2022年 第39卷 第8期
2022, 39(8): 1-8.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0306
摘要:
充分利用结构在地震作用下的局部非线性特征，数值子结构方法将原本复杂的结构非线性分析转化为以初始弹性刚度迭代的主结构等效线弹性分析和屈服构件隔离子结构非线性分析。由于主结构采用常刚度迭代分析收敛速度较慢，尚有一定局限性，于是该文提出一种改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法。在主结构系统中，将塑性自由度位移场作为基本未知量，设计牛顿算法进行非线性迭代分析，并由隔离子结构跨平台非线性分析计算得到屈服单元的内力和切线刚度。对一平面15层3跨钢结构进行地震弹塑性时程分析，模拟结果表明：该文提出的方法是准确、可靠的，接近传统牛顿算法的二次收敛，且对于局部非线性结构系统，需要集成和分解的矩阵规模远小于传统方法。
充分利用结构在地震作用下的局部非线性特征，数值子结构方法将原本复杂的结构非线性分析转化为以初始弹性刚度迭代的主结构等效线弹性分析和屈服构件隔离子结构非线性分析。由于主结构采用常刚度迭代分析收敛速度较慢，尚有一定局限性，于是该文提出一种改进的降阶牛顿迭代数值子结构方法。在主结构系统中，将塑性自由度位移场作为基本未知量，设计牛顿算法进行非线性迭代分析，并由隔离子结构跨平台非线性分析计算得到屈服单元的内力和切线刚度。对一平面15层3跨钢结构进行地震弹塑性时程分析，模拟结果表明：该文提出的方法是准确、可靠的，接近传统牛顿算法的二次收敛，且对于局部非线性结构系统，需要集成和分解的矩阵规模远小于传统方法。
2022, 39(8): 9-18.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0304
摘要:
探究路基及浅层土体的温度随深度的分布规律，对冻土区域路基的合理设计有重要意义。该文根据实际浅层土体温度边界情况，建立了一维传热瞬态模型并给出其解析解，通过与数值模拟及现场测试结果的对比验证了解析解的正确性。仔细考察介质分层情况下的热传导过程发现，传热问题在一定程度上存在与波动问题类似的现象，即在分层界面处有热传导的反射与透射，结合对解析解的分析及数值模拟，对此种“温度波”现象进行了论证分析，发现此种波总是伴有明显的衰减。此外，还探讨了解析解在冻深估计、有关模型试验中几何相似关系的确定、“覆盖效应”数值模拟等方面的应用。
探究路基及浅层土体的温度随深度的分布规律，对冻土区域路基的合理设计有重要意义。该文根据实际浅层土体温度边界情况，建立了一维传热瞬态模型并给出其解析解，通过与数值模拟及现场测试结果的对比验证了解析解的正确性。仔细考察介质分层情况下的热传导过程发现，传热问题在一定程度上存在与波动问题类似的现象，即在分层界面处有热传导的反射与透射，结合对解析解的分析及数值模拟，对此种“温度波”现象进行了论证分析，发现此种波总是伴有明显的衰减。此外，还探讨了解析解在冻深估计、有关模型试验中几何相似关系的确定、“覆盖效应”数值模拟等方面的应用。
2022, 39(8): 19-30.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0321
摘要:
轨道不平顺所引起的磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动问题是磁浮列车行驶过程中需要关注的重点问题之一，传统的随机振动方法在解决这类问题时存在工作量大、计算效率低等问题。分别从磁浮车辆系统和桥梁系统出发，建立磁浮车辆系统响应和桥梁系统响应关于车桥相互作用电磁力的时域显式表达式；利用车轨间的电磁力方程及几何相容条件，构建电磁力关于轨道不平顺的时域显式表达式；进一步推导得到轨道不平顺作用下磁浮车辆系统和桥梁系统关键动力响应显式表达式。在此基础上，利用统计矩运算法则，直接获得磁浮车辆系统和桥梁系统关键响应的演变统计矩；也可以利用轨道不平顺的数字生成技术，结合随机模拟法，获得车桥耦合系统关键响应的统计信息。在上述过程中，由于车桥耦合系统关键动力响应的显式表达式已先行构建完毕，因此大幅提升了随机振动分析的计算效率。以二自由度磁浮车辆与桥梁耦合模型为例，阐明了方法列式过程。磁浮列车过多跨简支梁桥的数值算例结果表明，时域显式法具有理想的计算精度和效率。
轨道不平顺所引起的磁浮车辆-桥梁耦合系统随机振动问题是磁浮列车行驶过程中需要关注的重点问题之一，传统的随机振动方法在解决这类问题时存在工作量大、计算效率低等问题。分别从磁浮车辆系统和桥梁系统出发，建立磁浮车辆系统响应和桥梁系统响应关于车桥相互作用电磁力的时域显式表达式；利用车轨间的电磁力方程及几何相容条件，构建电磁力关于轨道不平顺的时域显式表达式；进一步推导得到轨道不平顺作用下磁浮车辆系统和桥梁系统关键动力响应显式表达式。在此基础上，利用统计矩运算法则，直接获得磁浮车辆系统和桥梁系统关键响应的演变统计矩；也可以利用轨道不平顺的数字生成技术，结合随机模拟法，获得车桥耦合系统关键响应的统计信息。在上述过程中，由于车桥耦合系统关键动力响应的显式表达式已先行构建完毕，因此大幅提升了随机振动分析的计算效率。以二自由度磁浮车辆与桥梁耦合模型为例，阐明了方法列式过程。磁浮列车过多跨简支梁桥的数值算例结果表明，时域显式法具有理想的计算精度和效率。
2022, 39(8): 31-48.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0285
摘要:
模型降阶方法通过构造全阶模型的低阶近似模型有效提升了求解效率，同时也保留了原阶模型的主要信息从而保证了较高的计算精度。对于结构非线性以及参数化的模型降阶问题，常需要重复计算刚度矩阵等非线性以及参数依赖项，求解效率较低。此外，当参数化模型的几何形状改变时，往往需要重复进行CAD与有限元(FEA)模型的转换，这对于复杂结构较为耗时。等几何分析采用描述几何形状的非均匀有理B样条(NURBS)插值物理场，实现了CAD与FEA模型的统一，消除了两者之间繁琐的模型转换过程，其具有几何精确、高阶连续等优点，并且几何形状在细化过程中保持不变，非常适合于薄壁类结构的分析以及参数化表达。该研究结合等几何分析、特征正交分解(POD)以及离散经验插值方法(DEIM)研究参数化的平面曲梁结构的非线性动力学模型降阶问题。数值结果表明，基于等几何分析的POD-DEIM降阶模型能够显著提升平面曲梁结构的非线性动力学计算效率，并且该模型对于参数化以及变载荷等情形显示出了良好的适应性。
模型降阶方法通过构造全阶模型的低阶近似模型有效提升了求解效率，同时也保留了原阶模型的主要信息从而保证了较高的计算精度。对于结构非线性以及参数化的模型降阶问题，常需要重复计算刚度矩阵等非线性以及参数依赖项，求解效率较低。此外，当参数化模型的几何形状改变时，往往需要重复进行CAD与有限元(FEA)模型的转换，这对于复杂结构较为耗时。等几何分析采用描述几何形状的非均匀有理B样条(NURBS)插值物理场，实现了CAD与FEA模型的统一，消除了两者之间繁琐的模型转换过程，其具有几何精确、高阶连续等优点，并且几何形状在细化过程中保持不变，非常适合于薄壁类结构的分析以及参数化表达。该研究结合等几何分析、特征正交分解(POD)以及离散经验插值方法(DEIM)研究参数化的平面曲梁结构的非线性动力学模型降阶问题。数值结果表明，基于等几何分析的POD-DEIM降阶模型能够显著提升平面曲梁结构的非线性动力学计算效率，并且该模型对于参数化以及变载荷等情形显示出了良好的适应性。
2022, 39(8): 49-60.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0262
摘要:
随着斜拉索长度的不断增加，在索近梁端单点安装阻尼器已经难以满足拉索减振的需要。同时，已有研究表明索垂度会减弱索端阻尼器的减振效果。因此，针对超长斜拉索，考虑垂度的影响，分析了斜拉索上两处安装粘滞阻尼器(拉索-双粘滞阻尼器)系统的复模态特性。考虑实际中阻尼器一般安装于近索锚固端位置，推导出了该情况下系统模态阻尼比的近似解析表达式，进行了阻尼器参数对索阻尼的影响分析和优化。结果表明：对于双阻尼器系统，垂度仍对拉索对称振动模态的阻尼比有减弱效果，对反对称振动模态无影响；阻尼器对称安装于索两端时，即使考虑垂度索所获得的最优阻尼相比于安装单个阻尼器时可以提高至2倍，能有效解决单阻尼器提供阻尼不足的问题。双阻尼器同端布置相比于仅安离索端较远的阻尼器时，索单阶最优模态阻尼无提高，但对于同时抑制拉索高、低阶振动具有优势。
随着斜拉索长度的不断增加，在索近梁端单点安装阻尼器已经难以满足拉索减振的需要。同时，已有研究表明索垂度会减弱索端阻尼器的减振效果。因此，针对超长斜拉索，考虑垂度的影响，分析了斜拉索上两处安装粘滞阻尼器(拉索-双粘滞阻尼器)系统的复模态特性。考虑实际中阻尼器一般安装于近索锚固端位置，推导出了该情况下系统模态阻尼比的近似解析表达式，进行了阻尼器参数对索阻尼的影响分析和优化。结果表明：对于双阻尼器系统，垂度仍对拉索对称振动模态的阻尼比有减弱效果，对反对称振动模态无影响；阻尼器对称安装于索两端时，即使考虑垂度索所获得的最优阻尼相比于安装单个阻尼器时可以提高至2倍，能有效解决单阻尼器提供阻尼不足的问题。双阻尼器同端布置相比于仅安离索端较远的阻尼器时，索单阶最优模态阻尼无提高，但对于同时抑制拉索高、低阶振动具有优势。
2022, 39(8): 61-68, 79.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0266
摘要:
近年发生的地震中吊顶的震害显著，主次龙骨节点失效是吊顶破坏的主要原因之一。为评估吊顶主次龙骨节点的受剪和受弯性能，对其开展单调加载和低周往复加载试验，考察了节点的破坏模式、承载力、变形能力、滞回性能和耗能能力，建立了节点的易损性曲线。研究结果表明：主次龙骨节点主轴受剪和次轴受剪的破坏模式分别为节点剪切破坏和节点面外弯曲并脱出，主次龙骨节点受弯的破坏模式是节点脆性脱出破坏。对比节点主轴受剪，节点次轴受剪时强度更低，但节点变形能力更强。对比节点主轴受弯，节点次轴受弯时强度更高，但节点转动能力稍低。主次龙骨节点受剪和受弯时的荷载-位移滞回曲线捏拢效应显著，耗能能力不强。易损性分析表明，主次龙骨节点次轴受剪和主轴受弯时更容易破坏。
近年发生的地震中吊顶的震害显著，主次龙骨节点失效是吊顶破坏的主要原因之一。为评估吊顶主次龙骨节点的受剪和受弯性能，对其开展单调加载和低周往复加载试验，考察了节点的破坏模式、承载力、变形能力、滞回性能和耗能能力，建立了节点的易损性曲线。研究结果表明：主次龙骨节点主轴受剪和次轴受剪的破坏模式分别为节点剪切破坏和节点面外弯曲并脱出，主次龙骨节点受弯的破坏模式是节点脆性脱出破坏。对比节点主轴受剪，节点次轴受剪时强度更低，但节点变形能力更强。对比节点主轴受弯，节点次轴受弯时强度更高，但节点转动能力稍低。主次龙骨节点受剪和受弯时的荷载-位移滞回曲线捏拢效应显著，耗能能力不强。易损性分析表明，主次龙骨节点次轴受剪和主轴受弯时更容易破坏。
2022, 39(8): 69-79.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0305
摘要:
该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)螺栓和摩擦斜面结合，提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper，SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理，给出描述滞回行为的理论公式，开展了概念验证试验，建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明，采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数，阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线，拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力，并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型，建立了6个额外的有限元模型进行参数分析，关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内，其他部件保持弹性；增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力；当接触面间的摩擦系数较大时，阻尼器的耗能能力得到提高，但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位；对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度，但是会降低阻尼器的最大变形能力。
该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)螺栓和摩擦斜面结合，提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper，SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理，给出描述滞回行为的理论公式，开展了概念验证试验，建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明，采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数，阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线，拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力，并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型，建立了6个额外的有限元模型进行参数分析，关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内，其他部件保持弹性；增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力；当接触面间的摩擦系数较大时，阻尼器的耗能能力得到提高，但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位；对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度，但是会降低阻尼器的最大变形能力。
2022, 39(8): 80-87, 113.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0273
摘要:
为准确模拟输电塔构件的屈曲特征，该文提出了一种组合式屈曲单元。该单元基于有限元基本理论，用宏观塑性铰来实现构件材料的非线性，采用拉压弹簧模拟轴向塑性伸长，采用转动弹簧模拟塑性弯曲。基于MATLAB程序编写了该单元的静动力仿真程序，并应用于输电塔结构的静力推覆分析和倒塌仿真。通过对比自编程序和ABAQUS软件的仿真结果，验证了自编程序在几何非线性和动力求解方面的正确性；同时与钢支撑实验数据对比，验证了该组合式屈曲单元对非线性行为模拟的精确性和适用性；采用该单元对输电塔足尺实验进行了模拟，结果表明，该组合式屈曲单元可以有效地预测输电塔的极限承载力、失效位置及倒塌过程。
为准确模拟输电塔构件的屈曲特征，该文提出了一种组合式屈曲单元。该单元基于有限元基本理论，用宏观塑性铰来实现构件材料的非线性，采用拉压弹簧模拟轴向塑性伸长，采用转动弹簧模拟塑性弯曲。基于MATLAB程序编写了该单元的静动力仿真程序，并应用于输电塔结构的静力推覆分析和倒塌仿真。通过对比自编程序和ABAQUS软件的仿真结果，验证了自编程序在几何非线性和动力求解方面的正确性；同时与钢支撑实验数据对比，验证了该组合式屈曲单元对非线性行为模拟的精确性和适用性；采用该单元对输电塔足尺实验进行了模拟，结果表明，该组合式屈曲单元可以有效地预测输电塔的极限承载力、失效位置及倒塌过程。
2022, 39(8): 88-102.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0290
摘要:
以云南红河特大桥为工程背景，设计2个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)组合箱梁节段模型试验，主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型，通过试验结果验证模型并开展参数分析，研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响，给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明：钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好；按最大裂缝宽度进行验算，等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍；UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大；综合考虑经济性及受力性能，建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm，配筋率不宜超过1.4%，栓钉间距最大不超过450 mm。
以云南红河特大桥为工程背景，设计2个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)组合箱梁节段模型试验，主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型，通过试验结果验证模型并开展参数分析，研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响，给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明：钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好；按最大裂缝宽度进行验算，等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍；UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大；综合考虑经济性及受力性能，建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm，配筋率不宜超过1.4%，栓钉间距最大不超过450 mm。
2022, 39(8): 103-113.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0292
摘要:
软土的固结蠕变是软土地基及构筑物长期变形和稳定性的重要影响因素。在涉热岩土工程兴起和逐渐发展的背景下，研究软土在热力耦合作用下的固结蠕变特性并建立力学模型，对于评估涉热工程软土场地长期变形及稳定性具有重要意义。对此，针对典型滨海软土开展热固结蠕变试验，得到热固结蠕变特性及相关参数取值，建立考虑温度效应的固结蠕变经验公式。结合弹黏塑性理论和热固结理论，推导考虑温度效应的固结蠕变耦合力学模型。在合理性验证基础之上开展算例分析，结果表明：新型热固结蠕变耦合模型能反映土体变形的弹性、塑性、黏性和热胀冷缩属性，能描述土体的热孔压、热回弹和热沉降现象，还能分析软土长期变形的温度效应和时间效应；该成果为软土场地涉热岩土工程问题分析提供了可供参考的理论基础。
软土的固结蠕变是软土地基及构筑物长期变形和稳定性的重要影响因素。在涉热岩土工程兴起和逐渐发展的背景下，研究软土在热力耦合作用下的固结蠕变特性并建立力学模型，对于评估涉热工程软土场地长期变形及稳定性具有重要意义。对此，针对典型滨海软土开展热固结蠕变试验，得到热固结蠕变特性及相关参数取值，建立考虑温度效应的固结蠕变经验公式。结合弹黏塑性理论和热固结理论，推导考虑温度效应的固结蠕变耦合力学模型。在合理性验证基础之上开展算例分析，结果表明：新型热固结蠕变耦合模型能反映土体变形的弹性、塑性、黏性和热胀冷缩属性，能描述土体的热孔压、热回弹和热沉降现象，还能分析软土长期变形的温度效应和时间效应；该成果为软土场地涉热岩土工程问题分析提供了可供参考的理论基础。
2022, 39(8): 114-121.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0295
摘要:
为研究地震SV波对复杂海水环境中悬浮隧道管体动力水荷载的影响，考虑海洋沉积淤砂层的作用构建理论分析模型。根据不同介质材料的波动方程和位移势函数，结合地震SV波传播过程中的边界条件，基于MATLAB推导并求解了不同交界面处地震SV波的透射和反射系数理论方程。通过数值算例，分析了淤砂层饱和程度、入射波角度和锚索布置形式等参数对悬浮隧道管体动力水荷载的影响。计算结果表明：悬浮隧道结构在非饱和淤砂层体系中，相比在饱和淤砂层体系中承受更大动力水荷载的影响；较厚淤砂层对悬浮隧道在地震SV波作用下更为有利；增加锚索支撑刚度和减小锚索布置间距，能够降低地震SV波对悬浮隧道动力水荷载的影响。
为研究地震SV波对复杂海水环境中悬浮隧道管体动力水荷载的影响，考虑海洋沉积淤砂层的作用构建理论分析模型。根据不同介质材料的波动方程和位移势函数，结合地震SV波传播过程中的边界条件，基于MATLAB推导并求解了不同交界面处地震SV波的透射和反射系数理论方程。通过数值算例，分析了淤砂层饱和程度、入射波角度和锚索布置形式等参数对悬浮隧道管体动力水荷载的影响。计算结果表明：悬浮隧道结构在非饱和淤砂层体系中，相比在饱和淤砂层体系中承受更大动力水荷载的影响；较厚淤砂层对悬浮隧道在地震SV波作用下更为有利；增加锚索支撑刚度和减小锚索布置间距，能够降低地震SV波对悬浮隧道动力水荷载的影响。
2022, 39(8): 122-137.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0297
摘要:
该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型，以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制，建立了拉、压不同的两种损伤演化方程，用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外，根据应变等效假设，假定有效构型和损伤构型的应变相等，该方法不仅大大简化了模型的推导过程，而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算，也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现，损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现，从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明：该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为；对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明：该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点，计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况，计算效率也更高。
该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型，以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制，建立了拉、压不同的两种损伤演化方程，用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外，根据应变等效假设，假定有效构型和损伤构型的应变相等，该方法不仅大大简化了模型的推导过程，而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算，也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现，损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现，从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明：该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为；对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明：该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点，计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况，计算效率也更高。
2022, 39(8): 138-148, 184.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0300
摘要:
基于波函数展开法表示柱面波源自由场，首次提出了一种求解柱面波源下管桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先考虑柱面波源与管桩屏障的位置关系，采用波函数展开法对入射柱面波进行了0阶Hankel展开表示，并采用任意坐标系间变换的Graf加法定理在任意桩体坐标系中表示，将入射波场和散射波场叠加后通过满足所有桩体的边界条件以求解所有桩体的散射波场。该解析方法分析了柱面波源入射下群桩屏障的隔振效果，首次在排桩隔振问题中考虑了入射波曲率的影响，为柱面波的散射问题提供了理论解答。该文重点讨论了入射波曲率、管桩个数和桩排数等因素对管桩隔振效果的影响，结果表明：整体上管桩屏障对柱面P波的隔振效果优于柱面SV波；柱面波源距离管桩屏障更近时排桩后场地的位移反应显著增大；相比平面波，柱面波源作用下排桩数量的提升对隔振效果的影响较小；三排管桩屏障比两排管桩屏障隔振效果更强，更宜采用三排管桩屏障进行柱面波源的隔振。
基于波函数展开法表示柱面波源自由场，首次提出了一种求解柱面波源下管桩屏障对弹性波隔振效应的解析方法。方法首先考虑柱面波源与管桩屏障的位置关系，采用波函数展开法对入射柱面波进行了0阶Hankel展开表示，并采用任意坐标系间变换的Graf加法定理在任意桩体坐标系中表示，将入射波场和散射波场叠加后通过满足所有桩体的边界条件以求解所有桩体的散射波场。该解析方法分析了柱面波源入射下群桩屏障的隔振效果，首次在排桩隔振问题中考虑了入射波曲率的影响，为柱面波的散射问题提供了理论解答。该文重点讨论了入射波曲率、管桩个数和桩排数等因素对管桩隔振效果的影响，结果表明：整体上管桩屏障对柱面P波的隔振效果优于柱面SV波；柱面波源距离管桩屏障更近时排桩后场地的位移反应显著增大；相比平面波，柱面波源作用下排桩数量的提升对隔振效果的影响较小；三排管桩屏障比两排管桩屏障隔振效果更强，更宜采用三排管桩屏障进行柱面波源的隔振。
2022, 39(8): 149-157.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0301
摘要:
基于Timoshenko梁理论提出了适用于分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法，该计算模型中考虑了钢-混结合面剪切滑移、剪切变形和转动惯量的综合影响。动力刚度矩阵推导过程中未引入近似位移场或力场，因此，计算结果是准确的。与其他Timoshenko梁模型最大的不同是假设混凝土子梁和钢梁分别具有独立的剪切角，这个假设更加符合组合梁的实际运动，因此，计算结果更加准确。与已发表文章中的试验梁频率计算结果作对比分析；并讨论了不同剪力键刚度、跨高比时，剪切变形和转动惯量对钢-混组合梁自振频率的影响。结果表明：相对于已有的Euler-Bernoulli组合梁、子梁转角相同假设的Timoshenko组合梁模型，文中计算方法具有更高的计算精度，尤其是对于高阶频率；频率越高、剪力键刚度越大或跨高比越小，Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差越大；对于1阶、2阶和3阶频率，高跨比分别大于10、18和25后，Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差小于5%。
基于Timoshenko梁理论提出了适用于分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法，该计算模型中考虑了钢-混结合面剪切滑移、剪切变形和转动惯量的综合影响。动力刚度矩阵推导过程中未引入近似位移场或力场，因此，计算结果是准确的。与其他Timoshenko梁模型最大的不同是假设混凝土子梁和钢梁分别具有独立的剪切角，这个假设更加符合组合梁的实际运动，因此，计算结果更加准确。与已发表文章中的试验梁频率计算结果作对比分析；并讨论了不同剪力键刚度、跨高比时，剪切变形和转动惯量对钢-混组合梁自振频率的影响。结果表明：相对于已有的Euler-Bernoulli组合梁、子梁转角相同假设的Timoshenko组合梁模型，文中计算方法具有更高的计算精度，尤其是对于高阶频率；频率越高、剪力键刚度越大或跨高比越小，Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差越大；对于1阶、2阶和3阶频率，高跨比分别大于10、18和25后，Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差小于5%。
2022, 39(8): 158-171.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0313
摘要:
为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为，多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场，基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式；在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度，计算其24 h温度场，并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性；开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析，得到了纵肋−横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下，钢箱梁横向温差不明显，但存在明显的竖向温度梯度，横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式，最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中，特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用，或仅桥面货车通行加载，弧形切口均为无限疲劳寿命；但二者共同作用产生的应力幅，大于构造细节的常幅疲劳极限，可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。
为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为，多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场，基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式；在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度，计算其24 h温度场，并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性；开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析，得到了纵肋−横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下，钢箱梁横向温差不明显，但存在明显的竖向温度梯度，横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式，最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中，特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用，或仅桥面货车通行加载，弧形切口均为无限疲劳寿命；但二者共同作用产生的应力幅，大于构造细节的常幅疲劳极限，可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。
2022, 39(8): 172-184.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0316
摘要:
针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系，开展室内波浪力试验并总结相关规律，利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况，利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素，计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明：自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪，使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化，可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右，防撞装置的惯性力系数达到2.125左右，接触力系数达到1.340左右。
针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系，开展室内波浪力试验并总结相关规律，利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况，利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素，计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明：自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪，使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化，可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右，防撞装置的惯性力系数达到2.125左右，接触力系数达到1.340左右。
2022, 39(8): 185-199.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0323
摘要:
砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种：分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。
砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种：分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。
2022, 39(8): 200-209, 222.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0325
摘要:
基于非线性固体力学已经形成与材料微观结构紧密结合的发展局面，该文从微观上橡胶的超弹性本构方程出发，推导出单层橡胶内任一点的竖向应力满足调和函数，进一步对竖向应力积分得到单层橡胶的单轴等效弹性模量\begin{document}${E_{\rm c}}$\end{document} ![]()
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基于非线性固体力学已经形成与材料微观结构紧密结合的发展局面，该文从微观上橡胶的超弹性本构方程出发，推导出单层橡胶内任一点的竖向应力满足调和函数，进一步对竖向应力积分得到单层橡胶的单轴等效弹性模量
2022, 39(8): 210-222.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0324
摘要:
现有钢筋混凝土(RC)框架抗连续倒塌的理论分析模型仅适用于等跨结构。通过理论推导将现有等跨结构的分析模型推广至不等跨结构，并提出了一个新的修正三折线模型，可以考虑不同工况下结构的抗弯、压拱、悬梁线和拉膜效应机制。利用所提理论分析模型建立了一个鲁棒性评判指标，用于危险工况的快速判断。数值与理论结果对比表明：所提出的修正三折线理论分析模型准确性高，能够为不等跨RC框架抗连续倒塌设计提供参考；所建立的鲁棒性评判指标可用于快速确定出RC框架的最危险柱子失效工况。
现有钢筋混凝土(RC)框架抗连续倒塌的理论分析模型仅适用于等跨结构。通过理论推导将现有等跨结构的分析模型推广至不等跨结构，并提出了一个新的修正三折线模型，可以考虑不同工况下结构的抗弯、压拱、悬梁线和拉膜效应机制。利用所提理论分析模型建立了一个鲁棒性评判指标，用于危险工况的快速判断。数值与理论结果对比表明：所提出的修正三折线理论分析模型准确性高，能够为不等跨RC框架抗连续倒塌设计提供参考；所建立的鲁棒性评判指标可用于快速确定出RC框架的最危险柱子失效工况。
2022, 39(8): 223-231.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0345
摘要:
该研究提出了一种转动摩擦型干式装配梁-柱节点(rotational friction dissipative joint, RFDJ)，具有刚度、屈服弯矩易调控和变形、耗能能力强的特点。为了研究RFDJ对于装配式框架结构抗震性能的影响并验证其可行性，该研究以含RFDJ和灌浆套筒柱脚节点的新型装配式框架结构体系(novel precast concrete frame, NPCF)作为研究对象，基于2个不同楼层数量的传统现浇框架结构(reinforced concrete frame, RCF)分析案例，综合考虑总起滑弯矩比(ρ)和3种起滑弯矩(Ms)分布模式影响，设计了120个NPCF结构分析案例，开展了多遇和罕遇地震作用下的结构非线性时程分析，结果表明：RFDJ具备用于装配式框架结构的可行性，可实现等同或优于RCF的抗震性能；ρ和Ms分布模式是决定NPCF抗震性能的关键设计参数；结构响应随ρ的增加而降低；Ms分布模式对结构的地震响应控制机制具有显著影响，均匀累积分布模式可以最小的ρ值实现最好的层间位移角控制效果，且有利于节点深化设计和施工。该研究成果可为含干式梁-柱节点的装配式框架结构的研发和设计方法的研究提供参考。
该研究提出了一种转动摩擦型干式装配梁-柱节点(rotational friction dissipative joint, RFDJ)，具有刚度、屈服弯矩易调控和变形、耗能能力强的特点。为了研究RFDJ对于装配式框架结构抗震性能的影响并验证其可行性，该研究以含RFDJ和灌浆套筒柱脚节点的新型装配式框架结构体系(novel precast concrete frame, NPCF)作为研究对象，基于2个不同楼层数量的传统现浇框架结构(reinforced concrete frame, RCF)分析案例，综合考虑总起滑弯矩比(ρ)和3种起滑弯矩(Ms)分布模式影响，设计了120个NPCF结构分析案例，开展了多遇和罕遇地震作用下的结构非线性时程分析，结果表明：RFDJ具备用于装配式框架结构的可行性，可实现等同或优于RCF的抗震性能；ρ和Ms分布模式是决定NPCF抗震性能的关键设计参数；结构响应随ρ的增加而降低；Ms分布模式对结构的地震响应控制机制具有显著影响，均匀累积分布模式可以最小的ρ值实现最好的层间位移角控制效果，且有利于节点深化设计和施工。该研究成果可为含干式梁-柱节点的装配式框架结构的研发和设计方法的研究提供参考。
2022, 39(8): 232-244.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0355
摘要:
该研究使用双面剪切试验对500 d长龄期的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)、活性粉末混凝土(RPC)和UHTCC/RPC界面的剪切强度进行了测试，并结合数字图像相关技术对其破坏过程进行了观测。结果表明，UHTCC、RPC和UHTCC/RPC界面均表现出良好的剪切延性，在加载过程中均未发生脆性破坏。此外，改进浇筑工艺和提高粘结界面的粗糙度均能够提高UHTCC/RPC界面剪切强度。将现有的界面剪切强度计算经验公式与试验结果对比发现现有的经验公式无法准确预测UHTCC/RPC的界面剪切强度。该研究建立了UHTCC/RPC界面剪切试验的有限元分析模型，并使用COHESIVE单元模拟界面行为，模拟结果与试验结果吻合较好。
该研究使用双面剪切试验对500 d长龄期的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)、活性粉末混凝土(RPC)和UHTCC/RPC界面的剪切强度进行了测试，并结合数字图像相关技术对其破坏过程进行了观测。结果表明，UHTCC、RPC和UHTCC/RPC界面均表现出良好的剪切延性，在加载过程中均未发生脆性破坏。此外，改进浇筑工艺和提高粘结界面的粗糙度均能够提高UHTCC/RPC界面剪切强度。将现有的界面剪切强度计算经验公式与试验结果对比发现现有的经验公式无法准确预测UHTCC/RPC的界面剪切强度。该研究建立了UHTCC/RPC界面剪切试验的有限元分析模型，并使用COHESIVE单元模拟界面行为，模拟结果与试验结果吻合较好。
2022, 39(8): 245-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0422
摘要:
为解决当前纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测中模型不统一、计算繁琐、精度有限等问题，建立了统一化的抗弯承载力预测模型。根据既有文献收集外贴式、端锚式和嵌入式3种FRP典型加固方式加固钢筋混凝土梁试验数据，确定影响加固梁承载力的关键因素，通过XGBoost(极限梯度提升树)算法训练回归各影响因素与加固后梁抗弯承载力间的非线性映射关系，得到统一化的FRP加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测模型。随后在测试样本集上对该模型的预测精度进行了验证，与基于支持向量回归(SVR)和人工神经网络(ANN)两种代表性机器学习算法得到的预测模型进行了横向对比，并分析了不同加固方式下的预测精度。研究结果表明：该文得到的基于XGBoost的抗弯承载力预测模型拟合优度R2=0.9417，可见整体精度较高，有良好的性能；相比基于传统机器学习算法SVR和ANN建立的预测模型，基于集成学习算法XGBoost的拟合优度分别提升了8.00%及6.70%，均方根误差减少了33.94%和30.72%，平均绝对误差减少了32.38%和30.51%，表明基于XGBoost的模型精度更高，远优于SVR和ANN；基于XGBoost的模型在外贴式、端锚式和嵌入式加固方式下拟合优度分别达到0.9472、0.9631和0.9278，可见预测精度均表现优良，精度相当，说明该模型可以统一考虑三种不同加固方式；通过分析输入参数的特征重要性，说明了该模型的合理性。研究成果可为实际桥梁工程中FRP加固设计应用提供参考。
为解决当前纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测中模型不统一、计算繁琐、精度有限等问题，建立了统一化的抗弯承载力预测模型。根据既有文献收集外贴式、端锚式和嵌入式3种FRP典型加固方式加固钢筋混凝土梁试验数据，确定影响加固梁承载力的关键因素，通过XGBoost(极限梯度提升树)算法训练回归各影响因素与加固后梁抗弯承载力间的非线性映射关系，得到统一化的FRP加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测模型。随后在测试样本集上对该模型的预测精度进行了验证，与基于支持向量回归(SVR)和人工神经网络(ANN)两种代表性机器学习算法得到的预测模型进行了横向对比，并分析了不同加固方式下的预测精度。研究结果表明：该文得到的基于XGBoost的抗弯承载力预测模型拟合优度R2=0.9417，可见整体精度较高，有良好的性能；相比基于传统机器学习算法SVR和ANN建立的预测模型，基于集成学习算法XGBoost的拟合优度分别提升了8.00%及6.70%，均方根误差减少了33.94%和30.72%，平均绝对误差减少了32.38%和30.51%，表明基于XGBoost的模型精度更高，远优于SVR和ANN；基于XGBoost的模型在外贴式、端锚式和嵌入式加固方式下拟合优度分别达到0.9472、0.9631和0.9278，可见预测精度均表现优良，精度相当，说明该模型可以统一考虑三种不同加固方式；通过分析输入参数的特征重要性，说明了该模型的合理性。研究成果可为实际桥梁工程中FRP加固设计应用提供参考。
