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2019年  第36卷  第5期

综述
现代竹结构的研究与工程应用
田黎敏, 靳贝贝, 郝际平
2019, 36(5): 1-18,27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST06
摘要:
竹材是世界上为数不多的可再生资源,是建筑行业的理想材料。随着经济社会的发展、科学技术的进步、国家政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来发展方向之一。虽然从基本方法与手段上,竹结构的研究可以从已经较为成熟的传统结构研究中汲取经验,但是,竹材的特殊使得竹结构在构件、节点以及体系构成上与传统结构存在显著差别,且目前针对竹结构的研究尚缺乏统一材料本构,手段也较为单一,节点连接形式局限性大,均限制了竹结构在工程中的广泛应用。结合已有成果,对竹结构中所涉及的竹材、竹构件、节点的力学性能作出分析;结合现代科技,对竹结构体系进行研究、总结。提出一种喷涂复合砂浆-原竹骨架组合结构体系,其整体力学性能好,功能性和适应能力强,施工速度快,可代替传统砖混结构,在低层房屋及村镇建筑中应用,具有较高的推广价值。
基本方法
TATB基PBX在不同围压下的Boltzmann-P本构模型及其数值计算方法
袁洪魏, 赵龙, 董天宝, 颜熹琳, 唐维
2019, 36(5): 19-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0181
摘要:
围压对于PBX材料的力学性能影响显著,围压影响的实质为静水压力的影响。该文基于Boltzmann本构模型,建立了考虑静水压力影响的TATB基PBX准静态Boltzmann-P非线性弹性本构模型,提出了针对该本构模型的非线性计算方法,采用Mises等效应力-应变并引入泊松比提出了一维本构模型转化为三维模型的数值方法,然后通过二次开发实现了本构模型以及相应算法的实际应用。通过对单位体积单元进行计算,在无围压条件以及围压两种条件下Boltzmann-P模型描述精度均高于Boltzmann模型,验证了Boltzmann-P本构模型及相应算法与所开发程序的正确性。
平面曲梁面内自由振动有限元分析的p型超收敛算法
叶康生, 殷振炜
2019, 36(5): 28-36,52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0213
摘要:
该文提出一种求解平面曲梁面内自由振动问题的p型超收敛算法。该法基于有限元解答中频率和振型结点位移的固有超收敛特性,在单个单元上建立了振型近似满足的线性常微分方程边值问题,对该局部线性边值问题采用单个高次元进行有限元求解获得该单元上振型的超收敛解,逐单元计算完毕后,将振型的超收敛解代入Rayleigh商,获得频率的超收敛解。该法为后处理法,且后处理计算仅在单个单元上进行,通过少量计算即能显著提高频率和振型的精度和收敛阶。数值算例表明,该法可靠、高效,值得进一步研究和推广。
土木工程学科
考虑罗德角参数的钢材薄板延性断裂标定方法
王俊杰, 王伟
2019, 36(5): 37-43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0150
摘要:
在钢结构中钢梁腹板的断裂表现出很强的剪切断裂特征,因此在预测其断裂行为时除了考虑应力三轴度以外,还应考虑与剪切状态有关的罗德角参数的影响。该文提出了一种适用于钢材薄板延性断裂预测的标定方法。共设计了5组试件,分别为平板试件、开孔平板、开槽平板、90°剪切平板和45°剪切平板。利用平板试件和停机平板试件单向拉伸试验,结合有限元反演得到钢材的全过程真实应力-应变曲线。然后将其代入各试件有限元模型进行计算,标定出各试件对应的等效断裂应变、平均应力三轴度和平均罗德角参数。最后利用Matlab优化工具箱对断裂模型进行优化拟合,确定模型中的各项待定参数。
混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究
肖宇哲, 李易, 陆新征, 任沛琪, 何浩祥
2019, 36(5): 44-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0189
摘要:
连续倒塌是结构系统的非线性动力行为,准确评估动力效应是建立简化工程设计方法的核心工作。为了研究钢筋混凝土梁柱子结构动力连续倒塌机理和动力效应,对4个尺寸和材料完全相同的试件分别开展了1次静力和4次动力试验。试验结果表明:动力连续倒塌的应力集中和非对称受力现象更加明显,且受材料应变率效应的影响,梁端受拉裂缝集中开展,受压区混凝土压碎剥落区域较小;考虑到动力损伤和材料应变率对结构自身抗力特征的影响,广义动力抗力能够更加准确地描述实际动力连续倒塌过程中的抗力需求;动力损伤和材料应变率效应使得结构的动力放大效应增强,实际动力放大系数均大于传统理论预测值。
隧道锚固系统的协同作用及设计方法
孙振宇, 张顶立, 房倩
2019, 36(5): 53-66,75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0160
摘要:
基于隧道围岩的复合结构特性,阐明了隧道锚固系统协同作用原理,建立了锚固体系协同作用力学模型,得到了锚固体系与围岩相互作用的全过程解答。隧道围岩由内部稳定性较差的浅层围岩和外侧承载能力较强的深层围岩复合而成,锚杆通过"组合梁"或"压缩拱"效应形成"围岩整体结构",锚索则将此结构悬吊至外侧稳定的深层围岩,其协同作用核心为调动深层围岩承载;基于锚杆参数敏感性分析,指出增大锚杆长度、预应力以及布置密度可显著减小围岩变形,而锚杆直径对围岩变形影响较小,计算表明锚杆长度以穿过浅层围岩伸入深层围岩第1组结构层为宜,合理的锚杆参数取值具有明显的匹配效应;锚固体系协同作用本质为变形协调和荷载的合理分配,锚杆、锚索支护参数相互匹配时能充分发挥组合构件效能,提高围岩稳定性;将围岩变形量和支护协同度作为评价指标,建立了锚固体系协同效果评价体系,并提出了基于锚固系统协同作用的隧道锚固参数确定方法,通过具体算例验证了该文的合理性和可靠性。该文研究成果对隧道锚固系统的协同作用给出了全面认识,可为隧道和地下工程中锚固体系的定量设计提供理论依据。
考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型
李冬, 金浏, 杜修力, 刘晶波, 张帅, 余文轩
2019, 36(5): 67-75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0996
摘要:
混凝土宏观力学性能与其内部细观结构构造密切相关。该文建立了一类能够考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型。首先,采用细观力学数值试验法对理论模型中的参数进行了标定;进而,基于该模型对混凝土断裂能和单轴抗拉强度在材料层次的尺寸效应行为进行了分析。结果表明:混凝土断裂能和单轴抗拉强度均随骨料级配(即最大骨料粒径)发生变化,且受到界面特性的影响。当界面过渡区力学性能相对薄弱时,混凝土强度较低,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大而呈现减小的趋势;当界面过渡区力学性能较强时,混凝土强度较高,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大亦呈现增大的趋势。计算结果与试验结果吻合良好,验证了该文建立的理论预测模型的准确性和合理性。
HRB500/HRB600钢筋作纵筋的混凝土框架梁端弯矩调幅试验研究
郑文忠, 李玲, 张弛
2019, 36(5): 76-91,109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0098
摘要:
为研究HRB500钢筋和HRB600钢筋作纵筋的混凝土框架梁端弯矩调幅规律,完成了12榀单层两跨混凝土框架静力加载试验。试验结果表明:由于受拉纵筋屈服强度提高,一方面梁端塑性铰出现推迟,塑性铰形成前会发生一定的弯矩调幅;另一方面锚固于节点内的梁端受拉纵筋应变渗透引起较大的梁端附加转角,加大了弯矩调幅能力。将试验框架梁端弯矩调幅分塑性铰形成前后两阶段进行考察,第一阶段弯矩调幅幅度为10.35%~33.42%,第二阶段弯矩调幅幅度为3.39%~30.5%。基于试验结果,建立了与梁端控制截面相对受压区高度呈幂函数减小趋势、与受拉纵筋屈服强度和受拉纵筋屈服时刻应变渗透引起的梁端附加转角呈线性增长趋势的第一阶段弯矩调幅系数计算公式;建立了与总塑性转角(塑性铰区范围内的塑性转角与应变渗透引起的梁端附加塑性转角之和)呈幂函数增长趋势、与受拉纵筋屈服强度呈线性减小趋势的第二阶段弯矩调幅系数计算公式。
高延性混凝土加固砖柱轴压性能试验研究
邓明科, 李彤, 樊鑫淼
2019, 36(5): 92-99. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0080
摘要:
高延性混凝土(HDC)是一种具有高强度、高韧性和高耐损伤能力的新型结构材料。该文提出采用HDC面层加固砖柱,对27个砖柱试件进行了轴压性能试验研究。结果表明:1)HDC作为砌筑砂浆,可对砌体形成一定的约束作用,使砖柱的轴压承载力和变形能力均有所提高;2)HDC面层发挥了较强的套箍作用,使砖柱处于三向受压状态,承载力和变形能力均得到较大幅度提高,且改善了砖柱的脆性破坏特征;3)HDC面层与砖柱具有良好的协调工作能力,对提高砖柱的整体性能具有重要作用。考虑HDC面层对砖柱的约束作用,提出了HDC面层加固砖柱的轴压承载力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。该文研究结果为砌体结构加固提供了一种新方法,具有良好的推广应用前景。
外接式组合桁架节点初始转动刚度研究
周凌宇, 薛宪鑫
2019, 36(5): 100-109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0155
摘要:
新建银西线铁路渭河特大桥主桥为4×60 m钢桁腹-混凝土连续箱梁桥,考虑本桥型中半刚性节点转动性能不明确的问题,该文讨论了对外接式组合桁架节点初始转动刚度及其对桥梁受力性能的影响。首先定义了节点域,然后通过传力路径分析将节点域简化成弦杆、PBL剪力键群以及外露节点板三个有效力学组件,利用组件法原理推导出了各有效力学组件的弹簧刚度表达式,得到节点的初始转动刚度函数表达式。建立了节点有限元模型,并将数值结果与理论结果相比较,验证了模型的有效性以及理论分析的正确性。此研究成果为后续外接式节点的弯矩-转角曲线研究奠定了基础。
配筋超高性能混凝土梁受弯性能及承载力研究
梁兴文, 汪萍, 徐明雪, 王照耀, 于婧, 李林
2019, 36(5): 110-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0164
摘要:
对4根跨高比为16的配筋超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,简称UHPC)简支梁进行了受弯性能试验及受弯承载力分析,试件变化参数为钢纤维体积掺量和纵向受拉钢筋配筋率。试验结果表明:钢纤维体积掺量从3%提高到5%时,试件的开裂荷载提高了6.0%~11%,极限荷载仅提高了1.4%~2.5%;纵筋配筋率为3.21%的梁发生适筋破坏,配筋率为6.74%的梁发生部分超筋破坏;增加纵筋配筋率可显著提高UHPC梁的受弯承载力(提高34.9%~36.5%)。基于截面平衡条件、平截面假定以及UHPC和钢筋材料本构关系,建立了UHPC梁受弯承载力计算模型,受弯承载力计算值与试验值吻合较好。
含接缝的膨润土砌块缓冲材料愈合过程计算
许韬, 白冰, 刘月妙
2019, 36(5): 120-129,147. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0166
摘要:
在高放废物处置库的设计中,缓冲材料一般以膨润土砌块拼接的形式回填在废物罐周围,罐体、砌块、围岩之间的缝隙通过接缝材料进行填充。该文通过对GMZ01膨润土已有的试验数据进行整理,结合孔隙介质热-水-力(THM)耦合的基本理论,建立了含接缝的缓冲材料的THM过程耦合计算模型,利用Comsol Multiphysics平台进行计算,研究了接缝对缓冲材料膨胀、渗透和导热性能的影响,以及愈合效应的产生,并重点分析了接缝的类型、数量、干密度和宽度,以及砌块的拼接形式对渗透性能的影响。接缝的存在会极大的增加缓冲材料的渗透性,但是随着时间推移,接缝的渗透率会显著降低。材料最终的平均渗透率主要取决于平均干密度,而接缝的分布和砌块的拼接方式影响较小。
考虑尺寸效应的深受弯构件受剪模型分析
魏慧, 吴涛, 刘洋, 刘喜
2019, 36(5): 130-136. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0169
摘要:
深受弯构件斜截面受剪机理复杂且受尺寸效应影响显著,缺乏准确、合理的受剪计算模型。结合Tan-Cheng模型中对混凝土软化作用和深受弯构件尺寸效应的全面考虑优势,在深入研究混凝土斜压杆倾角α和构件复合抗拉强度ft对深受弯构件受剪承载力影响的基础上,简化压杆顶部节点区高度lcα的关系,考虑腹筋有效作用区域修正复合抗拉强度ft计算模型,提出了不影响精度前提下的修正Tan-Cheng模型。研究表明:基于国内外308组深受弯构件受剪试验数据计算结果,建议模型计算精度等同Tan-Cheng模型,并能够准确考虑尺寸效应影响,但计算过程较为简洁;通过与现有典型各国规范建议模型对比分析表明,计算结果较规范计算值更接近试验值,能够更准确地对深受弯构件的受剪承载力进行预测。
循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究
常笑, 杨璐, 王萌, 尹飞
2019, 36(5): 137-147. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0184
摘要:
为研究循环荷载下不锈钢材料的本构关系,对奥氏体型S30408不锈钢和双相型S220503不锈钢材料进行了单调拉伸和大应变超低周循环加载试验。采用三种常用的单调拉伸本构模型对所得应力-应变曲线进行拟合,得到相应单调荷载下材料本构参数;采用Ramberg-Osgood本构模型对循环骨架曲线进行拟合,得到材料循环强化参数;利用Chaboche塑性本构模型,标定了两种材料的循环本构参数。结果表明:在单调拉伸荷载下,G-R-O本构模型更适用于拟合不锈钢材料的单调拉伸本构;在循环荷载下,不锈钢材料滞回曲线饱满,且随着应变增大,两种材料在加载后期均表现出了明显的循环强化现象;Ramberg-Osgood本构模型对骨架曲线拟合较好,有限元计算结果和试验滞回曲线吻合度高;表明该文标定出的强化参数、循环本构参数可用于结构体系地震响应分析之中,为准确分析不锈钢结构在地震作用下的受力性能提供参考。
软土地区侧压损失对盾构隧道受力及变形的影响
梁东, 金浩, 肖军华, 周顺华
2019, 36(5): 148-156,175. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0216
摘要:
针对软土地区地铁沿线工程活动导致盾构隧道收敛变形增大的问题,采用1:10相似模型试验和精细化3D有限元模拟相结合的方法,研究了侧向压力损失对盾构隧道结构处于弹性阶段与塑性阶段的受力及变形的影响规律。研究结果表明:当侧向压力损失较小时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈线性关系,盾构隧道结构处于弹性阶段;当侧向压力损失增大时,侧向压力损失与盾构隧道径向变形之间呈指数型关系,盾构隧道结构进入塑性阶段;增大管片厚度能有效提升管片的抗变形能力,但抗变形能力会随厚度增大而趋于平缓;从混凝土结构偏心受力的角度分析,盾隧道管片厚度增大会导致结构从小偏心受压向大偏心受压转变,但从结构应力/应变的角度分析,管片的最大应变值减小,从而使盾构隧道结构处于更安全的受力状态。
T形配钢型钢混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究
曾磊, 谢炜, 郑山锁, 陈熠光, 任雯婷
2019, 36(5): 157-165. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0221
摘要:
为研究T形配钢型钢混凝土柱-钢梁框架的抗震性能,进行了1榀3层2跨、缩尺比例为1:3的框架试件拟静力试验,了解其破坏形态、滞回曲线和骨架曲线,分析了试件的延性、耗能能力、刚度和强度退化规律。基于纤维模型对框架试件进行了数值模拟,研究了结构抗震性能在不同轴压比、配钢率和混凝土强度下的变化规律。结果表明:在水平低周往复荷载作用下,试件出现"梁铰"破坏,具有良好的延性和耗能能力,满足"强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件"的抗震设计要求。轴压比对试件屈服后的性能影响较大,结构的承载力和延性随轴压比增大而有所降低,设计时需合理控制轴压比;配钢率主要影响初始刚度和极限承载力,结构的抗震性能随配钢率增大得到有效改善;结构的极限承载力随着混凝土强度增大而提高,但结构的延性会略有降低,设计时需合理考虑。研究成果可为该类结构的设计提供可靠的支撑。
基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析
李正良, 祖云飞, 范文亮, 周擎宇
2019, 36(5): 166-175. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0223
摘要:
准确而高效地求解结构体系中多个构件的可靠度水准对结构维护和优化具有重要意义,目前已有学者将蒙特卡洛法和响应面法用于此类可靠度分析。然而,蒙特卡洛法所需结构分析次数取决于失效概率的量级,通常计算成本较高。而响应面法的所需结构分析次数取决于杆件数量,当其数量较多时同样有较高的成本。鉴于此,该文提出了一种基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析方法,其所需的结构重分析次数上限与杆件数量无关,计算过程简便无需迭代。首先,通过引入自适应交叉项判定和双变量降维近似模型求解各杆件的前四阶矩;然后,根据各杆件的前四阶矩,采用最大熵原理求解各杆件的可靠度指标;最后,通过多个算例对比了蒙特卡洛法、响应面法和建议方法的精度和效率。结果表明建议方法所需的结构重分析次数远少于蒙特卡洛法和响应面法,实现过程简便,且精度能够满足工程要求。
两层带开洞预制剪力墙抗震性能试验研究与数值模拟分析
种迅, 张蓝方, 万金亮, 王德才, 叶献国, 解琳琳, 邵徽斌
2019, 36(5): 176-183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0083
摘要:
为研究带窗洞的预制装配式混凝土剪力墙中窗下墙对结构抗震性能的影响,该文对两个带不同高度窗下墙的两层预制剪力墙试件进行了低周反复荷载试验。在此基础上,提出了带窗下墙预制剪力墙结构的精细有限元数值模拟方法,结合试验结果分析揭示了窗下墙对带开洞预制剪力墙抗震性能的影响。试验和数值模拟分析结果表明,两试件在初始受力阶段,窗下墙与下层连梁作为一根整体连梁共同工作,此后二者逐渐脱开,形成两根并列布置的双连梁;两试件的破坏形态均为墙肢根部和双连梁两端形成塑性铰,最终塑性铰区混凝土被压碎;窗下墙较高的试件W-2承载力和初始刚度均大于W-1,延性和耗能能力则小于W-1;预制剪力墙构件中的窗下墙可显著提高该类构件的刚度、承载力和耗能能力,对带窗下墙的预制剪力墙结构进行抗震设计时应对窗下墙予以考虑。
连续排水边界条件下考虑自重的地基一维固结分析
冯健雪, 陈征, 李勇义, 梅国雄
2019, 36(5): 184-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0227
摘要:
基于连续排水边界条件,建立考虑自重的地基一维固结方程,利用有限正弦Fourier变换方法,给出了解析解,然后通过数值方法获得不排水对称面,分析了界面参数和自重系数对不排水对称面的影响。针对实际工程中水平排水砂垫层铺设位置的优化问题,通过建立考虑土体自重下的固结数学模型,运用半数值半解析方法获得了土体在不同时间因数下设置排水砂垫层的最优位置。分析了水平排水砂垫层设置位置对地基固结度的影响,并进一步给出不同土体界面参数下砂垫层最优铺设位置与时间的关系图。结果表明:考虑土体自重的不排水对称面随时间变化,自重系数越大,不排水对称面越靠近土体底部;最优砂垫层铺设位置是随时间不断变化的。最后,通过一个算例表明考虑优化砂垫层对于固结时间效率的提高具有明显效果。
基于PSHA的核电厂近断层抗震设计谱构建方法
胡进军, 李琼林, 邬迪, 谢礼立
2019, 36(5): 192-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0242
摘要:
核电是一种高效、清洁的能源,随着核电厂未来向内陆区的发展,其可能会遭遇到近断层地震动的影响,但是目前我国核电厂抗震规范设计谱并未考虑近断层地震动。该文首先基于大量实际近断层脉冲型和相应无脉冲地震动记录,研究了脉冲对反应谱的放大效应,建立了修正的近断层脉冲放大系数模型;继而将地震动脉冲效应引入到近断层概率地震危险性分析中,并基于设定断层模型,给出了不同场地类型的一致危险性反应谱;通过对地震危险性结果的分解,分析了对场地最危险震级和距离,并将结果引入地震动衰减关系中得到设计谱,最后通过近断层脉冲放大系数对设计谱进行修正,得到考虑近断层脉冲效应的核电厂抗震设计谱。通过研究,建立了一种基于概率地震危险性分析框架下,考虑近断层脉冲型地震动的工程场地核电厂抗震设计谱的构建方法。
超500 MPa级高强钢承压型螺栓连接承载力试验研究
吕一凡, 李国强, 王彦博
2019, 36(5): 200-207,215. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.0256
摘要:
高强度螺栓承压型连接的承载力来源于钢板与螺栓的接触行为,承载力的发展伴随着螺栓孔周围材料的应力集中和塑性变形。普通钢延性好,可以克服螺栓孔周围应力集中的不利影响,充分发展承压承载力。随着强度增高,钢材的延性降低、变形能力下降,应力集中的不利影响将更突出。因此,需对高强钢构件的承压型连接进行研究。该文以Q550D、Q690D和Q890D三种国产高强钢共制作50组单螺栓试件,其中24组双剪切面试件、16组单剪切面试件,6组孔径变化试件,并与4组Q345B单螺栓试件进行了对比。研究表明:高强钢仍具备足够的延性,能克服应力集中的不利影响,连接破坏模式与普通钢无明显差异;剪切面数和螺栓孔径对不同高强钢承压强度影响较小,但单剪切面的试件更容易出现螺栓剪断,降低连接的延性,限制承压承载力的利用。基于已有试验的结果与中国现行标准《钢结构设计规范》比较,发现螺栓连接的钢板承压强度设计取值偏保守,对于超500 MPa高强钢可适当提高其设计值,以充分利用高强度钢材的材料强度,合理减少螺栓数量。
地震作用的相关性对结构瞬态响应的影响
郭秀秀, 徐兴华, 黄举, 史庆轩
2019, 36(5): 208-215. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.0261
摘要:
地震作用一般分解为水平运动分量和竖向运动分量,在这两个运动分量的作用下,结构发生大变形时,可能会经历由地震运动分量演变的外部激励和参数激励过程。由于运动分量间的相关性,推导出实际上这两个激励过程也是相关的,而且是完全相关的,但在过去的研究中,为了简化分析,常常假设这两个激励过程是完全独立的。该文以高斯白噪声和过滤高斯白噪声过程模拟地震动过程,以某一单层框架结构为研究对象,采用累积矩截断法,分析高斯白噪声和过滤高斯白噪声这两种地震动激励下单层框架结构的非平稳地震响应。同时考虑地震动分量间的相关性,得到更为精细化的结构随机地震响应,并分析这种相关性对结构响应的影响。结果表明:将地震动作用模拟为更接近实际的过滤高斯白噪声过程时,地震作用相关性对结构响应的影响更为明显,更为不可忽略。
考虑土质边坡多失效模式的区域概率风险分析方法
杨智勇, 李典庆, 曹子君, 唐小松
2019, 36(5): 216-225,234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0171
摘要:
针对现有边坡风险分析仅考虑单一失效模式及风险分析结果难以被工程师理解等问题,提出了考虑边坡多失效模式的区域概率风险分析方法。首先给出了区域概率的概念,建立了以区域概率定量表征边坡稳定性的方法,推导了基于区域概率的边坡系统风险评价公式,探讨了该公式的适用性。在此基础上采用直接蒙特卡罗模拟计算边坡区域失效概率。最后以一不排水黏性土坡为例阐明了所提方法的有效性。结果表明:区域概率风险分析方法为表征边坡的关键失效区提供了一种简单、直接的可视化工具,为工程师制定合理的边坡加固设计方案提供了参考依据。基于区域概率风险分析方法的边坡系统风险评价公式不仅能够有效地回避边坡风险评价中多滑面间安全系数及滑块体积之间相关性计算问题,而且能够准确地量化边坡多破坏模式的系统风险。传统的风险评价方法可能显著低估边坡系统风险,使得边坡设计方案偏危险。边坡失效概率最大的滑面不一定是边坡失效风险最大的滑面,在边坡加固设计中,失效风险较大的滑面也应该予以关注。
基于径向基函数的冷却塔风场重构
李维勃, 王国砚, 钱志浩, 王昊
2019, 36(5): 226-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0143
摘要:
采用径向基函数法根据风洞试验结果对冷却塔的塔筒外表面进行风场重构,比较了重构前后喉部高度处迎风点和背风点的时程风压系数的相对误差,得出当体型常数C=0.5 Cmax时(CmaxC值的最大取值),在整个采样时间内绝大多数时程风压系数的相对误差在5%以内;将若干子午线上和环线上的重构结果与刚性模型测压风洞试验结果进行对比,证明了重构前后风压系数分布一致;分析了径向基函数中3种不同的C值对重构风场的影响,得出在这3种C值重构的结果中,取C=0.5 Cmax时重构的效果最好;最后比较了两种不同点集密度重构风场的风场特性,得出加密前后风场特性不变的结果,为优化后续的结构瞬态动力响应分析提供了依据。该文研究表明,基于径向基函数法进行冷却塔风场重构是一种简单、有效的方法。
机械工程学科
海床土体减缓坠物对海底管道撞击作用的研究
姜逢源, 赵玉良, 谭俊哲, 董胜
2019, 36(5): 235-245. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0183
摘要:
海底管道受坠物撞击的损伤分析中,海床土体是不宜忽略的因素。基于耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL法),该文建立了模拟坠物撞击海底管道过程中土体变形的有限元模型,并进行了物理模型试验,二者结果吻合较好。针对粘土海床,分析了海床柔性、海床土质、管道埋深、摩擦及坠物形状对海底管道损伤的影响。研究表明:对于裸置管道,海床柔性使一部分撞击能量转化为管道的整体变形,减轻管道局部损伤;对于埋置管道,基于软件的二次开发,考虑了正常固结粘土及均质粘土两种情况,二者的安全埋深相差较大。综合考虑上述土质的影响,2 m的埋深可提供有效的保护;埋深超过1 m时,坠物与土体间的摩擦系数对管道损伤的影响更加明显;形状尖锐的坠物受到土体的阻力较小,对管道造成的损伤程度较大。不同形状的坠物撞击管道时,管道的变形特征存在差异。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。
其他工程学科
基于三维头部数值模型的颅脑碰撞损伤机理研究
栗志杰, 由小川, 柳占立, 庄茁, 杨策
2019, 36(5): 246-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0254
摘要:
头部碰撞载荷会致使颅脑发生创伤性脑损伤(Traumatic Brain Injury,TBI)。其中,脑组织挫裂伤是最为常见的一种,具有高死亡率与高致残率的特性。该文基于数值模拟方法对其开展相关研究,揭示其损伤机理,对该类损伤的预防救治与相关防护设备的开发都具有重要意义。首先,该文基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型,该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造。在该模型中,颅骨采用典型类三明治结构进行表征,其内外层为刚度与密度较大的骨密质,中间层为骨松质。为了真实反映脑组织与颅骨间的相互作用,将脑脊液与蛛网膜小梁简化为均质整体,采用状态方程表征脑脊液的液态特性,并通过较小的剪切模量表征蛛网膜小梁的剪切传递作用。然后,基于死尸前额碰撞实验对三维头部数值模型的有效性进行验证。该头部模型采用三种不同的颈部约束边界条件对前额碰撞实验进行数值模拟,模拟结果表明:自由边界条件下的模拟结果与实验数据吻合良好,验证了该头部碰撞模型的有效性;而在竖向约束边界条件或固定边界条件下颈部的约束过于刚硬,导致撞击处与对撞处的颅内正、负压力交替变换,与实验结果相比出现较大偏差。最后,利用验证的头部碰撞模型对枕部碰撞过程进行数值模拟,并结合前额碰撞的模拟结果,分别从脑组织压力(体积变形)与Mises应力(剪切变形)等方面对颅脑的动态响应规律进行分析;进一步结合医学上颅脑碰撞损伤的统计数据,揭示了脑组织挫裂伤的损伤机理,建立了相应的损伤准则。