2022年 第39卷 第6期
2022, 39(6): 1-10.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0188
摘要：
在经典近场动力学模型的基础上，通过小变形假定将近场动力学中的微模量与经典理论中的弹性常数建立联系，引入可以反映非局部作用特性的核函数提高计算精度，利用刚度等效的方式建立有关微模量的线性方程组，并通过寻求不定线性方程组最小二乘(LSM)最小范数解的方式对近场动力学中微模量进行优化，根据二次规划得到最优非负模量。利用优化后的方法对二维平板在单轴和双轴荷载作用下的变形及含预制裂纹脆性材料在荷载下的裂纹扩展进行了模拟并将结果与理论经典近场动力学方法结果对比。结果表明：优化后的方法可以较好的反映结构在荷载条件下的变形与破坏特性，与经典方法相比材料变形模拟在最大误差及误差范围具有良好的改善，并且模拟裂纹扩展过程在同等计算成本下具有更优的收敛速度及收敛结果，进一步验证了所提出方法的有效性，有着较为广泛的应用前景。
在经典近场动力学模型的基础上，通过小变形假定将近场动力学中的微模量与经典理论中的弹性常数建立联系，引入可以反映非局部作用特性的核函数提高计算精度，利用刚度等效的方式建立有关微模量的线性方程组，并通过寻求不定线性方程组最小二乘(LSM)最小范数解的方式对近场动力学中微模量进行优化，根据二次规划得到最优非负模量。利用优化后的方法对二维平板在单轴和双轴荷载作用下的变形及含预制裂纹脆性材料在荷载下的裂纹扩展进行了模拟并将结果与理论经典近场动力学方法结果对比。结果表明：优化后的方法可以较好的反映结构在荷载条件下的变形与破坏特性，与经典方法相比材料变形模拟在最大误差及误差范围具有良好的改善，并且模拟裂纹扩展过程在同等计算成本下具有更优的收敛速度及收敛结果，进一步验证了所提出方法的有效性，有着较为广泛的应用前景。
2022, 39(6): 11-20.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0199
摘要：
数据驱动计算方法将联立平衡微分方程、几何方程及物理方程的显式求解问题转变为最优化问题，优化目标在于搜索匹配最可能的静力许可应力场、变形许可应变场及应力-应变数据分配方案。在线弹性框架下，探讨了平衡因子取值关于材料常数的量级m和平行偏离程度r对算式收敛速率和性能的影响。结果表明：在松弛问题中，应力可行解和应变可行解关于m的线性收敛比分别为1/(1+m2)和m2/(1+m2)，而r的增大则会使二者的收敛速率均降低。分配的数据点在原优化问题中受整型约束的限制，在相邻迭代步间变化率越小，算法早熟收敛现象越显著。r等于0时，数据点在相空间内沿直线路径逼近精确解，在m取1时有着最小的渐进线性收敛比；当r不为0时，数据点的迭代路径不再保持为直线。对于收敛速率较慢的分量，迭代终止时与参考解的偏差幅度增大。精确解附近的数据点密度能够很好保障算法的计算精度，从而降低计算结果对平衡因子取值的敏感性。
数据驱动计算方法将联立平衡微分方程、几何方程及物理方程的显式求解问题转变为最优化问题，优化目标在于搜索匹配最可能的静力许可应力场、变形许可应变场及应力-应变数据分配方案。在线弹性框架下，探讨了平衡因子取值关于材料常数的量级m和平行偏离程度r对算式收敛速率和性能的影响。结果表明：在松弛问题中，应力可行解和应变可行解关于m的线性收敛比分别为1/(1+m2)和m2/(1+m2)，而r的增大则会使二者的收敛速率均降低。分配的数据点在原优化问题中受整型约束的限制，在相邻迭代步间变化率越小，算法早熟收敛现象越显著。r等于0时，数据点在相空间内沿直线路径逼近精确解，在m取1时有着最小的渐进线性收敛比；当r不为0时，数据点的迭代路径不再保持为直线。对于收敛速率较慢的分量，迭代终止时与参考解的偏差幅度增大。精确解附近的数据点密度能够很好保障算法的计算精度，从而降低计算结果对平衡因子取值的敏感性。
2022, 39(6): 21-30, 145.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0168
摘要：
相似材料设计是保证试验模型与原型力学性质匹配的关键环节之一。依托滇中引水工程的香炉山隧洞，基于相似理论和量纲分析法，推导跨断层隧洞拟静力缩尺试验物理量的相似关系，进而以重晶石粉、河砂为骨料，以石膏、石灰为胶结材料，研制混凝土及岩体的模型相似材料，并通过一系列试验研究各组分对模型材料物理力学参数的影响。试验结果表明：高强石膏含量、水胶比可显著改变相似材料的强度、弹性模量和密度；当砂胶比取0.8~1.2时材料的强度变化较小，当砂膏比取3~12时材料的强度显著降低；以高强石膏、低强石膏、重晶石粉、河砂制配的相似材料可较好地模拟C30混凝土的弹塑性性能及脆性破坏模式；以高强石膏、石灰、河砂制配的相似材料可较好地模拟IV级、V级围岩的张拉劈裂破坏及斜剪破坏模式。该相似材料的研制过程和配比可为类似模型试验及数值模拟提供重要的参考依据。
相似材料设计是保证试验模型与原型力学性质匹配的关键环节之一。依托滇中引水工程的香炉山隧洞，基于相似理论和量纲分析法，推导跨断层隧洞拟静力缩尺试验物理量的相似关系，进而以重晶石粉、河砂为骨料，以石膏、石灰为胶结材料，研制混凝土及岩体的模型相似材料，并通过一系列试验研究各组分对模型材料物理力学参数的影响。试验结果表明：高强石膏含量、水胶比可显著改变相似材料的强度、弹性模量和密度；当砂胶比取0.8~1.2时材料的强度变化较小，当砂膏比取3~12时材料的强度显著降低；以高强石膏、低强石膏、重晶石粉、河砂制配的相似材料可较好地模拟C30混凝土的弹塑性性能及脆性破坏模式；以高强石膏、石灰、河砂制配的相似材料可较好地模拟IV级、V级围岩的张拉劈裂破坏及斜剪破坏模式。该相似材料的研制过程和配比可为类似模型试验及数值模拟提供重要的参考依据。
2022, 39(6): 31-42.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0187
摘要：
为研究大直径钢管混凝土柱与H型钢梁之间竖向荷载的传力机制，该文基于Winkler地基Timoshenko梁理论建立了可表征节点构造的地基梁模型，给定边界条件，获得了钢梁竖向荷载传递至节点后的荷载分布解析解。与有限元分析结果对比验证合理后，采用该地基梁模型探究了不同节点构造形式对竖向荷载传递的影响，结果表明：相比于仅布置内加强环式构造，内加强环与锚板式组合构造可更加有效地将钢梁竖向荷载传递至内部混凝土，使内部混凝土承担更多钢梁竖向荷载，提高了钢管与混凝土的共同工作性能。由参数分析可知，增大竖向劲板厚度和混凝土强度是提高内部混凝土承担竖向荷载的有效方法；并以此通过多元回归分析，给出了钢管管壁和内部混凝土承担钢梁竖向荷载比例的函数关系表达式。该文研究成果可为大直径钢管混凝土柱-H型钢梁节点设计提供参考。
为研究大直径钢管混凝土柱与H型钢梁之间竖向荷载的传力机制，该文基于Winkler地基Timoshenko梁理论建立了可表征节点构造的地基梁模型，给定边界条件，获得了钢梁竖向荷载传递至节点后的荷载分布解析解。与有限元分析结果对比验证合理后，采用该地基梁模型探究了不同节点构造形式对竖向荷载传递的影响，结果表明：相比于仅布置内加强环式构造，内加强环与锚板式组合构造可更加有效地将钢梁竖向荷载传递至内部混凝土，使内部混凝土承担更多钢梁竖向荷载，提高了钢管与混凝土的共同工作性能。由参数分析可知，增大竖向劲板厚度和混凝土强度是提高内部混凝土承担竖向荷载的有效方法；并以此通过多元回归分析，给出了钢管管壁和内部混凝土承担钢梁竖向荷载比例的函数关系表达式。该文研究成果可为大直径钢管混凝土柱-H型钢梁节点设计提供参考。
2022, 39(6): 43-54.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0191
摘要：
箍筋配置不当、剪跨比较小和轴压比较大的钢筋混凝土(RC)框架柱在地震作用下通常发生脆性剪切破坏。为提高框架柱的抗剪性能，提出采用碳纤维(CFRP)网格和高延性混凝土(HDC)复合加固RC柱。设计了6个RC柱试件，通过低周反复荷载试验，研究加固方式、纤维网格层数和轴压比对加固柱破坏形态、受剪承载力、延性及耗能能力的影响。结果表明：采用HDC和CFRP网格复合加固，可显著提高柱的抗剪承载力，明显改善其延性、变形性能和耗能能力；提高加固层的网格层数，对抗剪承载力影响较小，但加固柱的延性和变形能力得到较大改善；轴压比增大，复合柱的抗剪承载力稍有提高，但试件的延性、变形能力和耗能能力均降低；增加网格层数对高轴压比加固柱的增强效果和对低轴压比柱基本一致。最后基于桁架-拱模型，提出加固柱的抗剪承载力计算公式，计算结果与试验值吻合较好。
箍筋配置不当、剪跨比较小和轴压比较大的钢筋混凝土(RC)框架柱在地震作用下通常发生脆性剪切破坏。为提高框架柱的抗剪性能，提出采用碳纤维(CFRP)网格和高延性混凝土(HDC)复合加固RC柱。设计了6个RC柱试件，通过低周反复荷载试验，研究加固方式、纤维网格层数和轴压比对加固柱破坏形态、受剪承载力、延性及耗能能力的影响。结果表明：采用HDC和CFRP网格复合加固，可显著提高柱的抗剪承载力，明显改善其延性、变形性能和耗能能力；提高加固层的网格层数，对抗剪承载力影响较小，但加固柱的延性和变形能力得到较大改善；轴压比增大，复合柱的抗剪承载力稍有提高，但试件的延性、变形能力和耗能能力均降低；增加网格层数对高轴压比加固柱的增强效果和对低轴压比柱基本一致。最后基于桁架-拱模型，提出加固柱的抗剪承载力计算公式，计算结果与试验值吻合较好。
2022, 39(6): 55-71.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0192
摘要：
在软化拉压杆模型(Softened strut and tie model, SSTM)基础上，针对边节点受力特点，建议采用更准确的混凝土斜压杆倾角计算公式，并基于44个RC框架边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线的试验数据，拟合了软化混凝土本构曲线，提出修正的软化拉压杆模型(Modified softened strut and tie model, MSSTM)。使用传统SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型分别对91个边节点受剪承载力(其中56个发生节点核心区剪切破坏)、26个边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线进行计算。结果表明：MSSTM模型对受剪承载力以及剪应力-剪应变骨架曲线的预测效果整体优于SSTM模型和约束斜压杆模型。就承载力而言，SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型的计算值与试验值之比的均值分别为1.028、1.203和0.995，变异系数分别为0.230、0.273和0.164。MSSTM模型计算结果更准确且离散性更小。此外，MSSTM模型可较好预测应力-应变曲线上的特征参数，尤其是峰值剪应力和开裂刚度。两者计算与试验结果比值的均值分别为1.14和1.02。
在软化拉压杆模型(Softened strut and tie model, SSTM)基础上，针对边节点受力特点，建议采用更准确的混凝土斜压杆倾角计算公式，并基于44个RC框架边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线的试验数据，拟合了软化混凝土本构曲线，提出修正的软化拉压杆模型(Modified softened strut and tie model, MSSTM)。使用传统SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型分别对91个边节点受剪承载力(其中56个发生节点核心区剪切破坏)、26个边节点核心区剪应力-剪应变骨架曲线进行计算。结果表明：MSSTM模型对受剪承载力以及剪应力-剪应变骨架曲线的预测效果整体优于SSTM模型和约束斜压杆模型。就承载力而言，SSTM模型、约束斜压杆模型和MSSTM模型的计算值与试验值之比的均值分别为1.028、1.203和0.995，变异系数分别为0.230、0.273和0.164。MSSTM模型计算结果更准确且离散性更小。此外，MSSTM模型可较好预测应力-应变曲线上的特征参数，尤其是峰值剪应力和开裂刚度。两者计算与试验结果比值的均值分别为1.14和1.02。
2022, 39(6): 72-82.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0194
摘要：
碳纤维布和角钢混合加固后能有效提高结构承载能力及延性，发挥二者材料性能各自优势。采用纤维布、纤维布加角钢及增设斜支撑3种方法对震损RC框架进行加固，开展低周往复加载的抗震性能试验研究，结果表明：采用纤维布加固后未能明显提高节点协调梁柱变形能力，梁端破坏严重，节点处纤维布随混凝土一起脱落，承载力未恢复到震损前承载力；复合加固后节点及柱脚均未发生明显破坏，实现了强节点弱构件的抗震设计原则，采用斜支撑加固后，能明显提高框架承载力及刚度，但发生锚栓失效，导致承载力快速降低，故应提高锚栓承载富余量；复合加固后试件承载能力明显提高，滞回曲线更饱满，累积耗能能力更强，经受循环加载次数明显增多，承载力降低系数减小，角钢提高了节点抗破坏能力，角钢与支撑配合使用更能明显提高试件刚度及承载力；综合考虑抗震性能、经济性、加固工艺，选用CFRP布与角钢复合加固工艺，能很好地实现对震损框架的加固。
碳纤维布和角钢混合加固后能有效提高结构承载能力及延性，发挥二者材料性能各自优势。采用纤维布、纤维布加角钢及增设斜支撑3种方法对震损RC框架进行加固，开展低周往复加载的抗震性能试验研究，结果表明：采用纤维布加固后未能明显提高节点协调梁柱变形能力，梁端破坏严重，节点处纤维布随混凝土一起脱落，承载力未恢复到震损前承载力；复合加固后节点及柱脚均未发生明显破坏，实现了强节点弱构件的抗震设计原则，采用斜支撑加固后，能明显提高框架承载力及刚度，但发生锚栓失效，导致承载力快速降低，故应提高锚栓承载富余量；复合加固后试件承载能力明显提高，滞回曲线更饱满，累积耗能能力更强，经受循环加载次数明显增多，承载力降低系数减小，角钢提高了节点抗破坏能力，角钢与支撑配合使用更能明显提高试件刚度及承载力；综合考虑抗震性能、经济性、加固工艺，选用CFRP布与角钢复合加固工艺，能很好地实现对震损框架的加固。
2022, 39(6): 83-98.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0198
摘要：
HRB600高强钢筋已纳入我国钢筋产品国家标准，并商业化生产，但关于其非弹性屈曲受力性能、考虑屈曲的低周疲劳损伤模型的研究成果很少。对于HRB600高强钢筋的原状试件，该文完成了10个单调受压屈曲试验、16个考虑屈曲的循环拉压试验，测量了屈曲钢筋的平均应力-平均应变曲线和跨中横向位移，分析了非弹性屈曲对HRB600钢筋受压强度退化的影响，以及屈曲方向对试件强度退化、疲劳损伤的影响，提出了适用于HRB600高强钢筋、可考虑屈曲效应和不同加载方式影响的修正低周疲劳损伤模型。研究结果表明：单调受压屈曲时HRB600钢筋屈曲方向稳定，随长径比增大钢筋屈曲后强度退化加快；循环加载时HRB600钢筋屈曲方向不稳定，导致局部塑性应变集中和疲劳损伤对钢筋屈曲后强度退化的不利影响减轻；传统低周疲劳损伤模型明显低估了HRB600钢筋屈曲后的疲劳损伤，修正疲劳损伤模型能合理地考虑屈曲对HRB600钢筋低周疲劳损伤和断裂的影响。
HRB600高强钢筋已纳入我国钢筋产品国家标准，并商业化生产，但关于其非弹性屈曲受力性能、考虑屈曲的低周疲劳损伤模型的研究成果很少。对于HRB600高强钢筋的原状试件，该文完成了10个单调受压屈曲试验、16个考虑屈曲的循环拉压试验，测量了屈曲钢筋的平均应力-平均应变曲线和跨中横向位移，分析了非弹性屈曲对HRB600钢筋受压强度退化的影响，以及屈曲方向对试件强度退化、疲劳损伤的影响，提出了适用于HRB600高强钢筋、可考虑屈曲效应和不同加载方式影响的修正低周疲劳损伤模型。研究结果表明：单调受压屈曲时HRB600钢筋屈曲方向稳定，随长径比增大钢筋屈曲后强度退化加快；循环加载时HRB600钢筋屈曲方向不稳定，导致局部塑性应变集中和疲劳损伤对钢筋屈曲后强度退化的不利影响减轻；传统低周疲劳损伤模型明显低估了HRB600钢筋屈曲后的疲劳损伤，修正疲劳损伤模型能合理地考虑屈曲对HRB600钢筋低周疲劳损伤和断裂的影响。
2022, 39(6): 99-109.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0203
摘要：
夹心保温墙体连接件系统是传递外叶板荷载、抵抗外叶板变形的关键部件。该文基于作者研发的新型分离式连接件系统，针对外叶板在施工状态下的出模、运输、吊运、安装等施工荷载，及使用状态下的外叶板自重、风荷载、地震作用、温度梯度作用和整体温度作用等多种荷载模式，根据理论分析和有限元计算结果提出了连接件受力分配的简化计算方法。基于此计算方法，提出了考虑整体刚度和强度要求的连接件系统设计流程，并提出了连接件位置的合理布置原则。基于上述设计方法，研发了配套软件，为夹心保温墙体连接件系统的设计提供了工具。
夹心保温墙体连接件系统是传递外叶板荷载、抵抗外叶板变形的关键部件。该文基于作者研发的新型分离式连接件系统，针对外叶板在施工状态下的出模、运输、吊运、安装等施工荷载，及使用状态下的外叶板自重、风荷载、地震作用、温度梯度作用和整体温度作用等多种荷载模式，根据理论分析和有限元计算结果提出了连接件受力分配的简化计算方法。基于此计算方法，提出了考虑整体刚度和强度要求的连接件系统设计流程，并提出了连接件位置的合理布置原则。基于上述设计方法，研发了配套软件，为夹心保温墙体连接件系统的设计提供了工具。
2022, 39(6): 110-121.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0206
摘要：
防屈曲支撑(BRB)作为一种优良的耗能构件，广泛应用于工程结构。在钢筋混凝土(RC)框架结构中布置防屈曲支撑时，支撑与梁柱节点的连接往往是结构抗震设计的重点和难点。传统的连接方式为节点板与梁柱混凝土中的预埋件焊接，再与BRB直接相连。然而，框架作用产生的开合效应和地震动引起的往复荷载容易使焊缝疲劳撕裂，从而导致节点连接破坏。为此，该文提出了开孔钢板剪力键(PBL)整体式连接节点，并将其应用于BRB-RC框架结构中。基于泛应力法，给出了节点板和PBL的设计方法。以此为基础，开展了BRB-RC框架结构的节点设计，进行了节点的有限元模拟和试验分析。研究结果表明：BRB与RC梁柱的连接节点承载力强，塑性铰转移到节点板边缘以实现损伤可控，BRB的承载-耗能性能得到了充分发挥；该新型节点连接形式安全、可靠，可显著提升结构的抗震性能。
防屈曲支撑(BRB)作为一种优良的耗能构件，广泛应用于工程结构。在钢筋混凝土(RC)框架结构中布置防屈曲支撑时，支撑与梁柱节点的连接往往是结构抗震设计的重点和难点。传统的连接方式为节点板与梁柱混凝土中的预埋件焊接，再与BRB直接相连。然而，框架作用产生的开合效应和地震动引起的往复荷载容易使焊缝疲劳撕裂，从而导致节点连接破坏。为此，该文提出了开孔钢板剪力键(PBL)整体式连接节点，并将其应用于BRB-RC框架结构中。基于泛应力法，给出了节点板和PBL的设计方法。以此为基础，开展了BRB-RC框架结构的节点设计，进行了节点的有限元模拟和试验分析。研究结果表明：BRB与RC梁柱的连接节点承载力强，塑性铰转移到节点板边缘以实现损伤可控，BRB的承载-耗能性能得到了充分发挥；该新型节点连接形式安全、可靠，可显著提升结构的抗震性能。
2022, 39(6): 122-133.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0213
摘要：
深部难钻地层岩石硬度大、可钻性差等问题是制约深层非均质硬地层钻井提速的瓶颈问题，深入研究其切削破碎机理对于提高钻进速度、降低钻井成本有重要意义。该文采用离散元PFC2D—GBM (Particle Flow Code 2D—grain-based model)来模拟硬脆性的非均质花岗岩，研究了不同液柱压力、晶粒尺寸、晶粒随机分布特性、钻齿倾角、切削深度和速度等条件下的单齿切削破碎花岗岩机理。研究发现：晶间剪切裂纹和晶内拉伸裂纹是切削过程中花岗岩产生的两种主要裂纹类型；切削力随着切削行程表现出明显的波动，切削力大小急剧增大和降低，并且随着液柱压力、切削深度和切削齿倾角的增大表现得更加明显；液柱压力、晶粒尺寸和晶粒的随机分布特性对切屑形态有很大影响，相比之下，与上述三个因素相比，切削深度、刀具前角和切削速度对切屑形态影响不大。研究结果对于深入认识花岗岩切削破碎机理有重要意义，可为改进破岩钻头的设计提供依据。
深部难钻地层岩石硬度大、可钻性差等问题是制约深层非均质硬地层钻井提速的瓶颈问题，深入研究其切削破碎机理对于提高钻进速度、降低钻井成本有重要意义。该文采用离散元PFC2D—GBM (Particle Flow Code 2D—grain-based model)来模拟硬脆性的非均质花岗岩，研究了不同液柱压力、晶粒尺寸、晶粒随机分布特性、钻齿倾角、切削深度和速度等条件下的单齿切削破碎花岗岩机理。研究发现：晶间剪切裂纹和晶内拉伸裂纹是切削过程中花岗岩产生的两种主要裂纹类型；切削力随着切削行程表现出明显的波动，切削力大小急剧增大和降低，并且随着液柱压力、切削深度和切削齿倾角的增大表现得更加明显；液柱压力、晶粒尺寸和晶粒的随机分布特性对切屑形态有很大影响，相比之下，与上述三个因素相比，切削深度、刀具前角和切削速度对切屑形态影响不大。研究结果对于深入认识花岗岩切削破碎机理有重要意义，可为改进破岩钻头的设计提供依据。
2022, 39(6): 134-145.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0216
摘要：
土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料，具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响，根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征，将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验，分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明：块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量，是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式，初步验证了理论预测与试验结果的一致性。
土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料，具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响，根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征，将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验，分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明：块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量，是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式，初步验证了理论预测与试验结果的一致性。
2022, 39(6): 146-155.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0221
摘要：
针对传统的桥梁挠度识别系统可达性差、效率低、不能全天候实时监测，建立了一种基于网络摄像机的桥梁挠度非接触识别系统。系统采用LED光源作为标志物，以网络摄像机作为采集设备，通过无线传输图像信息，利用计算机搭载基于HSV的快速模板匹配和基于颜色追踪(cvCamShift)的几何匹配算法获取目标的挠度时程信息，进而实现对桥梁挠度的非接触识别。通过在人行桥模型上进行四种工况的振动试验以及现场实桥测试，以此验证系统的可行性。研究结果表明：在模型试验中，系统识别得到的时域和频域信息与激光位移传感器对比的误差都小于0.6%，在雾气干扰下识别的误差仍可小于0.7%；实桥测试下，系统的识别结果与桥梁挠度仪对比的误差小于1.9%。由此表明系统鲁棒性强且经济性好，具备广泛的应用前景。
针对传统的桥梁挠度识别系统可达性差、效率低、不能全天候实时监测，建立了一种基于网络摄像机的桥梁挠度非接触识别系统。系统采用LED光源作为标志物，以网络摄像机作为采集设备，通过无线传输图像信息，利用计算机搭载基于HSV的快速模板匹配和基于颜色追踪(cvCamShift)的几何匹配算法获取目标的挠度时程信息，进而实现对桥梁挠度的非接触识别。通过在人行桥模型上进行四种工况的振动试验以及现场实桥测试，以此验证系统的可行性。研究结果表明：在模型试验中，系统识别得到的时域和频域信息与激光位移传感器对比的误差都小于0.6%，在雾气干扰下识别的误差仍可小于0.7%；实桥测试下，系统的识别结果与桥梁挠度仪对比的误差小于1.9%。由此表明系统鲁棒性强且经济性好，具备广泛的应用前景。
2022, 39(6): 156-168.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0227
摘要：
单桩基础受水平荷载作用时，桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩，同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响，该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型，结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应，推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解；采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型，推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型，在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上，得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解，桩端水平剪力的离散数值解；进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法，并编制了程序。通过对比试验数据，初步验证了该文方法的正确性，进行了水平承载力的参数分析，结果表明：随着长径比的增加，附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小；而随着桩直径的增加，附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。
单桩基础受水平荷载作用时，桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩，同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响，该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型，结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应，推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解；采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型，推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型，在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上，得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解，桩端水平剪力的离散数值解；进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法，并编制了程序。通过对比试验数据，初步验证了该文方法的正确性，进行了水平承载力的参数分析，结果表明：随着长径比的增加，附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小；而随着桩直径的增加，附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。
2022, 39(6): 169-180, 190.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0231
摘要：
面向于近断层区域自复位体系的抗震设计需求，为了揭示自复位体系的弹塑性行为，基于Park-Ang双参数损伤模型建立了类旗帜型滞回模型的等损伤位移谱，研究损伤指标模型参数和滞回模型参数对位移谱的影响，分别对比分析了等损伤与等延性位移谱以及近断层脉冲型与无脉冲地震动作用下等损伤位移谱的差异，通过回归分析建立等损伤位移谱预测方程。研究表明：采用脉冲周期进行周期标准化能够反映脉冲效应在短周期段内对位移谱的局部放大作用，同时能降低中长周期段内位移谱的离散性；极限延性系数对短周期段内位移谱值的影响超过20%；等损伤及等延性位移谱的对比分析说明，累积滞回耗能对自复位体系位移需求的影响不能忽视；与无脉冲地震动位移谱值相比，近断层脉冲型地震动位移谱值在标准化周期约为0.5和1.0时增大20%左右。构建的等损伤位移谱预测模型可用于近断层区域自复位体系位移响应的预测。
面向于近断层区域自复位体系的抗震设计需求，为了揭示自复位体系的弹塑性行为，基于Park-Ang双参数损伤模型建立了类旗帜型滞回模型的等损伤位移谱，研究损伤指标模型参数和滞回模型参数对位移谱的影响，分别对比分析了等损伤与等延性位移谱以及近断层脉冲型与无脉冲地震动作用下等损伤位移谱的差异，通过回归分析建立等损伤位移谱预测方程。研究表明：采用脉冲周期进行周期标准化能够反映脉冲效应在短周期段内对位移谱的局部放大作用，同时能降低中长周期段内位移谱的离散性；极限延性系数对短周期段内位移谱值的影响超过20%；等损伤及等延性位移谱的对比分析说明，累积滞回耗能对自复位体系位移需求的影响不能忽视；与无脉冲地震动位移谱值相比，近断层脉冲型地震动位移谱值在标准化周期约为0.5和1.0时增大20%左右。构建的等损伤位移谱预测模型可用于近断层区域自复位体系位移响应的预测。
2022, 39(6): 181-190.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0232
摘要：
近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视，该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型，考虑模型参数相关性并保留其变异性，使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性)；绘制残差图分析了统计效果，验证了回归所得参数的显著性；对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异，以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度，验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数，可考虑强度和频率非平稳性)；与乘系数法相比，该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律；可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法，用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计，也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。
近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视，该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型，考虑模型参数相关性并保留其变异性，使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性)；绘制残差图分析了统计效果，验证了回归所得参数的显著性；对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异，以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度，验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数，可考虑强度和频率非平稳性)；与乘系数法相比，该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律；可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法，用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计，也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。
2022, 39(6): 191-201.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0237
摘要：
Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件在往复荷载作用下的刚度退化、强度退化等的一种多功能非线性光滑滞回模型，可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。Bouc-Wen模型参数是决定结构构件滞回模型力学特征的关键，由于该模型参数众多且物理意义不明确，往往只能从滞回数据得到近似解。为适应该类模型参数高效识别的需求，该研究提出了一种非线性自适应遗传算法，并通过4片不同配筋和加载条件的RC剪力墙的低周反复加载试验对Bouc-Wen模型参数识别的效果进行了验证。模型参数识别得到的滞回曲线和算法效率与标准遗传算法识别的结果以及实验数据进行了对比，结果表明：所提出的方法显著提升了Bouc-Wen模型的识别精度与效率。该文所提出的方法可用来进行结构滞回模型的识别并用所识别的模型进行结构的非线性行为模拟。
Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件在往复荷载作用下的刚度退化、强度退化等的一种多功能非线性光滑滞回模型，可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。Bouc-Wen模型参数是决定结构构件滞回模型力学特征的关键，由于该模型参数众多且物理意义不明确，往往只能从滞回数据得到近似解。为适应该类模型参数高效识别的需求，该研究提出了一种非线性自适应遗传算法，并通过4片不同配筋和加载条件的RC剪力墙的低周反复加载试验对Bouc-Wen模型参数识别的效果进行了验证。模型参数识别得到的滞回曲线和算法效率与标准遗传算法识别的结果以及实验数据进行了对比，结果表明：所提出的方法显著提升了Bouc-Wen模型的识别精度与效率。该文所提出的方法可用来进行结构滞回模型的识别并用所识别的模型进行结构的非线性行为模拟。
2022, 39(6): 202-211.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0224
摘要：
针对潜艇机械设备周期性运转产生的宽频线谱难以消除问题，开展了简谐激励下非线性能量阱振动抑制效果与结构参数优化研究。建立机械设备耦合非线性能量阱的动力学模型，利用增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论分析了系统周期解及其稳定性；以系统振动能量为评价准则，探讨了阻尼、质量比和刚度3个参数对非线性能量阱振动抑制效果的影响规律；进一步，在质量比ε=0.05 时，通过局部优化得到了非线性能量阱阻尼与刚度区间，并对振动抑制效果鲁棒性进行了研究。理论研究表明：增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论三者相结合，与Runge-Kutta法计算结果吻合良好，能够有效构建耦合系统周期解完整图像；弱阻尼是非线性能量阱具备良好吸振效果的先决条件，对于参数优化后的非线性能量阱，在外界激励频率± 20%以及激励幅值± 50%变化范围内都具备良好的振动抑制效果，鲁棒性较佳。设计了一种可垂向承载的柔性铰链型非线性能量阱原理样机，并开展了台架试验，验证了理论研究成果的正确性。
针对潜艇机械设备周期性运转产生的宽频线谱难以消除问题，开展了简谐激励下非线性能量阱振动抑制效果与结构参数优化研究。建立机械设备耦合非线性能量阱的动力学模型，利用增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论分析了系统周期解及其稳定性；以系统振动能量为评价准则，探讨了阻尼、质量比和刚度3个参数对非线性能量阱振动抑制效果的影响规律；进一步，在质量比
2022, 39(6): 212-225.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0866
摘要：
随着木结构领域内力学紧固件的发展，具有足够长度和优化螺纹的自攻螺钉或螺纹杆为实现具有高强力学性能的木连接提供了一种新的技术方案。自攻螺钉在木材中的拉拔性能是影响螺钉连接力学性能的重要因素，为了充分利用自攻螺钉的轴向受力优势，应当避免埋置在木材中的自攻螺钉发生拔出破坏。不同于现有基于经典Volkersen理论的计算方法，该文提出一种适用于轴向受力螺纹紧固件的力学模型，首次在模型中引入一种包含螺纹的“装配单元”，用于研究自攻螺钉在胶合木中的拔出破坏机制，解决自攻螺钉的锚固长度计算问题。模型根据拔出破坏的典型现象重新定义了拔出破坏面，考虑了螺纹对木材破坏区域的影响，并在模型简化、公式推导和算法设计上体现出木材的局部受力状态和拔出破坏面上的剪应力、剪力不连续传递现象。理论计算与试验结果有较好的一致性，计算结果还表明，在发生拉断破坏以前，自攻螺钉和螺纹杆的拔出破坏荷载与埋置长度基本呈线性关系。
随着木结构领域内力学紧固件的发展，具有足够长度和优化螺纹的自攻螺钉或螺纹杆为实现具有高强力学性能的木连接提供了一种新的技术方案。自攻螺钉在木材中的拉拔性能是影响螺钉连接力学性能的重要因素，为了充分利用自攻螺钉的轴向受力优势，应当避免埋置在木材中的自攻螺钉发生拔出破坏。不同于现有基于经典Volkersen理论的计算方法，该文提出一种适用于轴向受力螺纹紧固件的力学模型，首次在模型中引入一种包含螺纹的“装配单元”，用于研究自攻螺钉在胶合木中的拔出破坏机制，解决自攻螺钉的锚固长度计算问题。模型根据拔出破坏的典型现象重新定义了拔出破坏面，考虑了螺纹对木材破坏区域的影响，并在模型简化、公式推导和算法设计上体现出木材的局部受力状态和拔出破坏面上的剪应力、剪力不连续传递现象。理论计算与试验结果有较好的一致性，计算结果还表明，在发生拉断破坏以前，自攻螺钉和螺纹杆的拔出破坏荷载与埋置长度基本呈线性关系。
2022, 39(6): 226-235.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.02.0117
摘要：
轨道线路对车轮磨耗具有重要影响。建立地铁车轮磨耗预测模型，模型包括车辆动力学模型、基于Hertz理论和FASTSIM算法的轮轨局部接触模型、基于Tγ/A-磨损率函数的磨耗模型、平滑与更新策略以及轨道线路模型。对比分析等效轨道线路法与真实轨道线路法两种轨道线路建模方法在建模复杂度、车轮磨耗预测结果与计算效率方面的差异。利用实测的车轮磨耗对Tγ/A-磨损率函数进行修正，并对磨耗预测模型进行验证。结果表明：与等效轨道线路法相比，真实轨道线路法建模较为复杂，但其可以更好地模拟实际轨道线路；二者磨耗预测结果差异较小，且均与实测结果较为吻合，但前者计算效率约是后者的3.7倍。采用等效轨道线路法建模可以较好地兼顾计算精度与效率。
轨道线路对车轮磨耗具有重要影响。建立地铁车轮磨耗预测模型，模型包括车辆动力学模型、基于Hertz理论和FASTSIM算法的轮轨局部接触模型、基于Tγ/A-磨损率函数的磨耗模型、平滑与更新策略以及轨道线路模型。对比分析等效轨道线路法与真实轨道线路法两种轨道线路建模方法在建模复杂度、车轮磨耗预测结果与计算效率方面的差异。利用实测的车轮磨耗对Tγ/A-磨损率函数进行修正，并对磨耗预测模型进行验证。结果表明：与等效轨道线路法相比，真实轨道线路法建模较为复杂，但其可以更好地模拟实际轨道线路；二者磨耗预测结果差异较小，且均与实测结果较为吻合，但前者计算效率约是后者的3.7倍。采用等效轨道线路法建模可以较好地兼顾计算精度与效率。
2022, 39(6): 236-246.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.03.0236
摘要：
基于疏散鸟体动能的防鸟撞策略，以提高结构刚度和抑制变形为目标，采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对现有飞机尾翼前缘结构鸟撞过程进行了数值研究。根据模拟结果，通过增加单向斜支板结构和采用纤维/金属复合材料，实现了从结构和材料两个方面对尾翼前缘结构进行改进设计。结果表明，前缘增加的单向斜支板结构可以通过疏散鸟体动能来降低鸟撞冲击对尾翼内部结构的破坏，而采用纤维金属复合材料则减轻了前缘曲翼约10%的质量，且提高了整体刚度，并使结构在鸟撞过程中最大变形降低到原始构型的25%。通过分析不同铺层方式下材料的破坏模式和吸能效果，发现合理的铺层设计可显著提高尾翼前缘结构的抗鸟撞性能。
基于疏散鸟体动能的防鸟撞策略，以提高结构刚度和抑制变形为目标，采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对现有飞机尾翼前缘结构鸟撞过程进行了数值研究。根据模拟结果，通过增加单向斜支板结构和采用纤维/金属复合材料，实现了从结构和材料两个方面对尾翼前缘结构进行改进设计。结果表明，前缘增加的单向斜支板结构可以通过疏散鸟体动能来降低鸟撞冲击对尾翼内部结构的破坏，而采用纤维金属复合材料则减轻了前缘曲翼约10%的质量，且提高了整体刚度，并使结构在鸟撞过程中最大变形降低到原始构型的25%。通过分析不同铺层方式下材料的破坏模式和吸能效果，发现合理的铺层设计可显著提高尾翼前缘结构的抗鸟撞性能。
2022, 39(6): 247-256.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.01.0086
摘要：
地热井的优化开采对地热资源的集约高效利用意义重大。根据北京市通州区地层特征和地热井布局建立了三维热储模型，对储层岩体中热、水进行多尺度耦合模拟，利用抽水试验、回灌试验监测数据进行了模型校正。利用校正后的模型，计算了不同采灌量下的热突破时间，预测了现有模式下热突破引起的地温场变化以及不同采量下抽水漏斗的演化趋势，得出通州区域内25眼地热井开采100年后温度场和水位场的动态云图。基于模拟数据，结合通州区现有采灌条件，提出了“一采一灌”、“一采两灌”、“两采三灌”的布井方案，同时进行了不同采灌量下的温度场、水位场的数值模拟，提出了优化的采灌布井模式，为地热资源长期开发利用提供理论支撑。
地热井的优化开采对地热资源的集约高效利用意义重大。根据北京市通州区地层特征和地热井布局建立了三维热储模型，对储层岩体中热、水进行多尺度耦合模拟，利用抽水试验、回灌试验监测数据进行了模型校正。利用校正后的模型，计算了不同采灌量下的热突破时间，预测了现有模式下热突破引起的地温场变化以及不同采量下抽水漏斗的演化趋势，得出通州区域内25眼地热井开采100年后温度场和水位场的动态云图。基于模拟数据，结合通州区现有采灌条件，提出了“一采一灌”、“一采两灌”、“两采三灌”的布井方案，同时进行了不同采灌量下的温度场、水位场的数值模拟，提出了优化的采灌布井模式，为地热资源长期开发利用提供理论支撑。
