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2022年  第39卷  第S期

封面
2022年增刊封面+目录
2022, 39(S).
摘要:
综述
新型可展与折叠结构研究进展
蔡建国, 王玉涛
2022, 39(S): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S062
摘要:
可展与折叠结构是一类可以自由地大尺度改变几何构形的结构。它们可以从体积较小的闭合或者收缩状态变换到开启或者展开状态。相对于传统结构而言,可展与折叠结构具有建造速度快、施工方便等优点,而且便于运输和存储,可反复使用,因而在民用、军事、航天等领域被广泛应用。针对可展与折叠结构的共性问题及关键技术,采用理论分析、数值模拟、物理模型实验相结合的研究手段,对多种新型可展与折叠结构的几何构成、运动过程以及受力性能等进行了深入的研究。
基本方法
线法二阶常微分方程组有限元分析的结点精度修正及其超收敛计算
黄泽敏, 袁驷
2022, 39(S): 9-14, 34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S002
摘要:
采用\begin{document}$ m $\end{document}次单元对线法二阶常微分方程组(ODEs)进行有限元(FEM)求解,其单元内部位移为\begin{document}$ m + 1 $\end{document}阶收敛,而端结点位移收敛阶可达\begin{document}$ 2m $\end{document}阶。单元能量投影(EEP)超收敛计算恢复的单元内部位移精度一般为\begin{document}$\min $\end{document}\begin{document}$ (m + 2,2m)$\end{document}阶,此收敛阶既受益于也受限于有限元端结点位移的精度。该文提出了一种修正EEP法(M-EEP),利用EEP超收敛解,先对端结点位移进行修正,再用其恢复单元内部位移。广泛的数值试验表明:对端结点位移修正后的收敛阶可达\begin{document}$ 2m + 2 $\end{document}阶,再次修复的单元内部位移始终可达\begin{document}$ m + 2 $\end{document}阶收敛,摆脱了\begin{document}$ 2m $\end{document}阶收敛精度的限制。对于线性元,修正后结点位移的精度翻倍,单元内部M-EEP位移亦摆脱了原FEM解2阶收敛精度的限制,升到3阶收敛,基本达到二次元的收敛精度,效果显著。
基础竖向激励下复合材料圆弧拱的面内参数共振失稳研究
刘圆圆, 刘爱荣
2022, 39(S): 15-20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S004
摘要:
该文研究了基础竖向激励作用下复合材料圆弧层合拱的平面内参数共振失稳。基于Hamilton原理推导了拱的动力稳定平衡微分方程和Mathieu-Hill方程,获得了层合拱周期2T和周期T对应的动力不稳定域。探明了矢跨比以及铺层角度对动力不稳定域的影响规律。研究结果表明:参数共振主要出现在两倍的结构自振频率附近;随着矢跨比的减小,动力不稳定域的域宽逐渐增大,临界激励频率逐渐增大;同斜交铺层相比,正交铺层拱的动力不稳定域的域宽较小;对于斜交铺层,随着铺层角度增大,动力不稳定域的域宽逐渐增加,临界激振频率向低频方向移动。
运动方程时程单元先验步长估计初探
袁全, 袁驷
2022, 39(S): 21-26. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S023
摘要:
基于单元能量投影(element energy projection,EEP)法和边值问题固端法的思想,将其扩展至运动方程问题。该文以单自由度线性元为例,采用Taylor级数渐近展开,对问题的求解进行实质性简化计算;探讨了不经有限元求解便可进行先验定量误差估计的算法;进而实现了自适应单元步长的先验估计和确定。该文给出初步算例,验证了该方法的可行性和有效性。
土木工程学科
内置FRP管的钢管混凝土边框剪力墙承载力分析
赖楚麟, 郑振淡, 任凤鸣
2022, 39(S): 27-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S001
摘要:
内置FRP管的钢管混凝土边框剪力墙由钢筋混凝土、钢管混凝土和FRP约束混凝土组合而成,具有优良的力学性能和抗震性能。结合拟静力试验结果,对该组合剪力墙的受力机理进行研究,并对钢管混凝土和内置FRP约束混凝土的应力状态进行分析和简化,从而建立内置FRP管的钢管混凝土边框剪力墙的极限承载力计算公式。通过与试验结果的对比分析,验证该承载力公式的正确性和适用性,为进一步的研究以及推广应用提供可靠的理论依据。
拱脚沉降下3D打印拱的非线性失稳研究
文新钧, 刘爱荣, 毛吉化
2022, 39(S): 35-41, 70. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S003
摘要:
该文以3D打印材料ABS-M30作为试验载体,开展了拱脚沉降下3D打印拱的非线性失稳研究。基于最小势能原理推导了失稳临界荷载的解析表达式,得到了拱脚竖向和水平变位下拱径向位移沿拱轴线的分布图;设计了可控制拱脚沉降的加载系统,试验得到了拱在加载过程中的平衡路径,并通过有限元模拟对解析与试验结果进行了验证;分析了拱脚沉降量、矢跨比和长细比对3D打印拱失稳临界荷载的影响。研究结果表明:非线性失稳临界荷载随着拱脚沉降量的增大而减小;在拱脚沉降量一定的前提下,非线性失稳荷载随着矢跨比的增大而增大,随着长细比的增大而减小,且长细比的影响最为显著。
单层球面网壳既有设计方法可靠度校核分析
贾明明, 吕大刚, 鲜晓东
2022, 39(S): 42-49. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S005
摘要:
中国现行的空间结构设计方法仍然采用经验的整体安全系数,未能较好地考虑不确定性因素的影响。该文选取K8型单层球面网壳,对该结构进行整体可靠度分析。建立荷载和结构参数的概率模型,分别采用蒙特卡洛模拟和响应面法,构造结构真实的荷载与抗力极限状态方程,进而采用FORM计算其失效概率和可靠指标。同时对《空间网格结构技术规程》(JGJ 7−2010)提供的设计方法进行校准,基于规程的整体安全系数设计公式生成结构的极限状态方程,并得到其失效概率和可靠指标。分析结果表明:现有规程设计方法偏于保守,过低估计了结构的可靠性,应该基于全概率整体可靠度分析方法对现有设计方法进行修正。
多级设防SMA减震装置力学性能试验研究
纪泓言, 曹飒飒, 邵晨曦, 袁万城
2022, 39(S): 50-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S008
摘要:
地震考验表明,减隔震桥梁具有良好的隔震性能,可大幅减小桥梁下部结构的内力。但是,在速度脉冲型地震动作用下,减隔震支座往往会产生过大变形,造成支座残余变形、梁体碰撞和落梁等震害。为满足桥梁在不同地震水准作用下的不同性能需求,拟提出一种多级设防SMA减隔震装置(Multi-level SMA lead rubber bearing,简称MSLRB)。数值模拟与拟静力试验表明:MSLRB不仅具有变形自恢复,还具有中小震隔震效率高和强震限位能力强等优点。
基于耐久性理论和限载政策的某城市桥梁可靠性评估
黄海云, 张俊平, 吕金浩
2022, 39(S): 58-63. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S009
摘要:
城市桥梁在户外各种不利环境因素的影响下,结构材料的耐久性能会发生退化,以致出现混凝土强度降低、钢筋锈蚀等耐久性病害,导致桥梁结构的安全性和可靠性逐渐下降。以某典型城市高架桥为例,基于混凝土结构耐久性理论和城市的限载政策,结合现场检测、实地交通调查结果,分析了桥梁结构的时变抗力和荷载效应的变化规律,最后,推算了桥梁控制截面抗弯承载能力可靠性功能函数的失效概率,并对其可靠度进行了评估。该研究方法为各地城市桥梁的可靠性评估、维修养护、交通荷载限载政策等提供借鉴和参考。
基于水下机器人与数字图像技术的混凝土结构表面裂缝检测方法
谢文高, 张怡孝, 刘爱荣, 傅继阳, 胡晓勇, 陈炳聪, 袁向荣
2022, 39(S): 64-70. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S010
摘要:
人工检测是目前桥梁水下结构病害检测的主要方式,存在着危险性高、效率低、准确性低等问题。针对以上问题,该文提出了采用搭载高清水下摄像头的水下机器人检测方法。该文在清水环境实验中对混凝土结构进行表观检测,通过图像处理、高斯滤波以及梯度计算的分权阈值法对存在裂缝的图像进行分析,提取裂缝边缘特征,提出基于斜率计算的欧氏距离下裂缝宽度计算方法实现对裂缝宽度的分析计算。实验结果表明:该文实验中裂缝检测结果精度较高,且裂缝的宽度参数计算精度可达规范要求。
RC框架-剪力墙结构的一致倒塌风险决策分析
董尧, 吕大刚
2022, 39(S): 71-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S011
摘要:
目标倒塌风险的决策是建筑结构一致倒塌风险抗震设计的关键科学问题之一。以按现行规范设计的钢筋混凝土(RC)框架-剪力墙结构为研究对象,采用第二代基于性能的地震工程方法,对5个不同设防等级的12层RC框架-剪力墙结构进行了概率地震损失评估,将直接经济损失、停工时间和人员伤亡数量统一货币化,同时考虑建筑结构服役期内的成本投入,根据设计基准期内总经济成本最小原则,决策得到RC框架-剪力墙结构的一致倒塌风险。研究结果表明:决策得到的不同设防等级RC框架-剪力墙结构的一致倒塌风险为50年倒塌概率0.26%(相当于年平均倒塌概率为5.26×105),与欧洲的一致倒塌风险目标50年超越概率0.25%非常接近,决策结果可为风险导向地震动区划图编制以及一致风险抗倒塌设计提供理论基础。
下击暴流作用下输电塔-线体系倒塌破坏研究
毕文哲, 田利
2022, 39(S): 78-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S012
摘要:
下击暴流在近地面形成的短时破坏性强风会对建筑结构造成较大威胁,尤其是输电塔-线体系等风敏感结构。依托实际工程,该文建立了输电塔-线体系有限元模型,采用确定性-随机性混合模型生成下击暴流风场,基于Tian-Ma-Qu本构模型模拟了该结构在下击暴流作用下的连续倒塌过程。结果表明,下击暴流下输电塔表现为在极短时间内的局部大变形,该区域大量斜材和少量主材相继屈曲是导致输电塔发生整体倒塌的主要原因。该输电塔的薄弱部位是第六节间,在抗下击暴流设计中应重点关注。
液体调谐阻尼器对多高层结构的减震性能对比研究
董悦, 唐贞云
2022, 39(S): 84-91, 100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S013
摘要:
调谐液体阻尼器(TLD)是一种典型有效的结构动力响应被动控制装置,可用于控制风致振动和地震响应。针对传统振动台缩尺试验的局限,该文采用振动台实时子结构试验研究了TLD对低层、中层和高层结构地震线性响应阶段及高层结构地震非线性响应阶段的影响。分别讨论了TLD频率与结构一阶频率比、TLD质量比以及地震激励幅值对TLD减震性能的影响规律。研究结果表明:当结构响应处于线性阶段时,TLD对加速度控制效果优于位移响应,相比于中低层结构,更适于高层结构减震;由于地震的随机性,对中低层结构位移响应有可能产生不利影响。当结构响应进入非线性后,受限于TLD较窄的减震频带,TLD对结构减震效果呈现较大的离散性。
基于MLS-SVM的结构整体可靠度与全局灵敏度分析
吕大刚, 李功博, 宋彦
2022, 39(S): 92-100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S015
摘要:
作为一种有效的代理模型,支持向量机(SVM)以统计学习中的结构风险最小化原则为基本原理,在具有隐式极限状态函数的结构可靠度分析中得到了广泛的应用。然而,传统的支持向量机在核函数的选择、全局基本变量空间建模、计算效率等方面还存在许多不足。针对这些不足,该文提出一种新的基于移动最小二乘(MLS)技术的支持向量机模型(MLS-SVM),可以在全局基本变量空间中具备自适应能力。该文将MLS-SVM应用于复杂结构的整体可靠度和全局灵敏度分析,并将该模型与基于再生核函数的支持向量机(RPK-SVM)及基于最小二乘的支持向量机(LS-SVM)进行比较分析,结果表明:该文提出的模型相较其他两种模型具有更高的精度和计算效率。
钢管混凝土L形柱-H型钢梁Z字形节点抗震性能研究
吴桐宇, 刘学春, 陈学森
2022, 39(S): 101-108. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S016
摘要:
对适用于装配式钢结构的钢管混凝土L形柱-H型钢梁Z字形节点的抗震性能进行研究。建立并基于节点试验结果验证了ABAQUS有限元模型,通过有限元分析获得了节点的荷载-位移曲线、骨架曲线、破坏模式和性能指标。结果表明:设置腹板拼接板、增加梁高、减小上翼缘最外排螺栓与拼接区中心距离等措施,能够提高节点的屈服荷载和峰值荷载;增加翼缘高强度螺栓数量能够提高节点的滑移荷载,但是会降低延性;增加悬臂梁外伸距离,可以提高滑移荷载、屈服荷载和峰值荷载,减少翼缘连接的高强度螺栓数量需求。基于有限元结果,验证了节点受弯承载力和极限受弯承载力计算公式的可靠性。
摩擦型高强度螺栓长接头传力比的计算
谭鼎融, 黄永辉, 曾志伟, 陈碧静
2022, 39(S): 109-114. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S018
摘要:
摩擦型高强螺栓连接接头在现代钢桥中的应用越来越广泛,为研究各排螺栓的传力比特性,根据文献试验结果及有限元数值模拟结果,对螺栓的荷载滑移曲线进行了拟合,在此基础上建立了长列螺栓群接头的受力简化模型,由变形协调条件,通过求解静力平衡方程组,提出了各排螺栓传力比理论计算方法。为验证该理论方法的正确性,设计了2组螺栓接头,实测了其螺栓传力比,试验结果表明,该文方法与试验结果吻合良好。最后对影响螺栓传力的各参数进行研究,结果表明:传力比与芯板与盖板的板厚比,螺栓排数,孔间距等均有显著关系,当螺栓排数大于5时,建议首排螺栓传力比取0.389。
高强钢管-高强混凝土(HS-CFST)拱平面内承载能力研究
李学松, 张怡孝, 高仲康, 黄永辉, 刘爱荣
2022, 39(S): 115-120. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S019
摘要:
该文通过对6根不同强度的高强钢管和高强混凝土抛物线型拱肋试件进行了对称分级加载,探明了拱肋在均布荷载下的受力行为,研究了高强钢管混凝土拱的承载能力,并与有限元计算结果进行了比较,二者基本吻合。基于有限元模型参数分析,阐明了钢管和混凝土强度、矢跨比、长细比和含钢率对拱的平面内承载力的影响。结果表明:全跨竖向均布荷载下拱肋的极限承载力随着钢管和混凝土的强度、矢跨比、含钢率的增加而增加,而极限承载力随长细比的增大而减少;当钢管强度等级从Q460提升至Q690时,拱肋承载力提高19.4%~21.4%;矢跨比、长细比和含钢率为影响拱肋平面承载力的主要因素。
高温后GFRP筋与海砂混凝土界面黏结失效模拟
傅建校, 周春恒, 章子华
2022, 39(S): 121-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S020
摘要:
海砂的应用有利于缓解建筑用河砂的短缺现状,在海砂混凝土结构中以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋替代钢筋可解决钢筋锈蚀引起的结构耐久性问题。目前,高温后GFRP筋-海砂混凝土的界面黏结失效规律尚不明确,对其界面力学行为的研究可促进GFRP筋-海砂混凝土结构的推广应用。该文提出了一种新型黏结滑移本构模型(指数-双曲线模型),并对高温后GFRP筋与海砂混凝土的界面力学行为进行了研究。基于ABAQUS平台,通过经验公式考虑了高温对各相材料力学性能的影响,采用内聚力损伤模型和混凝土塑性损伤模型,实现了高温后GFRP筋与海砂混凝土界面黏结失效模拟,并通过拔出试验验证了模拟的准确性。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合较好;高温后海砂混凝土损伤主要集中于界面黏结段靠近加载端部分,且随着温度的升高,混凝土所受应力逐渐减小;高温后海砂混凝土和普通混凝土与GFRP筋的界面黏结性基本相当;高温后界面极限黏结强度损失率略大于筋材强度损失率,且界面极限黏结强度损失率随着混凝土强度等级的提高而增大。
凸轮式响应放大金属阻尼器单自由度体系地震反应分析
赵子龙, 赵桂峰, 张晶晶, 马玉宏
2022, 39(S): 129-137, 143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.S022
摘要:
提出一种凸轮式响应放大金属阻尼器,介绍其工作机理和恢复力计算公式,对安装该阻尼器的单自由度体系建立了运动方程和能量方程。以达到相同位移控制效果为目标,采用不同吨位的金属阻尼器,分别对无控结构、安装传统金属阻尼器和安装凸轮式响应放大金属阻尼器的单自由度体系进行了多遇、罕遇和极罕遇地震作用下的地震响应对比分析。结果表明:在各级地震作用下,串联小吨位金属阻尼器的凸轮式响应放大金属阻尼器均达到了与安装传统大吨位金属阻尼器相同的位移控制效果和耗能比例,基底剪力控制效果也得到了明显的提升,说明采用小吨位金属阻尼器通过响应放大便可达到直接安装大吨位阻尼器的相同位移控制效果,体现了其优越的经济性;另外,在极罕遇地震作用下,该装置能避免阻尼器发生位移失效的现象,体现了该消能装置在各级地震作用下均能保证结构和阻尼器的安全。
基于随机场的海洋混凝土结构耐久性实证分析
叶新一, 李全旺
2022, 39(S): 138-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.S026
摘要:
该文基于随机场理论及模拟方法,考虑耐久性参数批次效应,选取位于香港的海洋环境在役混凝土结构工程,进行其表观劣化发展过程的模拟分析与评价,并与实际检测数据进行对比,以验证耐久性分析结果准确性。结果表明:模拟分析结果与实际损坏程度基本一致。该文指出,基于随机场的模拟分析方法能够给出海洋混凝土结构多个维度的表观劣化度信息,将可能指导未来其它工程设计方案和维护策略的制定,从而有助于结构预想的全寿命性能实现和成本控制。
杭州地铁4号线盾构下穿电力隧道直接切桩沉降分析
张建华, 王宏伟, 陈培新, 徐峰, 吴军
2022, 39(S): 144-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S029
摘要:
以杭州地铁4号线盾构下穿电力隧道切削桩基工程项目为背景,结合三维数值模拟和实测沉降数据进行分析,研究盾构下穿电力隧道切削桩基对地表的沉降影响,并以掌子面推进力、同步注浆压力为施工参数进行数值分析。数值模拟数据表明:切桩期间地表的沉降量大且沉降速率快,沉降量及沉降速率均随监测点离隧道轴线距离的增大而减小,由于电力隧道结构的特殊性,切桩过程中产生的沉降量占总沉降量比重较小。掌子面推进力的变化对切桩前地表的隆起影响较为显著,对切桩时地表产生的沉降量影响相对较小;注浆压力的变化对切桩前地表的隆起和切桩时产生的沉降量影响均不够显著。通过比较实测数据与模拟数据发现,实测数据中由于切桩产生的地表沉降有一定的滞后性。根据数值模拟结果,建议在施工过程中当盾构机与桩基础的距离大于6 m时,适当增加掌子面推力以减小地表的最终沉降;距离小于6 m时,恢复掌子面推力为1倍静止土压力,以减小桩身水平位移确保切桩工作顺利进行。
不同结构复杂度下结合集成学习的模型修正方法
林光伟, 张熠
2022, 39(S): 153-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S030
摘要:
模型不确定性不可避免地影响到数值模型分析精度和可靠性,需要找到一种合适的方法,根据实测数据对模型参数值进行修正。该研究采用结合了过渡马尔科夫链蒙特卡罗(TMCMC)方法的贝叶斯模型修正理论对结构模型参数进行修正。采用Kriging法和多项式混沌展开法(PCE)构造代理模型。将该修正方法应用于两个不同结构复杂度的实例,这两个模型分别代表高维线性模型和非线性模型。在两个实例下验证了代理模型的有效性和准确性,讨论了基于代理模型的修正方法在不同结构复杂度下的优缺点。针对代理模型存在的不足,提出了一种代理集成学习框架进行改进。
基于分布式光纤监测的盾构隧道管片变形受力反演分析
随意, 程晓辉, 李官勇, 普利坚, 李灿德, 廖盤宇
2022, 39(S): 158-163. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S031
摘要:
为研究盾构隧道变形受力分布情况,依托于某盾构隧道进行了分布式光纤监测。在盾构隧道管片预制期间,将分布式光纤沿环向布设于管片内部钢筋笼的上、下表面。分别在管片安装后及变形稳定后进行了分布式光纤监测,得到管片内部真实应变分布。基于所得连续的应变数据,利用已经提出的反演分析方法计算出了监测期间管片的位移、内力及外荷载分布。反演计算结果表明,隧道监测期间盾构隧道的变形模式为向左的斜椭圆与整体环向压缩的耦合变形。由内力分布可知,在管片接头处内力的波动明显,这是由于管片接头处刚度变化导致的。为反映这种波动,管片设计中更宜采用梁-弹簧模型。给出了管片结构的破坏包络图,将反演分析所得内力值标注其中,并选取危险截面进行了结构安全校核,计算结果证明隧道管片受力安全。
风洞试验段闭口与开口模式下流场的数值模拟与实验研究
廖鹏, 傅继阳, 马文勇, 何运成
2022, 39(S): 164-172. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S032
摘要:
为了满足不同空气动力学模型安装的需求,风洞设计成一种试验段可拆卸构造,原来闭口式小型风洞进行试验段拆除可成为开口式风洞,为了提高开口式风洞的流场品质,设计一套包括收集器和小收缩段的整流装置。使用CFD方法对不同类型的风洞进行流场三维数值模拟,湍流模型采用 SST k-ω湍流模型,同时,采用眼镜蛇探针对实际的不同类型的风洞流场进行测试实验,主要研究风洞的速度均匀性和湍流强度的变化趋势,对风洞的流场品质进行评估和对比。实验和数值仿真结果证明:模拟的速度和湍流强度剖面与实测具有良好一致性,在风洞试验段平均风速在一定测试风速下,闭口式风洞具备低湍流强度和高流动均匀度的特点的流场品质,其中心区域湍流强度在0.3%以下。此外,证明了这套整流装置的设计可提高了开口式风洞的流场品质,在风洞试验段风速最大速度50%左右时,其中心区域湍流度在0.5%以下,边界层厚度减少到50 mm。这些结论将对小型风洞装置的设计、改进奠定了基础。
装配式钢-混凝土组合梁高强螺栓剪力连接件力学模型
张凡, 陈炳聪, 刘爱荣, 周危, 刘国蔚
2022, 39(S): 173-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S033
摘要:
剪力连接件是装配式钢-混凝土组合梁的关键部件,其荷载-滑移曲线大致分为四个阶段,即滑移前摩擦阶段、滑移阶段、滑移后弹性阶段、滑移后塑性阶段。该文通过弹性地基梁理论和材料力学平面应力理论,建立了高强螺栓剪力连接件的受力模型,对前三个阶段的受力行为进行了理论解析分析,并通过多组试验数据对理论结果进行了验证,二者吻合良好。研究表明:剪力连接件在整个受力过程同时受弯矩、剪力和轴力的耦合作用,该文提出的力学模型能较为准确的模拟螺栓弹性阶段的极限值,能初步解释螺栓在弹性段抗剪性能随预拉力变化的原因;并得出了螺栓弹性段弯矩对其屈服极限影响有限的结论。
跨海桥梁受台风影响的风速概率模型分析
郭健, 钟陈杰, 王仁贵, 胡成杰
2022, 39(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S035
摘要:
中国东部沿海地区常受台风侵扰,各台风不同的气旋结构和登陆位置使其对跨海桥梁结构的影响有较大差异。台风期间桥位处的风速概率模型是分析桥位风场特征、评估桥梁抗风能力重要依据。安装于跨海桥梁上的结构健康监测系统实时获取的风场监测数据为了解台风期间桥位风场特征和开展风速概率模型分析提供了数据基础。以影响西堠门大桥的三个典型台风为研究对象,结合桥位风场实时监测数据,采用贝叶斯方法对风速概率模型参数进行动态识别与持续更新,建立的风速概率分布时变模型能够呈现不同时刻的风速概率分布及其在台风全过程中的演变规律,并对三个台风的风速分布及其演变进行了对比分析。对于近侧的登陆风,桥址风场的风速分布具有较大波动性;而对于远端风场,台风影响半径范围内风速分布相对稳定,影响半径范围外则风速分布波动强烈。
台风浪-潮-流相关性对桥梁群桩基础波流力的影响
尚黛梦, 魏凯, 钟茜, 秦顺全
2022, 39(S): 187-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S036
摘要:
台风是我国主要的灾害性天气系统之一,台风作用下桥址区会产生巨浪、强潮、急流,导致桥梁群桩基础承受巨大的波流力。极端环境下的海洋环境参数浪、潮、流会相互作用,而现有的设计规范中较少考虑浪-潮-流的相关性,从而导致设计的保守。为研究台风浪-潮-流相关性对桥梁群桩基础波流力的影响,该文基于SWAN+ADICIRC耦合模型获取49条台风作用下浪-潮-流数据,采用三维嵌套Frank Copula模型得到浪-潮-流三维联合分布,建立100年重现期环境等值面,并采用势流理论与莫里森方程进行波流力计算。对不考虑浪-潮-流相关性与考虑浪-潮-流相关性计算得到的波流力进行对比分析。研究表明:考虑浪-潮-流相关性比不考虑浪-潮-流相关性计算得到的群桩基础波流力减小17.40%;波流力与有效波高、谱峰周期和流速呈现明显的正相关性,而对潮位的变化并不敏感;在考虑了浪、潮、流相关性后,水平剪力和基底弯矩对应的环境参数组合不再一致。
高寒地区交通线路风速及风向预测研究
骆颜, 马文勇, 孙元春
2022, 39(S): 195-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S037
摘要:
高寒地区交通线路风吹雪灾害严重,对交通线路全线天气状况的预测对于该类灾害的预测至关重要,目前该方面的研究仍然比较缺乏。该文采用WRF(天气研究预报模型)中尺度天气数值模拟,以新疆克塔铁路为研究对象,模拟该线路所在区域2018年−2019年冬季的天气状况。通过水平分辨率10 km~2 km的双重嵌套模拟,调整微物理方案及行星边界层方案,得到铁路沿线不同路段风速分布概率以及相应的主导风向。研究表明:WRF模拟结果能够较好的反映出道路沿线各路段不同的风速概率分布,结合主导风向与线路夹角,为预测不同路段发生风吹雪灾害的概率提供更加精确地依据,并为道路选线以及路段形式的设计提供参考。
自恢复大行程形状记忆合金限位装置研究
胡付龙, 曹飒飒
2022, 39(S): 202-206. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S039
摘要:
普通限位装置极限位移小,极有可能被破坏。为解决这一问题,拟提出一种新型自恢复大行程SMA限位装置。该装置由SMA内芯提供恢复力及耗能能力,由外钢管及砂浆提供抗屈曲能力。理论推导及有限元分析结果表明:该限位装置既可为桥梁提供自复位能力,又可在减小桥梁位移响应的前提下,消耗地震能量。
预应力连接预制节段桥墩拟静力试验数值仿真分析
张凯迪, 贾俊峰, 白玉磊, 郭彤
2022, 39(S): 207-213, 228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S040
摘要:
预应力连接预制节段桥墩已在美国低震区桥梁中得到较多应用,但在我国的工程应用甚少。由于预制节段桥墩的震害资料缺乏,震害经验不足,且其抗震机理不明确、设计方法不完善,在强震区较少应用。该文基于预应力连接预制节段墩柱缩尺模型的拟静力往复试验测试,采用有限元分析软件ABAQUS建立其精细化数值模型,进行了单向、斜向往复荷载作用下墩柱拟静力试验数值仿真,将桥墩的损伤特征、滞回行为、墩内竖向预应力和预制节段间接缝开口量与试验测试结果进行了对比分析。结果表明:该文建立的预制节段桥墩数值模型可较好地再现拟静力试验结果,试验和模拟结果均表明斜向加载的预制节段墩柱较单向加载的构件损伤更为严重,构件屈服更早,残余位移较大,墩柱最大偏移率达4%时其残余偏移率已超过1%。常规设计中桥墩按纵桥向或横桥向单向抗震设计偏于不保守,特别是考虑震后功能可恢复或可修复时建议考虑多向地震作用影响。
斜拱曲梁桥人致振动舒适度与减振研究
周健华, 黄友钦, 刘爱荣
2022, 39(S): 214-220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S043
摘要:
该文以首座跨越珠江的斜拱曲梁人行景观桥——广州海心桥为研究对象,系统开展其人致振动舒适度与减振控制研究。海心桥采用拱肋外倾10°的斜拱曲梁固结体系,其主拱跨度为198 m,矢跨比约为1/3.5。主桥跨中桥面宽15 m,桥面由圆弧型快、慢行道组成。由于桥梁处于高密度人群区,且结构体系柔度大、受力复杂,人行舒适度问题很突出。为此,该文建立精细化3D有限元模型,通过特征值分析确定人振动荷载敏感频率范围,判别步行力敏感模态阶数,构建对应的步行力荷载。通过时域分析法获得对应的峰值加速度阈值以及舒适度指标完成了人行舒适度评价。提出了安装质量调谐阻尼器以提高桥梁舒适度等级的减振方案,并对阻尼器的安装位置、阻尼、刚度和质量进行了优化设计,有效提高了桥梁的人行舒适度。该文研究结果可为同类型桥梁的人行桥舒适度评价提供参考。
基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究
吴涛波, 刘爱荣
2022, 39(S): 221-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044
摘要:
该文为探究铺层角度对基础竖向激励下GFRP圆弧拱平面内动力稳定性能的影响,开展了系统的实验研究。设计了6组不同铺层角度的圆弧拱试件,利用TIRA激振器模拟输出基础竖向周期激励,采用NDI三维动态采集仪采集圆弧拱的竖向动位移,根据测得拱的面内自由振动响应,分别通过快速傅里叶变换和自由衰减法获得拱的自振频率和阻尼比。通过扫频实测了GFRP拱的动力不稳定域边界,并与有限元计算结果进行对比,基本吻合。研究表明:当外部频率约为结构自身频率两倍时,结构会出现激烈的面内反对称振动现象,即为参数共振失稳;当激励加速度小于临界激发加速度时,拱处于定态振动;外激励大于临界激发加速度时,GFRP拱出现参数振动,并且随着加速度的增大,拱的振动愈发激烈;随着铺层角度的增大,拱的自振频率和临界激发加速度逐渐减小,阻尼比与不稳定域范围逐渐增大。
地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换
缪惠全
2022, 39(S): 229-238, 249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047
摘要:
地下管线是城市生命线工程的重要组成部分,承担着城市供水、供气、供热等重要任务,一旦发生地震,对居民的正常生活和城市灾后恢复将产生重要影响。中国、日本、美国三国作为世界抗震强国,其对地下管线的抗震设计各有特色,然而,既有的研究或者重于三国管线抗震设计原理的分析,或者重于三国建筑结构抗震设计的对比,未能对地下管线的抗震设计进行全面的分析和对比。该文针对此问题,对中日美三国地下管线的抗震设计进行了详细地对比研究,并讨论了相互之间如何进行抗震设计参数的转化以实现协调一致。最后,该文用两个算例表明了该文研究的实用性和可行性。
粒子法和离散元法在管土耦合分析中的应用
徐涛龙, 邵常宁, 兰旭彬, 丁鸿超
2022, 39(S): 239-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S048
摘要:
为克服管土耦合分析中土体分层、压缩、运移、流变等大变形问题,传统有限元分析技术需借助新的土体模拟及耦合方法。其中,基于纯拉格朗日的粒子法(PM)和细观离散单元理论的离散元法(DEM),因其在土体大变形领域的独特优势而得到广泛关注。针对管道沿线最常见的地质灾害和第三方扰动行为,利用光滑粒子流体动力学(SPH)分析土质滑坡大变形、黏性泥石流冲刷下管道的受力变形特征,获取管道受土中近场爆炸冲击下的动态响应规律,精确模拟了爆炸土中成腔、土体层裂、压缩等现象,联合离散元法中的颗粒流软件(PFC)与三维有限差分程序(FLAC 3D)再现挖机多铲掘进下土体的运移过程,得到管体的载荷累积效应。多次实践表明:以SPH为代表的粒子法和以PFC为代表的离散元法均能较好解决管土耦合分析中土体的非线性大变形问题,引入流体动力学手段,达到了土体变形研究方法多元化的目的,为进一步研究土中多物理场耦合响应机理奠定了基础。
单元式双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究
刘栋, 石永久, 余香林
2022, 39(S): 250-260, 285. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S049
摘要:
单元式双钢板混凝土组合剪力墙便于拆装,能够实现建筑设计的灵活性,能够在抗震墙上方便快捷地开设门窗洞口。该文介绍了9个单元式双钢板混凝土组合剪力墙试件的抗震性能试验,研究了在低周往复荷载作用下单元式组合剪力墙的力学性能和破坏模式,分析了单元数量、轴压比等因素对抗震性能的影响。试验结果表明:单元式双钢板混凝土组合剪力墙具有承载力较好、良好的可拆装性、滞回曲线饱满,抗震性能优越。试件整体平均的位移延性系数是2.3,说明剪力墙试件具有较好的延性,到达峰值荷载后在较大的变形下能够继续维持荷载。墙体单元数量越多,承载力越低,初始刚度较低,但墙体具有更好的延性,能够在较大位移时具有更好的耗能能力。大轴压比可以获得较高的屈服荷载及峰值荷载,但破坏过程迅速,延性较差。混凝土强度增大,可以提高单元式组合墙的屈服荷载及峰值荷载,承载能力有所提高,但延性系数基本不变,说明混凝土强度对单元式组合墙体的变形能力影响较小。
基于正交试验方法的大型有面外支撑杆X撑结构的屈曲分析和优化设计
张伟为, 康元顺, 崔哲华, 曾晓辉
2022, 39(S): 261-271. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S051
摘要:
基于非线性屈曲有限元模型,该文结合正交试验和多因素方差分析方法研究了大型有面外支撑杆X撑结构的稳定性,并采用非线性曲面回归和BP神经网络机器学习对结构进行了优化设计,获得了临界屈曲系数预测模型,为复杂的高度非线性问题提供了一种解决思路。具体而言,搭建了支持表格形式自动化模拟的ANSYS和SOLIDWORKS联合仿真有限元模型,在充分考虑几何设计参数和边界条件的基础上进行了显著性正交试验和多因素方差分析,从中筛选出了主要影响因素并确定了优化设计自变量。然后,以显著性分析为指导进行了优化设计正交试验,利用非线性曲面回归方法和BP神经网络机器学习方法完成了结构优化设计。研究发现:面内支撑几何参数对结构稳定性的影响更为显著,其中临界屈曲载荷对面内支撑管径的变化最为敏感;另外,面外支撑会增加面内支撑的刚度,且节点位置会显著影响整体结构的稳定性;同时,载荷比的影响也很大,拉力会改善结构稳定性。针对新型复杂结构和初期优化设计,该文提供了一种基于数据驱动的高效优化设计方法。
大高差轮辐结构研究与应用
吴浩, 范重, 刘涛, 杨开, 张爱林, 张艳霞
2022, 39(S): 272-285. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S052
摘要:
针对外环高度变化较大可能引起轮辐结构径向索受压的问题,通过设置刚性撑杆代替部分受压的径向索,解决了采用传统轮辐结构无法成形的难题。推导出轮辐结构的预应力态求解公式,考虑结构自重和索夹重量等的影响,通过反复迭代确定内环各节点的标高,形成索-杆混合结构找形分析方法。对大高差轮辐结构的受力性能进行较为全面的分析,考察了外环高差、径索系杆以及附加环索等参数的影响。计算分析结果表明:大高差轮辐结构在承受长轴方向半跨活荷载和风荷载作用时较为不利,但个别径索或撑杆失效不会引起结构连续倒塌。随着外环高差加大,撑杆数量相应增多,短轴构件及长轴上径索的内力增大,长轴下径索的内力减小。在长度较大的径索中部设置系杆,能够有效地协调上、下径索之间的变形。在长轴附近设置附加环索,可以通过增强相邻径索之间的联系,提高屋面支承结构的竖向刚度。大高差轮辐结构设置刚性撑杆的成形方法已成功应用于厦门新体育中心体育场工程。
基于牛顿迭代算法的大型有面外支撑杆X撑结构的屈曲分析
康元顺, 张伟为, 刘梦娟, 曾晓辉
2022, 39(S): 286-295. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S053
摘要:
该文从理论分析和数值计算的角度研究了一种有面外支撑的X支撑系统的稳定性问题,提出了一种简单高效的计算方法,这种X支撑的两条支撑对角线的交点处连接了一个面外撑杆。考虑有面外撑杆的非对称交叉支撑体系在一般情况下的弹性屈曲,即不同长度、截面和载荷的连续对角,面外撑杆与X支撑平面可以有不同角度,并且X支撑的交叉点不固定在跨中。建立了两端固接的双跨受压杆件跨中任意线弹性的特征值矩阵,利用迭代算法进行屈曲载荷计算,详述了新型X支撑系统的屈曲荷载理论计算方法。推导了两端固接的双跨受拉(压)杆件跨中任意位置处的转动刚度计算公式,并通过数值计算讨论了不同受力形式转动刚度对X支撑的屈曲长度系数的影响,阐释了在实际结构中转动刚度对屈曲载荷的影响可忽略。进行比例加载屈曲分析,分析的目的是建立受压杆件的有效长度因子与压缩杆件和拉伸杆件的力比之间的关系。得到了任意位置处的非对称交叉支撑系统有效长度因子的数值解,并通过已有文献的退化结果验证了其有效性。结合工程实际,给出了屈曲长度系数的理论推荐值。
温度作用概率分布与可靠指标研究
范重, 吴雨璇, 贡金鑫, 牟在根, 刘涛, 宋丽莉
2022, 39(S): 296-311, 319. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S054
摘要:
选取中国六大区域的代表性城市,对1970年−2019年50年期间的气象温度记录进行统计分析,确定基本气温的概率分布。考察合龙温度的取值规律,确定合龙温度的允许波动区间。根据基本气温与合龙温度的概率分布函数确定正、负温差,通过数理统计方法得到温度作用的分项系数与组合值系数。针对各类结构构件不同受力状态,采用一次二阶矩法计算温度作用分项系数与组合值系数的可靠指标,考察温度作用分项系数与组合值系数取值的合理性。分析结果表明:中国最高温度月的月平均最高气温和最低温度月的月平均最低气温均服从极值I型分布。合龙温度宜接近常年平均气温,在允许的波动区间内近似为均匀分布。温度作用分项系数随着合龙温度区间加大而增大,组合值系数随着合龙温度区间加大而减小。随着温度作用增大,其分项系数的可靠指标先增大、后减小,组合值系数的可靠指标逐渐减小,分项系数取1.5、组合值系数取0.6时,可以满足相应可靠指标的要求。
带C形钢边框装配式钢筋混凝土预制楼板试验研究
刘学春, 宋杰, 陈学森, 强申
2022, 39(S): 312-319. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S055
摘要:
该文提出一种带C形钢边框装配式钢筋混凝土预制楼板,可有效提高板间连接强度、实现楼板双向受力,提高楼板设计承载力,增加楼板刚度。对6块新型楼板进行了静力试验,分析了钢筋及C形钢应变发展、荷载-挠度变化规律,得到了试件的设计承载力、破坏模式和极限承载力。基于有限元参数分析,得到C形钢边框腹板高度、腹板厚度及翼缘宽度等因素对楼板受弯承载力的影响,根据试验与有限元结果提出受弯承载力简化计算方法。
强震动记录的数据处理流程:去噪滤波
姚鑫鑫, 任叶飞, 岸田忠大, 温瑞智, 王宏伟, 冀昆
2022, 39(S): 320-329. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S058
摘要:
强震动记录一直以来被用于工程结构弹塑性时程分析的地震动输入,其由仪器观测获得,需在使用前进行必要的数据处理工作。中国台网目前已累积了大量强震动观测记录,但始终缺乏标准化的数据处理流程,给使用者造成了诸多不便,不能最大程度发挥其科学应用价值。该文针对我国观测数据现状,提出了一套完整的面向工程应用的强震动记录数据处理流程,给出了高通滤波截止频率的选取原则,包括:记录的傅里叶振幅谱低频段须符合w2震源模型、信噪比须大于3、确保与物理分辨率一致。研究了因果滤波与非因果滤波对记录时程的影响,结果表明:这两种滤波方式具有各自特性,因果滤波会引起记录相变、而非因果滤波则会引起信号前干扰震动;针对芦山地震数据集及2017年部分观测记录,研究了这两种滤波方式对伪加速度反应谱(PSA)的影响,结果表明因果滤波引起的相变会对有效周期范围内的PSA造成计算偏差,因此建议面向工程应用的强震动记录选用非因果滤波方式。此项工作有助于指导和规范强震动记录的合理使用。
人致结构振动计算中随机人群行为的模拟
韦欣欣
2022, 39(S): 330-335. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S059
摘要:
人行结构(如:人行天桥)的动力设计中,人致结构振动舒适度往往决定最终的结构设计方案。为满足舒适度要求,一般需要将结构振动水平控制在舒适度指标范围内。因此,在设计阶段,准确预测人致结构振动水平十分关键。为准确施加步行荷载,需要预先知道结构建成之后其上面活动的人群行为,如:行走路径和速度等。该文采用修正后的社会力模型,该模型能考虑不同的人群密度、所处地域、行走目的和方向,还能考虑行人到达结构的时间、初始位置、初始行走速度等的随机性。通过模拟一个典型桥面上的随机人群,展示了该模型的适用性。模拟结果表明:跟自由行走不同,人群中,行人的行走路径和速度因受他人和周围环境的影响而实时变化;行走路径不按直线路线;行走速度低于自由行走速度。相应地,人群作为一个整体,行人位置分布实时变化;人群平均速度也实时变化且低于自由行走速度,待人群稳定后,在稳定范围内波动。该文工作可为准确施加步行荷载提供思路。
基于结构可靠性方法的贝叶斯模型更新:氯盐侵蚀耐久性案例分析
肖雄, 王泽宇, 李全旺, 曹迈
2022, 39(S): 336-341. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.S060
摘要:
贝叶斯模型更新是一种基于先验知识和最新观测数据,具有减少工程模型不确定性的计算能力的技术。通过将贝叶斯更新问题重新解释为结构可靠性问题,最新的BUS算法(即采用结构可靠性方法的贝叶斯更新)为快速和稳健的后验密度估计开辟了新的途径。为了实现氯盐侵蚀耐久性模型参数快速准确更新的目标,该文采用基于子集模拟的BUS方法。通过研究一个工程指导的复杂混凝土耐久性模型,证明了计算效率和精度。结果表明,模型参数的统计特性可以根据现场监测的信息成功地更新,并与简单拒绝采样估计的结果接近。
机械工程学科
大口径模块化空间可展天线支承结构撞击动力响应研究
金路, 钱晶晶, 田大可
2022, 39(S): 342-349. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.S045
摘要:
空间可展天线在轨运行时可能会受到空间碎片的高速撞击,为研究天线支承结构受高速撞击时的动力响应特性,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了大口径模块化空间可展天线支承结构撞击动力模型。基于已有网壳结构的高速撞击试验,验证撞击模型的有效性。经与显式动力模型计算结果对比验证,提出了一种有效的撞击动力分析等效模型,分析了不同撞击位置和不同撞击速度参数对天线支承结构的撞击动态响应、破坏模式及关键杆件和整体结构变形性能的影响。结果表明:撞击点越靠近结构形心,撞击影响区域越大;高速撞击时破坏模式均为撞击区域小局部凹陷或击穿,结构整体稳定性较好;天线结构的最大变形通常发生在撞击点处,最不利撞击点为离约束最远端结构边缘,应对该处采取安全防护措施;随着撞击速度由高速增至超高速,撞击点处结构整体变形增大,但撞击响应区域呈先增大后减小趋势;撞击速度20 km/s时被撞击杆件快速发生冲剪破坏,整体结构变形区域最小。
基于边界模态的结构密封胶损伤识别实验研究
江坤, 潘旦光, 张喜臣, 胡乃冬
2022, 39(S): 350-355. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S046
摘要:
根据隐框玻璃幕墙面板单元结构密封胶损伤位于面板单元边界的特点,提出基于边界模态构建平均边界模态保证准则、平均边界曲率模态差变化率和平均边界模态应变能变化率3个新的损伤指标进行损伤识别。然后,进行一个长2.06 m、宽1.46 m的隐框面板单元的模态试验,研究边界模态损伤指标及固有频率、传统模态保障准则随损伤程度的变化规律。试验研究结果表明:当结构密封胶损伤程度小于5%时,前6阶固有频率和传统模态保证准则难以进行结构密封胶的局部损伤识别;当结构密封胶损伤1%时,所提三个基于边界模态的损伤指标均大于9%,且随着损伤的增大而增大,均能有效识别损伤,其中平均边界曲率模态差变化率在损伤边的变化大于未损伤边,可进一步用于损伤边的识别。
三维负泊松比星型结构冲击动力学研究
杨泽水, 薛玉祥, 刘爱荣
2022, 39(S): 356-363. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S057
摘要:
在传统二维负泊松比星型结构基础上延展,提出了一种新型三维负泊松比星型结构。三维负泊松比星型结构具有质量更轻、材料利用率更高、抗冲击性能强和实用性强等优点。通过冲击试验和有限元模拟,对其在不同冲击速度下的变形行为模式和力学响应、及在不同设计角度下的吸能特性和抗冲击性能进行了深入的研究。结果表明:三维负泊松比星型结构在冲击过程中的力学响应可大致分为应力上升阶段、应力平台阶段、平台应力增强阶段和密实阶段,并且随着冲击速度和设计角度的增大,模型的平台应力和单位质量吸能随之增大,其中40°模型在冲击过程中具有“米”字型效应,能够较大提高结构的抗冲击性。
周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析
董可杰, 刘爱荣, 唐浩, 杨智诚
2022, 39(S): 364-369. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S061
摘要:
能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。
其他工程学科
功能梯度石墨烯增强复合材料拱在脉冲荷载下的动力屈曲分析
陈碧静, 黄永辉, 杨智诚, 刘爱荣
2022, 39(S): 370-376. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S024
摘要:
采用有限元方法分析了矩形脉冲荷载作用下功能梯度石墨烯增强复合材料拱的动态力学响应,提出了通过参考比较拱静态屈曲路径和拱动态位移响应峰值来判断拱动力屈曲荷载和临界时间的方法。在此基础上,通过参数研究,详细分析了 GPLs 分布模式、质量分数、形状尺寸及荷载持续时间对拱动态响应的影响。结果表明:很少掺量的 GPLs 即可显著提高拱的动力屈曲荷载,X 型 GPLs 分布模式对拱动力稳定性的增强效果最好,在其他参数不变的情况下,表面积越大且厚度越薄的 GPLs 的增强效果越明显。
竖向均布周期荷载下功能梯度材料圆弧拱面内参数共振失稳研究
唐浩, 刘爱荣, 李伟财
2022, 39(S): 377-383. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S025
摘要:
基于拉格朗日原理和哈密顿原理推导了竖向均布周期荷载作用下的功能梯度圆弧拱的动力平衡方程,运用Bolotin方法得到周期为2T的参数共振不稳定域解析解,并与有限元数值模拟结果进行了对比,验证了理论计算结果的正确性。对比分析了均匀孔隙分布(Type1)、线性孔隙分布(Type2)、二次孔隙分布(Type3)、非线性孔隙分布(Type4)对功能梯度圆弧拱面内参数共振不稳定区域的影响,并针对矢跨比与阻尼比对功能梯度圆弧拱参数共振的影响进行了参数分析。结果表明:四种孔隙分布中,二次孔隙分布(Type3)条件下拱的自振频率显著增加,不稳定域更狭窄。同时,参数共振不稳定域受矢跨比与阻尼比的影响较大,矢跨比增大会造成拱自振频率减小,参数共振不稳定域向低频方向移动。
速率加载历史对铁磁性材料压磁磁场演变规律的影响
包胜, 赵政烨, 杨健, 顾益斌
2022, 39(S): 384-388, 396. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.07.S027
摘要:
以往的研究已经证明加载速率会对铁磁性材料的力学行为和周围压磁磁场产生影响,为了进一步研究历史加载速率对后续压磁磁场演变规律的作用,对Q345工程结构钢进行了一系列循环拉伸试验,采用磁通仪对试件压磁磁场进行在线监测,研究试件在经历不同的历史加载速率后,其压磁磁场的演变规律。结果表明:加载速率历史是影响压磁磁场演变的重要因素之一。
台风“玛莉亚”风场WRF模拟及最大风速半径的非对称特性
钟茜, 魏凯, 沈忠辉, 遆子龙
2022, 39(S): 389-396. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S038
摘要:
台风具有极强的破坏性,准确重现台风风场是保证台风影响区结构安全的关键。最大风速半径作为台风场计算的关键参数之一,研究其分布特性十分重要。以对我国产生严重影响的1808号超强台风“玛莉亚”为例,借助中尺度数值预报模式WRF,开展了该台风期间风场的精细化模拟。为保证模拟风场的准确性,共设置了7种参数化方案组合进行对比。利用最优的模拟结果对风场的分布特点进行研究,分析了地形变化对台风结构的影响。搜索出台风各方向的最大风速半径,并引入工程中常用的Holland气压模型及参数风场中的梯度风速来说明最大风速半径非对称性的影响。研究表明:不同微物理方案对台风“玛莉亚”路径模拟的影响很小,但对海面最低气压有一定影响,采用Lin微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案,模拟效果较好;台风“玛莉亚”期间风场受下垫面地形变化影响较大,当地形由海面转为陆地时,风速逐渐下降;最大风速半径具有较强非对称性,忽略其非对称性会影响径向气压和风速的分布。