复合加固木柱的承载和变形能力提升明显,随着CFRP布加固量的增加,试件的峰值荷载和延性均呈上升趋势,内嵌钢筋的布设位置会影响木柱的抗侧承载力。钢筋和CFRP布的应变-位移滞回曲线与木材的相应曲线分布形态相近,加固材料可以与木材协调变形、共同工作,进而提升木柱的滞回性能。采用条带法对试件截面进行受力分析,通过理论计算与试验数据的对比,验证了截面内力计算方法的可靠性。基于材料力学基本理论,提出了复合加固木柱抗侧性能计算方法,理论计算与试验结果对应良好。
PVC-CFRP管混凝土柱-钢筋混凝土环梁T型节点拟静力试验与弯矩-曲率恢复力模型研究
于峰, 方圆, 李子龙, 秦尹, 陈颖
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0892
摘要:
开展11根PVC-CFRP管钢筋混凝土柱-钢筋混凝土环梁T型节点低周反复加载试验,分析环梁尺寸、环筋配筋率、CFRP条带间距、梁纵筋配筋率、轴压比等因素对其破坏形态、滞回性能、骨架曲线等影响。结果表明:节点破坏经历初裂、通裂、极限和破坏四个阶段,节点的弯矩-曲率滞回曲线包括弹性段、弹塑性段和平稳段,节点滞回环饱满,显示出良好的抗震性能。基于软化混凝土本构关系模型,考虑各因素对骨架曲线特征点的影响,提出骨架曲线特征点简化计算公式。基于退化三线型恢复力模型,给出卸载刚度计算公式,提出节点滞回规则,建立预测精度较高的环梁节点弯矩-曲率恢复力模型。
玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究
吕亚茹, 吴琳, 王媛, 张冬冬, 黄文雄, 苏宇宸
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0857
摘要:
为研究玻璃球的宏细观冲击特性,文章开展了不同相对密实度玻璃球的一维SHPB冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明,一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。
混合梁刚构桥钢-混结合段的构造优化与试验
陈德宝, 林志平, 苏庆田, 欧阳明谷, 上官兵
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0985
摘要:
为了研究钢-混结合段的破坏模式及承载力,为局部构造优化提供依据,采用有限元模型分析钢格室高度变化对结合段受力的影响,设计制作2个结合段缩尺模型,分别测试现有工程和优化后的结合段在压剪耦合作用下的受力性能,得到结合段的受压极限承载力和破坏模式。研究表明:钢格室高度的变化对结合段后承压板承担的轴力比例的影响不大;现有工程的结合段的极限破坏状态由钢梁过渡段控制,钢梁过渡段和结合段的安全储备系数分别为3.30和6.65;优化后的钢-混结合段,钢格室高度降低1/3,局部钢板厚度减小1/3,其极限承载力仍高于钢梁过渡段,且安全储备系数为5.58。在设计混合梁刚构桥的钢-混结合段时,建议合理降低钢格室的高度,且将U形开孔剪力板改为O形开孔剪力板,以提高对填充混凝土的面外约束效应。
轴向压力和分布载荷联合作用下压杆屈曲问题的实用算法
李银山, 郭春霞, 李欣业, 李东波
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0905
摘要:
采用渐进积分法研究了压杆在轴向集中力和轴向分布载荷联合作用下的弹性屈曲问题。推导出了在各种边界条件下,承受轴向集中力和轴向分布载荷时临界力的计算公式。建立了轴向集中力和轴向分布载荷联合作用下压杆的四阶微分方程,用均布载荷作用下梁的四阶微分方程比拟压杆,得到压杆屈曲函数的初函数。将挠度函数代入压杆的四阶微分方程进行积分得到下一次迭代挠度函数。利用相邻两次迭代屈曲模态函数最大挠度相等准则,推导出了临界压力公式。与集中力和分布载荷单独作用下的欧拉临界力公式和贝塞尔函数精确解相比,二、三次迭代就可以达到令人满意的工程要求精度。在轴向压力和分布载荷联合作用下,经过三次迭代,可得到临界力的简洁表达式,对实际工程中的压杆具有重要的指导意义。
基于二阶链式子区的金属拉伸试验DIC辅助测试方法
李得睿, 周焕新, 程斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0374
摘要:
为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。首先基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面形状变化而自由变形的柔性链条来表征各阶段的试件形变。进一步通过设置多个连续且等尺寸的DIC二阶链式子区,采用DIC亚像素算法得到任意变形时刻的链式子区角点坐标,并进一步得到沿试件长度方向的柔性离散链形变结果,实现对试件各处应变、颈缩极值点等的求解,从而建立了一套完整的金属拉伸试验DIC辅助测试方法。开展了多个标准金属试件的拉伸试验,通过与引伸仪、靶标图像测量等传统方法对比,验证了本文方法对颈缩效应、弹性模量、极限伸长率、真实应力-应变曲线等金属材性指标具备较高测量精度及有效性,同时本文方法能够实现高度自动化测量,可在金属拉伸试验领域进行工业化推广普及。
考虑纵径向热应变的竖向受荷能量桩简化分析方法
江杰, 陈朝棋, 欧孝夺, 陈秋怡
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0487
摘要:
为探究温度对能量桩荷载传递机理及相关力学响应的影响,引入平面瞬态温度场方程,将温度场与应力场解耦。基于平面应力模型,将能量桩与桩周土考虑为具有协调变形的整体,计算了径向热应力。在此基础上,将其与双曲线荷载传递模型结合,对桩土界面处的极限摩阻力进行修正。将纵向热应变考虑在竖向荷载传递方程中,得到可同时衡量纵向和径向热效应的竖向受荷能量桩承载特性分析方法。然后,利用增量法对能量桩荷载传递控制方程进行求解,得到桩身轴力、桩侧阻力、桩身位移等相关力学响应。通过与既有文献进行对比,验证了该模型的合理性。最后,通过参数分析,研究了温度和竖向力作用下能量桩的荷载传递特性。结果表明:温度会改变能量桩的荷载传递特性,提高能量桩的运行温度可小幅增加其承载力。本文方法的计算流程清晰,可为能量桩的设计提供参考。
考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应分析
陈宇, 吴佳梁, 吴堃, 黄信, 李长辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0584
摘要:
深水桥梁往往为桩基础形式,其地震作用下桩-土相互作用效应显著,掌握桩-土相互作用对深水桥墩地震响应的影响,有助于指导深水桥梁结构的抗震设计。本文通过附加质量方法考虑动水压力作用,采用精细化模型模拟桩-土相互作用,引入动力松弛技术完成初始地应力平衡,建立了考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应数值模拟方法,并通过离心机振动台试验验证了其正确性。利用已验证的数值模拟方法分析了不同地震强度和不同场地土体强度对深水桥墩地震响应的影响,结果表明:随着场地土体强度提高,桥墩的地震位移响应减小,水体的存在不会改变此规律;软弱土场地的动水压力对桥墩和桩基的地震响应影响较小,最大影响程度在10%左右;中硬土场地的动水压力明显增大桥墩和桩基的地震响应,且地震强度越大,增大效应越明显,因此强震作用下处于硬土场地的动水压力作用在桥梁结构抗震设计中必须予以考虑。
RC框架结构基本自振周期个体间不确定性量化
项梦洁, 陈隽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0404
摘要:
钢筋混凝土(RC)框架结构是城市区域地震风险评估重要对象,其基本自振周期存在明显个体间变异性,如相同高度周期不同。通常采用的确定性结构高度-周期经验公式,主要面向新结构设计,未能考虑既有RC建筑物周期的个体间变异性,影响区域地震风险评估的准确性,因此需要合理量化。本研究通过大量文献检索,收集了不同地区的641栋RC框架结构实测长轴、短轴方向基本周期以及高度、结构形式等信息,开展了严格的数据库清洗,并采用物理准则-数据驱动相结合的方式,建立了高度相依基本周期随机函数模型描述个体间变异性。与经典统计回归基本周期随机模型相比,新模型可以更好地反映结构间基本周期的物理机制差异以及观测数据的联合概率特性,便于在区域地震风险评估中应用。
基于知识和数据联合驱动的全灌浆套筒失效模式预测与解释
马高, 覃春雄, 王瑶
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0477
摘要:
为精准预测全灌浆套筒失效模式(钢筋拉断、钢筋拔出),本文提出一种基于知识和数据联合驱动的全灌浆套筒失效模式预测方法。首先,根据348例全灌浆套筒试验数据,通过机器学习回归算法与规范公式分别得到全灌浆套筒灌浆连接承载力预测值与钢筋极限抗拉承载力计算值,并基于领域知识建立两者与失效模式关系的特征参数,将其与试验数据组成新的数据库。然后,基于新的数据库,通过机器学习分类算法对全灌浆套筒失效模式自动预测。研究结果表明,随机森林算法对全灌浆套筒灌浆连接承载力与失效模式均具有最好的预测效果。相比其他全灌浆套筒失效模式预测方法,本文提出的知识和数据联合驱动预测方法更具竞争力,总体分类准确率可达到94.3%。最后,结合Shapley additive explanations (SHAP)方法和Partial dependent plot (PDP)方法对预测结果进行解释,审视各参数对失效模式的影响。SHAP与PDP的解释结果都表明钢筋锚固长度与灌浆料抗压强度是对失效模式影响最大的两个试验参数,其中PDP解释结果还给出两者影响失效模式转化的临界值,分别为6.01d (d为钢筋直径)、80.87MPa。
考虑填充墙力学贡献的规范RC框架办公楼抗震韧性评价
卢啸, 纪欣如
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.07.0607
摘要:
提升建筑结构的抗震韧性是当前工程界抗震减灾的核心任务,然而根据现代规范设计的钢筋混凝土框架尽管具有较高的抗倒塌安全储备,但其韧性能力并不明确。此外,既有研究在量化结构抗震韧性时,均仅采用结构构件的地震响应作为输入,忽略了非结构构件对整体结构地震响应的影响。针对上述问题,本文根据规范最低要求,设计一栋6层钢筋混凝土框架办公楼,并对其抗震韧性进行评价,明确了该办公楼的抗震韧性与《建筑抗震韧性评价标准》中建议的韧性目标的差距,揭示各类构件对结构韧性的影响。其次,对比研究了填充墙力学贡献对办公楼抗震韧性的影响。研究结果表明:该6层框架办公楼的修复费用主要来源于填充墙和暖通类设备的修复工作,而修复时间主要由结构构件和填充墙的修复时间组成。填充墙的力学贡献会提高该办公楼的抗震韧性,减少结构构件和位移型非结构构件的修复费用和时间约50%,但对加速度型非结构构件的影响较小。
基于“风险源+承灾体+减灾体”的城市安全表征“库-图-链-表-环”理论框架
岳清瑞, 陆新征, 许镇, 田源, 顾栋炼, 郑哲, 徐永嘉, 费一凡, 孙楚津
, 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-图-链-表-环”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。
考虑变井阻的多元复合地基固结理论研究
白垚, 卢萌盟, 杨康, 赵明
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0439
摘要:
本文以塑料排水板联合水泥搅拌桩多元复合地基为研究对象,通过假定排水板的渗透系数随时间呈指数型衰减,考虑了排水板在固结过程中的淤堵效应对地基固结性状的影响。同时,本文还考虑排水板的涂抹效应、水泥搅拌桩的扰动效应以及土体的径-竖向耦合渗流,推导得出多元复合地基的固结控制方程及其解答。通过与已有解答和现场试验的对比分析,验证本文解答的正确性。最后,采用参数敏感性分析法对多元复合地基固结性状进行研究。研究结果表明:复合地基井阻因子\begin{document}$\theta $\end{document}对固结后期影响较大,当\begin{document}$\theta $\end{document}值较大时,径向渗流由于排水板的淤堵效应将提前终止,最终仅由竖向渗流使得地基达到完全固结;初始渗透系数\begin{document}${k_0}$\end{document}越大,井阻因子\begin{document}$\theta $\end{document}越小,涂抹作用越弱,板和桩的置换率越高,复合地基固结速率就越快。
Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定性能与设计方法研究
赵金友, 丁文胜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0745
摘要:
为研究Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能以及完善规范中关于此类构件的设计方法, 进行了6根集中荷载作用下Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能试验,测量了试件的初始几何缺陷和截面残余应力。试验结果表明:当单伸臂梁整体失稳的控制梁段位于简支跨时,单伸臂梁的整体稳定承载力随伸臂长度比的增大而减小,截面高宽比较伸臂长度比对单伸臂梁整体稳定承载力的影响更大。在试验基础上,运用有限元程序创建考虑初始几何缺陷和残余应力的有限元模型对试验进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好;基于试验验证的有限元模型,分析荷载形式、荷载比例、简支跨长度、伸臂跨长度和截面高宽比等因素对Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定承载力的影响规律。基于特征值屈曲分析结果,回归出单伸臂梁的弹性屈曲临界弯矩计算公式,并通过对试验结果和有限元参数分析结果的回归提出了Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的极限弯矩计算公式。
柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱受压性能研究
甘丹, 周泉霖, 闫标, 岳孟谣
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0058
摘要:
钢管约束混凝土柱的钢管通常在柱端设缝以使其不直接承受荷载。该文主要对两种设缝模式的方钢管约束型钢混凝土柱(仅柱两端设缝、柱两端和柱中均设缝)的受力性能进行分析对比。以钢管宽厚比、荷载偏心率为主要变化参数,对柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱进行了受压力学性能试验。分析对比了各组试件的破坏模式、承载能力及钢管应力发展规律,结果表明:设缝模式对试件破坏形态无明显影响,柱中设缝后试件轴压承载力略有提高,而偏压承载力呈降低趋势。采用精细化的有限元模型进行了参数分析,依据试验及有限元结果,提出用于计算构件弯矩增大效应的刚度折减系数计算公式,进而建立柱中设缝构件偏压作用下的承载力计算方法。
基于非局部Biot理论的循环荷载下饱和土地基动力特性研究
丁海滨, 管凌霄, 童立红, 徐长节, 颜建伟
, 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。
功能梯度混凝土受弯构件形成机制和力学性能研究
邓江东, 彭展翼
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0021
摘要:
基于理论分析提出了一种功能梯度混凝土受弯构件,通过梯级FRP筋+钢筋混合配筋,构建同地震弯矩分布梯度相适应的构件抗弯承载能力分布梯度,使多个功能梯度段进入塑性状态,以更充分利用构件的抗震能力。功能梯度可以有效控制构件塑性的分布和发展程度,确保发生延性的破坏模式,并实现较好的损伤自恢复性。功能梯度混凝土受弯构件的变形能力大幅提高,侧向承载力增大,极限刚度降低,抗震性能显著增强。模型试验证明了功能梯度混凝土受弯构件理念的可行性及其力学效果,也验证了所提功能梯度构建方案的有效性和工程实用性。
承压型组合剪力键剪切性能试验与承载力计算
马亚飞, 周彪, 王磊, 张建仁
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0117
摘要:
针对抗剪需求较大的钢-混凝土组合结构,改进了一种带横向焊钉的承压型组合剪力键。设计并展开了10个承压型组合剪力键和1个非承压型组合剪力键单调推出试验,明确了混凝土端部承压、混凝土强度、肋板厚度、肋板孔径和焊钉直径对承压型组合剪力键失效模式和破坏过程的影响。建立了承压型组合剪力键有限元模型,在结合试验验证仿真模型的可靠性基础上,进一步揭示了承压型组合剪力键受力机理。以试验变量为基础,建立并分析了108个承压型组合剪力键有限元模型,推导了承压型组合剪力键极限承载力与各参数变量之间的线性关系,对极限承载力分析结果进行多元线性回归提出了承压型组合剪力键极限承载力计算模型。结果表明:承压型组合剪力键混凝土板失效模式为大面积竖向裂缝和端部裂缝,内表面形成由焊钉高度附近向下延伸的斜主裂缝,非承压型组合剪力键混凝土板无明显端部裂缝,承压型组合剪力键极限承载力约为非承压型组合剪力键的1.4倍;与肋板孔径和焊钉直径相比,承压型组合剪力键极限承载力对混凝土强度和肋板厚度更为敏感。该研究提出的承压型组合剪力键极限承载力计算公式物理意义明确,计算值与仿真和试验结果吻合较好,可为组合剪力键设计和工程应用提供参考。
基于防屈曲镍钛SMA棒的自复位隅撑钢框架:构件试验和结构行为
邱灿星, 姜天缘, 刘家旺, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0095
摘要:
隅撑一般安装于框架梁柱的节点附近。和中心支撑相比,隅撑具有占用空间少、对建筑外观影响小、安装更为方便和震后更易更换等优点。超弹性镍钛形状记忆合金(SMA)在常温下能够具有“旗帜型”滞回曲线,兼具消能能力和自复位能力,近年来受到地震工程界的广泛关注。该文选取镍钛SMA棒为核心受力构件,利用防屈曲装置提出了基于防屈曲镍钛SMA棒的自复位隅撑(SCKB)。进一步的,以SCKB为关键抗震构件,提出了一种新型的抗震韧性钢结构,即自复位隅撑钢框架(SCKBF)。加工了缩尺比例的SCKB试件,并开展了往复加载试验。试验结果表明,SCKB受拉和受压时均拥有稳定的“旗帜型”滞回行为。为了评估SCKBF的抗震性能,根据底部剪力法设计了楼层数分别为3层和6层的结构,开展了罕遇地震下的弹塑性时程分析。计算结果表明,SCKBF能够满足规范对层间位移转角限值的要求;并且,结构的震后残余层间位移角几乎为零,体现了良好的震后功能可恢复性。该文为进一步的体系试验和抗震设计也起到了有益的铺垫。
主余震作用下地下结构增量损伤与抗震性能分析
王建宁, 徐建, 潘鹏, 王国波, 王鸿杰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0194
摘要:
强震过后短时间内发生的余震会对主震损伤结构产生重要影响,然而目前针对地下结构抗震性能的研究多是基于单次主震作用,对余震作用的认识有待进一步提高。为研究主余震作用下地下结构的性能劣化及增量损伤,以2层3跨地铁车站为原型建立土–地下结构相互作用模型,选取14次真实地震中的85组天然主震记录和对应的主余震序列为输入,对比研究了地下结构的地震响应特征。结果表明:考虑主余震作用时地下结构的地震损伤程度一般要比仅考虑主震作用时严重,但其增量幅度及扩展范围与主余震序列峰值加速度比ξ、地震动特性和主余震“极性”等因素有关;由于地下结构的损伤累计效应,在相近主余震峰值强度作用下(ξ≈1.0),地铁车站在余震时的层间位移反应较主震更大;当主震与余震的峰值加速度相差较大时(ξ≥1.4),余震对结构造成的附加损伤十分有限。
输电线路防舞阻尼器系统参数分析及设计研究
黄赐荣, 楼文娟, 徐海巍, 张跃龙
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0522
摘要:
针对目前覆冰导线舞动频发现状,提出了一种通过在导线靠近输电塔位置处设置阻尼器来减振耗能从而实现输电线路舞动抑制的方法。基于Hamilton原理运用多阶伽辽金函数推导得到了导线-阻尼器系统的广义运动方程,并以某750 kV单档八分裂输电线路为例进行运动方程特征值分析,得到了导线-阻尼器系统的动力特性,探索了导线的垂度参数、阻尼器安装位置、阻尼系数及刚度系数等对系统等效阻尼比的影响,阻尼器安装位置越靠近跨中,系统的最大阻尼比提升效果越明显,两侧对称安装阻尼器可以有效地减小最优阻尼系数。采用数值算例和有限元数值仿真技术比较了粘滞阻尼器与负刚度阻尼器(NSD)对导线系统的减振效果,并针对NSD提出了参数的优化设计方法。研究表明:相比传统阻尼器,NSD可以在较低阻尼系数下有效地提高系统各阶的最大阻尼比,且能够明显降低导线系统的自振频率;系统所能达到的一阶最大阻尼比对NSD安装位置的变化不敏感;通过有限元仿真证实了,基于NSD的输电导线阻尼器设置方案相较于传统阻尼器方案具有更好的防舞性能。
基于组合性能指标的立面差异化锈蚀桥墩时变抗震韧性研究
成虎, 张存瑞, 邱开发, 王东升, 李宏男
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0441
摘要:
为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。首先,根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。随后,采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。最后,以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。
基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测
苏益, 狄谨, 李志国, 李少鹏, 秦凤江
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0896
摘要:
传统大跨度桥梁抖振响应计算是基于颤抖振理论,并借助节段模型测压或测力试验进行,目前尚未有通过节段模型测振试验实现桥梁抖振响应预测的报道。基于抖振分析理论推导了考虑三维效应的两波数抖振力,并根据综合传递函数的概念提出了基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测方法。以某流线型箱梁悬索桥为例,通过节段模型及全桥气弹模型试验研究了该预测方法的精度及可行性。结果表明:结构展宽比对综合传递函数识别精度存在影响,展宽比越大,识别精度越高。即使在湍流积分尺度并未远大于结构宽度的前提下,增大模型展宽比可有效减弱三维效应的影响。基于节段模型测振试验识别综合传递函数的方法可用于大跨度桥梁抖振响应的预测,该方法预测结果偏于保守。
高海拔寒冷地区混凝土抗冻耐久性试验研究
邓祥辉, 梁凯轩, 王睿, 刘怡媛, 杨怡文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.1017
摘要:
高海拔寒冷地区具有海拔高、气温低、昼夜温差大等特点。在冻融循环作用下,高海拔寒冷地区混凝土结构容易发生损伤而影响建筑物使用年限,当损伤严重时甚至威胁建筑物的安全。为了研究高海拔寒冷地区混凝土的工作性能、力学性能、抗冻耐久性以及冻融损伤机理,在某高海拔寒冷地区桥梁施工项目制作了4种不同混凝土试件,开展了混凝土冻融循环试验,并对不同冻融循环次数下的高寒混凝土试件进行了核磁共振试验。结果表明:从宏观力学性能来看,高寒引气减水混凝土的抗冻耐久性表现最佳。同时,4种高寒混凝土试件的抗冻耐久性与混凝土内部的小孔(<0.01 μm)和中孔(0.01 μm~0.05 μm)所占比例密切相关,即高寒混凝土内部的小孔和中孔所占比例越大,混凝土抗冻耐久性越好。
锚索式悬浮隧道断索动力响应及安全设计分析
陈政阳, 何晓阳, 邵永波, 项贻强, 郭赵元
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0990
摘要:
针对锚索式悬浮隧道的结构特点,提出锚索突然失效作用下结构动力响应分析与安全设计的技术框架。采用ABAQUS有限元软件建立了断索发生前悬浮隧道在管体剩余浮力、锚索预张力作用下的初始状态;在有限元程序中进行了悬浮隧道跨中截面单根锚索骤断时的动力响应分析,得到了结构振动过程中的响应最大值以及断索后剩余结构的内力重分布形式,并分别采用动力放大系数、冲击系数评估了剩余结构承受的断索冲击效应。进而提出基于动力放大系数、冲击系数的结构响应简化分析方法,与动力计算结果进行了对比。结果表明:对部分锚索施加预张力,使得悬浮隧道恒载作用下初始受力状态更为合理;局部断索引起的结构振动非常明显,导致断索截面附近管体的较大变形;结构安全设计时,取动力放大系数为2.0对悬浮隧道管体位移、弯矩进行分析较为适用,取冲击系数为1.8预测断索过程中剩余锚索最大索力,安全储备更高。
液化侧向扩展场地-群桩基础-结构体系地震破坏反应大型振动台试验方案设计
贾科敏, 许成顺, 杜修力, 张小玲, 崔春义
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0922
摘要:
为系统研究液化侧向扩展场地钢筋混凝土群桩基础-上部桥梁结构的地震破坏机理,依托中国建筑科学研究院抗震实验室地震模拟振动台系统,开展了液化侧向扩展场地-桩基础-结构体系大型振动台系列试验。根据试验的研究目标,首先对系列试验的总体设计进行介绍,详细阐述了场地的制备与结构的设计和制作、各类传感器的布设及新型传感器的应用、地震动选取与工况安排等内容。利用试验数据对层状剪切箱的边界效应做简要分析,对阵列式位移计(SAA)直接测试液化土体侧向位移的结果进行评估。结果表明:模型箱边界效应不显著,SAA可有效测量可液化土体的侧向位移,为系列试验的对比分析奠定了基础。试验最终实现了液化诱导侧向大变形与桩基塑性破坏的宏观效果,达到预期目标,说明该次系列试验方法及其方案是合理的。该文试验技术与方案为今后同行开展类似试验提供一套系统、完备的方法。
CFRP及EWSS复合加固震损双层高架桥框架式桥墩恢复力模型研究
许成祥, 吴永昂, 胡序辉, 肖良丽
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0389
摘要:
为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明:复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。
基于高斯过程的简支梁桥概率性地震需求模型研究
陈力波, 林文峰, 谷音, 林楷奇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0904
摘要:
本文旨在提出一种新的考虑异方差性并具有较高精度的概率性结构地震需求计算方法。针对典型简支梁桥,选取结构基本周期对应的谱加速度作为地震动强度指标,桥墩位移延性系数为工程需求参数,采用多条带分析方法对桥梁有限元模型进行非线性动力时程分析,并建立其地震需求样本集。基于高斯过程回归方法,分别建立单输出和多输出两种情况下的概率性地震需求模型,并将拟合结果与传统基于线性回归的地震需求模型进行对比分析。对概率性地震需求模型作进一步应用拓展,在定义墩柱不同损伤状态极限值的基础上,基于前述两种需求模型建立了桥梁的地震易损性模型。研究结果表明:基于高斯过程的概率性地震需求模型能够较精确地反映不同地震动强度下地震需求的概率特征,较好地刻画了对数空间下地震需求的异方差性;由两种模型生成的桥梁构件和系统易损性曲线存在一定差异,而采用基于高斯过程的地震需求模型能够对桥梁的抗震性能进行更合理而精确地概率性评估。
基于ABAQUS平台考虑T应力的I型裂纹扩展模拟开发
杨立云, 韦鹏, 王青成, 陈美霞, 杨登辉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0329
摘要:
工程结构在制造工艺过程中或使用期间会产生裂纹,对结构断裂路径的预测和研究是防治工程安全问题发生的重要手段。在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最大周向应力准则(Maximum tangential stress criterion,MTS)和最小应变能密度因子准则(Minimum strain energy density criterion,SED)进行修正,采用Python语言对ABAQUS的前、后处理和有限元计算模块进行二次开发,通过计算最优解的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)将修正后的准则编入裂纹自动扩展程序脚本中。利用上述二次开发程序对初始纯I型裂纹的扩展路径进行模拟,结果表明:1)采用ABAQUS脚本程序模拟结果与相关文献实验结果吻合,表明了程序的有效性,进而实现考虑T应力的多种断裂准则对裂纹扩展路径的预测; 2)当T应力值处于一定范围内时,修正的MTS准则无法预测裂纹发生的偏转现象,扩展路径呈直线,此时可采用修正的SED准则进行预测。
考虑柱体摇摆效应的殿堂式木结构古建筑非线性地震反应分析
崔兰浩, 胡卫兵, 张锡成, 邱智豪
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0459
摘要:
为了准确描述半刚性榫卯连接柱架在地震作用下的动力性能,采用非线性转动弹簧以模拟柱体在地震作用下的摇摆行为,基于柱体、榫卯节点及斗栱的非线性恢复力模型,提出了单层殿堂式木结构地震分析的集中质量简化分析模型,进行了地震作用下的结构动力响应时程分析。通过计算时程曲线与振动台试验结果的对比分析发现,未考虑柱体摇摆的计算值与试验值的误差较大,考虑摇摆效应的整体结构时程曲线计算峰值与柱架的实际位移峰值误差相对较小,且峰值出现的时间基本相同。基于简化模型进一步进行了参数分析,结果表明:竖向荷载可以显著降低殿堂式木结构的地震位移响应;柱高越大,结构的地震位移响应越大;结构的地震位移响应随着榫卯节点转动刚度的增大而显著降低;斗栱数量的增加提高了整体结构的抗侧刚度,从而降低了结构的地震位移响应。研究结果可为木结构古建筑在地震作用下的性能评估提供计算依据。
高强箍筋对普通混凝土梁抗剪性能的影响机理
付李, 尹强圣, 王浩, 张莉佳, 王登峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0979
摘要:
为明确高强箍筋普通混凝土梁的抗剪机制,采用三维刚体弹簧元对比评价了普通箍筋梁和高强箍筋梁的抗剪承载力、破坏模式、临界斜裂缝特征、极限变形能力等抗剪性能的异同。结果表明:高强箍筋(HRB500)替代普通箍筋(HRB235)对抗剪承载力和变形能力的提升不显著(<6%和13%)。该文进一步定量分析了梁拱抗剪模型对各混凝土梁在各加载阶段的抗剪贡献,发现混凝土梁破坏时,梁模型主要由箍筋的抗剪作用Vs支配,而拱模型主导抗剪承载力,是关键抗剪模型。对比普通箍筋,高强箍筋(屈服强度:900 MPa)使Vs增强29.7%,但是由于拱模型的峰值取决于加载点附近破坏区域的混凝土抗压强度,对拱模型的提升作用不显著(<11.0%)。研究结果还证明:现行的混凝土构件抗剪设计采用荷载试验的承载力下限值,保证了混凝土结构的安全,但是由于未能合理评价梁拱抗剪模型,割裂了拱模型与混凝土总贡献、配箍率的关系,具有一定的改善空间。
预制混凝土节段拼装桥墩抗车撞性能数值研究
薛淑友, 郝洪, 郝逸飞
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0907
摘要:
预制节段拼装桥墩存在施工周期短,对交通和环境影响小等优势。随着经济的快速发展和城市化进程的加快,车辆撞击桥墩的事件增加,在极端情况下可能还会导致桥梁整体倒塌。然而,关于这种结构形式的抗车辆撞击性能研究仍较为匮乏,因此,非常有必要开展这方面的研究。该文基于显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对车辆撞击预制混凝土节段拼装桥墩开展数值模拟工作,在保证数值模型合理性与准确性的基础上,探究几何与构造等因素对节段拼装桥墩抗车辆撞击性能的影响,具体包括截面类型、预应力筋以及剪力键布置等。结果表明:圆形截面相比于方形截面具有更好的抗车辆撞击性能;周边布置预应力筋相较于中心布置能够给节段拼装桥墩提供更好的抗车辆撞击性能;圆柱形混凝土剪力键能够通过提高节段拼装桥墩的整体性来提升节段拼装桥墩的抗车辆撞击性能。基于研究结果的综合考虑,对于实际工程应用问题,应将预制拼装桥墩按圆形截面设计,并采用周边布置预应力筋及节段中心布置剪力键的形式。
考虑承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析与预测
孙克国, 张宇, 许炜萍, 赵旭伟, 秦晋行, 刘欢, 曹勇
, 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%。
基于深度神经网络代理模型的盾构隧道密封垫断面优化
张纯, 何君儒, 周宇轩, 林莹
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0923
摘要:
合理的弹性橡胶密封垫断面形状是保障盾构隧道管片接缝防水设计性能的关键。密封垫断面优化设计时,需要反复进行材料大变形、接触分析等复杂的非线性计算,极大限制了优化效率。为此,以闭合压力与有效接触压力占比为双控目标,提出了一种结合深度神经网络代理模型的结构优化算法。在遗传算法框架下,深度神经网络代理模型可以实现由断面形状到接触应力场的快速映射。同时,迁移学习的引入实现了不同类型断面形状代理模型的知识复用,仅利用小样本即可建立高精度的接触应力预测模型,从而有效提高了闭合压力约束条件下的密封垫结构断面优化效率。
不同竖向荷载下带“昂”柱头铺作抗震性能试验研究
李爱群, 刘崇治, 贺俊筱, 蒋永慧
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0171
摘要:
带昂柱头铺作的抗震性能研究是应县木塔抗震性能研究的重要基础。为揭示不同竖向荷载下该类铺作的变形模式和抗震性能,本研究以应县木塔二层明层外槽带昂柱头铺作为原型,制作了2个1∶3.7的缩尺试件,进行了拟静力抗震性能试验。通过分析该铺作的水平力-位移滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数等,明确了竖向荷载对该铺作抗震性能指标的影响。结果表明:竖向荷载的变化基本不影响该铺作的变形特征,但竖向荷载的增大会加剧滞回曲线的不对称性,且会显著提高该类铺作的水平承载力、初始刚度和耗能能力。竖向荷载增大3.7倍,水平承载力在正向和负向分别提高了2.2倍和2.9倍,初始刚度提高了2.4倍,耗散能量增加了3.0倍;增大竖向荷载虽然会改变铺作初始滑移出现的位置,但不改变该试验铺作的滑移累积方式和薄弱位置,最终两个铺作的滑移模式都表现为两跳华栱间的相对滑移。提出了该铺作节点的位移-承载力骨架曲线简化模型,得到了不同竖向荷载对抗侧刚度和水平承载力的影响系数βk和βF,用以修正骨架曲线简化模型在不同竖向荷载下的刚度k。
不同双轴加载路径下T形截面RC剪力墙抗震性能试验研究
王斌, 吴梦臻, 史庆轩, 蔡文哲, 王朋
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0928
摘要:
为了探究复杂多维地震作用下带翼缘剪力墙的损伤机理和抗震性能,进行了5个T形截面RC剪力墙的水平单、双轴拟静力试验,研究双轴加载对T形墙破坏模式、滞回性能、承载力、延性与耗能能力的影响,考察T形墙在不同双轴加载路径下的受力机理和多维抗震性能。结果表明:T形墙在单、双轴加载下的破坏均发生在墙肢自由端底部,双轴加载加剧了裂缝的开展和混凝土的剥落,且对翼缘的损伤影响更大;T形墙两正交方向的受力行为存在明显的相关性,双轴耦合受力产生的内力重分布和局部附加应力会改变T形墙的局部受力机理和整体性能,表现为一个方向受荷时,其正交方向在位移不变的情况下荷载会产生突变;相较于单轴加载,双轴加载下T形墙各方向承载力平均降低了6.90%,极限变形能力平均降低了11.28%,单个方向破坏时的累积耗能减小,且双轴耦合效应按“十”字形、“8”字形、矩形加载路径的顺序依次增强。鉴于地震动的随机性以及结构响应的多维耦合性会显著改变带翼缘RC剪力墙在实际地震作用下的抗震能力,建议在剪力墙结构抗震设计时合理考虑承载力的折减并适当减小层间位移角限值。
波形钢板组合墙边缘构件-梁连接节点的滞回性能
杨啸, 郭彦林, 闻陈宝, 朱博莉
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0167
摘要:
多高层住宅钢结构建筑中,采用剪力墙边缘构件与钢梁连接的等宽度设计,可避免室内凸柱现象,能获得整洁的室内空间,但使墙边缘构件-梁连接节点设计的难度增加。为此,该文结合波形钢板-混凝土组合墙构成特点,提出了墙边缘构件与梁连接采用上翼缘环板节点、下翼缘贴板节点的组合型式,并进行了2个不同轴压比组合节点的滞回加载试验,研究其承载性能、破坏模式、滞回性能、骨架曲线、强度和刚度退化等。试验发现,两个试件的屈服位移角平均值为1/136,极限位移角为1/42,均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011−2010)中弹性和弹塑性层间位移角的要求;下翼缘贴板节点弱于上翼缘外环板节点的变形能力,而且贴板节点连接焊缝易于开裂;一旦贴板节点达到承载力极限,之后强度和刚度迅速退化。该文建立了组合节点的实体-壳单元的精细化有限元模型,进行了试验加载全过程分析。比较了节点试验与有限元分析结果,利用该文建立的有限元模型开展分析,为贴板节点设计提供了依据。
混凝土3D细观模型及准静态力学行为分析
章毅, 张湘茹, 吴昊, 胡枫
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0549
摘要:
混凝土是应用最广泛的建筑材料,在细观尺度上由砂浆、粗骨料和界面过渡区(interface transition zone,ITZ)组成,建立3D细观模型是揭示荷载作用下混凝土材料内部损伤机理的重要研究方法。首先基于传统的“生成-投放”法建立空间随机分布的随机凸多面体粗骨料模型,并提出骨料重力沉降和粒径缩放建模方法,实现了粗骨料体积率在50%范围内可调控;采用四面体网格划分多面体粗骨料以表征其真实形状;采用等效于零厚度粘结单元的粘结接触表征ITZ,解决了20~50μm厚度ITZ的网格划分问题;采用RHT材料模型表征砂浆和骨料,建立了混凝土3D细观有限元模型。随后开展了准静态单轴压缩、单轴拉伸、劈裂拉伸、双轴加载和三轴压缩条件下混凝土试件力学行为的有限元模拟。通过与试验应力-应变关系和试件破坏模式进行对比,验证了所建立的混凝土3D细观有限元模型的可靠性。进一步分析了砂浆、骨料和ITZ的强度,以及骨料粒径和体积率对混凝土单轴压缩力学性能的影响。结果表明增大砂浆强度可显著提高混凝土强度,而骨料和ITZ强度的影响较小;增大砂浆强度和ITZ强度可使混凝土峰值应变显著增大,而增大骨料强度导致混凝土峰值应变略有减小;降低粗骨料体积率和增大骨料最大粒径均可使混凝土强度略有增大且峰值应变减小。
裂纹对金属磁记忆信号影响的试验研究
刘柳, 包胜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0425
摘要:
为分析构件应力集中区域裂纹对磁记忆信号的影响,分别对Q345钢材有裂纹和无裂纹两类菱形缺陷试件开展逐级加载拉伸试验,采集卸载后试件表面磁记忆信号,通过ABAQUS有限元模拟得出试件卸载后等效残余应力分布,对比分析磁记忆信号分布和演变规律,提取了4个反映磁记忆信号畸变程度的特征参数。结果表明:磁记忆信号可以反映残余应力扩展的演变过程;由于裂纹的存在,磁记忆信号的分布特征会发生改变;对磁记忆信号特征参数定量分析发现,裂纹的存在不会改变磁记忆信号畸变程度随外加荷载变化的整体规律,但是磁记忆信号畸变程度和其随荷载增大的速率都会增加。
RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究
卜良桃, 刘港平
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0411
摘要:
为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。
地震模拟振动台在线迭代控制方法研究
张芙蓉, 周惠蒙, 张博, 宋伟旭, 王涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0265
摘要:
地震模拟振动台试验多采用离线迭代控制(ICS)实现波形的高精度复现。然而,多次迭代将对易损试验体造成累积损伤,同时非线性试验体连续变化的动力特性将导致离线迭代控制出现精度下降的问题。针对上述问题,本文提出了一种基于系统矩阵修正的高精度在线迭代控制方法(HRICS)。方法利用地震动加载过程中的实测数据在线识别系统矩阵,进而选择修正策略,并采用矩阵精度评价指标评估系统矩阵识别精度。若满足精度要求,则采用基于帧或者频率点的修正策略更新系统矩阵,最终使响应信号能够高精度地复现目标波形。本文通过振动台模型试验验证HRICS方法的有效性,并通过数值模拟研究HRICS方法的在非线性试验体下的控制性能,试验结果表明:HRICS采用频率点修正策略能获得最佳的控制效果;HRICS方法对目标信号的再现精度明显高于ICS方法第一次迭代后的结果。
边界层和压力滞后对翼型动态失速性能的影响
李治国, 陈猛, 张雅静, 高志鹰, 汪建文
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0263
摘要:
为优化动态失速模型经验常数,提升动态失速发生时翼型气动性能预测精度,本文基于B-L动态失速模型,结合内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室风洞实验数据,探究压力滞后及边界层滞后时间常数对翼型动态失速性能的影响。主要结论如下:压力滞后与边界层滞后时间常数对动态升力系数的影响较大且与平均攻角有关。当平均攻角相对较小且气流处于附着流动与分离流动之间时,适当减小时间常数可使动态失速模型计算结果更接近实验值。当平均攻角相对较大,气流处于分离流动与完全分离流动时,可适当增大时间常数值。压力滞后与边界层滞后时间常数对动态阻力系数的影响不显著。动态升力系数仅在攻角逐渐减小的完全分离流动过程中,随着边界层滞后时间常数的增大而减小。
钢筋混凝土柱的易损性函数研究
代旷宇, 于晓辉, 吕大刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0251
摘要:
基于文献调研,建立了满足我国现行设计规范的钢筋混凝土(RC)框架柱的拟静力试验数据库。将RC柱的损伤状态分为六级,并给出了相应修复方法。基于FEMA P-58方法,以位移角为工程需求参数,建立了RC柱在各损伤状态下所对应的易损性函数。通过与FEMA P-58的易损性函数对比,对所建立的易损性函数的质量进行了评定,并讨论了抗震设防等级和轴压比对易损性函数的影响。结果表明:本文所建立的易损性函数整体处于高质量水准。各极限状态下易损性函数中位值范围为0.764%~4.52%,对数标准差范围为0.339~0.425。三、四级框架柱与一级框架柱在各极限状态的易损性曲线的超越概率之差分别高达11.79%和15.39%。一级、二级及三四级框架柱在高轴压比工况和低轴压比工况下各极限状态的易损性曲线的超越概率之差分别高达到42.61%、37.11%和43.37%。本文研究结果可辅助我国混凝土建筑结构的地震灾害损失评估及韧性分析。
基础隔震-外挂墙板减震钢筋混凝土框架振动台试验研究
种迅, 郭宇菲, 沙慧玲, 黄俊旗, 乐腾胜, 魏建鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0511
摘要:
本文提出一种新型的基础隔震-外挂墙板减震混合控制结构(简称“隔震-减震结构”)。该结构采用铅芯橡胶隔震支座作为基础隔震装置,上部结构则采用外挂墙板与U型金属消能器联合构成减震系统。通过减震与隔震混合控制,实现主体结构和围护墙体在罕遇地震下不发生损伤,可用于对韧性性能要求较高的生命线工程中。为对比研究隔震-减震结构与传统隔震结构的抗震性能,设计制作了一个在两方向上完全一致的1/2缩尺基础隔震钢筋混凝土框架结构,并在Y方向附加外挂墙板和U型金属消能器,形成隔震-减震结构,X方向不含外挂墙板,为隔震结构。分别在两个方向输入单向地震动进行振动台试验,试验结果表明:相比隔震结构,隔震-减震结构能进一步降低结构在设防和罕遇地震下的位移响应;隔震-减震结构在罕遇地震下最大层间位移角小于或接近钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角限值,主体结构保持弹性,外挂墙板未出现损伤,可以实现预期的性能目标。
集料几何学特性对PRMC抗压强度和损伤过程的影响
尹海鹏, 李有堂, 李武强, 黄华
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0296
摘要:
集料几何学特性是影响颗粒复合材料力学性能的重要因素,也是实现复合材料性能精确设计的理论基础。以颗粒增强树脂基复合材料(Particle-reinforced resin matrix composite, PRMC)为研究对象,首先采用PFC和3D MAX联合创建了精细的数字集料,分析集料综合几何学特性对PRMC动态损伤特性的影响,进一步细化并分离出集料单一几何学特征,通过分级替换不同粒径的圆形集料研究集料单一几何学特性对PRMC力学特性的影响。研究结果表明:集料几何学特性影响原始微损伤的分布,引导裂纹的扩展并最终决定PRMC的压缩破坏模式,并且压缩破坏过程存在典型的随机损伤特性;集料的形状、棱角和纹理通过降低集料间的流动性提高PRMC的抗压强度,而集料骨架系统需要在分形维数、级配级数、最大粒径和最大最小粒径比之间寻求最佳参数组合来提高PRMC的抗压强度。
集装箱式边缘数据中心震后功能概率评价方法
左浩朋, 尚庆学, 毛晨曦, 张学斌, 李震, 孙国良, 王涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0327
摘要:
集装箱式边缘数据中心是5G通信网络中的一类重要节点,准确评价其在不同强度地震作用下的功能水平是5G通信网络震后功能评价的基础。本文以一个典型集装箱式边缘数据中心为研究对象,提出了该类数据中心震后功能的概率评价方法。文中首先详细分析了典型数据中心5个子系统的基本部件构成和各基本部件间的功能逻辑关系,建立了子系统的故障树模型和数据中心的状态树模型;然后通过数值模拟和文献调研,给出了数据中心各基本部件的地震易损性参数;最后,将状态树和蒙特卡洛模拟相结合,计算出了典型数据中心的地震功能易损性曲线和参数。研究表明:空调内机、蓄电池柜和空调外机是集装箱式边缘数据中心的薄弱环节,改善这些薄弱环节可显著提升集装箱式边缘数据中心震后功能水平。
钢板夹心混凝土组合剪力墙的变形能力研究
程卫红, 田春雨, 王翠坤
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0364
摘要:
为研究钢板夹心混凝土组合剪力墙的变形能力,本文基于平截面假定推导了钢板夹心混凝土组合剪力墙的截面曲率延性系数,并利用等效塑性铰假定进一步得到其位移延性系数,通过已有试验结果验证了该计算模型的可靠性。利用该模型研究了轴压比、端柱套箍指标、剪力墙高宽比、钢板强度、混凝土强度等参数对钢板夹心混凝土组合剪力墙位移延性系数的影响。研究表明:通过控制剪力墙轴压比,适当提高端柱套箍指标,使用低强度钢材以及设置有效构造隔板可有效保证剪力墙的变形能力。
可恢复功能复合结构体系基于复模态叠加法的响应分析和应用
武大洋, 张璐, 杨国涛, 赵斌
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0502
摘要:
可恢复功能复合结构体系利用黏滞阻尼等耗能机制可显著提高抗震韧性水平,同时导致其非比例阻尼特征更加突出,采用传统振型叠加法进行响应计算会产生较大误差。为建立该类体系面向抗震韧性的设计方法,本文在前期研究基础上,推导得到可恢复功能复合结构体系分布参数模型复模态正交性条件,建立了该类体系基础激励下动力响应的复模态叠加计算方法。在验证推导正确性后,将该方法应用于两个方面:传统振型叠加法响应计算误差分析和复合体系的设计参数选择。结果表明:相比于振型叠加法只在非比例阻尼不显著的情况具备较好的计算精度,复模态叠加法不仅可以更加准确的计算地震响应,而且可以量化黏滞阻尼对结构响应的控制效果,对于指导该类体系的设计具有参考价值。
半无限介质多自由度频响函数离散时间有理近似的稳定参数识别
李鑫, 唐贞云, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0446
摘要:
离散时间有理近似函数是将半无限土频响函数转化为时域模型的重要工具,离散时间有理近似函数和时域模型具有相同的稳定性和精度。目前关于离散时间有理近似函数的研究只针对于单自由度系统。本文基于线性控制理论,给出了多自由度有理近似系统的稳定条件。将稳定性条件与遗传-序列二次算法相结合,开发了多自由度频响函数参数辨识方法,保证了多自由度系统的稳定性和精度。不同维度的多自由度有理近似系统的数值仿真验证了本文方法可以保证多自由度有理近似系统的稳定性和精度。
自复位支撑钢框架抗震性能评估与损伤演化分析
徐龙河, 鞠子薇, 江浩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0520
摘要:
为研究自复位耗能(SCED)支撑失效前后支撑钢框架结构的抗震韧性及损伤演化规律,设计了一单榀三层自复位支撑钢框架(SCBSF)并对其进行精细化有限元模拟,探究了支撑第二刚度和摩擦力在考虑支撑失效时对结构宏观响应和关键构件损伤状态的影响规律。结果表明,在地震作用下,SCED支撑作为SCBSF第一道抗震防线,激活工作后为结构提供了稳定的耗能与卓越的复位能力,相比屈曲约束支撑(BRB)框架残余变形角最大减小了84.9%,显著降低结构震后修复成本;支撑达到最大行程破坏失效后,结构层间变形加剧,框架梁和柱塑性耗能占比增加了92.33%,主体结构损伤值增加了48.45%,结构的抗震性能与韧性水平明显降低。参数分析结果表明,提升支撑的第二刚度和摩擦力能有效降低结构响应,但具有较大第二刚度和摩擦力的支撑框架仍抵抗不了强震作用时,可能导致更多的支撑失效破坏,结构损伤加剧。因此,设计SCED支撑时,需要适当提高支撑第二刚度和摩擦力,建议第二刚度取值为第一刚度的7/50-4/25,支撑摩擦力与预压力比值取为1-1.2;提升支撑第二刚度相比提升摩擦力对结构损伤值控制效果更好,随着地震动强度增大,摩擦力与第二刚度对结构抗震性能的影响逐渐减小。
一种研究高铁轨面-桥梁横向变形映射关系的精细化解析模型
聂磊鑫, 蒋丽忠, 周旺保
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0523
摘要:
强震后的桥墩和支座不可避免会产生一定残余变形,引起钢轨的几何不平顺,直接影响行车安全性和舒适性。本文基于势能驻值原理推导了CRTS-Ⅱ型纵连式无砟轨道横向变形与桥梁结构横向变形之间的映射解析表达式,提出了可考虑层间各构件刚度贡献的解析映射模型。通过有限元模型和文献解析模型验证了本文解析映射模型,进而基于该模型定量分析了层间构件对钢轨横向映射变形的影响。结果表明:梁体横向错台下的钢轨映射变形呈现明显非对称性,且跟随主梁变形的特性较差;扣件对钢轨映射变形的影响很小;CA砂浆层对梁体错台下钢轨映射变形幅值的影响很大,滑动层次之,而对钢轨映射变形范围的影响则弱于滑动层;剪力齿槽对钢轨映射变形的影响最大,侧向挡块次之;剪切钢筋对钢轨映射变形的影响可以忽略;桥梁抗弯刚度对钢轨映射变形范围有一定影响,而对钢轨映射变形幅值的影响几乎可以忽略。
基于层叠式残差LSTM网络的桥梁非线性地震响应预测
廖聿宸, 张瑞阳, 林榕, 宗周红, 吴刚
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0360
摘要:
提出了一种基于层叠式残差长短时记忆神经网络(Residual Long Short-Term Memory Neural Network, ResLSTM)的数据驱动建模方法,实现桥梁非线性地震响应预测。该方法利用长短时记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)网络在长序列回归中的优势,并采用残差连接结构降低深度神经网络中的梯度回传难度,提高了有限数据下的深度网络预测性能。同时,通过采用层叠式序列结构,降低深度神经网络隐藏层节点数目,进一步提升深度神经网络的预测精度。随后,通过两跨预应力混凝土连续梁桥与组合梁斜拉桥的数值算例对该方法进行验证。神经网络的训练样本与测试样本均源自桥梁有限元模型的增量动力分析结果。此外,采用该方法成功预测了美国Meloland Overpass桥的地震响应,并与历史监测数据进行对比验证。结果表明,ResLSTM网络是一种鲁棒性良好、计算效率高的非线性地震响应预测方法,能够利用少量数据快速准确地预测桥梁结构在地震作用下的动力响应,在桥梁抗震性能评价中具有重要的应用潜力。
考虑加载次序影响的沥青非线性疲劳损伤累积研究
房辰泽, 冷真, 郭乃胜, 李辉, 蒋继望, 陆国阳, 王昊鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0392
摘要:
变幅加载下沥青的疲劳损伤累积具有明显的非线性特征,然而传统的Miner’s线性疲劳损伤累积准则无法表征不同变幅加载次序下沥青的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。本研究旨在建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,准确表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。首先,通过开展应力控制的沥青恒幅加载疲劳试验,采用耗散伪应变能(DPSE)表征沥青疲劳损伤,分析恒幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律。然后,采用低-高和高-低两种加载次序,开展应力控制的沥青变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律。最后,基于损伤等效准则,建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,分析加载次序对疲劳损伤累积的影响。结果表明:应力控制模式下的沥青疲劳损伤,呈先缓慢后急剧的非线性增加演化趋势;恒幅加载下沥青疲劳损伤服从Miner’s准则发生线性累积,且累积寿命分数等于1;变幅加载下沥青疲劳损伤不服从Miner’s准则而发生非线性累积。低-高和高-低变幅加载次序下,沥青累积疲劳寿命随一级寿命分数的增大而分别增加和减小,累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可克服Miner’s准则缺陷,并较为准确地表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。
基于MCFT的腐蚀RC矮墩柱数值模拟方法
李亚林, 郑山锁, 尚志刚, 段培亮, 陈嘉晨
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0573
摘要:
采用电化学氯腐蚀的方法对5跟剪跨比为2的RC矮墩柱进行室内加速腐蚀试验,并对其进行拟静力加载试验。根据试验结果分析了腐蚀损伤和轴压比对RC柱破坏过程、承载能力、变形能力和耗能能力的影响。通过理论推导,建立了基于MCFT(修正压力场理论)的考虑腐蚀损伤的钢筋混凝土剪切行为本构模型,进而提出了考虑弯-剪-滑移耦合效应的数值模拟方法。对比模拟结果和试验结果可知:采用该模拟方法得到的各柱试件的滞回曲线与实际滞回曲线符合较好,骨架曲线特征点及累积耗能值误差较小,表明本研究提出的考虑腐蚀的剪切行为本构及数值模拟方法可以较为准确地反映腐蚀RC矮墩柱的抗震性能,该研究成果可为腐蚀损伤在役RC墩柱的抗震性能评估奠定基础。
基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法
王尚长, 杨格, 王贞, 吴斌, 肖嘉俊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0401
摘要:
相比于传统拟静力和拟动力试验,混合试验通常存在较为复杂的试验子结构边界条件。受到实验室加载条件的限制,子结构的边界条件往往难以完全实现,这将对混合试验的保真度产生很大影响,即混合试验中的不完整边界条件问题。为解决不完整边界条件问题,提出一种基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法。该方法为试验子结构建立两套数值模型,并通过两套数值模型修正试验子结构的不完整恢复力。两套数值模型的区别在于边界条件的设定:第一套数值模型具有完整的边界条件;第二套数值模型具有与试验子结构相同的边界条件,为不完整边界条件。本研究分析了边界自由度耦合程度、数值模型误差对本方法精度的影响,验证了该方法对存在模型误差的数值模型具有较好的鲁棒性;最后,采用所提方法对一座两层两跨抗弯框架结构进行了抗震性能数值分析。结果表明,与常规混合试验方法和弱耦合混合试验方法相比,该方法不仅具有解决不完整边界条件问题的能力,而且也表现出较高的仿真精度。
平—波折钢板剪力墙往复加载试验及抗侧性能分析
窦超, 杨潇, 解程, 杨娜
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0583
摘要:
本文结合普通平钢板墙(FPSW)和波折钢板墙(CPSW)的受力特点,提出了一种新型平—波折钢板剪力墙(FCPSW),即内嵌墙板由两侧平钢板和内侧波折钢板通过单边螺栓连接而成。首先,开展了宽高比为1.5的平—波折钢板剪力墙试件的低周往复加载试验,揭示了其抗侧承载力性能、破坏形式及多层钢板间的组合机制;其次,采用有限元方法对上述滞回试验进行了模拟,通过施加螺栓垫板对平—波折墙板进行了改进,并与相应的单片平钢板墙、单片波折钢板墙的抗侧性能进行对比分析;最后,考察了平—波折钢板剪力墙体系的板框相互作用,包括边缘框架柱附加弯矩和抗弯刚度要求,以及竖向荷载的影响。试验发现,平—波折钢板剪力墙结构在循环加载到5.0%层间位移角时,未出现明显承载力下降;内嵌墙板出现多波屈曲,部分连接螺栓脱落,仍能够继续发挥抗侧能力。不同墙板有限元滞回分析对比表明,平—波折剪力墙依靠平钢板和波折钢板之间的相互作用,屈曲变形得到限制,既提高了初始抗侧刚度,又保证了后期承载力的稳定,减小了滞回曲线捏拢现象。同时,板框相互作用分析表明,平—波折钢板墙中由于平钢板和波折墙板的面外屈曲被约束,其边缘框架受到的附加弯矩作用显著减小,抗弯刚度需求小于相应的平钢板剪力墙,且竖向荷载影响亦小于相应的普通单片平钢板或波折钢板剪力墙,表现出较为优越的抗侧性能。
基于离散元的钢筋混凝土梁极限承载力研究
黄平明, 潘旭鹏, 牛艳伟, 杜隆基, 王蒂
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0042
摘要:
通过PFC2D建立考虑骨料级配的钢筋混凝土梁离散元细观数值模型,开展钢筋混凝土梁极限承载力的研究。混凝土标准棱柱单轴压缩模拟验证了混凝土单元细观参数的准确性。通过修改平行黏结模型获得了适用于钢筋模拟的平行-强化黏结接触模型,钢筋单轴拉伸模拟验证了钢筋单元细观参数的准确性。建立了无缺口钢筋混凝土梁离散元数值模型,在此基础上生成预制缺口钢筋混凝土梁数值模型,根据缺口位置及倾角分为9种工况,分析了各工况下梁的裂缝扩展规律及极限承载力。结果表明:缺口位置对裂缝的扩展过程影响较大,一般起裂位置均位于缺口顶端;缺口倾角仅对裂缝扩展初期有影响,后期裂缝依然会沿竖向发展;缺口梁极限承载力约为无缺口梁极限承载力的95%~98%。
双阶受力干式装配梁-柱节点抗震性能试验研究
杨参天, 李爱群
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0187
摘要:
研究提出了一种双阶受力干式装配梁-柱节点(DADBJ)。该节点的关键组件是摩擦铰(RFH)和预设缝防屈曲钢板(SBRSP),具备2个受力工作阶段和损伤集中易修复的特性。为了验证DADBJ构造的合理性,揭示其双阶段受力工作机理,设计加工了DADBJ试件,以SBRSP的预设缝隙宽度作为试验变量,进行了2个工况的低周往复拟静力试验。结果表明:提出的DADBJ构造实现了预期的双阶段受力特性,第一阶段由RFH提供节点的力学性能,第二阶段由RFH和SBRSP共同提供节点的力学性能;DADBJ的损伤集中于芯板,通过更换SBRSP芯板对节点快速修复,节点的性能可恢复到初始状态;SBRSP的预设缝隙宽度可直接决定DADBJ第二阶段的启动位移;提出的DADBJ双阶屈服荷载理论公式和二阶启动位移理论公式精确度好。该研究可为装配式框架结构和多阶受力型结构的设计和研究提供参考。
基于长短期记忆网络的FRP约束混凝土圆柱循环轴压应力应变预测模型
姜克杰, 胡松, 韩强
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0257
摘要:
FRP(Fiber Reinforced Polymer)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力应变特性对于FRP在实际工程中的应用具有重要意义。本文提出了一种用于建模循环轴压下FRP约束混凝土柱应力应变特性的神经网络预测模型,该模型采用长短期记忆(long short-term memory, LSTM)单元对循环应力应变曲线中的滞回特性进行建模,构件的物理参数被有效地集成在网络的输入中。该模型能以端到端的方式进行高效的训练且不依赖任何专家经验。制作了一个包含166个FRP约束普通混凝土柱的循环轴压数据库,在该数据库上对模型的准确性和鲁棒性进行了充分的评估,结果表明测试集平均预测误差仅为0.32 Mpa。此外,对网络结构和超参数的影响进行了详细的讨论,结果表明该模型具有出色的预测性能。
基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构
胡明月, 吴邵庆, 董萼良
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0482
摘要:
过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。本文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。
应变率与短纤维掺量对TR-HDC单轴拉伸力学性能影响试验研究
董志芳, 邓明科, 王波, 高永辉, 何涛
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.0518
摘要:
为研究纤维织物增强高延性混凝土(TR-HDC)在不同应变率和短纤维掺量下的单轴拉伸力学性能,本文设计了25组TR-HDC薄板试件进行单轴拉伸试验,研究应变率(10−5~10−1 s−1)和短纤维掺量(0~2%)对TR-HDC开裂模式、破坏机理和抗拉强度的影响。结果表明:1) TR-HDC在单轴拉伸荷载作用下具有多缝开裂特征,随应变率的增大,试件裂缝间距略有增大趋势,同时短纤维掺量越高,多缝开裂模式越稳定;2)应变率和短纤维掺量增加可显著改善界面性能,抑制纤维织物的滑移失效;3)随应变率的提升,TR-HDC的力学性能呈现出一定的应变率敏感性,同时增加短纤维掺量,其开裂和峰值强度也呈现出显著的增长趋势。最后,基于线性对数关系和多因素耦合提出的预测模型可统一TR-HDC静态与动态抗拉强度计算方法,为其工程应用提供了理论依据。
考虑腹板焊缝损伤的正六边形蜂窝梁变形性能与挠度计算研究
蒋田勇, 徐沐鑫, 耿森, 王磊
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0382
摘要:
试验设计并制作了焊缝具有裂纹损伤的正六边形蜂窝梁,研究了不同参数下正六边形蜂窝梁的力学性能,其中试验参数包括焊缝裂纹的位置和长度,试验得到了试验梁的应变以及挠度随参数变化的规律,建立了考虑焊缝裂纹损伤正六边形蜂窝梁的抗弯挠曲线计算方法。结果表明:具有焊缝裂纹损伤的正六边形蜂窝梁破坏形式为压弯屈曲破坏,其结构孔角开始出现屈服,当孔角屈服数目达到一定数量时,结构整体发生屈曲破坏;在重复加载阶段内,裂纹长度变化对焊缝附近孔角应变的影响在±20 με内,关键截面位置挠度的影响在0.05 mm内;通过等效刚度法计算在腹板焊缝裂纹状态下蜂窝梁的抗弯刚度,研究了蜂窝梁腹板焊缝裂纹对跨中挠度的影响;通过引入挠度放大系数,推导了该荷载类型作用下蜂窝梁的跨中挠度计算式;对比研究了蜂窝梁跨中挠度的不同公式计算结果,其中日本规范估算法和费氏简化分析法与试验值相比差值均较大,在50%左右;本文建议公式与试验值吻合较好,差值绝大部分在10%以内。
装配式RC串联滚轴隔震结构柱抗震性能试验研究
黄小宁, 何婷, 刘洁亚, 王宁, 杜永峰, 张丹
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0963
摘要:
针对地震作用下RC串联滚轴隔震结构受力特征和损伤特点,提出适用于串联滚轴隔震结构柱的新型连接节点。通过开展1/2缩尺拟动力试验,研究采用新型连接节点的滚轴隔震结构柱在不同强度地震作用下的抗震性能。构造适用于滚轴隔震结构的一致危险设计谱,根据结构位移限值要求对滚轴隔震支座进行设计,通过数值模拟验证滚轴隔震支座的减震效果;结合不同超越概率的一致危险设计谱,分别选择地震波对装配式滚轴隔震结构柱进行拟动力试验研究,分析不同强度地震作用下装配柱和现浇柱的破坏形态、滞回曲线、刚度退化、耗能等抗震性能指标。研究结果表明:在超越概率为10%时,通过对非隔震结构柱和滚轴隔震结构柱进行数值模拟,计算得到剪力比为0.5,且通过试验研究发现,在超越概率为2%时,装配式滚轴隔震结构柱损伤指数为0.279,滚轴隔震支座发挥了良好的减震效果,装配柱在罕遇地震作用下发生轻微损伤;在超越概率为2%时,现浇柱最大裂缝宽度发展至1.8 mm,装配柱最大裂缝宽度发展至1.6 mm;对比骨架曲线、刚度退化、累积滞回耗能发现,装配柱承载力、初始刚度和累积滞回耗能较现浇柱略好。
考虑材料非线性的RC冷却塔风致动力破坏研究
张军锋, 徐世瑶, 裴昊, 刘庆帅
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0060
摘要:
为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载,采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒,分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构,在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上,进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA),结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述,并与静风破坏过程进行了对比。结果表明:静风荷载下,塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致,但前者所得结构极限荷载略高,结构延性更好;静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应;脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服,但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降:动力风荷载作用下塔筒破坏(V0=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%,明显高于静风作用下的结果。
遗传算法在Y型偏心支撑组合框架抗震性能优化中的应用研究
庄亮东, 杨悦, 吴桢灏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0934
摘要:
该文针对Y型偏心支撑组合框架抗震性能优化展开研究,共选择5层、10层和15层高的三类典型钢-混凝土组合框架作为研究对象,采用考虑楼板空间组合效应的高效全杆系纤维模型对研究对象进行数值模拟。提出了适用于Y型偏心支撑组合框架的遗传算法程序,包括染色体编码方法、适应度计算方法、进化终止条件以及在遗传过程中的选择、交叉与变异法则,对偏心支撑的布置位置和力学参数分别进行了优化设计。结果表明:遗传算法程序能够迅速找到Y型偏心支撑组合框架抗震性能优化问题的最优解,收敛性良好,相比于传统枚举遍历算法,在求解中层、高层结构偏心支撑布置位置的优化问题时,计算成本明显降低。根据不同参数下遗传算法计算成本的分析,遗传算法中种群规模、淘汰比例和变异概率的最优取值随着楼层数目的增加而略有增加,对于布置位置优化问题,种群规模宜取4~12,淘汰比例和变异概率宜取10%~20%;对于力学参数优化问题,种群规模宜取4~8,淘汰比例宜取20%~30%,变异概率宜取10%~20%。
自修复SMA/ECC复合材料加固RC梁受弯性能试验研究
钱辉, 陈程, 张庆元, 康莉萍, 赵军
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0871
摘要:
为了提高既有RC构件的承载能力、损伤自修复能力,提升其安全与使用性能,该文提出采用超弹性形状记忆合金(Shape memory alloy, 简称SMA)和工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites, 简称ECC)复合加固钢筋混凝土梁的方法。设计并制作了4种试验梁以对比不同增强材料加固效果,通过低周单向循环加载试验,分析了不同材料加固试验梁的破坏形态、承载力、耗能性能和自修复能力等性能的影响。研究结果表明:SMA/ECC复合加固梁不仅提高了承载能力,且具有较好的延性和变形能力,同时具有优越的自修复性能。考虑ECC拉伸应变硬化特性,建立了ECC加固梁的受弯承载力计算方法,且计算值与试验值吻合较好。
环氧基结构胶接头的冲击力学性能表征
应鹏飞, 葛宇龙, 赵天琪, 夏勇
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0015
摘要:
胶接是常见于轻量化车身制造的连接方式,胶接接头的失效行为建模是轻量化车身碰撞安全设计的重要前提。针对高韧性环氧基结构胶,该文选择了一种考虑应力状态、应变率效应和损伤累积的弹塑性本构模型表征其复杂冲击力学响应,以提高胶接接头失效模型的准确性。围绕此本构模型,开发了便于实施的模型参数识别方法和标定流程,建立了针对两种环氧基结构胶的材料模型。通过开展胶材本体、胶接接头及胶接结构等多层级冲击破坏实验与对应有限元仿真,验证了所选用的胶粘剂材料模型和胶接接头表征方法的可靠性。
钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌能力研究
王景玄, 王文琦, 周侃
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0423
摘要:
该文基于ABAQUS/Implicit建立了钢管混凝土柱-H形钢梁栓焊混合节点抗连续倒塌数值模型。为提高该类节点的抗倒塌承载力,采用了波纹腹板H形钢梁和下翼缘加腋构造。分析该类节点在竖向荷载作用下的破坏特征和失效机理,并考虑波纹腹板的“折叠效应”对节点抗倒塌能力的影响。研究结果表明,钢管混凝土柱-平腹板H形钢梁节点(J-WB-O)的破坏出现在环板和钢梁连接位置,而钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁加腋节点(J-CW-AP)的破坏远离环板与钢梁连接位置,延缓了钢梁下翼缘断裂;此外,J-WB-O节点钢梁全截面提供倒塌抗力,而J-CW-AP节点在加载初期波纹腹板几乎不提供倒塌抗力,当下翼缘断裂后波纹腹板开始受力,并且随着裂缝的向上延伸波纹腹板截面依次呈现受拉状态,表现为波纹腹板波纹逐渐拉开的过程即为“折叠效应”,延缓了腹板开裂和局部屈曲。对比普通栓焊混合节点J-WB-O,波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点J-CW-AP的极限承载力与延性分别提高了67.2%和62.3%。基于抗力机制分析,给出了钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌承载力简化计算公式。
现浇边缘构件的装配整体式齿槽剪力墙抗震性能试验研究
初明进, 熊赅博, 刘继良, 李祥宾, 曹春利
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0152
摘要:
为研究装配整体式齿槽剪力墙的抗震性能及竖向接缝性能,对1片现浇剪力墙和3片齿槽剪力墙进行了拟静力试验,变化参数包括轴压比和剪跨比。试验结果表明:墙体发生弯曲破坏,齿槽剪力墙与现浇剪力墙承载力和刚度基本相当,具有良好的抗震性能,可满足“等同现浇”的性能需求;位移角为1/1000时,齿槽剪力墙竖向接缝保持完好;位移角大于1/500时,竖向接缝两侧墙体发生竖向错动变形。齿槽剪力墙滞回曲线饱满,位移延性系数大于5,具有良好的变形能力;提高轴压比、降低剪跨比,加速竖向接缝开裂并促进竖缝两侧相对变形发展;改变轴压比和剪跨比对齿槽剪力墙承载力和变形性能的影响规律与现浇剪力墙相同;较高轴压力作用时,墙体破坏集中于竖向插筋孔区域形成竖向裂缝,墙角压溃区域减小。采用ABAQUS软件进行有限元分析,模拟骨架曲线及破坏形态与试验结果吻合良好;改变轴压比、剪跨比对墙体性能的影响与试验结果一致,增加横向槽孔尺寸、减少横向槽孔内侧尺寸,对墙体力学性能基本无影响。
RC框架-剪力墙隔震结构地震韧性设计研究
解琳琳, 范子麦, 王心宇, 曾德民, 杨参天
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0937
摘要:
高烈度地区重要建筑往往采用RC框架-剪力墙结构体系,采用隔震技术设计该类建筑,满足《建设工程抗震管理条例》中规定的设防地震下正常使用要求,甚至满足罕遇地震下的高韧性目标需求,成为了该类结构设计的重点难题。该研究以一8度区的RC框架-剪力墙工程为例,对该结构的抗震方案展开了设防和罕遇地震下的地震韧性评价。在此基础上,针对隔震结构提出了3种上部结构设计理念,并设计了3个隔震案例,进行了设防和罕遇地震下的韧性评价。分析结果表明:传统抗震结构在设防地震下无法满足正常使用需求,抗震韧性等级仅为一星;按降一度贴限设计确定隔震上部结构截面且按降一度确定上部结构配筋时,设防地震下需3.1 d的修复时间才能恢复正常使用功能,罕遇地震下的抗震韧性等级为二星;按降半度贴限设计确定上部结构截面,且按降一度确定上部结构配筋时,建筑功能可基本不中断,满足正常使用需求,但罕遇地震下的抗震韧性等级仍为二星;按不降度贴限设计确定上部结构截面且按降一度确定上部结构配筋时,建筑功能完全不中断,满足正常使用要求,罕遇地震下可达到韧性三星。研究的相关成果可为高烈度地区RC框架-剪力墙结构的隔震韧性设计的深入研究提供参考。
多连通域曲线坐标系浸没边界方法及其检验
王煜栋, 王方, 金捷
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0247
摘要:
该文提出一种适用于多连通域内流模拟的曲线坐标系浸没边界(IB)方法,通过减少固体标记区域在计算域中的占比提高求解效率,并基于曲线坐标系局部加密几何模型中含大量小尺度结构的关键位置。将该方法与大涡模拟-概率密度函数输运方程模型(LES-TPDF)结合,采用双旋流燃烧室和某型号环形燃烧室单头部模型的湍流燃烧算例检验该方法。在双旋流燃烧室算例中,模拟结果显示曲线坐标系IB方法准确解析旋流器后方的流场及燃烧场结构,求解得到的时均速度分布与实验数据一致,靠近旋流器截面轴向速度峰值的均方根误差6.6%。在单头部燃烧室的模拟中,同网格分辨率下曲线坐标系IB方法消耗计算资源减少为传统笛卡尔坐标系IB方法的42.9%,采用该方法求解单头部燃烧室出口径向温度分布均方根误差为11.7%,满足复杂几何燃烧室高保真模拟需求。基于此方法能够准确、高效地模拟结构复杂的真实燃烧室内两相湍流燃烧现象,具有一定的工程应用价值。
结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能影响的试验研究
金浏, 梁健, 李冬, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0760
摘要:
为了研究在低周往复荷载作用下结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能的影响,对6根方钢管混凝土短柱开展了水平往复加载试验,分析了截面尺寸对柱破坏形态、滞回曲线、骨架曲线以及不同抗震性能指标(如刚度退化、耗能能力、延性等)的影响,阐明了不同截面尺寸对柱名义抗剪强度的影响规律和机制,研究结果表明:不同截面尺寸的试件破坏形态基本相同,表现为柱底部钢管鼓曲、核心混凝土被压碎的破坏形态;当截面尺寸由200 mm增至600 mm时,在不同加载方向上,方钢管混凝土短柱名义抗剪强度分别下降了63.1%(59.8%),表现出显著的尺寸效应;随着截面尺寸增大,相对名义刚度与平均耗能系数呈降低趋势;Jin等提出的考虑尺寸效应的抗剪强度公式计算值与试验值吻合良好,说明考虑尺寸效应的方钢管混凝土柱抗剪承载力计算公式能够较为准确的预测其抗剪承载力。
碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构抗冲击性能试验与车体顶棚仿真
吕航宇, 陈秉智, 周鑫, 石姗姗
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0186
摘要:
复合材料夹芯结构在轨道车辆轻量化设计中应用广泛,传统单一铝蜂窝芯体的复合材料夹芯结构抗冲击性能较差,难以满足运用需求。在传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构的芯体中引入网格形格栅,形成碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构,在格栅交点处、单肋板中心处和格栅中心处3种典型位置对其分别进行落锤冲击试验与冲击后压缩试验。并将碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构应用于车体顶棚结构,在落石冲击工况下建立了3种不同材料的车体顶棚仿真模型,分析其比峰值载荷和比刚度等力学性能。结果表明:碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构相较于传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构,其抗冲击性能更强,冲击后压缩强度高出约34%,压缩刚度高出约52%;位于格栅交点处与单肋板中心处的接触力峰值、分层临界载荷与凹坑深度显著优于格栅中心处;与碳纤维/铝蜂窝车体顶棚相比,碳纤维/格栅增强蜂窝车体顶棚在落石冲击下的变形量减小了71.73%,比峰值载荷与比刚度分别提高了133.33%、146.72%。碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构兼具轻量化与性能强的优点,适合作为大型承载结构,可以为高速列车车体结构设计提供参考。
基于时程深度学习的桥面绕流表征与重构方法
战庆亮, 白春锦, 葛耀君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0005
摘要:
流场特性的研究是结构风工程的核心问题,而高分辨率的流场数据对解决风致振动问题、探索流固耦合机理具有着重要意义。受测量方法、计算效率等因素限制,高空间分辨率的流场时程数据的直接获取仍有一定困难。该文基于流场时程数据的表征模型,提出了桥面非定常流动时程重构的深度学习方法。基于一维卷积方法建立了非定常桥面绕流场的表征模型,得到了物理空间与表征模型的编码空间之间的映射关系,最后利用表征模型的解码器生成未知测点处的流场时程数据。对较低雷诺数桥梁主梁的非定常绕流流场进行了研究与验证,实现了桥面绕流的时程数据重构,验证了方法的准确性与可行性。该文所提方法基于流场的时程数据进行表征与重构,可广泛应用于工程中基于一点的传感器数据处理,是一种桥面流场数据分析的新方法。
爆炸加速度信号重构速度和位移方法研究
朱擎, 李述涛, 陈叶青, 宝鑫
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0179
摘要:
针对爆炸试验测试的加速度信号存在误差趋势项导致积分后速度和位移失真的问题,系统研究了最小二乘拟合、小波分解和EEMD(集成经验模态分解)分别去除爆炸加速度的趋势项中的应用,并积分重构了速度和位移,研究表明:最小二乘法的拟合阶数、小波分解法的分解层数和EEMD法的白噪声标准差对重构的速度和位移幅值有较大的影响;提出了使用频谱偏差指数s2和均偏差指数S2评价趋势项修正结果的方法,可以通过偏差s2频率分布与积分时程特征的联合分析选择合适的阶数、分解层数和白噪声标准差,精准去除信号中的趋势项。通过与爆炸试验结果的比对,证明3种方法均能还原爆炸冲击作用下的运动趋势和残余位移特征,其中小波分解法具有一定的优势。
大跨度悬索桥气动稳定性随跨径演变规律
丁叶君, 赵林, 鲜荣, 刘高, 肖海珠, 葛耀君
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0182
摘要:
气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为了在悬索桥初步设计阶段,给主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考,对主跨1000 m~5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。首先基于跨径从888 m(虎门大桥)~1991 m(明石海峡大桥)的悬索桥动力特性,拟合在1000 m~5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m~5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型,其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱4种主梁断面,将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数,采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势,在3000 m~5000 m之间时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低,与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示,流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳临界风速低于实测最大阵风风速的80 m/s;跨径超过2000 m时,四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明,对于本文构建的悬索桥而言,跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳,而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素,且颤振问题随跨径增大而越发严峻。
巷道吸能支护的减震防冲效应分析
王凯兴, 吴佳成, 潘一山, 窦林名
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0181
摘要:
冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害,巷道吸能支护是防御冲击地压灾害的新型支护方式和有效手段。吸能支护是在刚性支护基础上附加阻尼耗能构件形成的巷道支护,基于巷道顶板与支护相互作用的动力学模型,分析了在巷道刚性支护与吸能支护作用下的顶板-支护系统动力响应,同时就阻尼构件在吸能支护上的分布特征对减震防冲效应的影响进行了分析,研究了阻尼构件在支护中的串联、并联、混联3种分布特征下的支护吸能减震防冲效应。结果表明:相比于刚性支护,吸能支护不仅能有效抑制顶板的冲击响应,还对支护体的冲击响应具有自保护能力;串联吸能支护模式与混联吸能支护模式对顶板冲击位移的控制及支护体加速度的抑制作用相当,且均优于并联吸能支护模式,其中,在串联吸能支护模式下,顶板冲击位移可下降约89%,支护体加速度可下降约55%。进一步优化串联吸能支护模式可知,当采用支护体上端串联布置吸能构件时,构件吸能效果发挥的最好,并且支护体的变形、应力、等效塑性应变变化平稳且幅值较小,同时相比于在下端以及两端串联吸能构件时支护等效塑性应变分别下降约77%和96%。该研究为冲击地压动力灾害的防冲吸能支护动力可靠性设计提供思路。
双变量与条件地震重现期理论及应用
王晓磊, 吕大刚, 阎卫东
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0968
摘要:
地震重现期是地震工程领域重要概念之一,已被广泛应用于结构抗震设计和评估中。但目前地震重现期概念通常指的是单个地震动强度参数的重现时间,无法体现地震动强度参数联合和条件发生信息。该文提出了双变量地震重现期与条件地震重现期概念,给出了双变量地震重现期与条件地震重现期基本理论,针对算例厂址,进行了向量型和条件型概率地震危险性分析,生成了双变量与条件地震重现期,将双变量和条件地震重现期概念应用于向量型和条件型场地相关谱生成研究中,给出了双变量和条件地震重现期理论和应用研究展望。结果表明:双变量地震重现期与条件地震重现期在单变量地震重现期基础上,包含了强度参数间相关性信息;双变量地震重现期大于或等于两个参数各自单变量地震重现期大小,条件地震重现期是双变量地震重现期和单变量地震重现期之比;双变量重现期曲面和等高线对于不同的强度参数组合结果不同,通常与两个参数间相关性系数和强度参数危险性程度两个因素相关;条件强度参数越小,相同大小预测强度参数的条件地震重现期越大。
圆形截面柱组合框架中非对称钢梁截面框架梁梁端极限状态有效翼缘宽度研究
彭炜杰, 陶慕轩
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0901
摘要:
楼板有效翼缘宽度是组合框架梁梁端极限承载力验算的关键参数之一,已有的有效翼缘宽度计算公式存在荷载模式不匹配、等效准则不匹配、无法考虑钢梁截面的非对称性等不足。为此,该文重点讨论了侧向荷载作用下采用圆形截面柱的组合框架中非对称钢梁截面框架梁端的承载力极限状态有效翼缘宽度的计算方法。在有限元软件MSC.MARC (2018)中建立精细化数值模型,通过单变量分析筛选出对有效翼缘宽度有显著影响的关键变量。在合理的取值范围内对这些关键变量进行充分的排列组合,得到一系列的数值算例结果。对这些数值结果进行回归分析,基于前人得出的对称钢梁截面情况的计算公式,保留其基本框架而修改其中相关参数,得出侧向荷载作用下非对称钢梁截面组合框架梁有效翼缘宽度的计算方法。
钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究
方志, 武霄楠, 谭星宇, 廖原, 阳晏, 唐守峰
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.03.0258
摘要:
为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(Ultra-high-performance Concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(Perfobond Leiste, PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。
三枕捣固作业过程中道砟细观运动及能量演变分析
张智海, 肖宏, 崔旭浩, 刘光鹏
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0358
摘要:
使用大型捣固车对有砟轨道进行作业,是改善道床质量状态最有效方法和通用手段,是保障列车安全运营的必然选择。但我国大型养路机械源于引进国外技术,对捣固车捣固作业机理认识不足,无法进行科学养护维修。为加深对目前铁路养修作业中常用DWL-48捣固稳定车的三枕捣固装置作业过程的认识,本文借助离散元与多体动力学协同仿真分析方法,建立了三枕捣固装置-轨排-有砟道床三维空间精细化耦合仿真模型,并结合现场实测结果验证了模型的正确性,分析了捣固作业动态过程中道砟颗粒平动、转动特性及能量演变规律。研究结果表明:捣镐对道砟颗粒平动、转动和能量的影响主要位于枕下0~175 mm区域;道砟颗粒速度与角速度变化规律具有很好的同步性,有助于快速填充枕下空隙。捣固作业过程中捣镐采用“道砟平动为主,转动为辅”的方式填充枕下空隙,并且在该过程中伴随着道砟颗粒平动动能、旋转动能逐渐向道砟颗粒势能的不断演变。
考虑尺寸效应影响的FRP筋混凝土构件纯扭承载力计算方法
金浏, 祝华杰, 杜修力
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0325
摘要:
纤维增强聚合物(FRP)筋作为非腐蚀材料替代钢筋已成为解决锈蚀问题的创新方案,被应用于预应力结构、海洋平台、沿海码头和长期处于浸蚀性化学环境的构件中。关于FRP筋混凝土构件的纯扭承载力设计方法只有加拿大规范CSA S806-12提出,且以借鉴现有的钢筋混凝土构件纯扭承载力计算公式的形式给出,考虑了FRP筋与钢筋间材料力学参数的区别。本文通过已验证了的三维细观数值模拟方法,研究了最大横截面宽度为1000 mm的FRP筋混凝土柱纯扭破坏行为,揭示了其名义抗扭强度尺寸效应规律。基于模拟数据,对比了现有的FRP筋混凝土构件纯扭承载力计算公式,并在中国规范GB 50010−2010关于钢筋混凝土构件纯扭承载力计算方法的基础上,提出了考虑尺寸效应影响的FRP筋混凝土构件纯扭承载力的计算方法。最后,通过对比现有的试验数据,验证了所提公式的正确性和合理性。
冰区航行船舶冰阻力及六自由度运动响应的离散元分析
王祥, 胡冰, 刘璐, 季顺迎
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0777
摘要:
冰阻力是冰区船舶航行过程中的重要影响因素,对船舶航行性能及航行安全带来严峻挑战。该文采用扩展多面体离散元方法建立冰船动力作用过程的三维离散元方法,基于船舶推进功率与推进力间近似关系,将螺旋桨推力、冰载荷、舵力及水动力等载荷分开考虑,开展恒功率破冰船六自由度非线性操纵直航冰阻力及运动响应计算。为验证该离散元方法的可靠性,对比了碎冰区DuBrovin及平整冰区Lindqvist冰阻力公式计算结果。基于船舶在不同主机推进功率及复杂冰况下的直航冰阻力计算结果,展开对船舶破冰航速的影响因素分析。在此基础上,给出了船舶垂荡、横摇、纵摇等冰区船舶运动响应模拟结果和极地船舶运动响应预报结果,最后对碎冰及平整冰区船舶冰阻力及运动响应展开了对比分析。该方法可有效计算船舶冰阻力,其模拟结果可为冰区船舶运动响应及航行安全预警提供重要参考。
面向均匀损伤的RC框架结构抗震优化设计方法
吴山, 何浩祥, 兰炳稷
, doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0388
摘要:
RC框架结构在地震作用下多出现局部楼层损伤明显或抗力不足问题,通过对抗侧力构件性能的合理优化可实现各楼层损伤程度相近的设计效果,消除薄弱层,达到更为理想的均匀损伤分布模式。提出RC框架结构的均匀损伤设计方法,以各楼层损伤指数相等或相近为优化目标,各层框架柱配筋率为优化变量,通过智能算法与有限元平台协同计算技术,实现RC框架结构均匀损伤优化设计,并采用弹塑性时程分析和IDA方法对优化效果进行验证分析。结果表明,通过智能算法优化框架柱配筋方案可以有效调控结构各层损伤程度,不同地震波作用下结构最优配筋率分布是不完全相同的,并且框架柱的最优配筋率分布也未呈现明显的统计规律,但将不同地震波下优化结果的均值作为框架柱配筋方案可以提高结构抗震能力,该优化方法合理有效。