2022年 第39卷 第12期
2022, 39(12): 1-12.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0563
摘要:
为了快速准确得分析声子晶体的能带结构，该文基于工程与科学计算仿真平台SiPESC，开发了一类高效三维声子晶体能带结构分析软件。软件针对能带结构分析过程中计算量庞大的Hermitian矩阵的广义特征值求解问题和边界约束节点匹配问题，提出了相关软件设计方案。针对Hermitian矩阵的广义特征值求解，在实对称矩阵子空间迭代法的基础上，发展了Hermitian矩阵子空间迭代法。针对边界约束节点匹配问题，该文将三维周期性条件划分为点、边、面约束分别处理。针对面约束，该文使用定位格匹配策略将单层的点-点匹配更改为2层的点-定位格-点加速匹配。开展了与多物理场分析软件COMSOL进行数值算例对比。使用三维局域共振声子晶体算例验证了软件在满足数值精度的前提下计算效率高于对比软件。通过大规模模型算例验证了软件具有高效的大规模计算能力。
为了快速准确得分析声子晶体的能带结构，该文基于工程与科学计算仿真平台SiPESC，开发了一类高效三维声子晶体能带结构分析软件。软件针对能带结构分析过程中计算量庞大的Hermitian矩阵的广义特征值求解问题和边界约束节点匹配问题，提出了相关软件设计方案。针对Hermitian矩阵的广义特征值求解，在实对称矩阵子空间迭代法的基础上，发展了Hermitian矩阵子空间迭代法。针对边界约束节点匹配问题，该文将三维周期性条件划分为点、边、面约束分别处理。针对面约束，该文使用定位格匹配策略将单层的点-点匹配更改为2层的点-定位格-点加速匹配。开展了与多物理场分析软件COMSOL进行数值算例对比。使用三维局域共振声子晶体算例验证了软件在满足数值精度的前提下计算效率高于对比软件。通过大规模模型算例验证了软件具有高效的大规模计算能力。
2022, 39(12): 13-22, 59.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0556
摘要:
提出一种基于贝叶斯推理的非线性结构模型修正方法，同时考虑激励的随机性，建立了复合随机振动系统的动力可靠度分析方法。利用实测结构动力响应主分量的瞬时特征参数作为非线性指标构建似然函数，结合拒绝延缓自适应(Delayed Rejection and Adaptive Metropolis, DRAM)算法和高斯过程替代模型实现了非线性结构模型修正及其参数的不确定性量化。根据首次超越破坏准则，利用广义概率密度演化方法，分别对仅考虑激励随机性的确定性模型和同时考虑结构参数与激励不确定性的复合随机振动模型进行动力可靠度分析，并利用蒙特卡洛随机抽样方法验证了计算结果的准确性。研究结果表明：基于振动响应瞬时特征参数的贝叶斯推理方法能够快速、准确地实现结构的非线性模型修正及其参数的不确定性量化。与具有初始设计参数名义值的确定性模型相比，考虑参数不确定性的复合随机模型的动力可靠度总体偏低，因此，在结构安全评估中应考虑非线性模型参数不确定性的影响，使评估结果更加安全、可靠。
提出一种基于贝叶斯推理的非线性结构模型修正方法，同时考虑激励的随机性，建立了复合随机振动系统的动力可靠度分析方法。利用实测结构动力响应主分量的瞬时特征参数作为非线性指标构建似然函数，结合拒绝延缓自适应(Delayed Rejection and Adaptive Metropolis, DRAM)算法和高斯过程替代模型实现了非线性结构模型修正及其参数的不确定性量化。根据首次超越破坏准则，利用广义概率密度演化方法，分别对仅考虑激励随机性的确定性模型和同时考虑结构参数与激励不确定性的复合随机振动模型进行动力可靠度分析，并利用蒙特卡洛随机抽样方法验证了计算结果的准确性。研究结果表明：基于振动响应瞬时特征参数的贝叶斯推理方法能够快速、准确地实现结构的非线性模型修正及其参数的不确定性量化。与具有初始设计参数名义值的确定性模型相比，考虑参数不确定性的复合随机模型的动力可靠度总体偏低，因此，在结构安全评估中应考虑非线性模型参数不确定性的影响，使评估结果更加安全、可靠。
2022, 39(12): 23-30.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0579
摘要:
变截面梁式构件广泛应用于工程结构中，其动力特性更是结构设计和状态评估中的重要考虑因素之一。基于新兴的近场动力学微分算子(Peridynamic differential operator, PDDO)，尝试提出了一种用于变截面梁动力特性分析的非局部方法。将变截面梁的动力学微分控制方程与边界条件通过PDDO由局部微分形式转化为对应的非局部积分形式，再结合拉格朗日乘数法与变分原理，将非局部积分形式的控制方程与边界条件转化为标准特征值问题表达形式，从而求得自振频率与振型。通过对等截面梁的自由振动分析并与解析解对比，验证了该方法良好的收敛性与准确性。进一步通过求解下边界一次、二次变化的连续变截面梁，证明了该方法对于任意变截面梁自由振动分析的适用性与可靠性。开展含孔变截面梁的自由振动分析，体现了该文的非局部方法在含缺陷构件振动分析和损伤识别问题方面的潜力，可为含缺陷变截面构件的动力分析问题提供新思路。
变截面梁式构件广泛应用于工程结构中，其动力特性更是结构设计和状态评估中的重要考虑因素之一。基于新兴的近场动力学微分算子(Peridynamic differential operator, PDDO)，尝试提出了一种用于变截面梁动力特性分析的非局部方法。将变截面梁的动力学微分控制方程与边界条件通过PDDO由局部微分形式转化为对应的非局部积分形式，再结合拉格朗日乘数法与变分原理，将非局部积分形式的控制方程与边界条件转化为标准特征值问题表达形式，从而求得自振频率与振型。通过对等截面梁的自由振动分析并与解析解对比，验证了该方法良好的收敛性与准确性。进一步通过求解下边界一次、二次变化的连续变截面梁，证明了该方法对于任意变截面梁自由振动分析的适用性与可靠性。开展含孔变截面梁的自由振动分析，体现了该文的非局部方法在含缺陷构件振动分析和损伤识别问题方面的潜力，可为含缺陷变截面构件的动力分析问题提供新思路。
2022, 39(12): 31-40.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0558
摘要:
采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法，建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上，设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型，探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下，不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明：CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关，越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大，提供的抗剪贡献越多；在CFRP配纤率一致的前提下，CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案；CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象，但相同CFRP配纤率下，不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小，可以忽略。
采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法，建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上，设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型，探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下，不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明：CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关，越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大，提供的抗剪贡献越多；在CFRP配纤率一致的前提下，CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案；CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象，但相同CFRP配纤率下，不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小，可以忽略。
2022, 39(12): 41-49.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0550
摘要:
深水桥梁的抗震分析需要考虑地震作用下动水压力的影响。目前，广泛采用的Morison方程由波浪力的计算公式演化而来，用于计算地震动水压力尚缺乏验证；同时，对于地震作用下桥墩动水压力的变化规律缺乏试验研究。该文设计一套水下振动台试验系统，以不同尺寸的桥墩试件为研究对象，采用正弦波为输入激励，通过不同工况的振动台试验，研究桥墩加速度和地震动水压力的分布规律及其随激励幅值、激励频率、截面直径和水深的变化规律；将动水压力的试验结果与Morison方程的计算结果进行对比，以验证地震作用下Morison方程的适用性。结果表明：地震作用下桥墩加速度和动水压力应考虑激励幅值、激励频率、截面直径和水深的影响，Morison方程不适用于计算地震作用下桥墩动水压力，应通过大量的水下振动台试验加以修正。
深水桥梁的抗震分析需要考虑地震作用下动水压力的影响。目前，广泛采用的Morison方程由波浪力的计算公式演化而来，用于计算地震动水压力尚缺乏验证；同时，对于地震作用下桥墩动水压力的变化规律缺乏试验研究。该文设计一套水下振动台试验系统，以不同尺寸的桥墩试件为研究对象，采用正弦波为输入激励，通过不同工况的振动台试验，研究桥墩加速度和地震动水压力的分布规律及其随激励幅值、激励频率、截面直径和水深的变化规律；将动水压力的试验结果与Morison方程的计算结果进行对比，以验证地震作用下Morison方程的适用性。结果表明：地震作用下桥墩加速度和动水压力应考虑激励幅值、激励频率、截面直径和水深的影响，Morison方程不适用于计算地震作用下桥墩动水压力，应通过大量的水下振动台试验加以修正。
2022, 39(12): 50-59.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0552
摘要:
基于岩石类材料的I型裂纹模型，提出了一种考虑裂纹密度、裂纹相互作用以及裂纹面动摩擦作用的脆性材料动力模型。以正方形阵列分布的裂纹为例，定量分析了不同裂纹密度及不同摩擦行为对试件的裂纹扩展过程、试件受力和破坏的影响。数值计算结果表明：随着裂纹密度增大，裂纹间的相互作用增强，试件破坏时的加载应力降低，惯性效应引起试件轴向附加应力增大。裂纹面的滑动会降低裂纹面的动摩擦系数，促进裂纹发展，并降低试件的强度。相对于常数摩擦系数，考虑速度及状态依赖型摩擦模型对裂纹面的滑动过程更为合理。动强度因子对比结果显示出试件明显的应变率效应和尺寸效应。
基于岩石类材料的I型裂纹模型，提出了一种考虑裂纹密度、裂纹相互作用以及裂纹面动摩擦作用的脆性材料动力模型。以正方形阵列分布的裂纹为例，定量分析了不同裂纹密度及不同摩擦行为对试件的裂纹扩展过程、试件受力和破坏的影响。数值计算结果表明：随着裂纹密度增大，裂纹间的相互作用增强，试件破坏时的加载应力降低，惯性效应引起试件轴向附加应力增大。裂纹面的滑动会降低裂纹面的动摩擦系数，促进裂纹发展，并降低试件的强度。相对于常数摩擦系数，考虑速度及状态依赖型摩擦模型对裂纹面的滑动过程更为合理。动强度因子对比结果显示出试件明显的应变率效应和尺寸效应。
2022, 39(12): 60-73.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0459
摘要:
该文基于有限元数值方法，对仅与框架梁相连的竖放波折钢板剪力墙中内嵌墙板的抗侧性能进行研究，并提出优化设计方法。通过与试验结果的对比，验证了有限元模型及分析方法的可靠性，接着在单向推覆下揭示了波折墙板的“强墙板”和“弱墙板”两种典型抗侧机理，研究了波折墙板参数对其单向推覆抗侧性能的影响。随着宽度的增加，波折墙板的低效抗剪区占比减小，抗侧效率提高；墙板波折角度和厚度的增大，能改善屈曲后承载性能；在其他参数确定的情况下，给出了最优波长的计算式。针对侧边存在低效抗剪区的问题，在墙板两自由边设置加劲构件，并给出起充分加劲作用的界限约束刚度比。加劲构件的引入显著提升了墙板的极限承载力和屈曲后承载性能，对于小宽高比的情况尤为有效。接着，对墙板进行滞回分析发现，由于往复加载下面外累积残余变形的影响，“弱墙板”的骨架曲线相比单向加载时明显下降；而“强墙板”面外变形始终较小，抗侧承载性能稳定。基于滞回分析的大量变参数算例结果，提出了两边连接竖放波折墙板的优化选型建议，为初步设计提供了重要参考。
该文基于有限元数值方法，对仅与框架梁相连的竖放波折钢板剪力墙中内嵌墙板的抗侧性能进行研究，并提出优化设计方法。通过与试验结果的对比，验证了有限元模型及分析方法的可靠性，接着在单向推覆下揭示了波折墙板的“强墙板”和“弱墙板”两种典型抗侧机理，研究了波折墙板参数对其单向推覆抗侧性能的影响。随着宽度的增加，波折墙板的低效抗剪区占比减小，抗侧效率提高；墙板波折角度和厚度的增大，能改善屈曲后承载性能；在其他参数确定的情况下，给出了最优波长的计算式。针对侧边存在低效抗剪区的问题，在墙板两自由边设置加劲构件，并给出起充分加劲作用的界限约束刚度比。加劲构件的引入显著提升了墙板的极限承载力和屈曲后承载性能，对于小宽高比的情况尤为有效。接着，对墙板进行滞回分析发现，由于往复加载下面外累积残余变形的影响，“弱墙板”的骨架曲线相比单向加载时明显下降；而“强墙板”面外变形始终较小，抗侧承载性能稳定。基于滞回分析的大量变参数算例结果，提出了两边连接竖放波折墙板的优化选型建议，为初步设计提供了重要参考。
2022, 39(12): 74-86.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0521
摘要:
地震动输入是导致结构时程分析结果不确定性的最重要的影响因素，如何选择地震波实现对结构反应的“准确、有效、一致”估计是时程分析中的一项重要任务。该文对以结构反应均值估计为目标的时程分析选波问题，基于目标谱法进行了系统深入的研究。针对谱匹配，引入具有明确物理含义的权重系数，对提出的可考虑多振型影响的双指标多频段工程经验选波法和理论更加完备的最小二乘加权调幅选波法，进行了详尽的算例分析。研究表明，双指标多频段经验法可满足现有规范要求。通过与国内学者、人工波方法和NGA-West2强震数据库选波模块的比较，论证了加权调幅法在估计结构反应均值方面具有可靠的准确性，并具有广泛的适用性，也包括减隔震结构。通过比较研究也进一步明确了加权调幅法的优势在于可明显降低结构反应的离散性，更适于长周期结构的弹塑性时程分析。针对目标谱选择，提出以Newmark三联谱作为目标谱的选波方法，拟解决长周期及超长周期结构的选波问题。
地震动输入是导致结构时程分析结果不确定性的最重要的影响因素，如何选择地震波实现对结构反应的“准确、有效、一致”估计是时程分析中的一项重要任务。该文对以结构反应均值估计为目标的时程分析选波问题，基于目标谱法进行了系统深入的研究。针对谱匹配，引入具有明确物理含义的权重系数，对提出的可考虑多振型影响的双指标多频段工程经验选波法和理论更加完备的最小二乘加权调幅选波法，进行了详尽的算例分析。研究表明，双指标多频段经验法可满足现有规范要求。通过与国内学者、人工波方法和NGA-West2强震数据库选波模块的比较，论证了加权调幅法在估计结构反应均值方面具有可靠的准确性，并具有广泛的适用性，也包括减隔震结构。通过比较研究也进一步明确了加权调幅法的优势在于可明显降低结构反应的离散性，更适于长周期结构的弹塑性时程分析。针对目标谱选择，提出以Newmark三联谱作为目标谱的选波方法，拟解决长周期及超长周期结构的选波问题。
2022, 39(12): 87-97.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0522
摘要:
针对目前覆冰导线舞动频发现状，提出了一种通过在导线靠近输电塔位置处设置阻尼器来减振耗能从而实现输电线路舞动抑制的方法。基于Hamilton原理运用多阶伽辽金函数推导得到了导线-阻尼器系统的广义运动方程，并以某750 kV单档八分裂输电线路为例进行运动方程特征值分析，得到了导线-阻尼器系统的动力特性，探索了导线的垂度参数、阻尼器安装位置、阻尼系数及刚度系数等对系统等效阻尼比的影响，阻尼器安装位置越靠近跨中，系统的最大阻尼比提升效果越明显，两侧对称安装阻尼器可以有效地减小最优阻尼系数。采用数值算例和有限元数值仿真技术比较了粘滞阻尼器与负刚度阻尼器(NSD)对导线系统的减振效果，并针对NSD提出了参数的优化设计方法。研究表明：相比传统阻尼器，NSD可以在较低阻尼系数下有效地提高系统各阶的最大阻尼比，且能够明显降低导线系统的自振频率；系统所能达到的一阶最大阻尼比对NSD安装位置的变化不敏感；通过有限元仿真证实了，基于NSD的输电导线阻尼器设置方案相较于传统阻尼器方案具有更好的防舞性能。
针对目前覆冰导线舞动频发现状，提出了一种通过在导线靠近输电塔位置处设置阻尼器来减振耗能从而实现输电线路舞动抑制的方法。基于Hamilton原理运用多阶伽辽金函数推导得到了导线-阻尼器系统的广义运动方程，并以某750 kV单档八分裂输电线路为例进行运动方程特征值分析，得到了导线-阻尼器系统的动力特性，探索了导线的垂度参数、阻尼器安装位置、阻尼系数及刚度系数等对系统等效阻尼比的影响，阻尼器安装位置越靠近跨中，系统的最大阻尼比提升效果越明显，两侧对称安装阻尼器可以有效地减小最优阻尼系数。采用数值算例和有限元数值仿真技术比较了粘滞阻尼器与负刚度阻尼器(NSD)对导线系统的减振效果，并针对NSD提出了参数的优化设计方法。研究表明：相比传统阻尼器，NSD可以在较低阻尼系数下有效地提高系统各阶的最大阻尼比，且能够明显降低导线系统的自振频率；系统所能达到的一阶最大阻尼比对NSD安装位置的变化不敏感；通过有限元仿真证实了，基于NSD的输电导线阻尼器设置方案相较于传统阻尼器方案具有更好的防舞性能。
2022, 39(12): 98-107, 129.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0526
摘要:
该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系，探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法，利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明：箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响，而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时，对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化，箱梁的颤振临界风速也随之增加，因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外，迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位，而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响，当相位差沿断面呈反对称分布，并使气动阻尼始终为负时，则有利于箱梁颤振的稳定性。
该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系，探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法，利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明：箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响，而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时，对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化，箱梁的颤振临界风速也随之增加，因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外，迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位，而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响，当相位差沿断面呈反对称分布，并使气动阻尼始终为负时，则有利于箱梁颤振的稳定性。
2022, 39(12): 108-119.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0532
摘要:
该文弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝口张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载，通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数，分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明：随应变率的增大，断裂能和起裂韧度增大，临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小，断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。该文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。
该文弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝口张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载，通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数，分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明：随应变率的增大，断裂能和起裂韧度增大，临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小，断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。该文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。
2022, 39(12): 120-129.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0542
摘要:
通过单轴拉伸试验，讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此，从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而，基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型，并给出模型相关参数的计算方法，分析表明：该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后，该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明，所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征，且具有良好的精度。
通过单轴拉伸试验，讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此，从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而，基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型，并给出模型相关参数的计算方法，分析表明：该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后，该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明，所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征，且具有良好的精度。
2022, 39(12): 130-140.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0547
摘要:
基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形，危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法，通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁，忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足，提出带环间接头的盾构隧道计算模型，通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征，通过两阶段分析法，推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载；建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据，并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比，验证所提方法的适用性。
基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形，危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法，通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁，忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足，提出带环间接头的盾构隧道计算模型，通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征，通过两阶段分析法，推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载；建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据，并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比，验证所提方法的适用性。
2022, 39(12): 141-150.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0548
摘要:
为研究球冠形脱空对椭圆钢管混凝土短柱轴压性能的影响，该文通过带球冠形脱空椭圆钢管混凝土试件的破坏形态、轴压承载力、初始刚度和延性等性能在球冠形脱空影响下的变化规律，揭示了带球冠形脱空缺陷椭圆钢管混凝土轴压短柱的截面应变分布和核心混凝土强度特征，最终基于脱空特征对椭圆核心混凝土约束状态的影响机理，提出截面约束分区模型，推导并验证了考虑球冠形脱空影响的椭圆钢管混凝土短柱的轴压承载力计算公式。研究发现：核心混凝土破碎和斜向剪切、钢管局部鼓曲与凹陷以及试件的整体弯曲破坏是带球冠形脱空椭圆钢管混凝土轴压短柱的主要破坏形态；脱空缺陷的存在将削弱椭圆钢管与核心混凝土的相互作用，进而降低其轴压承载力、初始刚度和延性。
为研究球冠形脱空对椭圆钢管混凝土短柱轴压性能的影响，该文通过带球冠形脱空椭圆钢管混凝土试件的破坏形态、轴压承载力、初始刚度和延性等性能在球冠形脱空影响下的变化规律，揭示了带球冠形脱空缺陷椭圆钢管混凝土轴压短柱的截面应变分布和核心混凝土强度特征，最终基于脱空特征对椭圆核心混凝土约束状态的影响机理，提出截面约束分区模型，推导并验证了考虑球冠形脱空影响的椭圆钢管混凝土短柱的轴压承载力计算公式。研究发现：核心混凝土破碎和斜向剪切、钢管局部鼓曲与凹陷以及试件的整体弯曲破坏是带球冠形脱空椭圆钢管混凝土轴压短柱的主要破坏形态；脱空缺陷的存在将削弱椭圆钢管与核心混凝土的相互作用，进而降低其轴压承载力、初始刚度和延性。
2022, 39(12): 151-164.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0549
摘要:
外贴FRP布加固是一种有效提高既有建筑抗连续倒塌性能的手段，但现有FRP布加固方式存在降低结构抗震性能、加固施工不便等缺点。该文采用数值模拟方法分析了FRP布加固方式对现浇和装配式混凝土框架子结构抗连续倒塌与抗震性能的影响，并开展了优化方案研究。基于通用有限元软件LS-DYNA建立了FRP布加固混凝土框架子结构的连续倒塌精细数值模型，其中混凝土、钢筋与FRP布分别采用实体、梁与壳单元进行模拟，考虑了FRP布和钢筋的滑移、新旧混凝土界面的粘结失效和机械套筒处的钢筋截面损失。试验验证表明该方法可准确模拟试验试件的破坏模式和承载力发展。分析试验试件的不同粘贴方案结果发现：对现浇混凝土子结构，梁底与梁侧中性轴粘贴纵向FRP布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布后，小变形下的结构倒塌抗力提升有限(最大仅2.6%)、基本不影响结构抗震性能，而对大变形下的结构倒塌抗力提升幅度可达49.5%；对于装配式混凝土子结构，在梁底、梁顶与梁侧底部外贴纵向布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布可将小变形和大变形下的结构抗力最大提升24.2%和48.1%，使得装配式子结构在小变形下受力等同现浇结构，提升了原装配式子结构的抗震性能。对上述最优方案进一步的分析表明：保持FRP布用量不变而将塑性铰区内U形横向FRP布的分布范围和条数增加可提高大变形下的结构倒塌抗力，而不影响小变形下的加固效果。
外贴FRP布加固是一种有效提高既有建筑抗连续倒塌性能的手段，但现有FRP布加固方式存在降低结构抗震性能、加固施工不便等缺点。该文采用数值模拟方法分析了FRP布加固方式对现浇和装配式混凝土框架子结构抗连续倒塌与抗震性能的影响，并开展了优化方案研究。基于通用有限元软件LS-DYNA建立了FRP布加固混凝土框架子结构的连续倒塌精细数值模型，其中混凝土、钢筋与FRP布分别采用实体、梁与壳单元进行模拟，考虑了FRP布和钢筋的滑移、新旧混凝土界面的粘结失效和机械套筒处的钢筋截面损失。试验验证表明该方法可准确模拟试验试件的破坏模式和承载力发展。分析试验试件的不同粘贴方案结果发现：对现浇混凝土子结构，梁底与梁侧中性轴粘贴纵向FRP布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布后，小变形下的结构倒塌抗力提升有限(最大仅2.6%)、基本不影响结构抗震性能，而对大变形下的结构倒塌抗力提升幅度可达49.5%；对于装配式混凝土子结构，在梁底、梁顶与梁侧底部外贴纵向布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布可将小变形和大变形下的结构抗力最大提升24.2%和48.1%，使得装配式子结构在小变形下受力等同现浇结构，提升了原装配式子结构的抗震性能。对上述最优方案进一步的分析表明：保持FRP布用量不变而将塑性铰区内U形横向FRP布的分布范围和条数增加可提高大变形下的结构倒塌抗力，而不影响小变形下的加固效果。
2022, 39(12): 165-176, 189.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0554
摘要:
针对预制装配式RC梁柱节点连接及震损后快速修复的问题，提出了一种可恢复的梁柱节点连接形式。该连接主要由多缝耗能装置、抗剪连接键和预埋装置等部件通过高强螺栓连接而成。设计了一个装配式节点足尺试件并进行拟静力加载试验，研究该节点的破坏模式、承载力、变形和耗能能力等特性，并与现浇节点试件试验结果进行对比分析。结果表明：该装配式节点的初始刚度和承载力基本接近于现浇节点，且相比于现浇节点具有更高的延性、变形和耗能能力。装配式节点的破坏主要集中在多缝耗能装置上，预制梁柱构件基本保持在弹性范围内，基本可以实现节点损伤位置可控以及便于震后快速修复的目的。同时，推导多缝耗能装置的承载力-变形关系，建立装配式梁柱节点的简化分析模型，并通过试验结果验证了其准确性，可为后续研究装配式RC框架结构的抗震性能和工程分析设计奠定基础。
针对预制装配式RC梁柱节点连接及震损后快速修复的问题，提出了一种可恢复的梁柱节点连接形式。该连接主要由多缝耗能装置、抗剪连接键和预埋装置等部件通过高强螺栓连接而成。设计了一个装配式节点足尺试件并进行拟静力加载试验，研究该节点的破坏模式、承载力、变形和耗能能力等特性，并与现浇节点试件试验结果进行对比分析。结果表明：该装配式节点的初始刚度和承载力基本接近于现浇节点，且相比于现浇节点具有更高的延性、变形和耗能能力。装配式节点的破坏主要集中在多缝耗能装置上，预制梁柱构件基本保持在弹性范围内，基本可以实现节点损伤位置可控以及便于震后快速修复的目的。同时，推导多缝耗能装置的承载力-变形关系，建立装配式梁柱节点的简化分析模型，并通过试验结果验证了其准确性，可为后续研究装配式RC框架结构的抗震性能和工程分析设计奠定基础。
2022, 39(12): 177-189.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0560
摘要:
针对套筒灌浆连接的传力机理尚未完全明确，从理论上分析了受拉时接头的荷载传递路径与方式，提出了基于拟合系数、组合系数、整体系数的套筒灌浆连接受拉承载力计算方法与失效模式识别依据。进一步通过收集国内外试验数据的拟合分析，明确了单调递增受拉、反复拉压作用下拟合系数的取值分别为0.203、0.158。结合高温后套筒灌浆连接反复拉压作用下试验数据的分析结果，建议组合系数、整体系数均取1.2(400 ℃高温作用后，后者取1.0)。最后，开展高温后套筒灌浆连接反复拉压作用有限元仿真，明确了套筒灌浆连接失效模式转变、承载力明显下降的临界温度分别为400 ℃、800 ℃。此外，还发现新建的套筒灌浆连接承载力计算方法的结果与模拟值最大偏差不超过8.2%，表明二者均能较好地反映高温后套筒灌浆连接承载力演变规律，为套筒灌浆连接设计方法的形成提供了理论依据。
针对套筒灌浆连接的传力机理尚未完全明确，从理论上分析了受拉时接头的荷载传递路径与方式，提出了基于拟合系数、组合系数、整体系数的套筒灌浆连接受拉承载力计算方法与失效模式识别依据。进一步通过收集国内外试验数据的拟合分析，明确了单调递增受拉、反复拉压作用下拟合系数的取值分别为0.203、0.158。结合高温后套筒灌浆连接反复拉压作用下试验数据的分析结果，建议组合系数、整体系数均取1.2(400 ℃高温作用后，后者取1.0)。最后，开展高温后套筒灌浆连接反复拉压作用有限元仿真，明确了套筒灌浆连接失效模式转变、承载力明显下降的临界温度分别为400 ℃、800 ℃。此外，还发现新建的套筒灌浆连接承载力计算方法的结果与模拟值最大偏差不超过8.2%，表明二者均能较好地反映高温后套筒灌浆连接承载力演变规律，为套筒灌浆连接设计方法的形成提供了理论依据。
2022, 39(12): 190-201.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0564
摘要:
基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点，提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器，并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验，考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律；分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验，得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律；建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明：所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大，性能更稳定；新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力，可实现大行程设计；利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好，验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。
基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点，提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器，并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验，考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律；分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验，得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律；建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明：所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大，性能更稳定；新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力，可实现大行程设计；利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好，验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。
2022, 39(12): 202-211.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0577
摘要:
地震的区域构造背景和传播路径有较大差异特征，因而实际观测的地震动具有显著的区域性差异。在结构动力时程分析时，虽然人工合成方法能够提供匹配设计谱的输入地震动，但是其并不能体现出地震动的区域特征。为了模拟考虑目标区域特征且完美匹配目标谱的地震动，该文提出了一种基于智能算法的地震动合成新方法。该方法应用主成分分析算法获取目标区域地震动的区域特征，由最大方差理论提取目标区域的种子地震动，再用基于粒子群算法优化的时域反应谱匹配方法调整种子地震动的反应谱，最终构造出包含区域特征和谱匹配的地震动时程。以四川地区为例验证了该方法的合理性和有效性，合成的地震动在时域和频域上均与该区域实际地震动特征一致。该文提出的方法的优点在于合成的地震动具有显著的区域特征，且与目标谱有更好的匹配效果和更高的匹配效率，可为结构动力反应分析提供考虑区域性差异、具有低不确定性的地震动输入。
地震的区域构造背景和传播路径有较大差异特征，因而实际观测的地震动具有显著的区域性差异。在结构动力时程分析时，虽然人工合成方法能够提供匹配设计谱的输入地震动，但是其并不能体现出地震动的区域特征。为了模拟考虑目标区域特征且完美匹配目标谱的地震动，该文提出了一种基于智能算法的地震动合成新方法。该方法应用主成分分析算法获取目标区域地震动的区域特征，由最大方差理论提取目标区域的种子地震动，再用基于粒子群算法优化的时域反应谱匹配方法调整种子地震动的反应谱，最终构造出包含区域特征和谱匹配的地震动时程。以四川地区为例验证了该方法的合理性和有效性，合成的地震动在时域和频域上均与该区域实际地震动特征一致。该文提出的方法的优点在于合成的地震动具有显著的区域特征，且与目标谱有更好的匹配效果和更高的匹配效率，可为结构动力反应分析提供考虑区域性差异、具有低不确定性的地震动输入。
2022, 39(12): 212-221.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0625
摘要:
针对仅考虑强度相关单因素的风灾害评估方法不能准确表征台风风灾害程度问题，该文依据三种不同沿海基础设施抗风等级对应的风灾害指标因子公式，通过开展基于面积积分风灾害评估方法研究台风空间特性对灾害评估的重要性。网格分辨率影响风灾害评估指标因子，分辨率越高，该指标因子越高；海表温度也是风灾害评估指标因子的影响因素，海表温度越高，该指标因子越高；且分辨率约为200 m甚至500 m时可准确表征台风风灾害。研究表明：基于面积积分风灾害评估方法相较传统单因素评估方法能够更准确表征台风风灾害程度；但外围小风速对风灾害评估影响较大，SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为65%，SST-26最高约为90%。因此，针对风速小但尺寸大和风速大但尺寸小台风风灾害评估问题，引用切入风速概念后，小风速对风灾害评估影响显著降低，SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为13%，SST-26最高约为3%，解决了小风速区间占比过大但对结构损伤无作用问题。
针对仅考虑强度相关单因素的风灾害评估方法不能准确表征台风风灾害程度问题，该文依据三种不同沿海基础设施抗风等级对应的风灾害指标因子公式，通过开展基于面积积分风灾害评估方法研究台风空间特性对灾害评估的重要性。网格分辨率影响风灾害评估指标因子，分辨率越高，该指标因子越高；海表温度也是风灾害评估指标因子的影响因素，海表温度越高，该指标因子越高；且分辨率约为200 m甚至500 m时可准确表征台风风灾害。研究表明：基于面积积分风灾害评估方法相较传统单因素评估方法能够更准确表征台风风灾害程度；但外围小风速对风灾害评估影响较大，SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为65%，SST-26最高约为90%。因此，针对风速小但尺寸大和风速大但尺寸小台风风灾害评估问题，引用切入风速概念后，小风速对风灾害评估影响显著降低，SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为13%，SST-26最高约为3%，解决了小风速区间占比过大但对结构损伤无作用问题。
2022, 39(12): 222-231.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0583
摘要:
螺栓连接结构中的螺栓松动容易导致结构失效，如何对结构中的螺栓松动状态进行监测是当前研究的一个热点。该文利用环境激励下结构振动响应的相关性分析，结合深度学习技术，研究了一种联合使用内积矩阵(inner product matrix, IPM)和卷积自编码器(convolutional autoencoder, CAE)的神经网络模型，即基于内积矩阵及卷积自编码器(inner product matrix and convolutional autoencoder, IPM-CAE)的深度学习模型。通过对螺栓连接搭接板的螺栓松动状态监测的试验研究，验证了该方法的可行性及有效性，并与使用 IPM的卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)、堆栈自动编码器(stack autoencoder, SAE)及胶囊网络(capsule network, CapsNet)相比，IPM-CAE方法具有较快的网络训练收敛速度和较高的识别精度。
螺栓连接结构中的螺栓松动容易导致结构失效，如何对结构中的螺栓松动状态进行监测是当前研究的一个热点。该文利用环境激励下结构振动响应的相关性分析，结合深度学习技术，研究了一种联合使用内积矩阵(inner product matrix, IPM)和卷积自编码器(convolutional autoencoder, CAE)的神经网络模型，即基于内积矩阵及卷积自编码器(inner product matrix and convolutional autoencoder, IPM-CAE)的深度学习模型。通过对螺栓连接搭接板的螺栓松动状态监测的试验研究，验证了该方法的可行性及有效性，并与使用 IPM的卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)、堆栈自动编码器(stack autoencoder, SAE)及胶囊网络(capsule network, CapsNet)相比，IPM-CAE方法具有较快的网络训练收敛速度和较高的识别精度。
2022, 39(12): 232-247.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0559
摘要:
以AGARD445.6硬机翼为研究对象，发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法，计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应，结果表明：初始迎角小于7°时，该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低；初始迎角7°~10°，颤振速度随着迎角增大而增加。在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型，准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力，并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性；建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型，预测机翼不同初始迎角的颤振特性。基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明：小迎角时，随着迎角的增加广义力系数幅值比增加，导致颤振速度的下降；迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布，导致一扭广义力系数幅值比降低，从而增加该机翼颤振速度。
以AGARD445.6硬机翼为研究对象，发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法，计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应，结果表明：初始迎角小于7°时，该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低；初始迎角7°~10°，颤振速度随着迎角增大而增加。在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型，准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力，并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性；建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型，预测机翼不同初始迎角的颤振特性。基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明：小迎角时，随着迎角的增加广义力系数幅值比增加，导致颤振速度的下降；迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布，导致一扭广义力系数幅值比降低，从而增加该机翼颤振速度。
2022, 39(12): 248-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.0572
摘要:
该文数值研究了一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学性能，讨论了胞元弧角和冲击速度对结构的变形失效模式、动力响应曲线、能量吸收特性和平台应力特征的影响。研究表明：冲击过程结构中出现旋转位移，胞元发生扭曲变形；结构变形受胞元弧角的影响，胞元弧角取值不同时结构具有不同的面内冲击失效模式；冲击过程中应力-应变曲线包括初始阶段、稳定阶段和锁定阶段，最终结构进入密实化阶段；结构的体能量吸收值和平台应力受冲击速度和胞元弧角的影响显著。
该文数值研究了一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学性能，讨论了胞元弧角和冲击速度对结构的变形失效模式、动力响应曲线、能量吸收特性和平台应力特征的影响。研究表明：冲击过程结构中出现旋转位移，胞元发生扭曲变形；结构变形受胞元弧角的影响，胞元弧角取值不同时结构具有不同的面内冲击失效模式；冲击过程中应力-应变曲线包括初始阶段、稳定阶段和锁定阶段，最终结构进入密实化阶段；结构的体能量吸收值和平台应力受冲击速度和胞元弧角的影响显著。
