期刊信息
工程力学
Engineering Mechanics
（月刊，1984年创刊）
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国力学学会
主 编：陆新征
编辑出版：《工程力学》杂志社
ISSN 1000-4750 CN 11-2595/O3
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2023, 40(4): 1-11.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.08.ST06
摘要:
枢纽车站结构一般由大跨空间屋盖结构和下部混凝土框架结构组成，还包括管道系统等非结构部件，研究多因素影响下的枢纽车站复杂结构地震响应特征对于保证其抗震安全性具有重要意义。该文经过大量调研选取4个典型枢纽车站结构，采用有限元方法分析其地震响应特征，结果表明：枢纽车站结构呈“上柔下刚”的特点；从结构基底至屋盖结构顶部地震响应经历2次放大，屋盖结构为竖向地震敏感型结构，下部框架结构层间位移分布规律与普通框架的不同；考虑场地土后，枢纽车站结构自振频率均降低，屋盖结构变形增大、杆件应力分布趋于均匀；对于不同的枢纽车站结构，地震响应的最不利地震动震源机制不同；下部结构框架需考虑地震动行波效应的不利影响，屋盖结构可不考虑行波效应；屋盖吊挂管道系统地震响应从车站结构基底到管道系统经历3次放大，枢纽车站中管道系统抗震性能分析必须考虑主体结构对其地震响应的放大。
枢纽车站结构一般由大跨空间屋盖结构和下部混凝土框架结构组成，还包括管道系统等非结构部件，研究多因素影响下的枢纽车站复杂结构地震响应特征对于保证其抗震安全性具有重要意义。该文经过大量调研选取4个典型枢纽车站结构，采用有限元方法分析其地震响应特征，结果表明：枢纽车站结构呈“上柔下刚”的特点；从结构基底至屋盖结构顶部地震响应经历2次放大，屋盖结构为竖向地震敏感型结构，下部框架结构层间位移分布规律与普通框架的不同；考虑场地土后，枢纽车站结构自振频率均降低，屋盖结构变形增大、杆件应力分布趋于均匀；对于不同的枢纽车站结构，地震响应的最不利地震动震源机制不同；下部结构框架需考虑地震动行波效应的不利影响，屋盖结构可不考虑行波效应；屋盖吊挂管道系统地震响应从车站结构基底到管道系统经历3次放大，枢纽车站中管道系统抗震性能分析必须考虑主体结构对其地震响应的放大。
2023, 40(4): 12-20.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0753
摘要:
基于多向不规则波的3种传统Monte Carlo模拟方法，提出了相应的时空随机场源谱表达，通过引入随机函数的降维思想，推导了3种多向不规则波模拟的降维方法，实现了仅用2个~4个基本随机变量即可精确表达多向不规则波随机场。数值算例表明，采用三种降维方法模拟所得代表性样本集的有效波高均符合规范要求。同时，代表性样本集的二阶统计量(模拟值)与目标值拟合一致，且总体上比传统Monte Carlo方法精度更高，验证了降维方法的有效性。此外，通过对比分析三种降维方法的模拟精度和效率，建议了最适用于工程应用的多向不规则波模拟方法，这为结合概率密度演化理论进行海洋工程结构在随机海浪作用下的动力可靠度精细化分析提供了有效途径。
基于多向不规则波的3种传统Monte Carlo模拟方法，提出了相应的时空随机场源谱表达，通过引入随机函数的降维思想，推导了3种多向不规则波模拟的降维方法，实现了仅用2个~4个基本随机变量即可精确表达多向不规则波随机场。数值算例表明，采用三种降维方法模拟所得代表性样本集的有效波高均符合规范要求。同时，代表性样本集的二阶统计量(模拟值)与目标值拟合一致，且总体上比传统Monte Carlo方法精度更高，验证了降维方法的有效性。此外，通过对比分析三种降维方法的模拟精度和效率，建议了最适用于工程应用的多向不规则波模拟方法，这为结合概率密度演化理论进行海洋工程结构在随机海浪作用下的动力可靠度精细化分析提供了有效途径。
2023, 40(4): 21-34.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0763
摘要:
该文研究了含椭圆孔的无限热电薄板在均匀电流和均匀总能量通量作用下的二维热电力耦合问题。采用复变函数法和保角映射技术，推导了电流密度和能量通量的解析解，并将椭圆孔退化为圆孔后的理论结果与均匀材料带圆孔的结果进行对比，进而验证了该文理论推导的正确性。通过已建立的二维热应力问题的复变函数方法，求解了绝缘椭圆孔干扰均匀热流引起的热应力并进行了数值分析。结果表明：在椭圆孔口轴端处出现电流密度和能量通量集中现象，当加载电流方向与长轴方向平行时，电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而减小；当加载电流方向与椭圆孔长轴方向不平行时，电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而增大，并且随着电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。由均匀热流引起的热应力也在椭圆孔口轴端出现应力集中现象，且随着椭圆孔口轴比以及电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。
该文研究了含椭圆孔的无限热电薄板在均匀电流和均匀总能量通量作用下的二维热电力耦合问题。采用复变函数法和保角映射技术，推导了电流密度和能量通量的解析解，并将椭圆孔退化为圆孔后的理论结果与均匀材料带圆孔的结果进行对比，进而验证了该文理论推导的正确性。通过已建立的二维热应力问题的复变函数方法，求解了绝缘椭圆孔干扰均匀热流引起的热应力并进行了数值分析。结果表明：在椭圆孔口轴端处出现电流密度和能量通量集中现象，当加载电流方向与长轴方向平行时，电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而减小；当加载电流方向与椭圆孔长轴方向不平行时，电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而增大，并且随着电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。由均匀热流引起的热应力也在椭圆孔口轴端出现应力集中现象，且随着椭圆孔口轴比以及电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。
2023, 40(4): 35-45.
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。
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。
2023, 40(4): 46-57.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0723
摘要:
该文采用自复位消能摇摆模块对既有抗弯钢框架进行加固，以减小其震后残余位移、提升其地震抗倒塌性能、避免其因层间变形集中而发生薄弱层倒塌破坏。基于分布参数连续体模型，揭示了自复位消能摇摆模块与钢框架结构的协同抗侧机理，分析了自复位消能摇摆模块抗弯刚度及抗侧刚度对结构层间变形模式、摇摆模块和钢框架内力需求的影响。提出了利用自复位消能摇摆模块加固既有抗弯钢框架基于位移的抗震设计方法，给出了具体设计流程。基于提出的设计方法对某三层抗弯钢框架进行加固设计。静力推覆分析和动力分析结果表明，自复位消能摇摆模块可有效减小既有抗弯钢框架结构的震后残余变形、使结构获得均匀的层间变形模式。加固后的结构在设计地震下可达到预期设计目标。
该文采用自复位消能摇摆模块对既有抗弯钢框架进行加固，以减小其震后残余位移、提升其地震抗倒塌性能、避免其因层间变形集中而发生薄弱层倒塌破坏。基于分布参数连续体模型，揭示了自复位消能摇摆模块与钢框架结构的协同抗侧机理，分析了自复位消能摇摆模块抗弯刚度及抗侧刚度对结构层间变形模式、摇摆模块和钢框架内力需求的影响。提出了利用自复位消能摇摆模块加固既有抗弯钢框架基于位移的抗震设计方法，给出了具体设计流程。基于提出的设计方法对某三层抗弯钢框架进行加固设计。静力推覆分析和动力分析结果表明，自复位消能摇摆模块可有效减小既有抗弯钢框架结构的震后残余变形、使结构获得均匀的层间变形模式。加固后的结构在设计地震下可达到预期设计目标。
2023, 40(4): 58-70.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0693
摘要:
该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究，分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型，在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明：柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用，进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力，间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比，挖掘了钢梁的耗能潜力；柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力，分别达70%、20%和50%以上。
该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究，分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型，在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明：柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用，进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力，间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比，挖掘了钢梁的耗能潜力；柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力，分别达70%、20%和50%以上。
2023, 40(4): 71-79.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0734
摘要:
为了解决弹性模量调整法应用于钢筋混凝土(RC)结构的难题，建立了矩形截面RC偏压构件的通用齐次广义屈服函数。充分考虑RC偏压构件的破坏机理，并利用二次函数建立了矩形截面RC构件的分段光滑压弯承载力相关方程。通过回归分析建立分区表达的截面特征函数，以综合考虑钢筋混凝土偏压构件的截面几何和材料性能对承载力的影响，在此基础上采用分数指数幂的一阶多项式建立矩形截面RC偏压构件的齐次广义屈服函数。利用单元承载比定义高承载单元的自适应识别准则，通过有策略地缩减高承载单元的弹性模量模拟RC拱结构高应力区域的刚度退化，并根据线弹性迭代分析确定RC拱的极限承载力，据此提出了RC结构承载力分析的弹性模量缩减法。通过与模型试验及增量非线性有限元法对比分析，验证了该文方法具有较高的计算精度与计算效率。
为了解决弹性模量调整法应用于钢筋混凝土(RC)结构的难题，建立了矩形截面RC偏压构件的通用齐次广义屈服函数。充分考虑RC偏压构件的破坏机理，并利用二次函数建立了矩形截面RC构件的分段光滑压弯承载力相关方程。通过回归分析建立分区表达的截面特征函数，以综合考虑钢筋混凝土偏压构件的截面几何和材料性能对承载力的影响，在此基础上采用分数指数幂的一阶多项式建立矩形截面RC偏压构件的齐次广义屈服函数。利用单元承载比定义高承载单元的自适应识别准则，通过有策略地缩减高承载单元的弹性模量模拟RC拱结构高应力区域的刚度退化，并根据线弹性迭代分析确定RC拱的极限承载力，据此提出了RC结构承载力分析的弹性模量缩减法。通过与模型试验及增量非线性有限元法对比分析，验证了该文方法具有较高的计算精度与计算效率。
2023, 40(4): 80-90.
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。
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。
2023, 40(4): 91-101.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0754
摘要:
惯容减震系统在高效吸能的同时可放大其内部耗能装置的变形，从而提高耗能减震效率，此耗能增效特性是惯容减震系统的关键机理，可作为物理意义明确的惯容系统设计原则。但目前惯容耗能增效设计方法的计算公式复杂，不便应用。为充分发挥惯容系统的耗能增效特性，提出以“最大耗能增效”为设计原则，以满足性能需求为直接导向，进而推导出解析形式的惯容减震系统设计公式。基于随机振动理论得出了单自由度惯容减震结构在白噪声激励下均方响应的解析式，并结合极值条件及零固有阻尼假定完成了惯容系统最优参数的推导。在解析公式的基础上给出了惯容减震系统基于最大耗能增效原则的设计流程，并编制相应程序进行了单自由度惯容减震结构的算例设计与验证。算例分析结果验证了该文设计原则与解析公式的正确性与有效性。
惯容减震系统在高效吸能的同时可放大其内部耗能装置的变形，从而提高耗能减震效率，此耗能增效特性是惯容减震系统的关键机理，可作为物理意义明确的惯容系统设计原则。但目前惯容耗能增效设计方法的计算公式复杂，不便应用。为充分发挥惯容系统的耗能增效特性，提出以“最大耗能增效”为设计原则，以满足性能需求为直接导向，进而推导出解析形式的惯容减震系统设计公式。基于随机振动理论得出了单自由度惯容减震结构在白噪声激励下均方响应的解析式，并结合极值条件及零固有阻尼假定完成了惯容系统最优参数的推导。在解析公式的基础上给出了惯容减震系统基于最大耗能增效原则的设计流程，并编制相应程序进行了单自由度惯容减震结构的算例设计与验证。算例分析结果验证了该文设计原则与解析公式的正确性与有效性。
2023, 40(4): 102-115.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0765
摘要:
为研究高强型钢超高性能混凝土梁的受弯性能，以配钢率、型钢位置和钢纤维体积分数为变化参数，设计了6个试件，并对其进行了静力加载试验，获得了试件的破坏形态和荷载-跨中挠度曲线，分析了试件的承载能力和变形能力，以及型钢、纵向钢筋和超高性能混凝土的应变变化规律。基于试验研究，建立了高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能的有限元分析模型，计算结果与试验结果吻合较好，进而进行了参数分析。结果表明：所有试件均发生的是适筋破坏，纵向受拉钢筋和型钢下翼缘率先屈服，然后受压区超高性能混凝土被压碎；在试件的破坏阶段，所承担的荷载会依次经历陡降、波动、缓慢上升和缓慢下降四个阶段；试件的变形能力系数超过5，呈现出较强的变形能力；试件开裂前，超高性能混凝土的应变符合平截面假定，但开裂后，只有受压区和受拉区在中和轴附近的一小部分超高性能混凝土应变呈线性分布；配钢率和型钢强度增大，试件的承载能力和变形能力均提高；超高性能混凝土抗压强度增大及型钢从截面居中位置下移，试件的承载能力提高，但变形能力下降；钢纤维体积分数增加，试件的抗裂能力和变形能力均提高，但承载能力变化不显著。
为研究高强型钢超高性能混凝土梁的受弯性能，以配钢率、型钢位置和钢纤维体积分数为变化参数，设计了6个试件，并对其进行了静力加载试验，获得了试件的破坏形态和荷载-跨中挠度曲线，分析了试件的承载能力和变形能力，以及型钢、纵向钢筋和超高性能混凝土的应变变化规律。基于试验研究，建立了高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能的有限元分析模型，计算结果与试验结果吻合较好，进而进行了参数分析。结果表明：所有试件均发生的是适筋破坏，纵向受拉钢筋和型钢下翼缘率先屈服，然后受压区超高性能混凝土被压碎；在试件的破坏阶段，所承担的荷载会依次经历陡降、波动、缓慢上升和缓慢下降四个阶段；试件的变形能力系数超过5，呈现出较强的变形能力；试件开裂前，超高性能混凝土的应变符合平截面假定，但开裂后，只有受压区和受拉区在中和轴附近的一小部分超高性能混凝土应变呈线性分布；配钢率和型钢强度增大，试件的承载能力和变形能力均提高；超高性能混凝土抗压强度增大及型钢从截面居中位置下移，试件的承载能力提高，但变形能力下降；钢纤维体积分数增加，试件的抗裂能力和变形能力均提高，但承载能力变化不显著。
2023, 40(4): 116-128, 192.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0769
摘要:
模态识别精度评价贯穿模态识别研究的全过程，但基于单一或少数算例的模态识别精度评价方法存在偶然性，因此提出一种基于结构响应数据库评价模态识别精度的方法。数据库的关键数据是结构的模态参数理论值和结构响应；对于集中质量模型，提出一种基于模态参数构建结构物理模型(质量、刚度和阻尼矩阵)，进而计算结构响应的数据库构建方法，并用算例验证了可行性。针对随机子空间法定阶难、虚假模态剔除难的问题，提出一种基于奇异熵增量定阶和稳态图两阶段虚假模态剔除的优化随机子空间法，并利用数据库方法对优化的随机子空间法进行了识别精度评价，结果表明：基于数据库的模态识别精度评价方法可行；优化的随机子空间法频率和振型的识别精度高、阻尼比的识别精度较低。
模态识别精度评价贯穿模态识别研究的全过程，但基于单一或少数算例的模态识别精度评价方法存在偶然性，因此提出一种基于结构响应数据库评价模态识别精度的方法。数据库的关键数据是结构的模态参数理论值和结构响应；对于集中质量模型，提出一种基于模态参数构建结构物理模型(质量、刚度和阻尼矩阵)，进而计算结构响应的数据库构建方法，并用算例验证了可行性。针对随机子空间法定阶难、虚假模态剔除难的问题，提出一种基于奇异熵增量定阶和稳态图两阶段虚假模态剔除的优化随机子空间法，并利用数据库方法对优化的随机子空间法进行了识别精度评价，结果表明：基于数据库的模态识别精度评价方法可行；优化的随机子空间法频率和振型的识别精度高、阻尼比的识别精度较低。
2023, 40(4): 129-143.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0771
摘要:
精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架，提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括：通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K；硬化/软化准则与约束刚度相关；流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA，结果表明：FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果，讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性，根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域，且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。
精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架，提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括：通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K；硬化/软化准则与约束刚度相关；流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA，结果表明：FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果，讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性，根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域，且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。
2023, 40(4): 144-151.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0783
摘要:
为研究钢纤维混凝土的压-剪复合受力性能及损伤模型，以钢纤维体积率、压应力比为参数，完成了60个钢纤维混凝土试件的直剪和压-剪试验，分析了各参数对剪切强度和峰值剪切位移的影响，推导了钢纤维混凝土在压-剪复合受力下的损伤全曲线模型，分析了损伤演化规律，提出了压-剪强度计算式。结果表明：剪切强度和峰值剪切位移均随压应力比的增大而增大。随着钢纤维体积率的增加，剪切强度呈现先增后减的趋势，峰值剪切位移规律不明显。压应力比的增大显著减缓了损伤发展；提出的损伤本构模型和压-剪强度公式计算结果与试验值吻合较好。
为研究钢纤维混凝土的压-剪复合受力性能及损伤模型，以钢纤维体积率、压应力比为参数，完成了60个钢纤维混凝土试件的直剪和压-剪试验，分析了各参数对剪切强度和峰值剪切位移的影响，推导了钢纤维混凝土在压-剪复合受力下的损伤全曲线模型，分析了损伤演化规律，提出了压-剪强度计算式。结果表明：剪切强度和峰值剪切位移均随压应力比的增大而增大。随着钢纤维体积率的增加，剪切强度呈现先增后减的趋势，峰值剪切位移规律不明显。压应力比的增大显著减缓了损伤发展；提出的损伤本构模型和压-剪强度公式计算结果与试验值吻合较好。
2023, 40(4): 152-161.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0786
摘要:
该文建立了一种描述混凝土在循环荷载作用下复杂力学行为的弹塑性损伤模型。该模型借助四参数等效应变将复杂的多轴问题转换至单轴等效应变空间中求解，考虑了混凝土卸载过程中的刚度退化现象及不可逆变形。同时针对等效应变的非负特性，提出了拉压转换处理方法，从而在求解损伤变量时无需区分拉损伤和压损伤。该文提出的弹塑性损伤模型数学形式简洁，且实现过程不依赖于四参数模型，实现方法普遍适用于各类混凝土等效应变模型，通过模拟单轴循环荷载试验和Koyna大坝动态损伤过程，验证了该文模型的正确性与可靠性。
该文建立了一种描述混凝土在循环荷载作用下复杂力学行为的弹塑性损伤模型。该模型借助四参数等效应变将复杂的多轴问题转换至单轴等效应变空间中求解，考虑了混凝土卸载过程中的刚度退化现象及不可逆变形。同时针对等效应变的非负特性，提出了拉压转换处理方法，从而在求解损伤变量时无需区分拉损伤和压损伤。该文提出的弹塑性损伤模型数学形式简洁，且实现过程不依赖于四参数模型，实现方法普遍适用于各类混凝土等效应变模型，通过模拟单轴循环荷载试验和Koyna大坝动态损伤过程，验证了该文模型的正确性与可靠性。
2023, 40(4): 162-171.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0788
摘要:
该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(Damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录，利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响，提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型，与陆域DMF模型进行了对比，并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱，最后对残差及标准差进行分析。研究表明：地震类型对DMF的影响可以忽略；可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响；由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著；阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值；残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型，为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。
该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(Damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录，利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响，提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型，与陆域DMF模型进行了对比，并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱，最后对残差及标准差进行分析。研究表明：地震类型对DMF的影响可以忽略；可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响；由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著；阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值；残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型，为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。
2023, 40(4): 172-183.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0791
摘要:
墩柱作为主要承重构件，其抗震能力对整个桥梁结构的安全至关重要。为了提高墩柱的变形能力、耗能能力及损伤自修复能力，减小墩柱震后的残余变形和损伤，实现震后不修复或者稍作修复就可恢复正常功能，提出了一种基于形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)和工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites, ECC)的新型自复位墩柱。利用SMA的超弹恢复性能，在墩柱的塑性铰区用SMA筋来替代普通纵向钢筋，来实现墩柱的自复位功能；利用ECC的应变硬化特性，ECC替代墩柱的塑性铰区普通混凝土，提高墩柱耗能能力并减少损伤。设计制作了5个试验试件，分别为普通钢筋混凝土墩柱、普通钢筋ECC墩柱、钢绞线普通混凝土墩柱、钢绞线ECC墩柱和形状记忆合金筋ECC墩柱，并进行低周反复加载试验，对比分析了不同墩柱的破坏模式、承载力、延性和耗能能力等抗震性能。研究结果表明：SMA材料能够增强结构的变形能力，提高结构的延性，减小结构残余变形；ECC材料能够提高结构延性，减缓裂缝的开展速度，提高结构的耗能能力。与普通钢筋混凝土墩柱相比，SMA/ECC墩柱不仅表现出较好的延性，且构件复位效果良好，显著减小了结构损伤，展现出更好的抗震性能。
墩柱作为主要承重构件，其抗震能力对整个桥梁结构的安全至关重要。为了提高墩柱的变形能力、耗能能力及损伤自修复能力，减小墩柱震后的残余变形和损伤，实现震后不修复或者稍作修复就可恢复正常功能，提出了一种基于形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)和工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites, ECC)的新型自复位墩柱。利用SMA的超弹恢复性能，在墩柱的塑性铰区用SMA筋来替代普通纵向钢筋，来实现墩柱的自复位功能；利用ECC的应变硬化特性，ECC替代墩柱的塑性铰区普通混凝土，提高墩柱耗能能力并减少损伤。设计制作了5个试验试件，分别为普通钢筋混凝土墩柱、普通钢筋ECC墩柱、钢绞线普通混凝土墩柱、钢绞线ECC墩柱和形状记忆合金筋ECC墩柱，并进行低周反复加载试验，对比分析了不同墩柱的破坏模式、承载力、延性和耗能能力等抗震性能。研究结果表明：SMA材料能够增强结构的变形能力，提高结构的延性，减小结构残余变形；ECC材料能够提高结构延性，减缓裂缝的开展速度，提高结构的耗能能力。与普通钢筋混凝土墩柱相比，SMA/ECC墩柱不仅表现出较好的延性，且构件复位效果良好，显著减小了结构损伤，展现出更好的抗震性能。
2023, 40(4): 184-192.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0816
摘要:
定量分析混凝土材料的抗冻性能是数字混凝土时代的基本要求之一，在全面分析混凝土抗冻性能影响因素和现有混凝土冻融破坏假说的基础上，推导了混凝土冻融破坏理论模型，该模型以内因和外因为自变量，以材料的微、细观结构演变为核心，实现了混凝土抗冻性能的定量分析。模型计算分析表明：水泥水化产物物理力学性能、引气泡含量及孔径分布、最低温度、降温速率、应力水平、材料溢出距离等内、外因素，从不同角度、不同程度影响水泥基材料的冻融损伤特性，合理设计引气泡含量及引气泡孔径，方能有效提高混凝土的抗冻耐久性。且上述分析结果同已有研究成果有较好契合。研究成果能为混凝土的抗冻设计提供参考。
定量分析混凝土材料的抗冻性能是数字混凝土时代的基本要求之一，在全面分析混凝土抗冻性能影响因素和现有混凝土冻融破坏假说的基础上，推导了混凝土冻融破坏理论模型，该模型以内因和外因为自变量，以材料的微、细观结构演变为核心，实现了混凝土抗冻性能的定量分析。模型计算分析表明：水泥水化产物物理力学性能、引气泡含量及孔径分布、最低温度、降温速率、应力水平、材料溢出距离等内、外因素，从不同角度、不同程度影响水泥基材料的冻融损伤特性，合理设计引气泡含量及引气泡孔径，方能有效提高混凝土的抗冻耐久性。且上述分析结果同已有研究成果有较好契合。研究成果能为混凝土的抗冻设计提供参考。
2023, 40(4): 193-204, 256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0817
摘要:
中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段，在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此，该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型，对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程；基于叶素动量理论，计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷，并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷；基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析；探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明：叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大；风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小，基底应力接近地震单独作用下的基底应力值；地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响，建议在设计时予以考虑。
中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段，在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此，该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型，对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程；基于叶素动量理论，计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷，并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷；基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析；探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明：叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大；风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小，基底应力接近地震单独作用下的基底应力值；地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响，建议在设计时予以考虑。
2023, 40(4): 205-214.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0776
摘要:
为准确计算钢-BFPC结合面的实际接触面积比进而建立基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真方法。通过对结合面接触拓片离散化处理建立钢-BFPC结合面实际接触面积比的计算方法，编制了相应的计算程序，分析不同结合面压力对实际接触面积比的影响规律。以计算的实际接触面积比为基础，建立了钢-BFPC结合面虚拟材料仿真分析模型。分别通过虚拟材料仿真和实验研究了钢-BFPC结合面试件模态特性并将两种方式结果对比分析，结果显示两者的固有频率最大相对误差为+6.48%且振型一致，证明了钢-BFPC结合面实际接触面积比的离散计算方法和虚拟材料仿真方法的准确性。
为准确计算钢-BFPC结合面的实际接触面积比进而建立基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真方法。通过对结合面接触拓片离散化处理建立钢-BFPC结合面实际接触面积比的计算方法，编制了相应的计算程序，分析不同结合面压力对实际接触面积比的影响规律。以计算的实际接触面积比为基础，建立了钢-BFPC结合面虚拟材料仿真分析模型。分别通过虚拟材料仿真和实验研究了钢-BFPC结合面试件模态特性并将两种方式结果对比分析，结果显示两者的固有频率最大相对误差为+6.48%且振型一致，证明了钢-BFPC结合面实际接触面积比的离散计算方法和虚拟材料仿真方法的准确性。
2023, 40(4): 215-225.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0780
摘要:
裂缝是混凝土结构的主要病害，查明裂缝的深度能够为结构的耐久性和安全性评价提供可靠的信息，但同时也是混凝土结构检测的难点之一。提出了一种基于数据驱动的学习算法，通过考察波经过带缝结构传播的信号预测裂缝深度，采用扩展有限元法(Extended finite element methods, XFEM)和边界吸收层模型模拟了带缝大体积混凝土结构中的波传播过程，将接收点的观测信号和裂缝信息配对。基于人工神经网络的机器学习模型建立了基于XFEM数据集的裂缝深度预测模型。对于含未知裂缝信息的混凝土结构，通过测得的观测点信号，利用建立的机器学习模型实现裂缝深度的实时预测。通过2个数值算例验证了该算法的性能，结果表明所提出的数据驱动算法能够准确预测裂缝深度。
裂缝是混凝土结构的主要病害，查明裂缝的深度能够为结构的耐久性和安全性评价提供可靠的信息，但同时也是混凝土结构检测的难点之一。提出了一种基于数据驱动的学习算法，通过考察波经过带缝结构传播的信号预测裂缝深度，采用扩展有限元法(Extended finite element methods, XFEM)和边界吸收层模型模拟了带缝大体积混凝土结构中的波传播过程，将接收点的观测信号和裂缝信息配对。基于人工神经网络的机器学习模型建立了基于XFEM数据集的裂缝深度预测模型。对于含未知裂缝信息的混凝土结构，通过测得的观测点信号，利用建立的机器学习模型实现裂缝深度的实时预测。通过2个数值算例验证了该算法的性能，结果表明所提出的数据驱动算法能够准确预测裂缝深度。
2023, 40(4): 226-232.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0163
摘要:
针对复杂测量环境或高动态测量过程中出现的运动模糊问题，提出了一种灰度稀疏先验与参考图像梯度域先验相结合的散斑图像盲去模糊方法。该方法以灰度直方图峰值的L0范数与参考图像梯度域分布建立优化函数正则项，使用二次分裂方法估计清晰图像，再以交替迭代的方式进行卷积核细化。在模糊核估计完成后，使用Richardson-Lucy非盲去卷积方法完成散斑图像的复原。实验结果证明：所提出的散斑图像盲去模糊方法与针对自然图像与文本图像的经典方法相比，获得了更优的图像去模糊效果，并提高了数字图像相关测量精度与鲁棒性。
针对复杂测量环境或高动态测量过程中出现的运动模糊问题，提出了一种灰度稀疏先验与参考图像梯度域先验相结合的散斑图像盲去模糊方法。该方法以灰度直方图峰值的L0范数与参考图像梯度域分布建立优化函数正则项，使用二次分裂方法估计清晰图像，再以交替迭代的方式进行卷积核细化。在模糊核估计完成后，使用Richardson-Lucy非盲去卷积方法完成散斑图像的复原。实验结果证明：所提出的散斑图像盲去模糊方法与针对自然图像与文本图像的经典方法相比，获得了更优的图像去模糊效果，并提高了数字图像相关测量精度与鲁棒性。
2023, 40(4): 233-242.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.10.0755
摘要:
下肢截肢虽已发现是心血管疾病的可能危险因素，但潜在的生物力学机制仍未得到充分了解。该研究的目的是了解术后不同时期和生活状态下肢截肢患者的心血管血流动力学状况，以评估异常血流动力学对心血管系统的影响。该文建立了含下肢动脉的心血管系统集中参数模型，模拟了截肢术后、术后成熟期和术后长期久坐三种常见的截肢患者状态。该文以7名下肢截肢患者超声实测下肢动脉直径为模型的参数设置参考。通过将正常人模型和下肢截肢模型的血压和血流量波形对比分析，发现截肢术后血管收缩压和舒张压幅值上升，腹主动脉及以下的动脉流量峰值明显下降；术后成熟期和长期久坐血压在舒张期早期峰值上升。这种异常的血流动力学变化可能是下肢截肢患者患高血压与心室肥大等心血管疾病的危险因素。该文建立的集中参数模型提供了截肢后血流动力学的变化规律，可为未来截肢患者康复治疗和心血管疾病预防提供理论指导。
下肢截肢虽已发现是心血管疾病的可能危险因素，但潜在的生物力学机制仍未得到充分了解。该研究的目的是了解术后不同时期和生活状态下肢截肢患者的心血管血流动力学状况，以评估异常血流动力学对心血管系统的影响。该文建立了含下肢动脉的心血管系统集中参数模型，模拟了截肢术后、术后成熟期和术后长期久坐三种常见的截肢患者状态。该文以7名下肢截肢患者超声实测下肢动脉直径为模型的参数设置参考。通过将正常人模型和下肢截肢模型的血压和血流量波形对比分析，发现截肢术后血管收缩压和舒张压幅值上升，腹主动脉及以下的动脉流量峰值明显下降；术后成熟期和长期久坐血压在舒张期早期峰值上升。这种异常的血流动力学变化可能是下肢截肢患者患高血压与心室肥大等心血管疾病的危险因素。该文建立的集中参数模型提供了截肢后血流动力学的变化规律，可为未来截肢患者康复治疗和心血管疾病预防提供理论指导。
2023, 40(4): 243-256.
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。
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。
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