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  • 工程力学
    Engineering Mechanics
    (月刊,1984年创刊)
    主管单位:中国科学技术协会
    主办单位:中国力学学会
    主  编:陆新征
    编辑出版:《工程力学》编辑部
    ISSN 1000-4750 CN 11-2595/O3
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1. 新冠肺炎疫情临时医院排风的环境影响快速模拟方法
顾栋炼, 张银安, 刘华斌, 马友才, 曹晓庆, 吕中一, 解琳琳, 许镇, 徐永嘉, 郑哲, 杨参天, 陆新征
工程力学    DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0047
录用日期: 2020-02-10

2. 惯容减震(振)系统及其研究进展
张瑞甫, 曹嫣如, 潘超
工程力学    2019, 36 (10): 8-27.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0496
录用日期: 2019-04-12

摘要277)      PDF(pc) (3388KB)(262)    收藏
惯容是一种两端点加速度相关型新型结构控制元件。惯容减震(振)系统是包含惯容元件的结构振动控制系统。该文整理并总结了国内外学者在惯容及惯容减震(振)系统方面取得的大量研究成果,从惯容的实现机理、惯容减震(振)系统性能、惯容减震(振)结构体系的分析设计三个方面介绍、论述惯容的原理及其在减震(振)控制领域的发展历程与研究现状。相比于传统减震(振)系统,惯容减震(振)系统具有如下优势:能够实现惯性的灵活调整和频率的调节、改变结构惯性同时基本不改变结构的物理质量、提高惯容系统中消能器的耗能效率。该文旨在梳理惯容减震(振)系统的发展脉络与现状,为惯容减震(振)系统在结构振动控制中的应用提供理论依据和设计参考,以推进惯容减震(振)系统理论与实践的持续发展。
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3. 《结构理论史——探求平衡》概要
李国强, 吉唱
工程力学    2019, 36 (11): 13-26.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0665
录用日期: 2019-04-29

摘要253)      PDF(pc) (2376KB)(312)    收藏
近几十年来,力学和结构的发展日新月异,而结构理论的历史研究也已经引起了大家的广泛关注。作为科学史的一个分支,结构理论史提供了理解结构发展的一条捷径,在这一领域的代表性作品《结构理论史——从拱分析到计算力学》于2002年以德文出版。2008年,这本书的英文版出版,历经10年时间,于2018年再次以英文出版,并更名为《结构理论史——探求平衡》(The History of the Theory of Structures:Searching for Equilibrium)。该书以历史逻辑性(historico-logical)的视角介绍了结构理论的体系架构,按照时间顺序展示了自古希腊时期以来力学理论和工程实践错综复杂的发展历程,堪称结构理论发展的百科全书。笔者在拜读此书后撰写本文,进行简要的介绍,并重点介绍了结构理论发展史上的重要科学争论。
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4. 基于显式算法的RC框架结构抗地震倒塌能力分析
赵鹏举, 于晓辉, 陆新征
工程力学    2020, 37 (3): 77-87.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.0165
录用日期: 2019-07-19

摘要198)      PDF(pc) (705KB)(185)    收藏
相比于传统动力学分析所采用的隐式算法,显式算法非线性分析的收敛性更好,适宜用来分析结构在倒塌状态附近的强非线性行为。该文基于OpenSees软件平台,采用一种基于修正蛙跳法的显式算法,对按我国规范设计的6个钢筋混凝土(RC)框架结构的抗倒塌能力进行了评估,获得了结构的倒塌易损性曲线,计算得到了结构的倒塌裕度比。在分析过程中,该文对4种不同判据对抗地震倒塌能力的影响进行了分析。其中,第1和第2种判据分别对应我国和美国规范建议的弹塑性层间位移角限值1/50和4%;第3种判据以IDA(Incremental DynamicAnalysis,增量动力分析)曲线上切线斜率低于初始线弹性阶段斜率的20%时的点为结构倒塌点;第4种判据则以结构竖向位移达到1 m来定义结构倒塌状态。分析结果表明:显式算法具有更强的结构非线性分析能力,因此可以更好地模拟结构的倒塌极限状态。判据1~判据3更适宜在结构设计时被用来控制结构倒塌,而判据4利用了结构倒塌的物理意义,其评估结果更接近结构的真实抗倒塌能力。
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5. 社区地震安全韧性评估系统及应用示范
方东平, 李全旺, 李楠, 王飞, 刘影, 顾栋炼, 孙楚津, 潘胜杰, 侯冠杰, 汪飞, 陆新征
工程力学    DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0670
录用日期: 2020-04-03

6. 排式双翼布局低雷诺数气动特性计算研究
张庆, 叶正寅
工程力学    2019, 36 (10): 244-256.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0514
录用日期: 2019-06-25

摘要171)      PDF(pc) (17547KB)(75)    收藏
作为一种新型的气动布局形式,排式布局对低雷诺数流动具有较高的气动效率,适用于柔性可充气飞行器,比如充气式飞机或是高空飞艇。但是,由于前、后翼之间强烈的气动干扰现象,目前对此类布局的气动特性认识还十分有限。为了充分理解这种布局的气动特点,在前期风洞试验的基础上,开展了数值模拟工作,详细地研究了低雷诺数情况下翼型厚度、表面波纹状外形及后翼偏转角度等几何因素对此类飞行器气动特性的影响规律。计算结果表明,在计算的迎角范围内,排式布局能通过前后翼之间的气动干扰延缓或抑制机翼后缘处的流动分离,从而提高整体气动效率,因此排式布局在未来很适合应用于小型无人机或是飞艇等可充气式飞行器构型上。
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7. 混凝土与各向同性岩石强度理论研究进展
丁发兴, 吴霞, 向平, 余志武, 龚琛杰
工程力学    2020, 37 (2): 1-15.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.ST07
录用日期: 2019-12-20

摘要155)      PDF(pc) (785KB)(177)    收藏
强度理论是研究复杂应力状态下材料是否破坏的理论,该文总结了古典强度理论以及混凝土和各向同性岩石等两类现代强度理论,将各项同性现代强度理论分为剪应力强度理论、八面体强度理论与主应力强度理论。通过收集国内外已有相关三轴实验数据对各种主要强度理论进行论述、比较与评价,在此基础上对混凝土和各向同性岩石的主应力空间损伤比强度理论进行展望。
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8. 基于自由振动响应识别桥梁断面颤振导数的人工蜂群算法
林阳, 封周权, 华旭刚, 陈政清
工程力学    2020, 37 (2): 192-200.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0143
录用日期: 2019-07-19

摘要153)      PDF(pc) (952KB)(104)    收藏
基于桥梁节段模型风洞试验自由振动衰减时程信号,提出了桥梁断面颤振导数识别的人工蜂群算法。基于最小二乘原理,将竖弯和扭转信号的整体残差平方和作为目标函数,使用人工蜂群算法对相关参数进行寻优搜索,识别出桥梁断面的颤振导数。与其他迭代算法相比,人工蜂群算法是受生物启发产生的寻优算法,对初值没有要求,从而避免了迭代初值对识别精度的影响。为考察人工蜂群算法在桥梁断面颤振导数识别中的有效性,进行了理想平板模型仿真以及某大桥节段模型风洞试验,结果表明,桥梁断面颤振导数识别的人工蜂群算法具有较好的稳定性和可靠性。
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9. 一种修正的切比雪夫积分公式
钟宏志, 盛韵心
工程力学    2019, 36 (12): 1-6.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0712
录用日期: 2019-06-06

摘要147)      PDF(pc) (306KB)(159)    收藏
数值积分是一种重要的数值计算工具。基于切比雪夫等权系数积分公式,引入区间端部积分点,提出了一种修正的切比雪夫数值积分公式,突破了因实数节点切比雪夫等权系数积分公式阶数不超过9而在实际应用中受到的限制,也因增加了端点使其能够运用于弱形式求积元分析。经过在积分计算和梁杆的线性与非线性问题弱形式求积元分析中的应用,并与求解问题的精确解及采用洛巴托积分的结果进行对比,证明了所提出的修正的切比雪夫积分公式的准确性和有效性。
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10. 建筑隔震金属柔性管道抗震性能试验研究
卢嘉茗, 解琳琳, 李爱群, 曾德民, 杨参天, 杜红凯
工程力学    2020, 37 (5): 208-216.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0402
录用日期: 2019-10-18

摘要145)      PDF(pc) (3823KB)(97)    收藏
隔震层中具有大变形需求的柔性管道显著影响隔震建筑的震后功能可恢复能力,然而目前对于柔性管道抗震性能的研究还相对较少。该文以量大面广且承载重要功能的竖向安装金属柔性管道为研究对象,考虑实际工程应用现状和相关规范建议,以400 mm变形为目标,以公称内径、管道安装长度、管道设计长度为研究变量,共设计了9组27个试件,进行了抗震性能试验,研究了金属柔性管道的损伤演化模式、关键损伤状态及其变形和承载能力。结果表明:目前工程上采用的柔性管道设计方案无法满足大变形需求或存在安全隐患,规范建议的方案则可很好地满足目标;对于破坏的柔性管道主要经历两个关键状态,即外金属套网绷直和单侧完全拔出破坏,破坏后无法承受工作压强需要更换;水平变形能力主要取决于管道安装长度和管道设计长度,随两者的增大而增大;破坏主要取决于管道受拉竖向荷载分量,该分量近似正比于公称内径,破坏水平荷载随着公称内径和极限水平位移的增大而增大。该文的研究成果可为建筑隔震金属柔性管道的抗震设计和易损性研究提供重要参考。
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11. 大型水平轴风力机新型叶片结构设计思想和研究进展
杨阳, 曾攀, 雷丽萍
工程力学    2019, 36 (10): 1-7.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST04
录用日期: 2019-01-22

摘要143)      PDF(pc) (918KB)(200)    收藏
该文首先阐释了在风力机大型化发展过程中叶片结构设计的主要问题在于大型叶片对综合结构性能的高要求与轻量化、气动性能之间的矛盾,传统悬臂梁结构叶片的承载特性限制了叶片进一步大型化发展的空间,新型叶片结构的设计开发是解决这一问题的有效手段。新型叶片结构的设计思想按其着眼点主要包括仿生柔性设计思想、分段设计思想和局部附加结构的设计思想等。在此基础上,该文综述了近年来新型叶片结构的研究进展,为大型叶片结构设计提供了参考。
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12. 考虑剪切作用的盾构隧道管片接头力学模型研究
耿萍, 唐睿, 陈枰良, 郭翔宇, 何川, 张艳阳
工程力学    2020, 37 (3): 157-166.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.0213
录用日期: 2019-08-02

摘要142)      PDF(pc) (763KB)(45)    收藏
目前使用较广泛的盾构隧道管片接头研究模型往往视切向为刚性,大多考虑了轴力与弯矩的共同作用而忽视了剪力作用。然而剪切力可能会使接头位置发生剪切位移,严重时可能引起管片剪切破坏、隧道错台等。该文将轴向、切向和转动三个方向的位移作为已知荷载,分别推导接头区域内螺栓与混凝土结构的刚度矩阵,然后对刚度矩阵进行合成,得到管片接头考虑剪切时的力学模型。并以狮子洋盾构隧道工程为依托,对比了有限元法与该模型的计算结果。研究表明,模型与有限元法计算的结果规律相同,两者具有较好的一致性。该文建立的模型考虑了轴向、剪切及弯曲三个方向上荷载的耦合作用,使之更符合接头的实际情况。研究成果对补充管片接头力学模型有一定参考价值。
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13. 典型框架-核心筒单重与双重抗侧力体系的抗震性能与剪力分担研究
谢昭波, 解琳琳, 林元庆, 陆新征
工程力学    2019, 36 (10): 40-49.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.11.0635
录用日期: 2019-03-25

摘要141)      PDF(pc) (3435KB)(116)    收藏
在中国规范体系下,框架-核心筒结构应设计为双重抗侧力体系,其对二道防线的设计有明确的规定,即框架-核心筒体系的框架部分必须具有足够的抗侧刚度和承载力。国外的一些规范(如美国规范ASCE7等)则允许单重抗侧力体系,即水平荷载由剪力墙承担,框架部分只承担竖向荷载。因此,为了比较单重与双重抗侧力体系的抗震性能,该文首先根据中国规范设计一典型框架-核心筒双重抗侧力体系模型,然后在保持结构重力荷载代表值相等(混凝土用量基本不变)的前提下,基于以下调整原则设计了框架-核心筒单重抗侧力体系模型:1)在双重结构体系的基础上取消结构二道防线,即取消结构框架部分的楼层剪力调整;2)为了减小框架构件截面尺寸,该研究取消了框架构件抗震等级的要求,使筒体承受大部分的水平地震作用,而框架只承担结构的竖向荷载。该文对比分析了两种结构体系在多遇和罕遇地震作用下的响应特征和构件损伤情况,进而讨论两种体系的倒塌机理以及抗倒塌性能。最后讨论单重与双重体系在不同地震水准下,框架所承担剪力和剪力分担比的变化情况以及对应关键构件的破坏情况。研究表明:在地震作用下,双重抗侧力体系结构的响应略大于单重抗侧力体系,两者的抗倒塌能力相当。然而,单重体系的用钢量比双重体系少。
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14. 非连续变形分析的若干问题
凌道盛, 巩师林, 胡成宝, 钮家军
工程力学    2020, 37 (3): 1-7.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.ST05
录用日期: 2019-12-20

摘要141)      PDF(pc) (319KB)(107)    收藏
基于加法分解及其线性化后的位移增量表达式在更新块体构型时,常导致常规非连续变形分析块体应变计算精度低、块体体积虚假膨胀。根据原始DDA位移模式,分析了该位移模式中因对转?增量1阶近似导致的块体体积自由膨胀;应变分量增量直接叠加导致的块体应变场畸变;以及采用加法分解线性化后的位移增量公式推导块体加速度表达式导致的忽略块体转动时的离心力与科氏力。数值算例表明,原始DDA的位移模式直接导致块体体积自由膨胀、块体内应变场畸变以及忽略了块体转动时离心力与科氏力产生的应变。
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15. 玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构
吴智深, 汪昕, 史健喆
工程力学    2020, 37 (5): 1-14.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.ST10
录用日期: 2019-12-20

摘要141)      PDF(pc) (6688KB)(110)    收藏
纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳的优点,是结构加固增强的理想材料。其中,具有环境友好特性的玄武岩纤维复合材料(BFRP)有望推动工程结构的绿色可持续化发展,得到国家和地方政府的大力支持。为进一步提升BFRP增强工程结构的性能与寿命,还需从BFRP材料性能和结构增强形式等方面进行改善。该文阐述了BFRP高性能化技术,并从设计理念、关键技术和力学性能三个方面,对三种新型BFRP增强结构形式进行了综述,包括高耐久损伤可控BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构、BFRP型材-混凝土组合结构以及BFRP拉索大跨结构,并对BFRP新建结构的发展提出了建议和展望。
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16. 纵向变厚度(LP)钢板轧制技术和受弯构件承载性能研究
王元清, 刘晓玲, 刘明, 班慧勇, 李靖年
工程力学    2019, 36 (11): 1-12.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST02
录用日期: 2019-01-22

摘要137)      PDF(pc) (1706KB)(120)    收藏
纵向变厚度钢板(LP钢板)是一种新型节约型绿色钢板,可广泛运用于工业与民用建筑、桥梁船舶及其他特种结构当中,其研发和应用对促进结构优化设计,建筑节能减排有重要意义。该文介绍了国内纵向变厚度钢板特殊的轧制与矫直技术,综述了钢板材料力学性能以及翼缘纵向变厚度工形截面简支梁在弹性和弹塑性阶段变形和承载性能的理论、试验和数值分析研究结果,得出了材料性能随厚度变化的规律,提出了翼缘纵向变厚度工形截面简支梁的承载力设计值和正常使用极限状态下变形计算方法。
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17. 木结构建筑群火灾蔓延危险建筑的识别及防火改造效果评价
张健, 宋志刚, 李全旺, 郝爱玲
工程力学    2020, 37 (4): 60-69.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0270
录用日期: 2019-09-02

摘要115)      PDF(pc) (1777KB)(86)    收藏
通过火灾蔓延分析找到危险建筑并相应地进行改造,对控制木结构建筑群火灾蔓延的风险具有重要意义。针对上述问题,该文以场-网数值模拟为基础建立了考虑多火灾场景的危险建筑的识别方法。首先结合有向图的基本原理,提出了邻接矩阵、蔓延矩阵的确定方法;在此基础上给出了节点的危险度、连通度、重要度、损失期望等评价指标的计算方法;依据上述指标,利用关键节点的搜索算法识别出危险建筑;进一步考虑对危险建筑进行防火改造,通过更新矩阵、再次评价的方法给出了防火改造的优先级。最后该文将该方法应用于云南省某杆栏式木结构民居建筑群的防火改造分析,结果表明:该方法能有效确定出建筑群中影响火灾蔓延的危险建筑及其改造优先级,并能结合损失期望及改造效果评价,确定出改造建筑的数量。采用上述方法,只需对少数危险建筑进行拆除或防火加强,便可大幅降低火灾蔓延的风险,显著减少引燃建筑的数量及火灾损失。
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18. 数据稀缺与更新条件下基于概率密度演化-测度变换的认知不确定性量化分析
万志强, 陈建兵
工程力学    2020, 37 (1): 34-42.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0047
录用日期: 2019-05-23

摘要114)      PDF(pc) (890KB)(58)    收藏
工程设计中往往需要同时处理固有不确定性与认知不确定性。对于固有不确定性分析与量化,国内外已有诸多研究,例如Monte Carlo方法、正交多项式展开理论和概率密度演化理论等。而对认知不确定性、特别是固有不确定性与认知不确定性耦合情况下的研究,则还相对缺乏。该文中,针对数据稀缺与数据更新导致的认知不确定性,首先分别引入Bootstrap方法和Bayes更新方法进行不确定性表征。在此基础上,结合基于概率密度演化-测度变换的两类不确定性量化统一理论新框架,提出了存在认知不确定性情况下的不确定性传播与可靠性分析高效方法及其具体数值算法。由此,给出了基于数据进行工程系统不确定性量化、传播与可靠性分析的基本途径。通过具有工程实际数据的3个工程实例分析,包括无限边坡稳定性分析、挡土墙稳定性分析和屋面桁架结构可靠性分析,验证了该文方法的精度和效率。
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19. 钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究
冯程远, 李国强, 蒋彬辉
工程力学    2019, 36 (12): 24-36,78.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0678
录用日期: 2019-05-09

摘要112)      PDF(pc) (1780KB)(115)    收藏
“9·11”事件发生后,火灾下钢结构倒塌研究得到了世界各国学者的广泛关注。钢材的物理、力学性能在高温下会显著降低,从而钢结构极易发生倒塌。因此,该文基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验,应用大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块,并采用梁单元对试验进行数值模拟,重点研究了钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响,提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议。该文列举了常用的三种高温应力-应变本构模型,同时考虑应变率效应的影响,通过模拟结果与试验结果的差异对比,分析了各个模型应用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的有效性。理想高温应力-应变本构模型,会导致临界温度与失效模式模拟不准确,应用存在一定局限性;EC3高温应力-应变本构模型可较为准确地模拟准静态失效模式,但对于动力失效模式的模拟存在一定局限性;因此,对于准静态失效模式倒塌模拟,建议采用EC3或改进的EC3高温应力-应变本构模型;对于动力失效模式的倒塌模拟,建议采用改进的EC3高温应力-应变本构模型,并采用应变率效应增大系数(DIF)的方法以考虑应变率效应的影响。此外,通过四种钢材热膨胀系数模型的对比,进一步研究了钢材“相位变换”现象对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响。结果表明,虽然欧洲规范EC3给出了精细的热膨胀系数模型,但采用GB 51249取值的计算结果与试验符合更好,建议采用中国规范GB 51249的相关规定。
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20. 基于贝叶斯功率谱变量分离方法的实桥模态参数识别
秦超, 颜王吉, 孙倩, 任伟新
工程力学    2019, 36 (10): 212-222.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.11.0604
录用日期: 2019-05-31

摘要103)      PDF(pc) (1028KB)(69)    收藏
工程结构参数识别不可避免地受到测试噪声和模型不确定性的影响,因此在模态参数识别过程中引入贝叶斯方法进行不确定性量化,具有较为重要的意义。通过对自功率谱和互功率谱的统计特性进行分析表明,功率谱迹(自功率谱之和)的概率密度函数与振型无关,因此可以实现振型参数与其它参数(频率、阻尼比、模态激励和预测误差等)的分离。以此变量分离原理为依据,可以实现"两阶段贝叶斯参数识别方法"进行模态参数的快速识别。该文基于西宁北川河钢管混凝土拱桥环境激励振动测试数据,对该方法的有效性和准确性进行了验证,通过功率谱迹驱动的贝叶斯方法识别出了频率、阻尼比、模态激励和预测误差等参数的最优值和不确定性,然后基于功率谱矩阵驱动的贝叶斯方法识别出了振型的最优值和不确定性,并将该文方法识别的结果与不同方法进行了对比。实桥模态分析表明,该方法解决了传统贝叶斯功率谱方法进行模态参数不确定性量化存在计算耗时及矩阵病态等问题,且能够有效地量化大型土木工程结构模态参数识别的不确定性。最后,该文对频带宽度进行了分析,揭示了该文方法识别的预测误差受频带影响较为明显。
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21. 中国宜宾、日本山形、美国加州Ridgecrest地震破坏力分析与对比
许镇, 赵鹏举, 郑哲, 程庆乐, 陆新征
工程力学    2019, 36 (11): 195-202.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0408
录用日期: 2019-09-02

摘要103)      PDF(pc) (1125KB)(75)    收藏
该文对近期发生的我国宜宾长宁6.0级地震、日本山形6.7级地震、美国加州7.1级地震进行了破坏力分析和对比,包括典型强震记录的峰值和反应谱对比;典型地震动对典型单体结构与区域的破坏力对比;真实地震灾情的对比。主要对比结果包括:对于自振周期较短的砌体结构,宜宾地震破坏力最强;对于自振周期较大的多层框架结构,加州地震破坏力最强加州地震与山形地震的区域震害均轻于宜宾地震。上述结果表明地震震级、地面运动加速度、建筑物震损情况关系复杂,仅通过震级或最大地震动峰值加速度来判断地震破坏力是不合适的,应结合国家台网建设,发展城市抗震弹塑性分析。
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22. 考虑梁轴向约束效应的RC梁柱节点受力机理及抗震性能试验研究
王丽萍, 罗文文, 刘思危, 张伟, 蒋利成, 杨仕建
工程力学    2020, 37 (2): 159-167,191.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0130
录用日期: 2019-08-12

摘要103)      PDF(pc) (1434KB)(92)    收藏
钢筋混凝土(RC)框架梁受弯损伤会发生轴向伸长,周边构件(抗侧力构件、现浇板)对梁伸长的约束作用会在梁中产生不可低估的轴力,从而影响梁柱构件和节点的抗震性能以及结构的强震破坏模式。分析了梁中约束轴力对节点抗剪受力机理的影响,设计了6个1/2比例的RC梁柱子结构试件,采用可直接量测约束轴力的等效约束装置代替周边构件对梁伸长的约束作用,通过低周往复加载试验考察了梁轴向约束效应对节点抗剪需求、抗剪承载力以及损伤破坏模式的影响。结果表明,约束轴力对抗剪需求的影响比抗剪承载力的影响明显,梁轴向约束效应产生的轴力较大,且随梁弯曲变形的增大而增加。与无约束试件相比,考虑梁轴向约束效应的试件节点抗剪需求增大了1.14~2.22倍,节点区斜裂缝宽度较大,损伤情况更加严重。
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23. 强台风作用下近岸海域波浪-风暴潮耦合数值模拟
魏凯, 沈忠辉, 吴联活, 秦顺全
工程力学    2019, 36 (11): 139-146.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0646
录用日期: 2019-06-05

摘要102)      PDF(pc) (6335KB)(78)    收藏
强台风作用会在近岸海域形成狂风、巨浪、风暴潮等极端环境,严重威胁跨海桥梁等近海工程结构安全。该研究采用Holland模型风场叠加宫崎正卫移行风场和ERA-Interim风场模拟台风风场,探讨了不同的最大风速半径经验公式对风场的适用性,同时驱动SWAN+ADCIRC波流耦合模式,模拟了强台风"玛莉亚"下台湾海峡及近岸海域波浪-风暴潮的发展过程,并分析了近岸海域波浪、风暴潮的分布特点。为证明方法的可行性和准确性,采用风、浪实测资料对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明,叠加风场和TPXO潮汐模式共同驱动的SWAN+ADCIRC波流耦合模式,可以较好地模拟台风期间近岸海域波浪-风暴潮的生成与发展过程。
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24. 地震作用下深厚土层-结构相互作用的高效分析方法
赵密, 高志懂, 杜修力, 王君杰
工程力学    2019, 36 (10): 58-65.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0245
录用日期: 2019-04-03

摘要101)      PDF(pc) (698KB)(84)    收藏
基于黏弹性边界和将场地反应转化为等效地震荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当土层厚度较深时,整个深厚土层-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。该文提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的底面人工边界从深厚土层底面(基岩面)向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且给出底面人工边界位置以及边界条件和地震动输入方式的建议。
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25. 混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究
李磊, 王卓涵, 张艺欣, 郑山锁
工程力学    2020, 37 (3): 88-97.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.0167
录用日期: 2019-06-26

摘要101)      PDF(pc) (976KB)(95)    收藏
以钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。
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26. 基于GPU并行的锥体导管架平台结构冰激振动DEM-FEM耦合分析
王帅霖, 刘社文, 季顺迎
工程力学    2019, 36 (10): 28-39.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0560
录用日期: 2019-06-05

摘要96)      PDF(pc) (3004KB)(61)    收藏
该文为分析海冰与锥体海洋平台的相互作用,采用离散元(DEM)-有限元(FEM)耦合方法建立冰激海洋平台结构的耦合模型。通过具有粘结-破碎性能的球体离散单元对海冰的漂移及破碎现象进行计算,海洋平台锥体部分采用平板型壳单元构造,其整体构架及锥体内部的加劲肋采用梁单元构造,即建立壳单元与梁单元组合的锥体海洋平台有限元模型。为提高DEM-FEM耦合算法的计算规模和效率,发展了离散单元与平板型壳单元接触算法及GPU并行环境下参数传递算法。基于此耦合模型分别讨论了平台结构的冰载荷、冰激振动以及锥体应力分布,并与相关实测数据进行对比,为寒区锥体海洋平台的结构设计提供有益的参考。
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27. 损伤可控的含减震外挂墙板RC框架结构抗震性能分析
蒋庆, 王瀚钦, 冯玉龙, 种迅
工程力学    2019, 36 (10): 144-151.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0549
录用日期: 2019-03-25

摘要92)      PDF(pc) (1608KB)(58)    收藏
预制混凝土外挂墙板作为一种高性能外围护构件在装配式建筑中得到广泛应用。为利用外挂墙板与主体结构之间的相对变形,提出在外挂墙板上部和下部分别采用钢筋线连接和U型耗能器(USD)的连接方式,形成含减震外挂墙板RC框架(F-USD)结构;进一步,在结构中加入摇摆墙,形成损伤可控的F-USD结构(F-USDRW)。基于校准的数值模型,进行了动力时程分析,对比了外挂墙板RC框架、F-USD和F-USDRW罕遇地震下USD耗能和结构响应。结果表明:提出的含USD外挂墙板可以实现减震目标;在F-USD中,各层USD耗能分布不均匀,某些楼层USD甚至不屈服;在F-USDRW中,摇摆墙可以有效地控制结构层间剪力和位移分布,各层USD均能够进入塑性阶段,提高了耗能的效率和能力,更有效地降低了结构位移响应和残余变形。
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28. 钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能试验研究与数值模拟
李杨, 任沛琪, 丁井臻, 李延涛, 邢万里, 宗金辉
工程力学    2020, 37 (5): 82-93.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0283
录用日期: 2019-08-23

摘要92)      PDF(pc) (50889KB)(84)    收藏
为了研究钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能,设计了2个两跨连续组合梁试件,对其进行静力加载试验,并与有限元模拟结果进行对比。研究结果表明:双面组合作用梁下部混凝土板可分担钢梁压力,其组合作用有利于钢梁下翼缘的稳定性,但对于腹板的稳定性不起作用。组合梁在按照完全抗剪连接进行设计时,可不考虑界面滑移的影响;与普通组合作用梁相比,双面组合作用梁抗弯刚度更大,其负弯矩区长度可延长约28.3%。相同荷载作用下,双面组合作用梁负弯矩值较低,可延缓上部混凝土板的开裂,有效控制混凝土板裂缝宽度和裂缝区范围。下部混凝土板长度按照完全抗剪连接设计的最小长度取值即可,不必过长。ABAQUS有限元模型分析结果与试验结果吻合良好,可较好地模拟组合梁受力性能。提高双面组合作用连续梁下部混凝土板的强度,可有效提高组合梁的承载力和刚度,受力更合理。
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29. 高延性混凝土面层加固受弯无筋砌体墙抗震性能试验研究
邓明科, 董志芳, 樊鑫淼, 梁兴文
工程力学    2020, 37 (3): 46-55.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.0323
录用日期: 2018-11-29

摘要90)      PDF(pc) (3030KB)(63)    收藏
为研究高延性混凝土(HDC)加固无筋受弯砌体墙的抗震性能,设计了1片未加固砖墙、1片钢筋网水泥砂浆面层加固砖墙和3片HDC面层加固砖墙进行拟静力试验,研究其破坏机理、滞回特性和耗能能力。结果表明:1)HDC面层和砖墙具有良好的粘结性能,可有效抑制墙体的开裂和破坏,能改善墙体的脆性破坏特征;2)HDC面层对砖墙形成良好的约束作用,提高了墙体的抗震承载力;3)HDC面层可显著提高砖墙的变形和耐损伤能力,减小或免去震后修复费用,其加固效果优于传统的钢筋网水泥砂浆面层。根据统计分析,该文给出了HDC面层加固墙体基于位移角的易损性曲线。
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30. 基于等效纯弯曲梁的混凝土双K断裂参数研究
胡少伟, 尹阳阳, 范冰, 张润
工程力学    2019, 36 (12): 44-51.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0718
录用日期: 2019-08-02

摘要89)      PDF(pc) (630KB)(81)    收藏
因四点弯曲梁跨中裂缝截面附近处于纯弯段,故其从理论上更符合Ι型断裂模式。基于此,该文通过开展跨中带缝的四点弯曲梁试验,将荷载作用下的四点弯曲梁纯弯曲段等效为纯弯曲梁,基于线性叠加原理给出了计算混凝土四点弯曲梁双K断裂参数的计算公式,并研究了不同初始缝高比(0.2、0.3、0.4、0.5及0.6)对四点弯曲梁双K断裂参数的影响,结果表明:随着初始缝高比的增大,试件起裂荷载Pini,最大荷载Pmax及相对临界有效裂缝扩展长度(ac-a0)/H均逐渐减小;起裂断裂韧度KICini和失稳断裂韧度KICun基本保持不变。可见,四点弯曲梁可以用于研究混凝土的双K断裂参数。
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31. 大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法综述
周桐, 杨庆山, 闫渤文, Pham Van Phuc, 王京学
工程力学    2020, 37 (5): 15-25.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.06.0340
录用日期: 2019-10-18

摘要89)      PDF(pc) (362KB)(64)    收藏
随着计算资源的飞速发展以及数值模拟技术的不断进步,大涡模拟被越来越多地应用于结构风工程领域的研究。运用大涡模拟准确模拟结构风效应的关键问题之一是生成满足大气边界层风场特性的入口湍流条件。预前模拟法和人工合成法是目前主流的两类大涡模拟入口湍流生成方法。该文阐述了不同入口湍流生成方法的基本原理,并梳理其在结构风工程领域的发展。从结构风工程研究的角度出发,对比分析不同方法的特点及适用性。最后,针对当前大气边界层大涡模拟入口湍流生成方法存在的问题,提出了未来研究的展望。
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32. 基于精确几何模型梁单元的螺旋弹簧刚度分析
张健, 齐朝晖, 卓英鹏, 国树东
工程力学    2020, 37 (2): 16-22,80.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0096
摘要89)      PDF(pc) (1006KB)(73)    收藏
以精确几何模型梁单元为基础,对圆截面螺旋弹簧刚度的非线性特性进行了分析。结合弹簧细长结构的变形特点,选取弹簧半径、弹簧高度、螺旋线极角和簧丝截面扭转角作为螺旋弹簧的描述变量;按照Bernoulli梁理论,通过形心曲线切矢量和簧丝截面扭转角建立截面坐标系;基于大转动梁的变形虚功率,获得螺旋弹簧曲率矢量,构建弹簧变形虚功率;应用柔体建模过程的滤除高频震荡分量方法修正弹簧系统动力学方程求得弹簧刚度,提高计算效率。数值算例表明,计算结果符合弹簧刚度的受力变形规律。同时与弹簧经典理论算法和传统有限元方法进行对比,验证了分析方法的正确性和合理性。
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33. 基于贝叶斯更新和逆高斯过程的在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度动态预测方法
陈龙, 黄天立
工程力学    2020, 37 (4): 186-195.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0273
录用日期: 2019-11-01

摘要87)      PDF(pc) (1031KB)(96)    收藏
在役钢筋混凝土桥梁在服役环境和车辆荷载的耦合作用下,其服役性能随时间不断退化,采用确定性的性能退化模型无法准确描述退化过程中的不确定性和时间变异性。该文采用逆高斯随机过程描述其抗力退化过程,同时采用复合泊松过程描述车辆荷载效应,建立了基于抗力-车辆荷载效应双随机过程的在役钢筋混凝土桥梁构件时变可靠度分析方法。结合检测数据,采用贝叶斯分析和期望最大化算法,对逆高斯过程抗力退化模型参数进行更新,提出了在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度的动态预测方法。以一座钢筋混凝土T梁桥为例,采用其40年服役期的抗力退化数据,分别在四个服役时刻对逆高斯过程抗力退化模型参数进行了更新,演示了提出的可靠度动态预测方法。研究表明:逆高斯随机过程可更合理地描述钢筋混凝土桥梁构件抗力退化过程中的不确定性和时间变异性;融入桥梁服役期间检测的抗力退化信息,采用贝叶斯更新逆高斯过程抗力退化模型参数后,可更准确地预测桥梁未来的可靠度服役状况和估计桥梁的剩余使用寿命。
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34. 基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究
金浏, 余文轩, 杜修力, 张帅, 杨旺贤, 李冬
工程力学    2019, 36 (11): 50-61.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.0363
录用日期: 2019-04-10

摘要85)      PDF(pc) (1953KB)(86)    收藏
在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率(1×10-5 s-1~2×102 s-1)及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明:混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率(约为1 s-1),即:低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。
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35. 有限质点法阻尼构造问题的研究
喻莹, 刘飞鸿, 王钦华, 罗尧治, 李洋
工程力学    2019, 36 (11): 34-40.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.12.0694
录用日期: 2019-05-17

摘要85)      PDF(pc) (736KB)(51)    收藏
有限质点法(FPM)是一种向量式的结构计算新方法,它通过质点的运动描述结构的行为。该方法本身是一个求解结构动力学问题的显示积分方法,但是一直以来有限质点法对阻尼问题的考虑存在不足。该文首先将介绍有限质点法的基本原理和现有阻尼形式,然后将基于Rayleigh方法提出两种适用于有限质点法的阻尼构造方法。通过单层网壳多点激励下的动力数值分析以及框架振动台试验两个实例进行讨论,验证了提出的阻尼构造方法的正确性。结果表明该文工作能改善原有阻尼构造形式的不足,且具有较高的精度,并能完善有限质点法的动力计算理论。
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36. PCF-MDC体系技术方案及抗震性能试验研究
吴从晓, 李定斌, 张骞, 吴从永, 邓雪松
工程力学    2020, 37 (4): 105-117.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.06.0300
录用日期: 2019-10-18

摘要84)      PDF(pc) (16333KB)(56)    收藏
围绕预制装配式混凝土框架金属消能减震连接体系(PCF-MDC)的关键技术问题,提出2种金属阻尼器、1套可拆卸型连接方案和金属阻尼器设计方法。为验证阻尼器设计方法及连接方案的可行性并研究该体系的抗震性能,设计并制作了“等同现浇”的“湿”框架(PCF)节点、采用狗骨阻尼器(PCF-DB)和双弯曲板阻尼器(PCF-DP)的PCF-MDC节点。通过拟静力试验,对比其破坏形态、滞回性能、承载性能、耗能特性等差异。试验结果表明:PCF-MDC节点的承载力均达到预期设计值,采用双弯曲板阻尼器的PCF-DP节点承载性能更优,安全储备更足;PCF-MDC节点的耗能特性和抗震性能优于“等同现浇”的PCF节点;连接方案能可靠的传递金属阻尼器与预制构件间的内力。金属阻尼器先于预制构件屈服形成的梁铰耗能机制合理有效,且具备“集中损伤”特性,为震后更换阻尼器实现结构功能恢复提供了有利条件。
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37. 基于监测数据的钢箱梁U肋细节疲劳可靠性分析
李游, 李传习, 陈卓异, 贺君, 邓扬
工程力学    2020, 37 (2): 111-123.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0114
录用日期: 2019-10-12

摘要83)      PDF(pc) (1025KB)(95)    收藏
针对某悬索桥钢箱梁疲劳开裂严重,基于WIM动态称重系统采集的数据,对该桥通行车辆的车型、轴距、轴重、总重、是否超载进行了统计,明确了该桥交通荷载特征及各车道随机车流差异性,依据实桥动应变监测数据,运用雨流计数法及Palmgren-Miner线性损伤累积理论,获得了运营状态下各车道的疲劳应力谱,基于均匀设计-径向基神经网络-重要蒙特卡罗法(UD-RBF-IMC)相结合的算法,运用线弹性断裂力学对U肋对接焊缝疲劳可靠性进行了评估,研究了交通量及轴重增长对疲劳可靠度的影响规律。研究结果表明:该桥疲劳车型可简化为V2~V10共9类,左、右幅V2车型的总重均为单峰偏态分布,超载率不到4%,V3~V10车型的总重均为多峰分布,超载率大于30%,最高达69%;重车道V2~V10车型的比例明显高于其他车道;温度日变化对疲劳应力谱的影响较小,采样频率对应力谱的影响较为显著,不宜小于50 Hz;结合UD、RBF、IMC算法各自的优点,有效提高了基于监测数据的钢箱梁细节疲劳可靠度指标的求解精度和效率;轴重增长系数对疲劳可靠度的影响明显大于交通量增长系数,在运营期间除控制交通量外,还需重点控制重车比例和超载率;当交通量增长系数为3%,轴重增长系数为0.6%时,1#测点疲劳寿命仅为74年;超车道重载卡车数量较少,高水平应力循环较少,疲劳寿命较长,而快车道和重车道重载卡车较多,高水平应力循环较多,存在疲劳开裂风险,需重点关注。
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38. 基于新型振型函数的渐细变截面悬臂梁的自由振动理论与实验研究
周坤涛, 杨涛, 葛根
工程力学    2020, 37 (3): 28-35.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.0260
录用日期: 2019-10-18

摘要83)      PDF(pc) (5463KB)(61)    收藏
该文基于超几何函数和Meijer-G函数的线性组合构建了一种新的变截面悬臂梁的模态函数,该振型函数具有实系数、无近似、精度高等优点。该文分两个步骤验证该振型函数的有效性和精确性:第一步,证明该振型中的自由基频及模态函数形状的准确性;第二步,验证该振型函数在研究变截面梁非线性振动时的效果。第一步中,自由基频及归一化后模态函数形状的理论解、有限元解、有限元半解析解及实验的对照结果精度较好。第二步中,将模态函数代入变截面悬臂梁非线性振动的控制方程,得到了伽辽金截断后的常微分方程的弯曲非线性系数及惯性非线性系数,随后用能量平衡法得到了非线性自由振动时的幅频响应,最后用实验验证了该幅频响应。结果显示,激光位移传感器测得梁上的一个靶点的位移-时间历程图和用振型函数加幅频响应的理论解的预测值吻合,说明了该文方法在预测变截面悬臂梁非线性振动时变形情况的准确性。
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39. 高延性混凝土偏心受压柱正截面受力性能试验研究
邓明科, 李睿喆, 张阳玺, 闵秀明
工程力学    2019, 36 (11): 62-71.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.04.0190
录用日期: 2019-04-10

摘要83)      PDF(pc) (677KB)(97)    收藏
为研究高延性混凝土(HDC)偏心受压柱的受力性能,进行了6个HDC试件和2个RC试件的偏心受压试验,研究HDC偏压柱的破坏形态、承载力及变形能力。试验结果表明:采用HDC替换混凝土可明显改善小偏心受压柱的脆性破坏,提高构件发生小偏心受压破坏的变形能力;相对于RC大偏心受压柱,HDC大偏心受压柱表现出较好的裂缝控制能力,破坏时受拉区裂缝均匀而细密;随着偏心距增大,HDC偏压构件的承载力降低,变形能力提高。正截面受力分析表明:HDC偏心受压构件的相对界限受压区高度均大于RC构件,更有利于高强钢筋的力学性能发挥;考虑HDC受拉作用的偏心受压构件正截面承载力计算结果与试验值吻合良好。该文研究结果可为HDC偏心受压构件截面设计提供试验依据和理论基础。
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40. 盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析
陈仁朋, 鲁立, 张阳, 吴怀娜
工程力学    2019, 36 (11): 41-49.   DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.11.0620
录用日期: 2019-05-09

摘要82)      PDF(pc) (835KB)(77)    收藏
针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土(UHPC)材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。
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2018年11月15日