2021年 第38卷 第7期
2021, 38(7): 1-8, 29.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0504
摘要：
为研究圆拱结构几何非线性内力和位移计算以及平面内稳定分析问题，基于圆拱几何非线性静力分析模型，构造了解析位移形函数，进而利用能量法和势能变分原理，构造了解析型几何非线性圆拱单元，给出了单元列式；同时将该文模型通过理论退化，得到了不考虑轴向变形的无压缩圆拱模型，进一步得到了解析型无压缩几何非线性圆拱单元，并将此单元应用于圆拱的平面内稳定分析。研究结果表明：采用本单元模型进行平面内分岔失稳分析得到的失稳临界荷载系数与经典Timoshenko模型、Dinnik模型及静力法模型计算结果一致，相对误差为0%；平面内分岔失稳的临界荷载与平面内极值点失稳的临界荷载一致。该文单元具有解析型、高精确性以及良好的适用性，可用于任意工况下圆拱结构几何非线性位移、内力和平面内稳定分析。
为研究圆拱结构几何非线性内力和位移计算以及平面内稳定分析问题，基于圆拱几何非线性静力分析模型，构造了解析位移形函数，进而利用能量法和势能变分原理，构造了解析型几何非线性圆拱单元，给出了单元列式；同时将该文模型通过理论退化，得到了不考虑轴向变形的无压缩圆拱模型，进一步得到了解析型无压缩几何非线性圆拱单元，并将此单元应用于圆拱的平面内稳定分析。研究结果表明：采用本单元模型进行平面内分岔失稳分析得到的失稳临界荷载系数与经典Timoshenko模型、Dinnik模型及静力法模型计算结果一致，相对误差为0%；平面内分岔失稳的临界荷载与平面内极值点失稳的临界荷载一致。该文单元具有解析型、高精确性以及良好的适用性，可用于任意工况下圆拱结构几何非线性位移、内力和平面内稳定分析。
2021, 38(7): 9-18.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0336
摘要：
蒸压加气混凝土(AAC)砌块砌体墙自重轻，但其抗震性能较差，为提高该类墙体的抗震性能，提出采用高延性混凝土(HDC)面层和条带对其进行加固。设计制作了4个无筋砌体墙和2个构造柱约束墙体试件，其中2个试件采用HDC面层加固，2个试件采用HDC条带加固，通过拟静力试验，研究AAC砌体墙的破坏形态、滞回性能、承载力及变形能力等性能。试验结果表明：HDC面层可改变AAC墙体的破坏模式；对于无筋砌体墙，加固后试件的承载力、变形及耗能能力均得到了不同程度的提高，墙体裂缝数量明显减少，刚度退化较为平缓；对于构造柱约束墙体，单面HDC面层使加固试件的侧向刚度、水平承载力及耗能能力均大幅提高，且加固试件具有较高的残余承载力，墙体的开裂和损伤程度较小。基于试件的破坏形态，提出加固墙体的水平承载力计算方法，其计算结果与试验结果吻合较好，可为HDC加固AAC砌块墙体的承载力计算提供参考。
蒸压加气混凝土(AAC)砌块砌体墙自重轻，但其抗震性能较差，为提高该类墙体的抗震性能，提出采用高延性混凝土(HDC)面层和条带对其进行加固。设计制作了4个无筋砌体墙和2个构造柱约束墙体试件，其中2个试件采用HDC面层加固，2个试件采用HDC条带加固，通过拟静力试验，研究AAC砌体墙的破坏形态、滞回性能、承载力及变形能力等性能。试验结果表明：HDC面层可改变AAC墙体的破坏模式；对于无筋砌体墙，加固后试件的承载力、变形及耗能能力均得到了不同程度的提高，墙体裂缝数量明显减少，刚度退化较为平缓；对于构造柱约束墙体，单面HDC面层使加固试件的侧向刚度、水平承载力及耗能能力均大幅提高，且加固试件具有较高的残余承载力，墙体的开裂和损伤程度较小。基于试件的破坏形态，提出加固墙体的水平承载力计算方法，其计算结果与试验结果吻合较好，可为HDC加固AAC砌块墙体的承载力计算提供参考。
2021, 38(7): 19-29.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0407
摘要：
部分包裹组合柱的翼缘板可归类为三边固支、一边自由，并在面外受混凝土单侧约束的平板。此类板件的局部屈曲可通过限制板件的宽厚比来避免。为了得到此类高强钢板的宽厚比限值，该文以薄板的弹塑性局部屈曲理论为基础，采用Bleich近似计算方法，结合Ramberg-Osgood高强钢材本构模型，推导出了板件在均布压应力作用下的弹塑性屈曲应力，给出了板件宽厚比限值的近似计算公式。采用有限元法进行了高强钢部分包裹组合柱轴压数值试验，有限元结果与已有的试验结果验证了该文提出的宽厚比限值近似计算公式的准确性。与相关规范的对比分析表明：混凝土的单侧约束作用可以使三边支承高强钢板的宽厚比限值提高39%；该文近似计算公式所得的受混凝土单侧约束、三边固支、一边自由高强钢板的宽厚比限值比澳大利亚规范AS/NZS 2327：2017的计算结果小19%，与欧洲规范EN 1994-1-1的计算结果仅相差5%。建议受混凝土单侧约束、三边固支、一边自由高强钢板的宽厚比限值可偏安全地取该文近似计算公式和EN 1994-1-1计算结果的较小值。
部分包裹组合柱的翼缘板可归类为三边固支、一边自由，并在面外受混凝土单侧约束的平板。此类板件的局部屈曲可通过限制板件的宽厚比来避免。为了得到此类高强钢板的宽厚比限值，该文以薄板的弹塑性局部屈曲理论为基础，采用Bleich近似计算方法，结合Ramberg-Osgood高强钢材本构模型，推导出了板件在均布压应力作用下的弹塑性屈曲应力，给出了板件宽厚比限值的近似计算公式。采用有限元法进行了高强钢部分包裹组合柱轴压数值试验，有限元结果与已有的试验结果验证了该文提出的宽厚比限值近似计算公式的准确性。与相关规范的对比分析表明：混凝土的单侧约束作用可以使三边支承高强钢板的宽厚比限值提高39%；该文近似计算公式所得的受混凝土单侧约束、三边固支、一边自由高强钢板的宽厚比限值比澳大利亚规范AS/NZS 2327：2017的计算结果小19%，与欧洲规范EN 1994-1-1的计算结果仅相差5%。建议受混凝土单侧约束、三边固支、一边自由高强钢板的宽厚比限值可偏安全地取该文近似计算公式和EN 1994-1-1计算结果的较小值。
2021, 38(7): 30-40, 51.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0414
摘要：
以轴压比、含钢率和钢材强度为参数，进行了8根高强钢管超高强混凝土柱和1根普通强度钢管超高强混凝土对比柱的拟静力试验，分析了各参数对破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线和各个抗震性能指标(如延性、耗能和强度与刚度退化等)的影响程度。结果表明：压弯破坏为主要破坏模式；弹性刚度受轴压比影响不大，但受含钢率和钢材强度影响较大；极限承载力受轴压比、含钢率和钢材强度影响较大，随前者增大而降低，随后两者增大而增大；延性受轴压比、钢材强度和含钢率影响较大，随前两者增大降低，随后者增大而增大；耗能能力随轴压比增大而减弱，随含钢率和钢材强度增大而增强；刚度和强度退化程度随轴压比增大而降低，随含钢率增大而增大，且前者随钢材强度增大而增大，后者则随钢材强度增大呈减小趋势。通过对比不同规程抗弯刚度计算方法，结果表明：受材料适用范围限制，各规程不适用于该类高强材料组合构件。
以轴压比、含钢率和钢材强度为参数，进行了8根高强钢管超高强混凝土柱和1根普通强度钢管超高强混凝土对比柱的拟静力试验，分析了各参数对破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线和各个抗震性能指标(如延性、耗能和强度与刚度退化等)的影响程度。结果表明：压弯破坏为主要破坏模式；弹性刚度受轴压比影响不大，但受含钢率和钢材强度影响较大；极限承载力受轴压比、含钢率和钢材强度影响较大，随前者增大而降低，随后两者增大而增大；延性受轴压比、钢材强度和含钢率影响较大，随前两者增大降低，随后者增大而增大；耗能能力随轴压比增大而减弱，随含钢率和钢材强度增大而增强；刚度和强度退化程度随轴压比增大而降低，随含钢率增大而增大，且前者随钢材强度增大而增大，后者则随钢材强度增大呈减小趋势。通过对比不同规程抗弯刚度计算方法，结果表明：受材料适用范围限制，各规程不适用于该类高强材料组合构件。
2021, 38(7): 41-51.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0435
摘要：
为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式，该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用，建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上，扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明：一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高，但其延性会降低；该文工况中，CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势，存在着明显尺寸效应行为；在经典材料层次尺寸效应律基础上，提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4)，模拟结果证实了公式的合理性。
为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式，该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用，建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上，扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明：一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高，但其延性会降低；该文工况中，CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势，存在着明显尺寸效应行为；在经典材料层次尺寸效应律基础上，提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4)，模拟结果证实了公式的合理性。
2021, 38(7): 52-63.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0449
摘要：
针对相同的地质条件，采用相同的爆破耗材，分别设计了直眼掏槽、单楔形掏槽、双楔形掏槽共计三种掏槽方式。进一步实施了在不同掏槽方式情况下的光面爆破试验。依据爆破效果，发现直眼掏槽方式更有利于爆破硐室成型，而单楔形和双楔形掏槽更有利于岩石的破碎及岩渣抛掷。从加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱角度对爆破后体系的动力响应予以分析，发现直眼掏槽无论是加速度响应峰值，还是速度和位移响应峰值均为最大，而双楔形掏槽的上述对应响应峰值均为最小，并且直眼掏槽能量更多集中在低频部分，对于工程稳定性更为不利。反应谱特征充分说明在该工程体系中，宜采用双楔形掏槽方式进行爆破设计。同时，需指出的是，该文获得的位移、速度和加速度反应谱，与爆破振动波自身的波动特征并不相同，该反应谱是爆破振动波动与结构体系的动力响应之间的一个联系，可为结构体系的最大响应峰值提供参考，并能为爆破参数设计提供理论依据。
针对相同的地质条件，采用相同的爆破耗材，分别设计了直眼掏槽、单楔形掏槽、双楔形掏槽共计三种掏槽方式。进一步实施了在不同掏槽方式情况下的光面爆破试验。依据爆破效果，发现直眼掏槽方式更有利于爆破硐室成型，而单楔形和双楔形掏槽更有利于岩石的破碎及岩渣抛掷。从加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱角度对爆破后体系的动力响应予以分析，发现直眼掏槽无论是加速度响应峰值，还是速度和位移响应峰值均为最大，而双楔形掏槽的上述对应响应峰值均为最小，并且直眼掏槽能量更多集中在低频部分，对于工程稳定性更为不利。反应谱特征充分说明在该工程体系中，宜采用双楔形掏槽方式进行爆破设计。同时，需指出的是，该文获得的位移、速度和加速度反应谱，与爆破振动波自身的波动特征并不相同，该反应谱是爆破振动波动与结构体系的动力响应之间的一个联系，可为结构体系的最大响应峰值提供参考，并能为爆破参数设计提供理论依据。
2021, 38(7): 64-74.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0461
摘要：
为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能，以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数，进行4根试件的受弯试验，结果表明：波纹钢能较好地与混凝土协同工作，有效加强钢-混界面，避免纵向滑移破坏的发生，但是波纹钢轴向刚度较小，几乎没有抗弯贡献；预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大；抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算，发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用，提高试件的抗弯承载力与延性；相比于直钢板组合梁，波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力；随着混凝土强度提高，承载力略有提升；下翼缘钢板厚度增加，承载力显著提高，对刚度影响不大；刚度、承载力随预应力度提高而提高，但是延性变差。最后，建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。
为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能，以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数，进行4根试件的受弯试验，结果表明：波纹钢能较好地与混凝土协同工作，有效加强钢-混界面，避免纵向滑移破坏的发生，但是波纹钢轴向刚度较小，几乎没有抗弯贡献；预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大；抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算，发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用，提高试件的抗弯承载力与延性；相比于直钢板组合梁，波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力；随着混凝土强度提高，承载力略有提升；下翼缘钢板厚度增加，承载力显著提高，对刚度影响不大；刚度、承载力随预应力度提高而提高，但是延性变差。最后，建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。
2021, 38(7): 75-85.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0465
摘要：
通过开展循环加卸载转单调加载试验和疲劳破坏试验，揭示循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和力学响应特征。试验与研究结果表明，当循环上限荷载位于疲劳强度前后，试件的轴向和横向累计残余应变由单调递增凸曲线向凹曲线延伸，滞回环间距由“疏-密”向“疏-密-疏”发展，残余应变率和滞回环相对面积由L形向U形转化；弹性模量由初始快速上升、下降、缓慢稳定发展3个阶段向单调递减凹曲线转凸曲线衰减；而横向-轴向应变比则由单调递减凹曲线，转变为单调递增凸曲线，然后向凹曲线延伸；随上限荷载的增加，循环加卸载3000次后泥质石英粉砂岩抗压强度先增大后减小，最大增幅较单轴抗压强度高13.62%，而当上限荷载小于单轴压缩弹性上限时，循环荷载作用后的岩石抗压强度略小于单轴抗压强度；当试件发生疲劳破坏时，疲劳寿命与上限荷载呈幂函数分布，疲劳强度约为单轴抗压强度的80%~89%。试件弹性模量整体随着循环上限荷载先增大后减小，而横向-轴向应变比则随上限荷载的增加而增大；提出了循环荷载的“薄弱结构断裂效应”和“压密嵌固效应”，探讨了循环加卸载过程中多孔弱胶结岩石的强度变化特征和力学参数演化机制。
通过开展循环加卸载转单调加载试验和疲劳破坏试验，揭示循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和力学响应特征。试验与研究结果表明，当循环上限荷载位于疲劳强度前后，试件的轴向和横向累计残余应变由单调递增凸曲线向凹曲线延伸，滞回环间距由“疏-密”向“疏-密-疏”发展，残余应变率和滞回环相对面积由L形向U形转化；弹性模量由初始快速上升、下降、缓慢稳定发展3个阶段向单调递减凹曲线转凸曲线衰减；而横向-轴向应变比则由单调递减凹曲线，转变为单调递增凸曲线，然后向凹曲线延伸；随上限荷载的增加，循环加卸载3000次后泥质石英粉砂岩抗压强度先增大后减小，最大增幅较单轴抗压强度高13.62%，而当上限荷载小于单轴压缩弹性上限时，循环荷载作用后的岩石抗压强度略小于单轴抗压强度；当试件发生疲劳破坏时，疲劳寿命与上限荷载呈幂函数分布，疲劳强度约为单轴抗压强度的80%~89%。试件弹性模量整体随着循环上限荷载先增大后减小，而横向-轴向应变比则随上限荷载的增加而增大；提出了循环荷载的“薄弱结构断裂效应”和“压密嵌固效应”，探讨了循环加卸载过程中多孔弱胶结岩石的强度变化特征和力学参数演化机制。
2021, 38(7): 86-98.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0479
摘要：
针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状，笔者采用合理的材料本构关系，通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析，确定了组合梁界限剪跨比，揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律，以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017−2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。
针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状，笔者采用合理的材料本构关系，通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析，确定了组合梁界限剪跨比，揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律，以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017−2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。
2021, 38(7): 99-107, 119.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0483
摘要：
为降低大型地震模拟振动台试验时所引起的振动对振动台实验室以及周边建筑结构内的机床以及精密仪器的影响，提高结构内人员的舒适度，建立了一种频率相关的半主动控制三维隔振楼板系统。提出了一种基于楼板输入加速度主频的on-off半主动控制方法以及相应的频率在线检测方法，开展了振动台试验，进行了正弦波与地震动引起振动的加载。试验结果表明：所提出的频率在线检测方法可以快速有效地检测输入振动波的主频，根据此频率进行的半主动控制可以有效降低楼板的振动响应。为了提高控制效果，实际应用中应尽量降低磁流变阻尼器在低阻尼力模式时的阻尼。
为降低大型地震模拟振动台试验时所引起的振动对振动台实验室以及周边建筑结构内的机床以及精密仪器的影响，提高结构内人员的舒适度，建立了一种频率相关的半主动控制三维隔振楼板系统。提出了一种基于楼板输入加速度主频的on-off半主动控制方法以及相应的频率在线检测方法，开展了振动台试验，进行了正弦波与地震动引起振动的加载。试验结果表明：所提出的频率在线检测方法可以快速有效地检测输入振动波的主频，根据此频率进行的半主动控制可以有效降低楼板的振动响应。为了提高控制效果，实际应用中应尽量降低磁流变阻尼器在低阻尼力模式时的阻尼。
2021, 38(7): 108-119.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0486
摘要：
为探讨设置耗能壳板的新型高强钢圆管桥墩的受力机理，对4组共8个新型Q460高强钢圆管桥墩试件开展相应的轴压试验研究，获得各试件破坏的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线。通过对比分析轴压作用下试件的破坏模式、承载能力、延性性能等力学特征，探讨设置耗能壳板后高强钢圆管桥墩承载能力和变形性能的变化规律。试验结果表明，新型高强钢圆管桥墩试件的轴压破坏可分为根部“象脚式”破坏、高强螺栓被剪断、上下端部“压扁式”破坏三种类型。设置耗能部件后，轴向荷载作用下高强钢圆管桥墩的承载能力和延性性能均有提高，尤其是构件承载能力提高效果更为显著。低屈服点耗能钢板的强度和厚度对试件的承载能力均有影响，随着低屈服点钢板强度和厚度的提高，试件的轴压承载能力随之提高；且低屈服点钢板厚度对试件轴压承载力的影响更显著。
为探讨设置耗能壳板的新型高强钢圆管桥墩的受力机理，对4组共8个新型Q460高强钢圆管桥墩试件开展相应的轴压试验研究，获得各试件破坏的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线。通过对比分析轴压作用下试件的破坏模式、承载能力、延性性能等力学特征，探讨设置耗能壳板后高强钢圆管桥墩承载能力和变形性能的变化规律。试验结果表明，新型高强钢圆管桥墩试件的轴压破坏可分为根部“象脚式”破坏、高强螺栓被剪断、上下端部“压扁式”破坏三种类型。设置耗能部件后，轴向荷载作用下高强钢圆管桥墩的承载能力和延性性能均有提高，尤其是构件承载能力提高效果更为显著。低屈服点耗能钢板的强度和厚度对试件的承载能力均有影响，随着低屈服点钢板强度和厚度的提高，试件的轴压承载能力随之提高；且低屈服点钢板厚度对试件轴压承载力的影响更显著。
2021, 38(7): 120-132, 158.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0488
摘要：
为研究型钢混凝土异形柱框架的空间受力性能，对一个五层的双向两跨空间框架模型进行了低周反复加载试验，得到了空间框架的破坏形态及滞回曲线和骨架曲线，分析了其延性、位移角、刚度、耗能等抗震性能指标。基于此，采用OpenSees建立了空间框架的有限元模型，计算结果与试验结果吻合较好，进而对空间框架的破坏机制和协同工作机制进行了探讨，并分析了不同加载角下轴压比和柱肢长宽比对空间框架受力性能的影响。研究结果表明：型钢混凝土异形柱空间框架的梁端先于柱端发生破坏，节点损伤相对轻微，边框架的破坏程度比中框架严重；出铰顺序呈现为从梁端到柱端、从低层到高层、从中榀到边榀的发展规律；空间框架的滞回曲线基本对称且较为饱满，具有较好的延性及较强的耗能能力和抗倒塌能力，受力性能优于没有连接的独立框架；随着加载角的增大，空间框架的承载能力和耗能能力显著提高，初始刚度略微增大，延性先变好后变差；在相同加载角下，随着轴压比增大，空间框架的承载能力、延性和耗能能力均降低，初始刚度先增大后减小；随着柱肢长宽比增大，空间框架的承载能力、初始刚度和耗能能力均提高，延性变差。
为研究型钢混凝土异形柱框架的空间受力性能，对一个五层的双向两跨空间框架模型进行了低周反复加载试验，得到了空间框架的破坏形态及滞回曲线和骨架曲线，分析了其延性、位移角、刚度、耗能等抗震性能指标。基于此，采用OpenSees建立了空间框架的有限元模型，计算结果与试验结果吻合较好，进而对空间框架的破坏机制和协同工作机制进行了探讨，并分析了不同加载角下轴压比和柱肢长宽比对空间框架受力性能的影响。研究结果表明：型钢混凝土异形柱空间框架的梁端先于柱端发生破坏，节点损伤相对轻微，边框架的破坏程度比中框架严重；出铰顺序呈现为从梁端到柱端、从低层到高层、从中榀到边榀的发展规律；空间框架的滞回曲线基本对称且较为饱满，具有较好的延性及较强的耗能能力和抗倒塌能力，受力性能优于没有连接的独立框架；随着加载角的增大，空间框架的承载能力和耗能能力显著提高，初始刚度略微增大，延性先变好后变差；在相同加载角下，随着轴压比增大，空间框架的承载能力、延性和耗能能力均降低，初始刚度先增大后减小；随着柱肢长宽比增大，空间框架的承载能力、初始刚度和耗能能力均提高，延性变差。
2021, 38(7): 133-146.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0489
摘要：
为研究受火跨位置和数量对结构中混凝土楼板火灾行为影响，基于Vulcan软件，采用厚板单元和梁柱杆单元，结合EC2材料高温本构模型，对钢框架结构中受火顶层楼板(角区格和中区格)和第二层楼板(四区格)的温度和变形进行数值模拟，分析了混凝土膨胀应变对火灾下结构中楼板受火区格变形的影响规律，考察了受火板格薄膜机理、裂缝分布和钢梁内力发展规律。结果表明：楼板温度和变形计算结果与试验结果总体吻合较好，且混凝土膨胀应变对结构中受火区格跨中变形有决定性影响，即膨胀应变取值较大时，计算变形较大；边界条件对受火板格薄膜机理和裂缝分布有决定性影响，且受火板格可分为环型、对边U型和对角U型三种薄膜机理；受火板格附近钢梁弯矩和轴力逐渐增加，且钢梁轴力增加幅度相对较大。
为研究受火跨位置和数量对结构中混凝土楼板火灾行为影响，基于Vulcan软件，采用厚板单元和梁柱杆单元，结合EC2材料高温本构模型，对钢框架结构中受火顶层楼板(角区格和中区格)和第二层楼板(四区格)的温度和变形进行数值模拟，分析了混凝土膨胀应变对火灾下结构中楼板受火区格变形的影响规律，考察了受火板格薄膜机理、裂缝分布和钢梁内力发展规律。结果表明：楼板温度和变形计算结果与试验结果总体吻合较好，且混凝土膨胀应变对结构中受火区格跨中变形有决定性影响，即膨胀应变取值较大时，计算变形较大；边界条件对受火板格薄膜机理和裂缝分布有决定性影响，且受火板格可分为环型、对边U型和对角U型三种薄膜机理；受火板格附近钢梁弯矩和轴力逐渐增加，且钢梁轴力增加幅度相对较大。
2021, 38(7): 147-158.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0490
摘要：
为支撑近年来国内各省份大件运输车辆过桥智能评估管理系统建立工作，同时考虑安全性与正常使用性能的要求建立车辆过桥评估方法。基于安全性与正常使用性能要求形成了大件运输车辆过桥评估方法框架，并依托可靠度理论对评估目标可靠指标、分项系数校准、临界荷载效应比值确定等问题展开研究；选用高速公路典型中小跨径梁式桥进行案例分析；针对评估结果显示不具备可通行性的车辆，形成了系统的通行保障策略，以满足大件运输车辆的强制通行属性。研究发现，当大件运输交通量增大时，应通过评估目标可靠指标提升实现对评估方法适当收紧，考虑年均大件运输交通量为50辆~200辆时，恒载效应、大件运输车载效应及抗力分项系数取值范围分别为[1.069, 1.077]、[1.115, 1.131]及[1.165, 1.225]，桥梁构件安全性评估结果受构件技术状况等级影响显著，年均大件运输交通量对正常使用性能评估结果影响比较明显。
为支撑近年来国内各省份大件运输车辆过桥智能评估管理系统建立工作，同时考虑安全性与正常使用性能的要求建立车辆过桥评估方法。基于安全性与正常使用性能要求形成了大件运输车辆过桥评估方法框架，并依托可靠度理论对评估目标可靠指标、分项系数校准、临界荷载效应比值确定等问题展开研究；选用高速公路典型中小跨径梁式桥进行案例分析；针对评估结果显示不具备可通行性的车辆，形成了系统的通行保障策略，以满足大件运输车辆的强制通行属性。研究发现，当大件运输交通量增大时，应通过评估目标可靠指标提升实现对评估方法适当收紧，考虑年均大件运输交通量为50辆~200辆时，恒载效应、大件运输车载效应及抗力分项系数取值范围分别为[1.069, 1.077]、[1.115, 1.131]及[1.165, 1.225]，桥梁构件安全性评估结果受构件技术状况等级影响显著，年均大件运输交通量对正常使用性能评估结果影响比较明显。
2021, 38(7): 159-166, 182.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0497
摘要：
基于结构脉动风振响应计算的三分量(背景、共振及其耦合项)完全组合思路，提出一种大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法，据此实现结构脉动风振总响应的高效精准计算。引入应变能的概念，综合考虑结构所有节点上三分量响应对脉动风振总响应的贡献，定义各响应分量应变能预测系数，为了避免直接计算各响应分量具体数值，根据大跨屋盖结构各响应分量传递函数和风荷载谱特征，对各响应分量表达式进行简化处理，实现只需借助几个简单的风荷载参数和结构动力特性参数就能方便地得到各响应分量应变能预测系数。根据各响应分量应变能预测系数取值情况，将大跨屋盖结构脉动风振响应特性划分为I~VI类，在此基础上，制定与风振响应特性类型相对应的脉动风振总响应组合求解策略。以国家网球中心莲花球场屋盖结构为例，进行结构脉动风振响应特性类型预测以及风振响应组合计算。结果表明：所提方法能够方便地预测结构脉动风振响应特性类型；据此组合计算的脉动风振总响应与精确值吻合较好。
基于结构脉动风振响应计算的三分量(背景、共振及其耦合项)完全组合思路，提出一种大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法，据此实现结构脉动风振总响应的高效精准计算。引入应变能的概念，综合考虑结构所有节点上三分量响应对脉动风振总响应的贡献，定义各响应分量应变能预测系数，为了避免直接计算各响应分量具体数值，根据大跨屋盖结构各响应分量传递函数和风荷载谱特征，对各响应分量表达式进行简化处理，实现只需借助几个简单的风荷载参数和结构动力特性参数就能方便地得到各响应分量应变能预测系数。根据各响应分量应变能预测系数取值情况，将大跨屋盖结构脉动风振响应特性划分为I~VI类，在此基础上，制定与风振响应特性类型相对应的脉动风振总响应组合求解策略。以国家网球中心莲花球场屋盖结构为例，进行结构脉动风振响应特性类型预测以及风振响应组合计算。结果表明：所提方法能够方便地预测结构脉动风振响应特性类型；据此组合计算的脉动风振总响应与精确值吻合较好。
2021, 38(7): 167-182.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0500
摘要：
含端板螺栓连接耗能梁段的高强钢框筒结构(SFTSs)可以有效改善传统钢框筒结构的抗震性能，且可实现震后功能可快速恢复，是一种新型的高层可恢复功能结构。由于现行规范的抗震设计方法无法准确预测和控制结构的弹塑性性能，可能会使结构损伤集中于个别楼层出现薄弱层。为了设计具有理想失效模式的SFTSs，建立该结构体系“小震不坏，中震及大震可修，巨震不倒”的四水准抗震设防性能指标。考虑不同地震水准作用下的性能目标，采用三线型的能力曲线对传统的基于能量平衡的塑性设计方法进行改进，且考虑结构高阶振型和屈服后刚度的影响，提出了SFTSs基于性能的塑性设计方法。采用建议的设计方法设计了一个30层的结构算例，并基于OpenSees对结构算例进行弹塑性时程分析。结果表明：采用提出的设计方法设计的结构算例能够实现结构预期的失效模式以及不同地震水准作用下的性能目标，结构具有良好的抗震性能，验证了所提出的基于性能的塑性设计方法的有效性，可以为SFTSs的工程设计提供参考。
含端板螺栓连接耗能梁段的高强钢框筒结构(SFTSs)可以有效改善传统钢框筒结构的抗震性能，且可实现震后功能可快速恢复，是一种新型的高层可恢复功能结构。由于现行规范的抗震设计方法无法准确预测和控制结构的弹塑性性能，可能会使结构损伤集中于个别楼层出现薄弱层。为了设计具有理想失效模式的SFTSs，建立该结构体系“小震不坏，中震及大震可修，巨震不倒”的四水准抗震设防性能指标。考虑不同地震水准作用下的性能目标，采用三线型的能力曲线对传统的基于能量平衡的塑性设计方法进行改进，且考虑结构高阶振型和屈服后刚度的影响，提出了SFTSs基于性能的塑性设计方法。采用建议的设计方法设计了一个30层的结构算例，并基于OpenSees对结构算例进行弹塑性时程分析。结果表明：采用提出的设计方法设计的结构算例能够实现结构预期的失效模式以及不同地震水准作用下的性能目标，结构具有良好的抗震性能，验证了所提出的基于性能的塑性设计方法的有效性，可以为SFTSs的工程设计提供参考。
2021, 38(7): 183-196.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0515
摘要：
目前，针对高桩码头响应的研究大多数未考虑上部起重机结构，或将起重机结构简化为集中质量，针对起重机-码头结构相互作用缺乏精细化模拟。基于开源有限元数值计算平台OpenSees，建立起重机-码头三维有限元模型。结合起重机固有振动特性，对有/无起重机的高桩码头动力响应进行对比分析，研究了地震作用下起重机对码头结构响应的影响。研究结果表明：起重机模态分析显示起重机的动力行为主要表现为腿部与门架结构以及前后大梁的摆动；起重机的存在改变了下部码头结构的内力分布和内力最大值出现的位置，这将改变码头结构的破坏模式；起重机对桩剪力和弯矩最大值的影响与地震时刻相关。研究成果对起重机-码头结构相互作用体系地震反应与抗震技术研究具有重要理论意义与应用价值，可为类似体系数值模拟提供借鉴与参考。
目前，针对高桩码头响应的研究大多数未考虑上部起重机结构，或将起重机结构简化为集中质量，针对起重机-码头结构相互作用缺乏精细化模拟。基于开源有限元数值计算平台OpenSees，建立起重机-码头三维有限元模型。结合起重机固有振动特性，对有/无起重机的高桩码头动力响应进行对比分析，研究了地震作用下起重机对码头结构响应的影响。研究结果表明：起重机模态分析显示起重机的动力行为主要表现为腿部与门架结构以及前后大梁的摆动；起重机的存在改变了下部码头结构的内力分布和内力最大值出现的位置，这将改变码头结构的破坏模式；起重机对桩剪力和弯矩最大值的影响与地震时刻相关。研究成果对起重机-码头结构相互作用体系地震反应与抗震技术研究具有重要理论意义与应用价值，可为类似体系数值模拟提供借鉴与参考。
2021, 38(7): 197-206, 256.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0530
摘要：
提出了一种将增位型黏滞阻尼墙跨层布置的增效耗能减震结构体系。基于能量等效原理，并采用积分的方法建立了增位型阻尼墙的阻尼力和滞回耗能的计算公式，进行了普通黏滞阻尼墙和位移放大3倍的增位型阻尼墙的拟静力试验，在相同的位移幅值和加载频率下，增位型阻尼墙的阻尼力放大4.40倍，耗能平均放大4.41倍。进一步对某30层混凝土框架核心筒结构进行普通阻尼墙与增位型阻尼墙的地震响应对比分析。通过对比分析验证了增位型阻尼墙的减震效果，并且发现增位型阻尼墙跨层布置时的结构附加阻尼比倍数提高，结构响应进一步减小。将增位型阻尼墙跨层布置可取得更优的减震控制效果。
提出了一种将增位型黏滞阻尼墙跨层布置的增效耗能减震结构体系。基于能量等效原理，并采用积分的方法建立了增位型阻尼墙的阻尼力和滞回耗能的计算公式，进行了普通黏滞阻尼墙和位移放大3倍的增位型阻尼墙的拟静力试验，在相同的位移幅值和加载频率下，增位型阻尼墙的阻尼力放大4.40倍，耗能平均放大4.41倍。进一步对某30层混凝土框架核心筒结构进行普通阻尼墙与增位型阻尼墙的地震响应对比分析。通过对比分析验证了增位型阻尼墙的减震效果，并且发现增位型阻尼墙跨层布置时的结构附加阻尼比倍数提高，结构响应进一步减小。将增位型阻尼墙跨层布置可取得更优的减震控制效果。
2021, 38(7): 207-215.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0477
摘要：
基于最小二乘法将分形表面简化为三角函数的叠加，采用弹塑性有限元方法计算界面的接触刚度，定量表征了法向接触压力、法向接触变形及法向接触刚度的关系，研究结果揭示了粗糙面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度的影响机制。结果表明：存在基体最优建模厚度，可有效提高粗糙面接触刚度的计算效率；法向接触刚度随法向接触变形及法向接触压力的增加呈现非线性增加趋势；表面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度影响显著，法向接触刚度随分形维数增加而增加，但随特征尺度参数增加而减小。
基于最小二乘法将分形表面简化为三角函数的叠加，采用弹塑性有限元方法计算界面的接触刚度，定量表征了法向接触压力、法向接触变形及法向接触刚度的关系，研究结果揭示了粗糙面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度的影响机制。结果表明：存在基体最优建模厚度，可有效提高粗糙面接触刚度的计算效率；法向接触刚度随法向接触变形及法向接触压力的增加呈现非线性增加趋势；表面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度影响显著，法向接触刚度随分形维数增加而增加，但随特征尺度参数增加而减小。
2021, 38(7): 216-225.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0505
摘要：
气隙偏心和质量偏心是动车组牵引电机中普遍存在的两类偏心故障，而由此产生的不平衡磁拉力和机械不平衡力常诱发更为复杂的转子动力学行为，危害列车牵引驱动装置的安全可靠运行。为此，该文建立了静动气隙偏心和转子质量偏心下牵引电机转子系统的Jeffcott模型；推导了静动气隙偏心下牵引电机带负载运行时气隙磁密分布和转子铁芯表面Maxwell应力分布，并给出了可适用于静动气隙偏心、空载/负载运行和任意磁极对数的电机不平衡磁拉力统一解析表达式；采用四阶定步长Runge-Kutta算法计算了某型动车组牵引电机转子在不平衡磁拉力和机械不平衡力作用下的动力响应，并详细讨论了初始静偏心、质量偏心、径向刚度以及转速对系统振动特性的影响规律。结果表明：偏心故障下该型牵引电机转子轴心轨迹呈现接近圆形的椭圆状，其中质量偏心、径向刚度和转子转速会影响轴心轨迹大小，而初始静偏心和径向刚度则使轨迹中心沿静偏心方向偏移。同时，气隙偏心的存在使得具有质量偏心故障的电机转子位移频谱中较明显地包含零频、转频、固有频率、二倍转频、二倍供电频率及其与转频的组合等分量。
气隙偏心和质量偏心是动车组牵引电机中普遍存在的两类偏心故障，而由此产生的不平衡磁拉力和机械不平衡力常诱发更为复杂的转子动力学行为，危害列车牵引驱动装置的安全可靠运行。为此，该文建立了静动气隙偏心和转子质量偏心下牵引电机转子系统的Jeffcott模型；推导了静动气隙偏心下牵引电机带负载运行时气隙磁密分布和转子铁芯表面Maxwell应力分布，并给出了可适用于静动气隙偏心、空载/负载运行和任意磁极对数的电机不平衡磁拉力统一解析表达式；采用四阶定步长Runge-Kutta算法计算了某型动车组牵引电机转子在不平衡磁拉力和机械不平衡力作用下的动力响应，并详细讨论了初始静偏心、质量偏心、径向刚度以及转速对系统振动特性的影响规律。结果表明：偏心故障下该型牵引电机转子轴心轨迹呈现接近圆形的椭圆状，其中质量偏心、径向刚度和转子转速会影响轴心轨迹大小，而初始静偏心和径向刚度则使轨迹中心沿静偏心方向偏移。同时，气隙偏心的存在使得具有质量偏心故障的电机转子位移频谱中较明显地包含零频、转频、固有频率、二倍转频、二倍供电频率及其与转频的组合等分量。
2021, 38(7): 226-238.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0507
摘要：
冰载荷是极地船舶在冰区航行时受到的一种极端环境载荷，而对船体结构的现场监测是研究冰载荷的重要途径。一般通过在船体结构上安装应变传感器直接测量冰载荷引起的应变响应；采用影响系数矩阵法根据应变响应反演识别冰载荷。然而当应变传感器无法正常工作时，识别结果的准确性将难以得到保障。通过对典型极地船舶舷侧板架结构的有限元分析，研究了测点失效对识别结果的影响。基于对“天恩号”多用途冰级船实测应变数据以及典型极地船舶舷侧板架结构有限元应变数据的深入分析，确定了测点应变的空间分布规律，并进一步提出了失效测点影响下基于最小二乘拟合的冰载荷识别方法。在此基础上，较为准确地识别出7种典型工况下的冰载荷，大幅降低了识别误差，最终验证了该方法的有效性。
冰载荷是极地船舶在冰区航行时受到的一种极端环境载荷，而对船体结构的现场监测是研究冰载荷的重要途径。一般通过在船体结构上安装应变传感器直接测量冰载荷引起的应变响应；采用影响系数矩阵法根据应变响应反演识别冰载荷。然而当应变传感器无法正常工作时，识别结果的准确性将难以得到保障。通过对典型极地船舶舷侧板架结构的有限元分析，研究了测点失效对识别结果的影响。基于对“天恩号”多用途冰级船实测应变数据以及典型极地船舶舷侧板架结构有限元应变数据的深入分析，确定了测点应变的空间分布规律，并进一步提出了失效测点影响下基于最小二乘拟合的冰载荷识别方法。在此基础上，较为准确地识别出7种典型工况下的冰载荷，大幅降低了识别误差，最终验证了该方法的有效性。
2021, 38(7): 239-247.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0469
摘要：
采用统一强度理论，考虑靶板中间主应力效应和靶体侧面自由边界的影响，得到线性硬化靶材在弹塑性阶段和塑性阶段的空腔壁径向应力的表达式，建立线性硬化靶材的统一侵彻模型，求出中低速(v0≤1000 m/s)刚性弹体侵彻有限直径金属厚靶时侵彻阻力、侵彻深度计算公式，并利用Simpson算法对其进行求解，分析了包括强度准则差异在内的弹道终点效应的一系列影响因素。结果表明：该文计算方法可以更好地描述侵彻过程中弹靶的动态响应，还可以得到一系列基于不同强度准则的侵彻阻力和深度的解析解、对靶材在不同撞击速度下侵彻深度的区间范围进行有效预测；强度参数、弹体撞击速度、靶体半径和弹头形状对有限直径金属厚靶的抗侵彻性能均有较大的影响，其中强度参数值由1减小为0时，侵彻深度增加了22.45%；随着靶弹半径比的减小，侵彻深度不断增大，当靶弹半径比小于等于16时，侵彻深度增大的程度显著，此时靶体边界尺寸对侵彻性能的影响很大，不能继续按照半无限靶体进行计算。
采用统一强度理论，考虑靶板中间主应力效应和靶体侧面自由边界的影响，得到线性硬化靶材在弹塑性阶段和塑性阶段的空腔壁径向应力的表达式，建立线性硬化靶材的统一侵彻模型，求出中低速(v0≤1000 m/s)刚性弹体侵彻有限直径金属厚靶时侵彻阻力、侵彻深度计算公式，并利用Simpson算法对其进行求解，分析了包括强度准则差异在内的弹道终点效应的一系列影响因素。结果表明：该文计算方法可以更好地描述侵彻过程中弹靶的动态响应，还可以得到一系列基于不同强度准则的侵彻阻力和深度的解析解、对靶材在不同撞击速度下侵彻深度的区间范围进行有效预测；强度参数、弹体撞击速度、靶体半径和弹头形状对有限直径金属厚靶的抗侵彻性能均有较大的影响，其中强度参数值由1减小为0时，侵彻深度增加了22.45%；随着靶弹半径比的减小，侵彻深度不断增大，当靶弹半径比小于等于16时，侵彻深度增大的程度显著，此时靶体边界尺寸对侵彻性能的影响很大，不能继续按照半无限靶体进行计算。
2021, 38(7): 248-256.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0503
摘要：
螺栓连接板结构是飞行器结构中应用最为广泛的可拆卸固定结合部之一。该文针对螺栓连接板结构的动力学建模展开研究：基于薄层单元理论建立螺栓连接板结构的动力学等效模型；采用固有频率误差和模态置信准则残差的加权和作为修正薄层单元材料本构参数的目标函数，并利用水循环算法对待修正参数进行全局修正；以一个双边固支五螺栓搭接板结构的动力学建模为例，来验证该文提出方法的可行性和鲁棒性。结果表明，采用该文提出的方法建立的螺栓连接结构的动力学预示模型能够准确地表征其动态特性，并且具有良好的抗噪性。
螺栓连接板结构是飞行器结构中应用最为广泛的可拆卸固定结合部之一。该文针对螺栓连接板结构的动力学建模展开研究：基于薄层单元理论建立螺栓连接板结构的动力学等效模型；采用固有频率误差和模态置信准则残差的加权和作为修正薄层单元材料本构参数的目标函数，并利用水循环算法对待修正参数进行全局修正；以一个双边固支五螺栓搭接板结构的动力学建模为例，来验证该文提出方法的可行性和鲁棒性。结果表明，采用该文提出的方法建立的螺栓连接结构的动力学预示模型能够准确地表征其动态特性，并且具有良好的抗噪性。
