2020年 第37卷 第12期
2020, 37(12): 1-8.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0065
摘要:
该文提出变截面变曲率梁振型的有限元后处理超收敛拼片恢复方法，建立各阶振型的超收敛解，并基于振型超收敛解进行变截面曲梁面内和面外自由振动的自适应分析。在位移型有限元后处理阶段，引入超收敛拼片恢复方法和高阶形函数插值技术，得到振型(位移)的超收敛解。利用振型超收敛解估计当前网格下振型有限元解的能量模形式下的误差，并指导网格进行自适应细分加密分析，获得优化的网格和满足预设误差限的高精度解答。数值算例表明该算法适于求解不同曲线形态、多类边界条件、变截面、变曲率形式的曲梁面内和面外自由振动连续阶频率和振型，解答精确、分析过程高效可靠。
该文提出变截面变曲率梁振型的有限元后处理超收敛拼片恢复方法，建立各阶振型的超收敛解，并基于振型超收敛解进行变截面曲梁面内和面外自由振动的自适应分析。在位移型有限元后处理阶段，引入超收敛拼片恢复方法和高阶形函数插值技术，得到振型(位移)的超收敛解。利用振型超收敛解估计当前网格下振型有限元解的能量模形式下的误差，并指导网格进行自适应细分加密分析，获得优化的网格和满足预设误差限的高精度解答。数值算例表明该算法适于求解不同曲线形态、多类边界条件、变截面、变曲率形式的曲梁面内和面外自由振动连续阶频率和振型，解答精确、分析过程高效可靠。
2020, 37(12): 9-17.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0076
摘要:
基于键基近场动力学理论，建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型，其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述，采用短程斥力模型描述碰撞过程，模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律，解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式，准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法，求得裂纹的起裂韧度，为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。
基于键基近场动力学理论，建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型，其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述，采用短程斥力模型描述碰撞过程，模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律，解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式，准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法，求得裂纹的起裂韧度，为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。
2020, 37(12): 18-33.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0032
摘要:
该文提出一种芯筒式双法兰刚性连接平面钢框架及其减震框架，设计并完成了两种框架的子结构拟动力试验，通过对比分析两榀框架的滞回性能、典型部位应变变化、抗侧刚度、耗能能力等指标，研究该类框架的抗震性能。结果表明：在8度多遇及设防地震作用下，中间柱型摩擦阻尼器可以提供刚度，控制层间位移角，减轻甚至避免结构塑性损伤；在8度罕遇、8度(0.30 g)罕遇、9度罕遇地震作用下，中间柱型摩擦阻尼器进行滑移摩擦耗能，耗能能力稳定，有效延缓结构塑性损伤，减震框架结构刚度、耗能能力均优于平面框架，平面框架和减震框架芯筒式双法兰刚性连接节点抗震性能良好且减震框架节点抗震性能优于平面框架。
该文提出一种芯筒式双法兰刚性连接平面钢框架及其减震框架，设计并完成了两种框架的子结构拟动力试验，通过对比分析两榀框架的滞回性能、典型部位应变变化、抗侧刚度、耗能能力等指标，研究该类框架的抗震性能。结果表明：在8度多遇及设防地震作用下，中间柱型摩擦阻尼器可以提供刚度，控制层间位移角，减轻甚至避免结构塑性损伤；在8度罕遇、8度(0.30 g)罕遇、9度罕遇地震作用下，中间柱型摩擦阻尼器进行滑移摩擦耗能，耗能能力稳定，有效延缓结构塑性损伤，减震框架结构刚度、耗能能力均优于平面框架，平面框架和减震框架芯筒式双法兰刚性连接节点抗震性能良好且减震框架节点抗震性能优于平面框架。
2020, 37(12): 34-42.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0092
摘要:
提出了壁式钢管混凝土(WCFT)柱与钢梁连接的侧板式节点。为研究其抗震性能，设计了3个侧板式节点足尺试件进行拟静力试验，分析试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度退化和节点域应变。试验结果表明：3个节点试件的节点域均处于弹性阶段，满足侧板水平及竖向强度比的侧板式节点试件破坏形态为梁端塑性铰破坏，发生梁端塑性铰破坏的节点试件具有较好的变形和耗能能力；侧板水平或竖向强度比不足100%的侧板式节点试件呈现脆性破坏特征。在试验研究的基础上，结合梁端内力传导机制提出了侧板式节点在节点域外的三种破坏模式及相应判别公式，与试验结果基本吻合，从而为工程设计提供参考。
提出了壁式钢管混凝土(WCFT)柱与钢梁连接的侧板式节点。为研究其抗震性能，设计了3个侧板式节点足尺试件进行拟静力试验，分析试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度退化和节点域应变。试验结果表明：3个节点试件的节点域均处于弹性阶段，满足侧板水平及竖向强度比的侧板式节点试件破坏形态为梁端塑性铰破坏，发生梁端塑性铰破坏的节点试件具有较好的变形和耗能能力；侧板水平或竖向强度比不足100%的侧板式节点试件呈现脆性破坏特征。在试验研究的基础上，结合梁端内力传导机制提出了侧板式节点在节点域外的三种破坏模式及相应判别公式，与试验结果基本吻合，从而为工程设计提供参考。
2020, 37(12): 43-51, 77.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0744
摘要:
随着我国核电产业飞速发展，核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题，建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型，基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法，研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明：非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱，多数条件下也将增大楼层相对位移；P波入射角度增大，核岛结构竖向响应减小、水平响应增大，楼层反应谱的频谱特性发生改变。
随着我国核电产业飞速发展，核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题，建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型，基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法，研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明：非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱，多数条件下也将增大楼层相对位移；P波入射角度增大，核岛结构竖向响应减小、水平响应增大，楼层反应谱的频谱特性发生改变。
2020, 37(12): 52-67.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.12.0789
摘要:
基于PEER数据库中公开的钢筋混凝土(RC)框架柱试验资料和已有地震损伤指数模型，总结了RC框架柱在产生不同损伤等级时对应的破坏特征，提出了相应的损伤等级评定标准。研究了RC框架柱在地震损伤过程中混凝土和钢筋的损伤演化规律，分别建立了震损RC框架柱损伤区不同位置处混凝土和钢筋的损伤演化方程，提出了考虑震损RC框架柱初始损伤的混凝土模型和钢筋模型。基于OpenSEES平台和纤维模型，建立了一种直接基于材料本构关系的震损RC框架柱的数值模型，该模型考虑了损伤区不同位置处截面材料的损伤差异以及同一截面不同位置处材料的损伤差异。任意选取已有的13根RC框架柱试验资料对震损RC框架柱的数值模型计算结果进行校验。结果表明该文模型能够较为准确的预测震损RC框架柱的剩余抗震能力。研究结果为震后RC结构的性能评估和加固决策提供分析模型。
基于PEER数据库中公开的钢筋混凝土(RC)框架柱试验资料和已有地震损伤指数模型，总结了RC框架柱在产生不同损伤等级时对应的破坏特征，提出了相应的损伤等级评定标准。研究了RC框架柱在地震损伤过程中混凝土和钢筋的损伤演化规律，分别建立了震损RC框架柱损伤区不同位置处混凝土和钢筋的损伤演化方程，提出了考虑震损RC框架柱初始损伤的混凝土模型和钢筋模型。基于OpenSEES平台和纤维模型，建立了一种直接基于材料本构关系的震损RC框架柱的数值模型，该模型考虑了损伤区不同位置处截面材料的损伤差异以及同一截面不同位置处材料的损伤差异。任意选取已有的13根RC框架柱试验资料对震损RC框架柱的数值模型计算结果进行校验。结果表明该文模型能够较为准确的预测震损RC框架柱的剩余抗震能力。研究结果为震后RC结构的性能评估和加固决策提供分析模型。
2020, 37(12): 68-77.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0014
摘要:
刨花板作为一种人造板材，其表面多孔性致使应变片的粘贴过程十分困难，且涂胶量的多少会直接影响测量的精度。基于对样品变形前后图像分析的数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术被用于测量刨花板的力学参数。相比于传统的贴应变片法，该技术具有高精度、非接触性及全场测量等优势。“横观各向同性”模型被考虑用来模拟刨花板的力学行为。于是，表征材料力学性能的弹性张量取决于5个独立的弹性参数：纵向、横向弹性模量EL、ET，纵向、横向泊松比νL、νT及纵向剪切模量GL。为了实现这一测量过程，刨花板被切割成一批梁样品，随后被应用于三点弯曲试验。通过比较感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)内网格节点位移的测量值与铁木辛柯梁理论解析解，及有限元模型修正(Finite Element Model Updating，FEMU)方法的应用，4个弹性参数ET、GL、EL和νL被成功测量。对比相关文献，该文的测量方法简单易行，测量结果准确，可应用于刨花板材料并推广至各向异性材料的弹性参数测量之中。
刨花板作为一种人造板材，其表面多孔性致使应变片的粘贴过程十分困难，且涂胶量的多少会直接影响测量的精度。基于对样品变形前后图像分析的数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术被用于测量刨花板的力学参数。相比于传统的贴应变片法，该技术具有高精度、非接触性及全场测量等优势。“横观各向同性”模型被考虑用来模拟刨花板的力学行为。于是，表征材料力学性能的弹性张量取决于5个独立的弹性参数：纵向、横向弹性模量EL、ET，纵向、横向泊松比νL、νT及纵向剪切模量GL。为了实现这一测量过程，刨花板被切割成一批梁样品，随后被应用于三点弯曲试验。通过比较感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)内网格节点位移的测量值与铁木辛柯梁理论解析解，及有限元模型修正(Finite Element Model Updating，FEMU)方法的应用，4个弹性参数ET、GL、EL和νL被成功测量。对比相关文献，该文的测量方法简单易行，测量结果准确，可应用于刨花板材料并推广至各向异性材料的弹性参数测量之中。
2020, 37(12): 78-86, 113.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0015
摘要:
针对三阶矩拟正态变换理论公式系数形式复杂及现有相关系数的转换公式适用范围未明确的问题，通过对公式系数进行简化和对相关系数的讨论，提出了独立随机变量和相关随机变量的简化三阶矩拟正态变换模型，并给出了相关系数转换公式的简明适用范围。通过将提出的简化三阶矩拟正态变换模型与一阶可靠度分析方法(FORM)结合，发展了随机变量分布未知条件下的可靠度分析方法，并采用数值算例验证了该方法的准确性和适用性。研究结果表明，所提出的简化三阶矩拟正态变换模型具有较高的准确性和适用性，能够与FORM分析方法结合，实现随机变量分布未知条件下的结构可靠度分析。
针对三阶矩拟正态变换理论公式系数形式复杂及现有相关系数的转换公式适用范围未明确的问题，通过对公式系数进行简化和对相关系数的讨论，提出了独立随机变量和相关随机变量的简化三阶矩拟正态变换模型，并给出了相关系数转换公式的简明适用范围。通过将提出的简化三阶矩拟正态变换模型与一阶可靠度分析方法(FORM)结合，发展了随机变量分布未知条件下的可靠度分析方法，并采用数值算例验证了该方法的准确性和适用性。研究结果表明，所提出的简化三阶矩拟正态变换模型具有较高的准确性和适用性，能够与FORM分析方法结合，实现随机变量分布未知条件下的结构可靠度分析。
2020, 37(12): 87-98.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0018
摘要:
基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法，建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变，建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为，并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法，编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT，并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好，表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。
基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法，建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变，建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为，并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法，编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT，并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好，表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。
2020, 37(12): 99-113.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0023
摘要:
地表峰值加速度PGA是抗震设计规范和地震预警系统中重要的参数指标，场地PGA估计是工程抗震的必要基础。该文选取日本具有地表和井下记录KiK-net台网的40个台站，研究场地PGA放大系数fPGA的概率分布特征，指出fPGA在给定地震动强度输入情况下基本服从对数正态分布，其概率分布参数(即均值和标准差)与场地土层特征相关；fPGA的概率分布参数与单独的场地工程参数Vs30、Vs20以及场地覆盖层厚度D的相关性较小，但与这些特征参数的线性组合具有一定相关性；通过数据挖掘，建立fPGA概率分布参数与Vs30、Vs20以及D线性组合之间的关联性；采用fPGA概率模型，可以给出多概率水平下地表PGA的预测，实测数据检验了提出的PGA概率预测模型的可靠性。通过该文建立的地表PGA概率预测方法，可为地震预警及烈度速报技术中，地表PGA概率预测的场地校正技术提供一种可行的途径。
地表峰值加速度PGA是抗震设计规范和地震预警系统中重要的参数指标，场地PGA估计是工程抗震的必要基础。该文选取日本具有地表和井下记录KiK-net台网的40个台站，研究场地PGA放大系数fPGA的概率分布特征，指出fPGA在给定地震动强度输入情况下基本服从对数正态分布，其概率分布参数(即均值和标准差)与场地土层特征相关；fPGA的概率分布参数与单独的场地工程参数Vs30、Vs20以及场地覆盖层厚度D的相关性较小，但与这些特征参数的线性组合具有一定相关性；通过数据挖掘，建立fPGA概率分布参数与Vs30、Vs20以及D线性组合之间的关联性；采用fPGA概率模型，可以给出多概率水平下地表PGA的预测，实测数据检验了提出的PGA概率预测模型的可靠性。通过该文建立的地表PGA概率预测方法，可为地震预警及烈度速报技术中，地表PGA概率预测的场地校正技术提供一种可行的途径。
2020, 37(12): 114-123, 137.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0025
摘要:
工字型钢构件空间受力下的精确广义屈服函数为隐式函数，不便使用，而现有的近似显式函数不能全面考虑截面几何参数的影响，在适用性和精度方面普遍存在问题。为此，通过合理选择工字型截面几何参数，研究建立了具有广泛适用性的工字型截面齐次广义屈服函数，据此提出了平面和空间受力下框架结构极限承载力分析的高效线弹性迭代方法。研究了工字型截面几何参数对广义屈服函数计算精度的影响；选择腹板面积与单翼缘面积之比γ1和翼缘宽度与腹板厚度之比γ2作为截面几何参数，通过回归分析建立了同时适用于平面和空间受力，且能够全面反映工字型截面几何特征的通用齐次广义屈服函数；通过有策略地缩减高承载单元的弹性模量，建立了工字型截面框架结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法。通过对比分析验证了该方法具有良好的计算精度和效率以及较强的适用性。
工字型钢构件空间受力下的精确广义屈服函数为隐式函数，不便使用，而现有的近似显式函数不能全面考虑截面几何参数的影响，在适用性和精度方面普遍存在问题。为此，通过合理选择工字型截面几何参数，研究建立了具有广泛适用性的工字型截面齐次广义屈服函数，据此提出了平面和空间受力下框架结构极限承载力分析的高效线弹性迭代方法。研究了工字型截面几何参数对广义屈服函数计算精度的影响；选择腹板面积与单翼缘面积之比γ1和翼缘宽度与腹板厚度之比γ2作为截面几何参数，通过回归分析建立了同时适用于平面和空间受力，且能够全面反映工字型截面几何特征的通用齐次广义屈服函数；通过有策略地缩减高承载单元的弹性模量，建立了工字型截面框架结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法。通过对比分析验证了该方法具有良好的计算精度和效率以及较强的适用性。
2020, 37(12): 124-137.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0084
摘要:
该文考虑混凝土材料的非均质特性，发展了确定无尺寸效应的混凝土开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数的断裂理论与相应方法。基于三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的断裂试验，确定出对应的开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数，并与试验强度值及由双K断裂模型确定的双K断裂参数进行了比较，从而验证了所提模型与方法的合理性与适用性。基于确定的材料参数，分别建立了混凝土起裂与断裂破坏的全曲线，给出了确定无尺寸效应起裂韧度的混凝土试件最小理论尺寸。建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式，对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载，以及不同混凝土的起裂韧度进行了成功预测。
该文考虑混凝土材料的非均质特性，发展了确定无尺寸效应的混凝土开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数的断裂理论与相应方法。基于三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的断裂试验，确定出对应的开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数，并与试验强度值及由双K断裂模型确定的双K断裂参数进行了比较，从而验证了所提模型与方法的合理性与适用性。基于确定的材料参数，分别建立了混凝土起裂与断裂破坏的全曲线，给出了确定无尺寸效应起裂韧度的混凝土试件最小理论尺寸。建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式，对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载，以及不同混凝土的起裂韧度进行了成功预测。
2020, 37(12): 138-146, 170.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0031
摘要:
采用小跨高比三点弯曲梁研究了混凝土的断裂性能。基于对跨高比为2.5和4的三点弯曲梁断裂参数计算公式的线性插值，给出了计算小跨高比三点弯曲梁断裂参数的公式。通过开展3种小跨高比三点弯曲梁试验及文献中的试验数据对该文公式进行了验证，结果表明：随试件高度从100 mm增大至200 mm，基于小跨高比三点弯曲梁所得的起裂断裂韧度基本保持不变，而失稳断裂韧度则逐渐增大，但增幅较小。该文所给公式计算所得的双K断裂参数与文献中已有方法所得结果基本相同。解析法得到的起裂断裂韧度与试验法所得结果吻合较好。通过对文献中的试验数据的分析，进一步验证了该文所给的方法可以用于研究小跨高比三点弯曲梁的断裂性能。
采用小跨高比三点弯曲梁研究了混凝土的断裂性能。基于对跨高比为2.5和4的三点弯曲梁断裂参数计算公式的线性插值，给出了计算小跨高比三点弯曲梁断裂参数的公式。通过开展3种小跨高比三点弯曲梁试验及文献中的试验数据对该文公式进行了验证，结果表明：随试件高度从100 mm增大至200 mm，基于小跨高比三点弯曲梁所得的起裂断裂韧度基本保持不变，而失稳断裂韧度则逐渐增大，但增幅较小。该文所给公式计算所得的双K断裂参数与文献中已有方法所得结果基本相同。解析法得到的起裂断裂韧度与试验法所得结果吻合较好。通过对文献中的试验数据的分析，进一步验证了该文所给的方法可以用于研究小跨高比三点弯曲梁的断裂性能。
2020, 37(12): 147-156.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0034
摘要:
该文提出一种新型自复位全钢型防屈曲支撑(SC-SBRB)，主要由防屈曲耗能系统和预压组合碟簧自复位系统并联组成。对其基本构造和工作原理进行了介绍，建立了能够准确描述支撑滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS有限元软件建立了具有不同设计参数的4个SC-SBRB实体模型，研究了支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性及复位性能，并与恢复力模型计算结果进行了对比分析。结果表明，低周往复荷载作用下，SC-SBRB的滞回响应呈现稳定饱满的类“旗形”特征，建立的恢复力模型能够准确地预测支撑各阶段的力学性能。SC-SBRB的自复位性能随碟簧初始预压力的增大而逐渐得到发挥，残余变形同步减小。当复位率达到1.0时，支撑最大残余变形率为0.039%，复位性能和耗能能力匹配合理。
该文提出一种新型自复位全钢型防屈曲支撑(SC-SBRB)，主要由防屈曲耗能系统和预压组合碟簧自复位系统并联组成。对其基本构造和工作原理进行了介绍，建立了能够准确描述支撑滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS有限元软件建立了具有不同设计参数的4个SC-SBRB实体模型，研究了支撑在低周往复荷载作用下的滞回特性及复位性能，并与恢复力模型计算结果进行了对比分析。结果表明，低周往复荷载作用下，SC-SBRB的滞回响应呈现稳定饱满的类“旗形”特征，建立的恢复力模型能够准确地预测支撑各阶段的力学性能。SC-SBRB的自复位性能随碟簧初始预压力的增大而逐渐得到发挥，残余变形同步减小。当复位率达到1.0时，支撑最大残余变形率为0.039%，复位性能和耗能能力匹配合理。
2020, 37(12): 157-170.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0050
摘要:
为研究单轴对称十字型钢混凝土柱轴压性能，对9根短柱进行轴压试验，试验参数为十字型钢偏心率、混凝土强度、含钢率和配箍率。试验得到试件破坏形态、荷载-变形曲线、应变变化规律，分析了组合柱受力机理及各参数对其轴压性能的影响，基于Mander本构模型，通过划分不同的混凝土约束区，提出该组合柱轴压承载力计算方法。结果表明：试件破坏集中在纵向H型钢偏心方向远侧；型钢、纵筋、箍筋及混凝土协同工作，各种材料强度充分利用；试件轴压承载力和延性随十字型钢偏心率和箍筋间距增大而降低；混凝土强度和含钢率提高，试件轴压承载力提高，但试件延性随混凝土强度提高而显著降低；采用中国JGJ138-2016、欧洲EC4和美国ACI318-14计算的试件轴压承载力均偏低，该文提出的轴压承载力计算方法计算值与试验值吻合良好。
为研究单轴对称十字型钢混凝土柱轴压性能，对9根短柱进行轴压试验，试验参数为十字型钢偏心率、混凝土强度、含钢率和配箍率。试验得到试件破坏形态、荷载-变形曲线、应变变化规律，分析了组合柱受力机理及各参数对其轴压性能的影响，基于Mander本构模型，通过划分不同的混凝土约束区，提出该组合柱轴压承载力计算方法。结果表明：试件破坏集中在纵向H型钢偏心方向远侧；型钢、纵筋、箍筋及混凝土协同工作，各种材料强度充分利用；试件轴压承载力和延性随十字型钢偏心率和箍筋间距增大而降低；混凝土强度和含钢率提高，试件轴压承载力提高，但试件延性随混凝土强度提高而显著降低；采用中国JGJ138-2016、欧洲EC4和美国ACI318-14计算的试件轴压承载力均偏低，该文提出的轴压承载力计算方法计算值与试验值吻合良好。
2020, 37(12): 171-179.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0096
摘要:
对复杂随机系统进行统计矩分析时，双变量降维近似模型一定程度上可以缓解“维数灾难”。但当系统维数较高时，双变量分量函数较多，计算量仍然较大。为此，该文将降维近似和Kriging代理模型有机结合起来，提出了一类高效、合理的改进点估计法。充分考虑函数逼近和数值积分中积分点的特点，提出了“米”字形的选点策略，并基于此发展了双变量分量函数的Kriging近似模型；将此近似模型用于原函数和矩函数的双变量降维近似模型中双变量分量函数的近似，分别建立了基于原函数近似和矩函数近似的统计矩改进点估计法；通过多个算例对该文提出方法进行了效率和精度的分析。算例分析结果表明：基于“米”字形选点策略的双变量分量函数的Kriging近似具有较高的精度；相比于已有的基于双变量降维近似模型的统计矩点估计法，建议方法仅需较少的结构分析即可达到与已有方法相当的精度，能更好地体现精度和效率的平衡。
对复杂随机系统进行统计矩分析时，双变量降维近似模型一定程度上可以缓解“维数灾难”。但当系统维数较高时，双变量分量函数较多，计算量仍然较大。为此，该文将降维近似和Kriging代理模型有机结合起来，提出了一类高效、合理的改进点估计法。充分考虑函数逼近和数值积分中积分点的特点，提出了“米”字形的选点策略，并基于此发展了双变量分量函数的Kriging近似模型；将此近似模型用于原函数和矩函数的双变量降维近似模型中双变量分量函数的近似，分别建立了基于原函数近似和矩函数近似的统计矩改进点估计法；通过多个算例对该文提出方法进行了效率和精度的分析。算例分析结果表明：基于“米”字形选点策略的双变量分量函数的Kriging近似具有较高的精度；相比于已有的基于双变量降维近似模型的统计矩点估计法，建议方法仅需较少的结构分析即可达到与已有方法相当的精度，能更好地体现精度和效率的平衡。
2020, 37(12): 180-190.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0109
摘要:
上、下盘抗压强度不一致的软-硬节理的抗剪强度难以准确获取，应用Barton模型等常用的岩石节理抗剪强度模型也不能准确表征这类特殊节理的抗剪强度。借助三维激光扫描和3D打印技术，浇筑了具有自然节理形貌上下盘抗压强度相同以及上下盘抗压强度不同的人工节理试样，并对其进行常法向应力下的剪切试验。分析了法向应力、三维形貌特征以及节理强度比对软-硬节理的抗剪强度和剪胀角的影响。试验结果表明：节理抗剪强度与法向应力、节理强度比和节理粗糙度呈正相关；剪胀角与法向应力呈负相关，与节理强度比和节理粗糙度呈正相关。通过研究剪胀角在剪切过程中随法向应力和节理强度比的演化规律，建立了含有三维形貌参数和节理强度比的岩石节理抗剪强度模型。通过与Barton模型的对比分析，验证了所提出模型的可靠性。采用该文模型计算云南某水电站库区内不稳定斜坡平硐内出现的软-硬节理的抗剪强度，计算结果和试验值较为接近，论证了该模型的适用性。
上、下盘抗压强度不一致的软-硬节理的抗剪强度难以准确获取，应用Barton模型等常用的岩石节理抗剪强度模型也不能准确表征这类特殊节理的抗剪强度。借助三维激光扫描和3D打印技术，浇筑了具有自然节理形貌上下盘抗压强度相同以及上下盘抗压强度不同的人工节理试样，并对其进行常法向应力下的剪切试验。分析了法向应力、三维形貌特征以及节理强度比对软-硬节理的抗剪强度和剪胀角的影响。试验结果表明：节理抗剪强度与法向应力、节理强度比和节理粗糙度呈正相关；剪胀角与法向应力呈负相关，与节理强度比和节理粗糙度呈正相关。通过研究剪胀角在剪切过程中随法向应力和节理强度比的演化规律，建立了含有三维形貌参数和节理强度比的岩石节理抗剪强度模型。通过与Barton模型的对比分析，验证了所提出模型的可靠性。采用该文模型计算云南某水电站库区内不稳定斜坡平硐内出现的软-硬节理的抗剪强度，计算结果和试验值较为接近，论证了该模型的适用性。
2020, 37(12): 191-201, 212.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0246
摘要:
为研究高强度结构钢的疲劳性能，对Q460C、Q550D、Q690D和Q960D四种国产高强钢母材进行了疲劳裂纹扩展速率试验。每种钢材均取3个10 mm厚的C(T)紧凑拉伸试样，在应力比R=0.1的条件下施加恒幅疲劳荷载，利用显微镜目测记录每个试样的裂纹扩展长度a和对应的循环次数N。对每个试样的试验结果，分别采用七点递增多项式法、Smith法和割线法进行处理，计算裂纹扩展速率和应力强度因子幅值数据组，得到对应于Paris公式中的参数，比较不同方法拟合结果的优劣性并分析原因。再将同种钢材三个试样的数据合成一组，同样采用三种方法计算，并与单试样数据的结果作对比。最后给出了四种钢材Pairs公式中的疲劳裂纹扩展速率参数，并与其他文献中各种结构钢疲劳裂纹扩展速率的参数值进行对比评价。研究表明该文高强度结构钢的疲劳裂纹扩展速率会随着强度的提高而降低，并且这四种高强钢的疲劳裂纹扩展速率都比BS7910中针对普通强度结构钢推荐的疲劳裂纹扩展速率要低。
为研究高强度结构钢的疲劳性能，对Q460C、Q550D、Q690D和Q960D四种国产高强钢母材进行了疲劳裂纹扩展速率试验。每种钢材均取3个10 mm厚的C(T)紧凑拉伸试样，在应力比R=0.1的条件下施加恒幅疲劳荷载，利用显微镜目测记录每个试样的裂纹扩展长度a和对应的循环次数N。对每个试样的试验结果，分别采用七点递增多项式法、Smith法和割线法进行处理，计算裂纹扩展速率和应力强度因子幅值数据组，得到对应于Paris公式中的参数，比较不同方法拟合结果的优劣性并分析原因。再将同种钢材三个试样的数据合成一组，同样采用三种方法计算，并与单试样数据的结果作对比。最后给出了四种钢材Pairs公式中的疲劳裂纹扩展速率参数，并与其他文献中各种结构钢疲劳裂纹扩展速率的参数值进行对比评价。研究表明该文高强度结构钢的疲劳裂纹扩展速率会随着强度的提高而降低，并且这四种高强钢的疲劳裂纹扩展速率都比BS7910中针对普通强度结构钢推荐的疲劳裂纹扩展速率要低。
2020, 37(12): 202-212.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0038
摘要:
为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏，在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量，还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程；基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程，且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算；针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案；通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性，通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。
为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏，在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量，还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程；基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程，且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算；针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案；通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性，通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。
2020, 37(12): 213-219.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0033
摘要:
车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用，加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征，基于车轮擦伤的现场实测数据，拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型，详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用，分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明：实际车轮擦伤呈不对称的几何形状；车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大；车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。
车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用，加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征，基于车轮擦伤的现场实测数据，拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型，详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用，分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明：实际车轮擦伤呈不对称的几何形状；车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大；车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。
2020, 37(12): 220-227.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0119
摘要:
胶质阻尼(Colloidal damper)是由水和布满纳米微孔的疏水材料混合而成的新型隔振材料，以胶质阻尼为工作介质即可形成胶质阻尼隔振器。该文通过准静态和动态加载试验研究了胶质阻尼的迟滞特性，分析了加载频率、振幅对迟滞曲线的影响；之后建立了包含三次非线性刚度、粘性阻尼特性和干摩擦阻尼特性的胶质阻尼隔振器力学模型，以实测动态加载迟滞曲线为基础开展了模型参数识别；最后完成了胶质阻尼隔振器的隔振性能评估。研究表明，胶质阻尼隔振器具有良好的低频隔振性能和大阻尼特性，在设备减振领域具有良好的应用前景。
胶质阻尼(Colloidal damper)是由水和布满纳米微孔的疏水材料混合而成的新型隔振材料，以胶质阻尼为工作介质即可形成胶质阻尼隔振器。该文通过准静态和动态加载试验研究了胶质阻尼的迟滞特性，分析了加载频率、振幅对迟滞曲线的影响；之后建立了包含三次非线性刚度、粘性阻尼特性和干摩擦阻尼特性的胶质阻尼隔振器力学模型，以实测动态加载迟滞曲线为基础开展了模型参数识别；最后完成了胶质阻尼隔振器的隔振性能评估。研究表明，胶质阻尼隔振器具有良好的低频隔振性能和大阻尼特性，在设备减振领域具有良好的应用前景。
2020, 37(12): 228-242.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.0266
摘要:
针对表面粘贴有压电层的功能梯度板的动力学及主动振动控制问题，建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中，功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布，并假设电势沿着压电层的厚度方向呈线性变化。利用线性压电本构方程以及哈密顿变分原理，推导了压电功能梯度板的相关等几何分析有限元方程。通过分析压电智能结构的静态弯曲行为验证了该方法的有效性与精确性。运用模态叠加技术与Newmark-β直接积分法分析了两种不同结构的压电功能梯度板的动力学响应与主动振动控制问题。在主动振动控制分析中，引入了物理中面的概念避免当传感器与驱动器分别粘贴于功能梯度的上、下表面时，由拉伸-耦合效应引起的控制不稳定的问题，并着重分析了振动控制过程中两种结构传感器层和驱动器层的电压响应。
针对表面粘贴有压电层的功能梯度板的动力学及主动振动控制问题，建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中，功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布，并假设电势沿着压电层的厚度方向呈线性变化。利用线性压电本构方程以及哈密顿变分原理，推导了压电功能梯度板的相关等几何分析有限元方程。通过分析压电智能结构的静态弯曲行为验证了该方法的有效性与精确性。运用模态叠加技术与Newmark-β直接积分法分析了两种不同结构的压电功能梯度板的动力学响应与主动振动控制问题。在主动振动控制分析中，引入了物理中面的概念避免当传感器与驱动器分别粘贴于功能梯度的上、下表面时，由拉伸-耦合效应引起的控制不稳定的问题，并着重分析了振动控制过程中两种结构传感器层和驱动器层的电压响应。
2020, 37(12): 243-249.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0047
摘要:
2019年末爆发的新型冠状病毒肺炎疫情对现有医疗系统造成了巨大压力，各地开始建设新型冠状病毒肺炎的集中治疗临时医院。临时医院排风口排出的气体可能对临时医院新风口或者周围环境造成污染。由于临时医院的设计和建造周期只有6 d~10 d，因此排风环境影响分析一般需要在几小时内完成。基于上述背景，该研究提出了一个临时医院排风环境影响的快速模拟方法。该方法以开源流体力学计算软件FDS为基础，实现了临时医院建筑的快速建模、基于云计算平台的分布式计算、以及有害空气流动的监测和可视化，为临时医院设计阶段的快速分析提供了专门工具。并以武汉雷神山医院为案例，说明了该方法在此次肺炎疫情防疫工作中的应用价值。
2019年末爆发的新型冠状病毒肺炎疫情对现有医疗系统造成了巨大压力，各地开始建设新型冠状病毒肺炎的集中治疗临时医院。临时医院排风口排出的气体可能对临时医院新风口或者周围环境造成污染。由于临时医院的设计和建造周期只有6 d~10 d，因此排风环境影响分析一般需要在几小时内完成。基于上述背景，该研究提出了一个临时医院排风环境影响的快速模拟方法。该方法以开源流体力学计算软件FDS为基础，实现了临时医院建筑的快速建模、基于云计算平台的分布式计算、以及有害空气流动的监测和可视化，为临时医院设计阶段的快速分析提供了专门工具。并以武汉雷神山医院为案例，说明了该方法在此次肺炎疫情防疫工作中的应用价值。
2020, 37(12): 250-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0389
摘要:
水中运动体高速下会发生空化而改变流场结构，研究测速涡轮装置空化特性对提升运动体自主环境感知能力具有重要意义。该文基于内置测速涡轮的防空化结构设计，针对水流速度为10 m/s下的不同空化数、有无偏角情况，利用空化水洞实验和数值仿真模拟对测速涡轮装置的空化情况、涡轮转动情况和涡轮装置的空化特性进行了研究。结果表明：与无涡轮装置样机相比，空化区域发生了明显变化，云状空化团脱落明显加快，云状脱落范围更小。同时，该涡轮装置具有隔离外部空化的能力，在外界空化数高于临界空化数(σCr=0.4)的情况下，能够保证涡轮装置位于线性测量范围。
水中运动体高速下会发生空化而改变流场结构，研究测速涡轮装置空化特性对提升运动体自主环境感知能力具有重要意义。该文基于内置测速涡轮的防空化结构设计，针对水流速度为10 m/s下的不同空化数、有无偏角情况，利用空化水洞实验和数值仿真模拟对测速涡轮装置的空化情况、涡轮转动情况和涡轮装置的空化特性进行了研究。结果表明：与无涡轮装置样机相比，空化区域发生了明显变化，云状空化团脱落明显加快，云状脱落范围更小。同时，该涡轮装置具有隔离外部空化的能力，在外界空化数高于临界空化数(σCr=0.4)的情况下，能够保证涡轮装置位于线性测量范围。
