2021年 第38卷 第4期
2021, 38(4): 1-7, 92.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.08.ST09
摘要:
混凝土是现代土木工程建设的基础和关键结构材料，现代工程建设的发展对混凝土性能提出新的挑战。水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化最重要的产物(约占水化产物的70%)，也是混凝土中最重要的胶结性物质，起到胶结砂石骨料、发挥强度的关键作用。在微观尺度上，C-S-H是一种多孔介质材料，组成结构十分复杂。因此，对C-S-H微观力学性能进行解析和设计，是认识和提高水泥基材料宏观力学性能的关键，同时也是混凝土研究领域的基础科学问题。该文旨在介绍混凝土微观力学性能表征方法、混凝土微观力学计算理论以及其在混凝土应用过程的新发现，同时展望混凝土微观力学在工程建设中的应用。
混凝土是现代土木工程建设的基础和关键结构材料，现代工程建设的发展对混凝土性能提出新的挑战。水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化最重要的产物(约占水化产物的70%)，也是混凝土中最重要的胶结性物质，起到胶结砂石骨料、发挥强度的关键作用。在微观尺度上，C-S-H是一种多孔介质材料，组成结构十分复杂。因此，对C-S-H微观力学性能进行解析和设计，是认识和提高水泥基材料宏观力学性能的关键，同时也是混凝土研究领域的基础科学问题。该文旨在介绍混凝土微观力学性能表征方法、混凝土微观力学计算理论以及其在混凝土应用过程的新发现，同时展望混凝土微观力学在工程建设中的应用。
2021, 38(4): 8-19.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0313
摘要:
依据基于复阻尼模型的滞变阻尼模型，创建了改进滞变阻尼模型在复数域内的拉氏运动方程以及对应的时域运动方程。改进滞变阻尼模型克服了复阻尼模型的时域发散问题，并能保证有阻尼自振频率随损耗因子增大而减小。依据外激励加速度的识别方法，结合改进滞变阻尼模型的时域运动方程特点，分别提出了基于傅里叶变换的时域计算方法和基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法。算例分析表明：基于傅里叶变换的时域计算方法是一种全局过程的计算方法，可计算任意时刻的结构动力响应，但计算量大；基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法是一种时域逐步计算方法，计算量小，适用范围更广，但计算误差不易估计。
依据基于复阻尼模型的滞变阻尼模型，创建了改进滞变阻尼模型在复数域内的拉氏运动方程以及对应的时域运动方程。改进滞变阻尼模型克服了复阻尼模型的时域发散问题，并能保证有阻尼自振频率随损耗因子增大而减小。依据外激励加速度的识别方法，结合改进滞变阻尼模型的时域运动方程特点，分别提出了基于傅里叶变换的时域计算方法和基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法。算例分析表明：基于傅里叶变换的时域计算方法是一种全局过程的计算方法，可计算任意时刻的结构动力响应，但计算量大；基于希尔伯特-黄变换的时域计算方法是一种时域逐步计算方法，计算量小，适用范围更广，但计算误差不易估计。
2021, 38(4): 20-29.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0346
摘要:
确保跨地震断层土木工程结构和设施的安全，减轻因断层错动造成的工程灾害损失是建设具有韧性的土木工程系统无法回避的难题。随着我国重特大工程建设向深地、深海和中西部地区的转移，跨断层土木工程安全问题日益突出。通过对近年来典型大地震断层区的地质、工程结构和设施灾害的回顾与分析，指出开展跨断层土木工程结构和设施的破坏性实验研究、研发断层模拟实验装置的必要性和紧迫性。分析阐述了国内外跨断层土木工程结构和设施的损伤和破坏机制与减灾技术研究现状，探讨了借助地震振动台模拟断层运动开展跨断层结构试验研究存在的问题，总结了地震断层模拟实验装置研发面临的主要难题。以期能为断层模拟试验装置的研发、设计制造、规划建设和相关试验研究提供参考与借鉴。
确保跨地震断层土木工程结构和设施的安全，减轻因断层错动造成的工程灾害损失是建设具有韧性的土木工程系统无法回避的难题。随着我国重特大工程建设向深地、深海和中西部地区的转移，跨断层土木工程安全问题日益突出。通过对近年来典型大地震断层区的地质、工程结构和设施灾害的回顾与分析，指出开展跨断层土木工程结构和设施的破坏性实验研究、研发断层模拟实验装置的必要性和紧迫性。分析阐述了国内外跨断层土木工程结构和设施的损伤和破坏机制与减灾技术研究现状，探讨了借助地震振动台模拟断层运动开展跨断层结构试验研究存在的问题，总结了地震断层模拟实验装置研发面临的主要难题。以期能为断层模拟试验装置的研发、设计制造、规划建设和相关试验研究提供参考与借鉴。
2021, 38(4): 30-43.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0349
摘要:
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，简称UHPC)桥面板具有良好的应用前景。桥面板在车轮荷载作用下存在冲切和弯曲问题，以此为背景设计了系列UHPC板件试验，主要研究板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响，分析了不同试件的破坏模式、挠度、应变分布以及整体延性等，并提出UHPC板抗冲切极限承载力计算方法。试验结果表明：UHPC板的破坏模式包括冲切破坏、弯曲破坏和二者混合的冲弯破坏；相比于C50混凝土板，UHPC板的刚度、抗冲切承载力及位移延性有显著提高；随着板厚增大、保护层厚度减小、加载区域增大，UHPC板的抗冲切承载力提高。经过试验数据验证，抗冲切及抗弯承载力的计算值与试验值吻合良好。
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，简称UHPC)桥面板具有良好的应用前景。桥面板在车轮荷载作用下存在冲切和弯曲问题，以此为背景设计了系列UHPC板件试验，主要研究板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响，分析了不同试件的破坏模式、挠度、应变分布以及整体延性等，并提出UHPC板抗冲切极限承载力计算方法。试验结果表明：UHPC板的破坏模式包括冲切破坏、弯曲破坏和二者混合的冲弯破坏；相比于C50混凝土板，UHPC板的刚度、抗冲切承载力及位移延性有显著提高；随着板厚增大、保护层厚度减小、加载区域增大，UHPC板的抗冲切承载力提高。经过试验数据验证，抗冲切及抗弯承载力的计算值与试验值吻合良好。
2021, 38(4): 44-53.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.01.0051
摘要:
单桩基础是当前海上风电常用的基础形式，常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时，API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度，引起桩基水平位移计算结果不准确。因此，分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素；对p-y曲线模型中的关键参数进行修正；根据FLAC3D数值模拟计算结果，引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响，建立修正p-y曲线模型。在此基础上，开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证，与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比；结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好，验证了建立的修正模型的合理性。
单桩基础是当前海上风电常用的基础形式，常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时，API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度，引起桩基水平位移计算结果不准确。因此，分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素；对p-y曲线模型中的关键参数进行修正；根据FLAC3D数值模拟计算结果，引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响，建立修正p-y曲线模型。在此基础上，开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证，与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比；结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好，验证了建立的修正模型的合理性。
2021, 38(4): 54-67.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0317
摘要:
对2个2/3缩尺的单跨双半层含端板螺栓连接Q235耗能梁段钢框筒子结构试件进行了两阶段低周反复荷载试验，以研究其抗震性能、耗能梁段的可更换性和耗能梁段长度的影响。采用耗能梁段腹板试样的拉压往复试验结果标定了混合强化模型参数，利用子结构试件的试验结果验证了有限元模型的有效性，并研究了耗能梁段长度和腹板面积的影响。研究结果表明：耗能梁段的可更换最大层间位移角分别可达到0.43%、0.39%，耗能梁段的替换可以使结构的性能恢复到初始水平，耗能梁段的超强系数和破坏塑性转角分别大于Popov等建议的1.5和AISC341所给的限值0.08 rad；子结构有良好的延性，耗能梁段长的子结构的延性系数、累积耗能大于耗能梁段短的子结构的相应值；破坏模式为耗能梁段加劲肋倒角处的焊缝裂纹扩展延伸引起的腹板撕裂；建议耗能长度取柱中心距的0.10倍~0.24倍，长度比取0.55~1.32；耗能梁段腹板面积对子结构的承载力、累积耗能影响较大。
对2个2/3缩尺的单跨双半层含端板螺栓连接Q235耗能梁段钢框筒子结构试件进行了两阶段低周反复荷载试验，以研究其抗震性能、耗能梁段的可更换性和耗能梁段长度的影响。采用耗能梁段腹板试样的拉压往复试验结果标定了混合强化模型参数，利用子结构试件的试验结果验证了有限元模型的有效性，并研究了耗能梁段长度和腹板面积的影响。研究结果表明：耗能梁段的可更换最大层间位移角分别可达到0.43%、0.39%，耗能梁段的替换可以使结构的性能恢复到初始水平，耗能梁段的超强系数和破坏塑性转角分别大于Popov等建议的1.5和AISC341所给的限值0.08 rad；子结构有良好的延性，耗能梁段长的子结构的延性系数、累积耗能大于耗能梁段短的子结构的相应值；破坏模式为耗能梁段加劲肋倒角处的焊缝裂纹扩展延伸引起的腹板撕裂；建议耗能长度取柱中心距的0.10倍~0.24倍，长度比取0.55~1.32；耗能梁段腹板面积对子结构的承载力、累积耗能影响较大。
2021, 38(4): 68-79.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0323
摘要:
建立温度-位移相关模型是开展基于位移响应的大跨桥梁性能评估的关键步骤。该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络的多元温度-位移相关模型建立方法。充分利用LSTM神经网络能够考虑位移时滞效应和适合处理超长数据序列的优势，采用自适应矩估计方法对LSTM神经网络进行优化，并引入丢弃正则化技术提升模型的预测能力。在此基础上，基于一座三跨连续系杆拱桥长期同步监测的温度和位移数据，讨论了影响该桥主梁竖向位移的主要温度变量，并建立了多元温度-位移的LSTM神经网络模型，与基于误差反向传播(BP)神经网络的多元温度-位移相关模型进行了比较。研究结果表明：构件有效温度与主梁竖向位移具有明显的非线性关系，构件间温差和主拱温度梯度与主梁竖向位移呈线性相关性；主拱有效温度和主梁与主拱的温差是引起该桥主梁竖向位移的主要温度变量；相比于BP神经网络模型，该文提出的LSTM神经网络模型能够大幅降低温度位移的重构误差和预测误差。
建立温度-位移相关模型是开展基于位移响应的大跨桥梁性能评估的关键步骤。该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络的多元温度-位移相关模型建立方法。充分利用LSTM神经网络能够考虑位移时滞效应和适合处理超长数据序列的优势，采用自适应矩估计方法对LSTM神经网络进行优化，并引入丢弃正则化技术提升模型的预测能力。在此基础上，基于一座三跨连续系杆拱桥长期同步监测的温度和位移数据，讨论了影响该桥主梁竖向位移的主要温度变量，并建立了多元温度-位移的LSTM神经网络模型，与基于误差反向传播(BP)神经网络的多元温度-位移相关模型进行了比较。研究结果表明：构件有效温度与主梁竖向位移具有明显的非线性关系，构件间温差和主拱温度梯度与主梁竖向位移呈线性相关性；主拱有效温度和主梁与主拱的温差是引起该桥主梁竖向位移的主要温度变量；相比于BP神经网络模型，该文提出的LSTM神经网络模型能够大幅降低温度位移的重构误差和预测误差。
2021, 38(4): 80-92.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0326
摘要:
考虑局部屈曲影响的恢复力模型是对薄柔框架结构进行抗震分析的基础。为得到H形截面钢构件绕不同主轴压弯的截面层次的弯矩-曲率恢复力模型，对薄柔H形截面钢构件单轴压弯的滞回性能进行了有限元参数分析。基于试验及参数分析结果，建立了考虑板件局部屈曲相关作用引起的各项退化的恢复力模型，该模型按照退化阶段加载刚度是否有滞升现象分成两种退化模型，绕强轴压弯与腹板有屈曲的绕弱轴压弯采用一般退化模型，腹板无屈曲的弱轴压弯采用刚度滞升模型。通过与多个不同宽厚比、轴压比组配截面的试验与有限元分析结果进行对比，证明了所提恢复力模型正确性与适用性。该文提出的模型体现了薄柔H形截面在屈曲后仍具有一定的延性和耗能能力，这表明在抗震设计中是可以利用的，为轻钢体系建筑的性能化设计提供了设计依据。
考虑局部屈曲影响的恢复力模型是对薄柔框架结构进行抗震分析的基础。为得到H形截面钢构件绕不同主轴压弯的截面层次的弯矩-曲率恢复力模型，对薄柔H形截面钢构件单轴压弯的滞回性能进行了有限元参数分析。基于试验及参数分析结果，建立了考虑板件局部屈曲相关作用引起的各项退化的恢复力模型，该模型按照退化阶段加载刚度是否有滞升现象分成两种退化模型，绕强轴压弯与腹板有屈曲的绕弱轴压弯采用一般退化模型，腹板无屈曲的弱轴压弯采用刚度滞升模型。通过与多个不同宽厚比、轴压比组配截面的试验与有限元分析结果进行对比，证明了所提恢复力模型正确性与适用性。该文提出的模型体现了薄柔H形截面在屈曲后仍具有一定的延性和耗能能力，这表明在抗震设计中是可以利用的，为轻钢体系建筑的性能化设计提供了设计依据。
2021, 38(4): 93-101.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0327
摘要:
该文旨在通过改变冷弯型钢的截面尺寸来提高其承载力和延性。基于ABAQUS有限元软件建立已有试验模型，计算了不同尺寸下的腹板翼缘加劲截面和腹板加劲的折叠翼缘截面的抗弯承载力及延性，分析了上述2种截面的几何尺寸与抗弯承载力及延性的关系，并采用人工神经网络(ANNs)和遗传算法(GA)对截面尺寸进行优化；采用逼近理想解排序法(TOPSIS)分别确定了2种截面的最佳截面尺寸并提出截面尺寸的优化设计公式。结果表明：对壁厚为1.5 mm的冷弯薄壁型钢构件，在一定范围内增加截面腹板高度可以提高其抗弯承载力，采用较小的平翼缘宽度可以提高其延性，设置加劲肋的措施可以略微增加结构抗弯承载力但显著提高结构延性；在所研究的截面中，腹板加劲的折叠翼缘截面具有更好的力学性能。
该文旨在通过改变冷弯型钢的截面尺寸来提高其承载力和延性。基于ABAQUS有限元软件建立已有试验模型，计算了不同尺寸下的腹板翼缘加劲截面和腹板加劲的折叠翼缘截面的抗弯承载力及延性，分析了上述2种截面的几何尺寸与抗弯承载力及延性的关系，并采用人工神经网络(ANNs)和遗传算法(GA)对截面尺寸进行优化；采用逼近理想解排序法(TOPSIS)分别确定了2种截面的最佳截面尺寸并提出截面尺寸的优化设计公式。结果表明：对壁厚为1.5 mm的冷弯薄壁型钢构件，在一定范围内增加截面腹板高度可以提高其抗弯承载力，采用较小的平翼缘宽度可以提高其延性，设置加劲肋的措施可以略微增加结构抗弯承载力但显著提高结构延性；在所研究的截面中，腹板加劲的折叠翼缘截面具有更好的力学性能。
2021, 38(4): 102-110, 122.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0330
摘要:
弱耦联体系由一系列支柱结构及柔性连接件组成，结构整体性差，支柱与连接件材料的阻尼特性差异显著。这两个特点造成了采用结构整体振型以及比例阻尼的常规抗震计算方法在处理弱耦联问题时的局限性。因此，从支柱及连接件的隔离体分析出发，构建考虑二者非比例阻尼的运动控制方程，并在频域对耦合的方程进行求解，从而避免对整体振型正交性条件的使用。通过弱耦联体系实例的振动台试验验证，在不同地震动输入下，此方法计算的顶部最大位移误差在1.2%~5.8%。与传统振型叠加法计算结果的对比分析证明：采用整体振型以及比例阻尼会高估弱耦联体系支柱间的耦联作用，从而造成更大的系统性误差。
弱耦联体系由一系列支柱结构及柔性连接件组成，结构整体性差，支柱与连接件材料的阻尼特性差异显著。这两个特点造成了采用结构整体振型以及比例阻尼的常规抗震计算方法在处理弱耦联问题时的局限性。因此，从支柱及连接件的隔离体分析出发，构建考虑二者非比例阻尼的运动控制方程，并在频域对耦合的方程进行求解，从而避免对整体振型正交性条件的使用。通过弱耦联体系实例的振动台试验验证，在不同地震动输入下，此方法计算的顶部最大位移误差在1.2%~5.8%。与传统振型叠加法计算结果的对比分析证明：采用整体振型以及比例阻尼会高估弱耦联体系支柱间的耦联作用，从而造成更大的系统性误差。
2021, 38(4): 111-122.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0333
摘要:
为研究单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏心受压性能，进行8根单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压试验，分别研究不同加载方向十字型钢偏心率和荷载偏心率对试件破坏模式、侧向挠度、荷载-挠度曲线和极限承载力的影响规律，建立该组合柱正截面受压承载力计算方法。结果表明：根据荷载偏心率的不同，组合柱表现出小偏心受压破坏和大偏心受压破坏两种形态，组合柱截面应变符合平截面假定。正向偏心时，十字型钢偏心率增大，试件极限承载力和变形能力小幅降低；负向偏心时，十字型钢偏心率对发生小偏心受压破坏的试件偏压性能影响较小，发生大偏心受压破坏的试件极限承载力随十字型钢偏心率增加略有提高；荷载偏心率增大，试件初始刚度和极限承载力降低。将单轴对称十字型钢偏于安全地换算成H型钢，采用规范JGJ 138−2016计算换算截面试件偏压承载力，计算结果偏于保守，采用该文提出的方法计算的试件偏压承载力与试验值吻合较好。
为研究单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏心受压性能，进行8根单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压试验，分别研究不同加载方向十字型钢偏心率和荷载偏心率对试件破坏模式、侧向挠度、荷载-挠度曲线和极限承载力的影响规律，建立该组合柱正截面受压承载力计算方法。结果表明：根据荷载偏心率的不同，组合柱表现出小偏心受压破坏和大偏心受压破坏两种形态，组合柱截面应变符合平截面假定。正向偏心时，十字型钢偏心率增大，试件极限承载力和变形能力小幅降低；负向偏心时，十字型钢偏心率对发生小偏心受压破坏的试件偏压性能影响较小，发生大偏心受压破坏的试件极限承载力随十字型钢偏心率增加略有提高；荷载偏心率增大，试件初始刚度和极限承载力降低。将单轴对称十字型钢偏于安全地换算成H型钢，采用规范JGJ 138−2016计算换算截面试件偏压承载力，计算结果偏于保守，采用该文提出的方法计算的试件偏压承载力与试验值吻合较好。
2021, 38(4): 123-135.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0337
摘要:
工字形钢筋混凝土(RC)矮墙在双主轴向均具有较高的强度和刚度，常用于低、中层建筑及核电站设施中。现有规范在预测工字形RC矮墙抗剪承载力时存在考虑参数不足、未考虑翼缘影响等问题，计算值于试验值相比离散性也较大。该文建立了一个包含有152个试件的参数详尽的工字形RC矮墙试验数据库。并以此为基础，比对分析了多国规范的在预测此类墙抗剪承载力上的表现。同时，基于腹板裂纹分布，建立了考虑翼缘影响的工字形RC矮墙抗剪承载力计算模型，并利用力平衡推导出相应公式。结果表明：较各国规范，该文提出的公式预测精度更高，所得计算值与实测值之比的均值为1，变异系数也较小。其成果可为RC剪力墙的设计和规范公式的修订提供指导。
工字形钢筋混凝土(RC)矮墙在双主轴向均具有较高的强度和刚度，常用于低、中层建筑及核电站设施中。现有规范在预测工字形RC矮墙抗剪承载力时存在考虑参数不足、未考虑翼缘影响等问题，计算值于试验值相比离散性也较大。该文建立了一个包含有152个试件的参数详尽的工字形RC矮墙试验数据库。并以此为基础，比对分析了多国规范的在预测此类墙抗剪承载力上的表现。同时，基于腹板裂纹分布，建立了考虑翼缘影响的工字形RC矮墙抗剪承载力计算模型，并利用力平衡推导出相应公式。结果表明：较各国规范，该文提出的公式预测精度更高，所得计算值与实测值之比的均值为1，变异系数也较小。其成果可为RC剪力墙的设计和规范公式的修订提供指导。
2021, 38(4): 136-149.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0359
摘要:
颗粒阻尼技术因减振效果好、作用频带宽等优点使其在土木工程领域中具有良好的应用前景，然而因其具有高度复杂的非线性力学特性，并缺少合理的力学模型，限制了其在实际工程中的应用和发展。鉴于此，以土木工程应用为背景，在不考虑阻尼颗粒发生堆积的前提下，通过引入惯容器来考虑颗粒群滚动对阻尼器减振机理及减振效果影响，建立了考虑惯容的多颗粒阻尼器等效单颗粒力学模型；结合颗粒运动状态，分别进行了未碰撞时及碰撞发生后多颗粒阻尼器单自由度结构的响应分析，重点探讨了惯容系数对未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞发生后周期2次碰撞稳态解析解的影响规律，并采用数值仿真和试验方法进行验证。结果表明，考虑惯容属性后等效模型能够进一步明晰多颗粒阻尼器由于颗粒群滚动引起的非线性特性，惯容系数对多颗粒阻尼器未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞后周期运动解析解存在的边界条件及稳定性具有显著影响。进行的周期2次碰撞理论解析为颗粒阻尼器进一步参数影响分析及减振机理分析提供理论基础。
颗粒阻尼技术因减振效果好、作用频带宽等优点使其在土木工程领域中具有良好的应用前景，然而因其具有高度复杂的非线性力学特性，并缺少合理的力学模型，限制了其在实际工程中的应用和发展。鉴于此，以土木工程应用为背景，在不考虑阻尼颗粒发生堆积的前提下，通过引入惯容器来考虑颗粒群滚动对阻尼器减振机理及减振效果影响，建立了考虑惯容的多颗粒阻尼器等效单颗粒力学模型；结合颗粒运动状态，分别进行了未碰撞时及碰撞发生后多颗粒阻尼器单自由度结构的响应分析，重点探讨了惯容系数对未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞发生后周期2次碰撞稳态解析解的影响规律，并采用数值仿真和试验方法进行验证。结果表明，考虑惯容属性后等效模型能够进一步明晰多颗粒阻尼器由于颗粒群滚动引起的非线性特性，惯容系数对多颗粒阻尼器未碰撞时动力放大系数频响曲线及碰撞后周期运动解析解存在的边界条件及稳定性具有显著影响。进行的周期2次碰撞理论解析为颗粒阻尼器进一步参数影响分析及减振机理分析提供理论基础。
2021, 38(4): 150-158, 178.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0281
摘要:
针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全，开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验，研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征，评价了风屏障对列车气动力的影响。结果表明：相比混凝土栏杆，风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值，但会增加整体俯仰和横摆力矩系数最不利值。采用风屏障将改变“气流−车−桥”间的相互作用机制，从而改变列车整体风力系数最不利值发生的龙卷风中心位置。风屏障高度对列车整体风力系数各分量的影响规律不相同。
针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全，开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验，研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征，评价了风屏障对列车气动力的影响。结果表明：相比混凝土栏杆，风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值，但会增加整体俯仰和横摆力矩系数最不利值。采用风屏障将改变“气流−车−桥”间的相互作用机制，从而改变列车整体风力系数最不利值发生的龙卷风中心位置。风屏障高度对列车整体风力系数各分量的影响规律不相同。
2021, 38(4): 159-168.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0366
摘要:
为了研究边柱失效工况下预应力拼接连接装配式结构的抗连续倒塌机理，在实验室开展了4个1/2缩尺预制梁-柱子结构模型试验。试验采用静载方式研究了3种预制装配式连接类型的抗连续倒塌性能。试验结果表明：采用不同连接类型的预制装配式子结构表现出不同的破坏模式；预应力拼接连接是一种有效抵抗连续倒塌的连接方式；采用混合连接结构抗力总是大于或等于钢绞线与角钢连接单独连接抗力之和；较高初始预应力可以增大试件在小变形阶段的抗力，但是会明显降低其大变形阶段的抗力。最后，通过商用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立有限元模型，并在验证模型之后分析了试验中没有量测的关键结果，比如梁端弯矩变化，随后对关键设计参数开展了拓展参数分析。有限元结果表明：采用有粘结预应力较无粘结预应力结构抗力提高明显。当增大混凝土强度时，结构抗力也会随之提升。增大轴压比，会加重边柱的P-Δ效应，从而降低结构的变形能力和极限承载力。
为了研究边柱失效工况下预应力拼接连接装配式结构的抗连续倒塌机理，在实验室开展了4个1/2缩尺预制梁-柱子结构模型试验。试验采用静载方式研究了3种预制装配式连接类型的抗连续倒塌性能。试验结果表明：采用不同连接类型的预制装配式子结构表现出不同的破坏模式；预应力拼接连接是一种有效抵抗连续倒塌的连接方式；采用混合连接结构抗力总是大于或等于钢绞线与角钢连接单独连接抗力之和；较高初始预应力可以增大试件在小变形阶段的抗力，但是会明显降低其大变形阶段的抗力。最后，通过商用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立有限元模型，并在验证模型之后分析了试验中没有量测的关键结果，比如梁端弯矩变化，随后对关键设计参数开展了拓展参数分析。有限元结果表明：采用有粘结预应力较无粘结预应力结构抗力提高明显。当增大混凝土强度时，结构抗力也会随之提升。增大轴压比，会加重边柱的P-Δ效应，从而降低结构的变形能力和极限承载力。
2021, 38(4): 169-178.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0370
摘要:
带可更换构件的RCS混合框架结构作为一种新型的可恢复功能结构，其抗震设计方法尚不明确。基于其结构受力特性及现行抗震规范中性能水准的划分，提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准，明确了结构在不同性能水准下的受力状态和指标限值。将弹性刚度比和屈服位移比作为结构设计控制参数，提出了基于双参数的带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法, 并给出了抗震设计的具体实施步骤和构件截面设计方法。通过非线性静力分析及动力时程分析，对一幢3层带可更换构件的RCS混合框架结构进行抗震设计。分析结果表明：结构能满足预期的不同性能水准，所提抗震设计方法是有效性的。
带可更换构件的RCS混合框架结构作为一种新型的可恢复功能结构，其抗震设计方法尚不明确。基于其结构受力特性及现行抗震规范中性能水准的划分，提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准，明确了结构在不同性能水准下的受力状态和指标限值。将弹性刚度比和屈服位移比作为结构设计控制参数，提出了基于双参数的带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法, 并给出了抗震设计的具体实施步骤和构件截面设计方法。通过非线性静力分析及动力时程分析，对一幢3层带可更换构件的RCS混合框架结构进行抗震设计。分析结果表明：结构能满足预期的不同性能水准，所提抗震设计方法是有效性的。
2021, 38(4): 179-190.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0373
摘要:
高速铁路连续梁桥边墩沉降将造成其上简支与连续梁桥的共同变形，边墩不均匀沉降差引起的轨道几何形位改变直接影响列车运行平稳性和安全性。该文基于APDL建立考虑引桥与路基及其上轨道结构影响的高速铁路CRTS II型无砟轨道-变截面连续梁桥系统精细化仿真模型，通过大量的仿真计算，探明了边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的轨道层间变形协调机理。基于线性回归方法获得了不同连续梁桥跨度条件下，边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的层间变形协调关系的定量函数表达式，进而采用该仿真模型、文献模型及列车-轨道-桥梁耦合动力学理论验证其拟合精度和正确性。最后基于定量函数表达式研究了边墩不均匀沉降差对列车运行平稳性和安全性的影响。结果表明：三种模型计算结果吻合良好，说明该文定量函数表达式具有较高精度；在边墩不均匀沉降工况下，存在激振频率接近车体自振频率的临界跨度，发生共振时，显著恶化列车运行平稳性；采用大跨度连续梁桥可有效降低边墩不均匀沉降差、提升乘坐舒适度、降低轮轨力及缓和列车与轨道动态作用效应；沉降差小于25 mm时，轮重减载率随跨度的增大而显著减小。
高速铁路连续梁桥边墩沉降将造成其上简支与连续梁桥的共同变形，边墩不均匀沉降差引起的轨道几何形位改变直接影响列车运行平稳性和安全性。该文基于APDL建立考虑引桥与路基及其上轨道结构影响的高速铁路CRTS II型无砟轨道-变截面连续梁桥系统精细化仿真模型，通过大量的仿真计算，探明了边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的轨道层间变形协调机理。基于线性回归方法获得了不同连续梁桥跨度条件下，边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的层间变形协调关系的定量函数表达式，进而采用该仿真模型、文献模型及列车-轨道-桥梁耦合动力学理论验证其拟合精度和正确性。最后基于定量函数表达式研究了边墩不均匀沉降差对列车运行平稳性和安全性的影响。结果表明：三种模型计算结果吻合良好，说明该文定量函数表达式具有较高精度；在边墩不均匀沉降工况下，存在激振频率接近车体自振频率的临界跨度，发生共振时，显著恶化列车运行平稳性；采用大跨度连续梁桥可有效降低边墩不均匀沉降差、提升乘坐舒适度、降低轮轨力及缓和列车与轨道动态作用效应；沉降差小于25 mm时，轮重减载率随跨度的增大而显著减小。
2021, 38(4): 191-199, 210.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0376
摘要:
为研究锈损对冷弯薄壁型钢短柱受压承载性能的影响，设计加工了6个轴压及6个绕强轴偏心受压短柱试件，首先通过拉伸试验，分析了材料力学性能与锈蚀程度间的关系，然后对试件进行承载力试验，分析其破坏模式、极限承载力及变形特征等特性，结果表明：锈损钢材的屈服、抗拉强度、弹性模量及伸长率均随锈蚀程度的增加呈线性下降趋势。锈损未使短柱试件的最终破坏模式发生变化，但随着偏心距的增大，试件由腹板局部屈曲变为以畸变屈曲为主的耦合破坏模式；在相同锈蚀率条件下，轴压试件的极限承载能力较偏压试件退化更明显。采用ABAQUS有限元软件对试件进行数值模拟，计算结果表明其能够较好的预测试件承载力及屈曲行为。
为研究锈损对冷弯薄壁型钢短柱受压承载性能的影响，设计加工了6个轴压及6个绕强轴偏心受压短柱试件，首先通过拉伸试验，分析了材料力学性能与锈蚀程度间的关系，然后对试件进行承载力试验，分析其破坏模式、极限承载力及变形特征等特性，结果表明：锈损钢材的屈服、抗拉强度、弹性模量及伸长率均随锈蚀程度的增加呈线性下降趋势。锈损未使短柱试件的最终破坏模式发生变化，但随着偏心距的增大，试件由腹板局部屈曲变为以畸变屈曲为主的耦合破坏模式；在相同锈蚀率条件下，轴压试件的极限承载能力较偏压试件退化更明显。采用ABAQUS有限元软件对试件进行数值模拟，计算结果表明其能够较好的预测试件承载力及屈曲行为。
2021, 38(4): 200-210.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0378
摘要:
有限元数值模拟中，超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式，通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场，探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明，采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入，且方法具有很高的计算精度，尤其对于SV波超临界角入射情况，有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合，解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。
有限元数值模拟中，超临界角斜入射SV波作用下层状地基的地震动输入是一个亟待解决的问题。该文采用层状地基频域内精确的动力刚度矩阵(即频域刚度矩阵法)推导了SV波任意角度斜入射下的地震动输入等效节点力计算公式，通过ABAQUS有限元软件模拟SV波斜入射下均匀半空间、层状地基的地震波场，探讨了基于频域刚度矩阵法的层状地基任意角度斜入射地震动输入应用于ABAQUS有限元软件的有效性和准确性。结果表明，采用频域刚度矩阵法可以在ABAQUS中实现层状地基任意角度斜入射SV波地震动输入，且方法具有很高的计算精度，尤其对于SV波超临界角入射情况，有限元数值模拟很好地再现了均匀半空间地表质点的椭圆型运动轨迹和层状地基的行波特点。在此基础上进一步将频域刚度矩阵法与等效线性化方法相结合，解决了考虑土体非线性的层状地基在任意角度平面波入射条件下的地震动输入问题。
2021, 38(4): 211-220.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0439
摘要:
现有疲劳分析中，通常将结构材料参数、几何尺寸等定义为确定性参数；实际结构中，相关参数均为有界但不确定变量，如按确定性参数估计结构的疲劳寿命是偏于不安全的。该文将结构体系中不确定参数定义为区间变量，在线性疲劳损伤累积理论基础上，提出一种仅需一次动力响应分析即可计算不确定结构在动力荷载作用下疲劳损伤的新方法。该方法将金属屋面板弹性模量和屋面板板厚等由于施工误差等因素引起的不确定参数定义为区间变量，通过摄动法和区间动力响应分析，计算屋面板在脉动风荷载作用下的应力响应区间；结合屋面板材料的S-N曲线，采用修正Miner疲劳线性累积准则对屋面板的疲劳损伤和寿命区间进行估计。结果表明：该文方法可有效计算考虑结构参数不确定条件下金属屋面板的疲劳损伤和寿命区间；与顶点法比较，该文方法仅需一次动力响应分析就可计算金属屋面板风致疲劳损伤和寿命区间。
现有疲劳分析中，通常将结构材料参数、几何尺寸等定义为确定性参数；实际结构中，相关参数均为有界但不确定变量，如按确定性参数估计结构的疲劳寿命是偏于不安全的。该文将结构体系中不确定参数定义为区间变量，在线性疲劳损伤累积理论基础上，提出一种仅需一次动力响应分析即可计算不确定结构在动力荷载作用下疲劳损伤的新方法。该方法将金属屋面板弹性模量和屋面板板厚等由于施工误差等因素引起的不确定参数定义为区间变量，通过摄动法和区间动力响应分析，计算屋面板在脉动风荷载作用下的应力响应区间；结合屋面板材料的S-N曲线，采用修正Miner疲劳线性累积准则对屋面板的疲劳损伤和寿命区间进行估计。结果表明：该文方法可有效计算考虑结构参数不确定条件下金属屋面板的疲劳损伤和寿命区间；与顶点法比较，该文方法仅需一次动力响应分析就可计算金属屋面板风致疲劳损伤和寿命区间。
2021, 38(4): 221-229, 246.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0341
摘要:
颗粒流润滑是一种可用于苛刻工况环境的新型润滑方式，颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的规律和特性是阐明颗粒流润滑理论的关键科学问题，也可以为极端工况环境下颗粒流润滑轴承的设计和参数选择提供技术支持。为了分析颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统宏、微观特性以及下摩擦副与颗粒润滑介质间摩擦的影响规律，构建了颗粒流润滑离散元数值模型，并对该问题进行了分析和研究。研究结果表明：颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统的减摩润滑特性具有显著影响，下摩擦副和颗粒润滑介质之间的平均摩擦系数会随着颗粒间摩擦的增大而增大；颗粒流润滑系统内的微观配位数和滑动率均随着颗粒间摩擦系数的减小而增大；颗粒润滑介质在摩擦副间隙的宏观流动行为具有明显的分层特性，且宏观流动速度随着颗粒间摩擦的增大而减小，进一步的分析结果表明：颗粒润滑介质的波动速度是直接反映其宏观流动速度快慢的关键性参数。
颗粒流润滑是一种可用于苛刻工况环境的新型润滑方式，颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的规律和特性是阐明颗粒流润滑理论的关键科学问题，也可以为极端工况环境下颗粒流润滑轴承的设计和参数选择提供技术支持。为了分析颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统宏、微观特性以及下摩擦副与颗粒润滑介质间摩擦的影响规律，构建了颗粒流润滑离散元数值模型，并对该问题进行了分析和研究。研究结果表明：颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统的减摩润滑特性具有显著影响，下摩擦副和颗粒润滑介质之间的平均摩擦系数会随着颗粒间摩擦的增大而增大；颗粒流润滑系统内的微观配位数和滑动率均随着颗粒间摩擦系数的减小而增大；颗粒润滑介质在摩擦副间隙的宏观流动行为具有明显的分层特性，且宏观流动速度随着颗粒间摩擦的增大而减小，进一步的分析结果表明：颗粒润滑介质的波动速度是直接反映其宏观流动速度快慢的关键性参数。
2021, 38(4): 230-246.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.09.0644
摘要:
Effective vibration recognition can improve the performance of vibration control and structural damage detection and is in high demand for signal processing and advanced classification. Signal-processing methods can extract the potent time-frequency-domain characteristics of signals; however, the performance of conventional characteristics-based classification needs to be improved. Widely used deep learning algorithms (e.g., convolutional neural networks (CNNs)) can conduct classification by extracting high-dimensional data features, with outstanding performance. Hence, combining the advantages of signal processing and deep-learning algorithms can significantly enhance vibration recognition performance. A novel vibration recognition method based on signal processing and deep neural networks is proposed herein. First, environmental vibration signals are collected; then, signal processing is conducted to obtain the coefficient matrices of the time-frequency-domain characteristics using three typical algorithms: the wavelet transform, Hilbert–Huang transform, and Mel frequency cepstral coefficient extraction method. Subsequently, CNNs, long short-term memory (LSTM) networks, and combined deep CNN-LSTM networks are trained for vibration recognition, according to the time-frequency-domain characteristics. Finally, the performance of the trained deep neural networks is evaluated and validated. The results confirm the effectiveness of the proposed vibration recognition method combining signal preprocessing and deep learning.
Effective vibration recognition can improve the performance of vibration control and structural damage detection and is in high demand for signal processing and advanced classification. Signal-processing methods can extract the potent time-frequency-domain characteristics of signals; however, the performance of conventional characteristics-based classification needs to be improved. Widely used deep learning algorithms (e.g., convolutional neural networks (CNNs)) can conduct classification by extracting high-dimensional data features, with outstanding performance. Hence, combining the advantages of signal processing and deep-learning algorithms can significantly enhance vibration recognition performance. A novel vibration recognition method based on signal processing and deep neural networks is proposed herein. First, environmental vibration signals are collected; then, signal processing is conducted to obtain the coefficient matrices of the time-frequency-domain characteristics using three typical algorithms: the wavelet transform, Hilbert–Huang transform, and Mel frequency cepstral coefficient extraction method. Subsequently, CNNs, long short-term memory (LSTM) networks, and combined deep CNN-LSTM networks are trained for vibration recognition, according to the time-frequency-domain characteristics. Finally, the performance of the trained deep neural networks is evaluated and validated. The results confirm the effectiveness of the proposed vibration recognition method combining signal preprocessing and deep learning.
2021, 38(4): 247-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0357
摘要:
局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为，推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式，编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序，开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验，进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析，对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明：VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力，模拟管道屈曲和屈曲传播行为，计算结果符合实际情况，与压溃试验、传统有限元方法符合较好，并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势，可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。
局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为，推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式，编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序，开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验，进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析，对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明：VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力，模拟管道屈曲和屈曲传播行为，计算结果符合实际情况，与压溃试验、传统有限元方法符合较好，并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势，可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。
