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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：《 》杂志社
ISSN 1000-4750 CN 11-2595/O3
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2023, 40(12): 1-12.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0156
摘要:
提出了移动荷载作用下各向异性层状地基上柔性路面结构动力响应分析的半解析解法。基于土-结构相互作用理论，建立了柔性路面-层状地基的动力耦合模型。对近场道路结构建立波数域有限元模型，基于精细积分及谱元法原理建立远场地基的谱元模型，利用子结构法来确定近-远场耦合界面处的边界条件，进而实现近场和远场结构的耦合，利用快速Fourier变换获得柔性路面在时空域的动力响应解答。该文方法既可以考虑道路结构的几何特性，也可以计入地基层状分布及各向异性特性的影响。近场有限域模型尺寸不会受到地基层数及层厚的影响，数值求解稳定。通过与解析解的对比，验证了提出方法的有效性与合理性。数值算例对比分析了道路-地基耦合模型与以往整体层状道路模型所得动力响应的差异，并讨论了道路结构层弹性模量的影响规律。
提出了移动荷载作用下各向异性层状地基上柔性路面结构动力响应分析的半解析解法。基于土-结构相互作用理论，建立了柔性路面-层状地基的动力耦合模型。对近场道路结构建立波数域有限元模型，基于精细积分及谱元法原理建立远场地基的谱元模型，利用子结构法来确定近-远场耦合界面处的边界条件，进而实现近场和远场结构的耦合，利用快速Fourier变换获得柔性路面在时空域的动力响应解答。该文方法既可以考虑道路结构的几何特性，也可以计入地基层状分布及各向异性特性的影响。近场有限域模型尺寸不会受到地基层数及层厚的影响，数值求解稳定。通过与解析解的对比，验证了提出方法的有效性与合理性。数值算例对比分析了道路-地基耦合模型与以往整体层状道路模型所得动力响应的差异，并讨论了道路结构层弹性模量的影响规律。
2023, 40(12): 13-27.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0179
摘要:
针对爆炸试验测试的加速度信号存在误差趋势项导致积分后速度和位移失真的问题，系统研究了最小二乘拟合、小波分解和EEMD(集成经验模态分解)分别去除爆炸加速度的趋势项中的应用，并积分重构了速度和位移，研究表明：最小二乘法的拟合阶数、小波分解法的分解层数和EEMD法的白噪声标准差对重构的速度和位移幅值有较大的影响；提出了使用频谱偏差指数s2和均偏差指数S2评价趋势项修正结果的方法，可以通过偏差s2频率分布与积分时程特征的联合分析选择合适的阶数、分解层数和白噪声标准差，精准去除信号中的趋势项。通过与爆炸试验结果的比对，证明3种方法均能还原爆炸冲击作用下的运动趋势和残余位移特征，其中小波分解法具有一定的优势。
针对爆炸试验测试的加速度信号存在误差趋势项导致积分后速度和位移失真的问题，系统研究了最小二乘拟合、小波分解和EEMD(集成经验模态分解)分别去除爆炸加速度的趋势项中的应用，并积分重构了速度和位移，研究表明：最小二乘法的拟合阶数、小波分解法的分解层数和EEMD法的白噪声标准差对重构的速度和位移幅值有较大的影响；提出了使用频谱偏差指数s2和均偏差指数S2评价趋势项修正结果的方法，可以通过偏差s2频率分布与积分时程特征的联合分析选择合适的阶数、分解层数和白噪声标准差，精准去除信号中的趋势项。通过与爆炸试验结果的比对，证明3种方法均能还原爆炸冲击作用下的运动趋势和残余位移特征，其中小波分解法具有一定的优势。
2023, 40(12): 28-40.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0129
摘要:
为推动冷弯薄壁型钢结构体系由低层向多层发展，解决传统剪力墙抗剪承载力不足、端柱易发生屈曲和局部承压破坏的技术难题，提出了冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的新型墙体构造形式，以实现“强端柱、弱墙板”的设计原则。通过水平低周往复加载试验对剪力墙的抗剪性能进行研究，试验结果表明：钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的破坏形式为钢板周边螺钉连接破坏导致蒙皮作用失效，钢管端柱未见压屈。减小剪力墙周边自攻螺钉的间距，使钢板拉力带得到充分发展，可提高剪力墙的抗剪承载力、抗侧刚度、延性以及耗能能力。对钢管—钢板自攻螺钉连接试件的抗剪性能进行试验研究，结果表明：螺钉连接试件的破坏特征为钢板的孔壁承压破坏，自攻螺钉群的抗剪承载力具有“群体折减效应”。基于剪力墙和自攻螺钉连接试件的抗剪试验结果，提出了钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的抗剪承载力和抗侧刚度的计算方法。研究成果为多层冷弯薄壁型钢结构体系的理论研究和工程应用提供可靠依据。
为推动冷弯薄壁型钢结构体系由低层向多层发展，解决传统剪力墙抗剪承载力不足、端柱易发生屈曲和局部承压破坏的技术难题，提出了冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的新型墙体构造形式，以实现“强端柱、弱墙板”的设计原则。通过水平低周往复加载试验对剪力墙的抗剪性能进行研究，试验结果表明：钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的破坏形式为钢板周边螺钉连接破坏导致蒙皮作用失效，钢管端柱未见压屈。减小剪力墙周边自攻螺钉的间距，使钢板拉力带得到充分发展，可提高剪力墙的抗剪承载力、抗侧刚度、延性以及耗能能力。对钢管—钢板自攻螺钉连接试件的抗剪性能进行试验研究，结果表明：螺钉连接试件的破坏特征为钢板的孔壁承压破坏，自攻螺钉群的抗剪承载力具有“群体折减效应”。基于剪力墙和自攻螺钉连接试件的抗剪试验结果，提出了钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的抗剪承载力和抗侧刚度的计算方法。研究成果为多层冷弯薄壁型钢结构体系的理论研究和工程应用提供可靠依据。
2023, 40(12): 41-54.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0171
摘要:
带昂柱头铺作的抗震性能研究是应县木塔抗震性能研究的重要基础。为揭示不同竖向荷载下该类铺作的变形模式和抗震性能，该研究以应县木塔二层明层外槽带昂柱头铺作为原型，制作了2个1∶3.7的缩尺试件，进行了拟静力抗震性能试验。通过分析该铺作的水平力-位移滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数等，明确了竖向荷载对该铺作抗震性能指标的影响。结果表明：竖向荷载的变化基本不影响该铺作的变形特征，但竖向荷载的增大会加剧滞回曲线的不对称性，且会显著提高该类铺作的水平承载力、初始刚度和耗能能力。竖向荷载增大3.7倍，水平承载力在正向和负向分别提高了2.2倍和2.9倍，初始刚度提高了2.4倍，耗散能量增加了3.0倍；增大竖向荷载虽然会改变铺作初始滑移出现的位置，但不改变该试验铺作的滑移累积方式和薄弱位置，最终两个铺作的滑移模式都表现为两跳华栱间的相对滑移。提出了该铺作节点的位移-承载力骨架曲线简化模型，得到了不同竖向荷载对抗侧刚度和水平承载力的影响系数βk和βF，用以修正骨架曲线简化模型在不同竖向荷载下的刚度k。
带昂柱头铺作的抗震性能研究是应县木塔抗震性能研究的重要基础。为揭示不同竖向荷载下该类铺作的变形模式和抗震性能，该研究以应县木塔二层明层外槽带昂柱头铺作为原型，制作了2个1∶3.7的缩尺试件，进行了拟静力抗震性能试验。通过分析该铺作的水平力-位移滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数等，明确了竖向荷载对该铺作抗震性能指标的影响。结果表明：竖向荷载的变化基本不影响该铺作的变形特征，但竖向荷载的增大会加剧滞回曲线的不对称性，且会显著提高该类铺作的水平承载力、初始刚度和耗能能力。竖向荷载增大3.7倍，水平承载力在正向和负向分别提高了2.2倍和2.9倍，初始刚度提高了2.4倍，耗散能量增加了3.0倍；增大竖向荷载虽然会改变铺作初始滑移出现的位置，但不改变该试验铺作的滑移累积方式和薄弱位置，最终两个铺作的滑移模式都表现为两跳华栱间的相对滑移。提出了该铺作节点的位移-承载力骨架曲线简化模型，得到了不同竖向荷载对抗侧刚度和水平承载力的影响系数βk和βF，用以修正骨架曲线简化模型在不同竖向荷载下的刚度k。
2023, 40(12): 55-64.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0142
摘要:
数据与特征是智能技术的基础，但现有结构智能计算的文献报道却极少涉猎数据端相关研究。为此，该文围绕土木工程结构计算场景，开展了特征工程研究，实现了结构原始数据的自动去量纲化以及向有效特征的智能转化，进而大幅提升了模型性能表现。该文建立了与下游智能模型无关的特征工程架构，以量纲分析为基础，实现对结构特征的自动无量纲化预处理。在此基础上，提出了一种对模型训练得到的无量纲化参数进行物理意义解读的算法，可对输入数据开展因子分析，增强了模型的物理可解释性。为验证特征工程架构的有效性，以钢筋混凝土柱双向压弯的屈服承载力预测问题为例开展数值试验，结果表明：在设定了充足无量纲参量数目的情形下，相较于无特征工程的对照模型，该架构能够加快模型收敛速度4倍~5倍，并提升预测准确率20%~50%，优势显著；同时，通过物理意义解读算法复现的无量纲参量与经典理论分析结论高度吻合，证明特征工程架构成功捕捉了与目标问题密切相关的影响因素。
数据与特征是智能技术的基础，但现有结构智能计算的文献报道却极少涉猎数据端相关研究。为此，该文围绕土木工程结构计算场景，开展了特征工程研究，实现了结构原始数据的自动去量纲化以及向有效特征的智能转化，进而大幅提升了模型性能表现。该文建立了与下游智能模型无关的特征工程架构，以量纲分析为基础，实现对结构特征的自动无量纲化预处理。在此基础上，提出了一种对模型训练得到的无量纲化参数进行物理意义解读的算法，可对输入数据开展因子分析，增强了模型的物理可解释性。为验证特征工程架构的有效性，以钢筋混凝土柱双向压弯的屈服承载力预测问题为例开展数值试验，结果表明：在设定了充足无量纲参量数目的情形下，相较于无特征工程的对照模型，该架构能够加快模型收敛速度4倍~5倍，并提升预测准确率20%~50%，优势显著；同时，通过物理意义解读算法复现的无量纲参量与经典理论分析结论高度吻合，证明特征工程架构成功捕捉了与目标问题密切相关的影响因素。
2023, 40(12): 65-75.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0145
摘要:
开展水下地震模拟振动台试验时，振动台多向振动受到的水体动力效应十分复杂、难于补偿，因而在试验前合理考虑台体实际加载能力与精度十分重要。该文考虑水深、激励频率和运动方向等因素，开展水-振动台系统控制性能的影响研究。通过实测数据辨识水-振动台系统的数学模型，提出基于模型的前馈补偿与强化学习结合的数据驱动混合控制方法。根据DDPG算法利用位移指令的误差数据离线训练Actor-Critic网络，并将之用于实时修正基于模型的补偿指令。通过与前馈补偿方法对比，开展了不同水深、激励频率和振动台运动方向的50组水下振动台测试验证及性能评价。结果表明：随着水深与激励频率增加，控制性能下降；水深对振动台垂直向运动影响更大；与基于模型方法相比，在水深2 m垂直向运动的设备最不利条件下，该文所提控制方法的性能指标J1和J2分别提升了6.54%和7.52%。所提方法在考虑水-振动台系统动力非线性控制时具有优良的时滞补偿性能，且是一种宽频带补偿方法。
开展水下地震模拟振动台试验时，振动台多向振动受到的水体动力效应十分复杂、难于补偿，因而在试验前合理考虑台体实际加载能力与精度十分重要。该文考虑水深、激励频率和运动方向等因素，开展水-振动台系统控制性能的影响研究。通过实测数据辨识水-振动台系统的数学模型，提出基于模型的前馈补偿与强化学习结合的数据驱动混合控制方法。根据DDPG算法利用位移指令的误差数据离线训练Actor-Critic网络，并将之用于实时修正基于模型的补偿指令。通过与前馈补偿方法对比，开展了不同水深、激励频率和振动台运动方向的50组水下振动台测试验证及性能评价。结果表明：随着水深与激励频率增加，控制性能下降；水深对振动台垂直向运动影响更大；与基于模型方法相比，在水深2 m垂直向运动的设备最不利条件下，该文所提控制方法的性能指标J1和J2分别提升了6.54%和7.52%。所提方法在考虑水-振动台系统动力非线性控制时具有优良的时滞补偿性能，且是一种宽频带补偿方法。
2023, 40(12): 76-88.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0146
摘要:
对边框柱承受竖向荷载的加劲薄钢板剪力墙进行了试验研究，完成了2个矩形钢管混凝土柱-加劲薄钢板剪力墙足尺试件的拟静力试验，试件参数考虑了竖向加劲肋等间距和变间距布置2种情况。试验结果表明：在边框柱承受高轴压力的情况下，试件极限位移角达到了1/30，表现出良好的延性和耗能能力。试件的塑性变形主要表现为钢板墙的面外屈曲，满足“强框架弱墙板”的设计理念。竖向加劲肋布置方式对试件抗震性能无明显影响。进一步采用非线性有限元法研究了初始缺陷和轴压比对试件抗侧性能的影响，分析结果表明：墙体的初始缺陷分布模式和面外挠曲幅值对试件推覆曲线的影响很小。当边框柱轴压比大于0.7时，试件的承载力和变形能力有所降低。基于试件表现出的抗剪控制型破坏特点，给出了试件抗剪承载力计算方法，计算值与有限元模拟值符合较好，与试验值相比偏于安全。
对边框柱承受竖向荷载的加劲薄钢板剪力墙进行了试验研究，完成了2个矩形钢管混凝土柱-加劲薄钢板剪力墙足尺试件的拟静力试验，试件参数考虑了竖向加劲肋等间距和变间距布置2种情况。试验结果表明：在边框柱承受高轴压力的情况下，试件极限位移角达到了1/30，表现出良好的延性和耗能能力。试件的塑性变形主要表现为钢板墙的面外屈曲，满足“强框架弱墙板”的设计理念。竖向加劲肋布置方式对试件抗震性能无明显影响。进一步采用非线性有限元法研究了初始缺陷和轴压比对试件抗侧性能的影响，分析结果表明：墙体的初始缺陷分布模式和面外挠曲幅值对试件推覆曲线的影响很小。当边框柱轴压比大于0.7时，试件的承载力和变形能力有所降低。基于试件表现出的抗剪控制型破坏特点，给出了试件抗剪承载力计算方法，计算值与有限元模拟值符合较好，与试验值相比偏于安全。
2023, 40(12): 89-98, 132.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0153
摘要:
研究速度脉冲强震和结构偏心双重不利对新型重力柱-核心筒结构体系地震响应的影响。以地震模拟振动台试验为基础，采用CANNY软件校验参数设置合理性。设计不同高度质量偏心重力柱-核心筒结构，分别选取10条速度脉冲和10条非速度脉冲地震记录作为输入，采用CANNY软件对偏心体系进行动力时程分析，系统地研究了速度脉冲地震和偏心率对结构地震响应的影响规律。结果表明：脉冲地震工况下各偏心体系的弹性和弹塑性层间位移角、剪力、扭矩、扭转角均显著高于非脉冲地震工况对应值。弹塑性工况比弹性工况增大效应明显，变形增大效应比力增大效应更为显著。随着偏心率增大，弹性和弹塑性层间位移角、扭矩和扭转角均增大，层间剪力则呈现减小趋势。增量动力分析结果亦表明，偏心和速度脉冲地震效应均会显著增大层间位移角。建议在新型重力柱-核心筒结构的抗震设计中，应充分考虑速度脉冲地震和偏心对其地震响应的耦合影响。
研究速度脉冲强震和结构偏心双重不利对新型重力柱-核心筒结构体系地震响应的影响。以地震模拟振动台试验为基础，采用CANNY软件校验参数设置合理性。设计不同高度质量偏心重力柱-核心筒结构，分别选取10条速度脉冲和10条非速度脉冲地震记录作为输入，采用CANNY软件对偏心体系进行动力时程分析，系统地研究了速度脉冲地震和偏心率对结构地震响应的影响规律。结果表明：脉冲地震工况下各偏心体系的弹性和弹塑性层间位移角、剪力、扭矩、扭转角均显著高于非脉冲地震工况对应值。弹塑性工况比弹性工况增大效应明显，变形增大效应比力增大效应更为显著。随着偏心率增大，弹性和弹塑性层间位移角、扭矩和扭转角均增大，层间剪力则呈现减小趋势。增量动力分析结果亦表明，偏心和速度脉冲地震效应均会显著增大层间位移角。建议在新型重力柱-核心筒结构的抗震设计中，应充分考虑速度脉冲地震和偏心对其地震响应的耦合影响。
2023, 40(12): 99-112.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0154
摘要:
城市供水管网是生命线工程的重要组成部分，随着韧性城市研究和建设的开展，以系统的视角重新审视供水管网的综合防灾减灾能力，建立一种可有效反映管网震后恢复过程的量化的抗震韧性评估方法成为一种现实需要。该文基于供水管网震后恢复的典型过程，提出了供水管网地震灾后恢复的4个特征阶段，并针对应急阶段和抢险阶段，提出了一种基于系统动力学理论的供水管网动态抗震韧性评估方法。该方法不仅可以有效地反映地震灾后外部需水要求随人群迁移和火场变化而变化特征，而且可有效评估救援资源对管网功能恢复的影响，并实现供水管网的动态抗震韧性评估。
城市供水管网是生命线工程的重要组成部分，随着韧性城市研究和建设的开展，以系统的视角重新审视供水管网的综合防灾减灾能力，建立一种可有效反映管网震后恢复过程的量化的抗震韧性评估方法成为一种现实需要。该文基于供水管网震后恢复的典型过程，提出了供水管网地震灾后恢复的4个特征阶段，并针对应急阶段和抢险阶段，提出了一种基于系统动力学理论的供水管网动态抗震韧性评估方法。该方法不仅可以有效地反映地震灾后外部需水要求随人群迁移和火场变化而变化特征，而且可有效评估救援资源对管网功能恢复的影响，并实现供水管网的动态抗震韧性评估。
2023, 40(12): 113-123.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0157
摘要:
为研究开放空间拉索的火灾响应，该文考虑火源的空间辐射理论和拉索表面的环境换热边界，结合内部空腔辐射、接触传导、间隙导热三大基本传热理论，建立开放火灾下拉索腔体传热计算方法，并通过试验结果验证数值分析模型的准确性，分析预应力拉索在不同的内部传热方式、不同的包裹环境和不同的风环境下截面的温度场和应力场的时空分布特征，以及截面的轴力和弯矩的内力时变特征。结果表明：进行拉索的火灾响应分析时，考虑拉索的完整腔体传热模型可以比较准确地计算开放火灾下拉索截面的瞬态温度分布，随着曝火时间的增加，拉索截面的温度场和应力场分布呈现反对称状态且从二次分布特征向线性分布特征逼近，拉索截面会出现轴力损失和弯矩效应。相比于完整腔体传热模型，圆钢传热模型的截面应力分布均匀、轴力损失偏大且弯矩效应很小，空腔辐射模型的截面应力分布过于集中、弯矩效应偏大且轴力损失偏小。烟气包裹环境会加剧拉索截面的轴力损失和削弱拉索截面的弯矩效应。迎风环境会严重加剧拉索截面的轴力损失和弯矩效应。该文的研究成果可为索结构的抗火设计与防护提供理论依据。
为研究开放空间拉索的火灾响应，该文考虑火源的空间辐射理论和拉索表面的环境换热边界，结合内部空腔辐射、接触传导、间隙导热三大基本传热理论，建立开放火灾下拉索腔体传热计算方法，并通过试验结果验证数值分析模型的准确性，分析预应力拉索在不同的内部传热方式、不同的包裹环境和不同的风环境下截面的温度场和应力场的时空分布特征，以及截面的轴力和弯矩的内力时变特征。结果表明：进行拉索的火灾响应分析时，考虑拉索的完整腔体传热模型可以比较准确地计算开放火灾下拉索截面的瞬态温度分布，随着曝火时间的增加，拉索截面的温度场和应力场分布呈现反对称状态且从二次分布特征向线性分布特征逼近，拉索截面会出现轴力损失和弯矩效应。相比于完整腔体传热模型，圆钢传热模型的截面应力分布均匀、轴力损失偏大且弯矩效应很小，空腔辐射模型的截面应力分布过于集中、弯矩效应偏大且轴力损失偏小。烟气包裹环境会加剧拉索截面的轴力损失和削弱拉索截面的弯矩效应。迎风环境会严重加剧拉索截面的轴力损失和弯矩效应。该文的研究成果可为索结构的抗火设计与防护提供理论依据。
2023, 40(12): 124-132.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0160
摘要:
在时变条件下，考虑结构的累积损伤是风险决策的关键点，对结构性能评估及寿命估算有重要意义。但是，结构累积损伤的计算通常涉及复杂的数学运算。基于此，该文的主要目的是在地震高发区，提出一种简化的估算结构寿命分布的模型。该模型假设给定结构的累积损伤仅由设计基准期内可能发生的一系列地震作用产生，此方法的优点在于可以通过简单的数学运算实现结构寿命估算。对所提出的简化结构寿命模型进行实例应用，以验证该方法的可行性。
在时变条件下，考虑结构的累积损伤是风险决策的关键点，对结构性能评估及寿命估算有重要意义。但是，结构累积损伤的计算通常涉及复杂的数学运算。基于此，该文的主要目的是在地震高发区，提出一种简化的估算结构寿命分布的模型。该模型假设给定结构的累积损伤仅由设计基准期内可能发生的一系列地震作用产生，此方法的优点在于可以通过简单的数学运算实现结构寿命估算。对所提出的简化结构寿命模型进行实例应用，以验证该方法的可行性。
2023, 40(12): 133-147.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0166
摘要:
火灾下钢构件断裂破坏是导致整体结构连续性倒塌的主要原因之一，掌握钢材高温断裂性能是研究钢结构抗火承载性能和评估高温后结构安全性的基础。以Q355钢为研究对象，设计光滑圆棒和缺口圆棒试件，进行火灾全过程(升温段、降温段、高温后)拉伸断裂试验，研究复杂应力状态(应力三轴度)和温升历程(峰值温度和拉伸温度)对钢材工程和真实应力-应变曲线、断裂应变的影响，并通过电镜扫描研究其微观断裂机理，结合数值模拟对高温断裂模型进行参数标定。研究表明：火灾全过程下Q355钢材呈现韧性断裂特征，拉伸温度和应力三轴度对其断裂性能影响较大；拉伸温度和峰值温度越高，断裂应变越大，延性越好，高温后断裂性能与常温相似；应力三轴度影响材料断裂性能对温度的敏感性，温升历程影响真实应力-应变曲线塑性段斜率；SMCS断裂模型适用于预测Q355钢材火灾全过程断裂行为，需采用不同参数表征钢材升温段和降温段断裂性能。
火灾下钢构件断裂破坏是导致整体结构连续性倒塌的主要原因之一，掌握钢材高温断裂性能是研究钢结构抗火承载性能和评估高温后结构安全性的基础。以Q355钢为研究对象，设计光滑圆棒和缺口圆棒试件，进行火灾全过程(升温段、降温段、高温后)拉伸断裂试验，研究复杂应力状态(应力三轴度)和温升历程(峰值温度和拉伸温度)对钢材工程和真实应力-应变曲线、断裂应变的影响，并通过电镜扫描研究其微观断裂机理，结合数值模拟对高温断裂模型进行参数标定。研究表明：火灾全过程下Q355钢材呈现韧性断裂特征，拉伸温度和应力三轴度对其断裂性能影响较大；拉伸温度和峰值温度越高，断裂应变越大，延性越好，高温后断裂性能与常温相似；应力三轴度影响材料断裂性能对温度的敏感性，温升历程影响真实应力-应变曲线塑性段斜率；SMCS断裂模型适用于预测Q355钢材火灾全过程断裂行为，需采用不同参数表征钢材升温段和降温段断裂性能。
2023, 40(12): 148-159.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2023.05.0360
摘要:
Efficient methods for incorporating engineering experience into the intelligent generation and optimization of shear wall structures are lacking, hindering intelligent design performance assessment and enhancement. This study introduces an assessment method used in the intelligent design and optimization of shear wall structures that effectively combines mechanical analysis and formulaic encoding of empirical rules. First, the critical information about the structure was extracted through data structuring. Second, an empirical rule assessment method was developed based on the engineer's experience and design standards to complete a preliminary assessment and screening of the structure. Subsequently, an assessment method based on mechanical performance and material consumption was used to compare different structural schemes comprehensively. Finally, the assessment effectiveness was demonstrated using a typical case. Compared to traditional assessment methods, the proposed method is more comprehensive and significantly more efficient, promoting the intelligent transformation of structural design.
Efficient methods for incorporating engineering experience into the intelligent generation and optimization of shear wall structures are lacking, hindering intelligent design performance assessment and enhancement. This study introduces an assessment method used in the intelligent design and optimization of shear wall structures that effectively combines mechanical analysis and formulaic encoding of empirical rules. First, the critical information about the structure was extracted through data structuring. Second, an empirical rule assessment method was developed based on the engineer's experience and design standards to complete a preliminary assessment and screening of the structure. Subsequently, an assessment method based on mechanical performance and material consumption was used to compare different structural schemes comprehensively. Finally, the assessment effectiveness was demonstrated using a typical case. Compared to traditional assessment methods, the proposed method is more comprehensive and significantly more efficient, promoting the intelligent transformation of structural design.
2023, 40(12): 160-174.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0167
摘要:
多高层住宅钢结构建筑中，采用剪力墙边缘构件与钢梁连接的等宽度设计，可避免室内凸柱现象，能获得整洁的室内空间，但使墙边缘构件-梁连接节点设计的难度增加。为此，该文结合波形钢板-混凝土组合墙构成特点，提出了墙边缘构件与梁连接采用上翼缘环板节点、下翼缘贴板节点的组合型式，并进行了2个不同轴压比组合节点的滞回加载试验，研究其承载性能、破坏模式、滞回性能、骨架曲线、强度和刚度退化等。试验发现，两个试件的屈服位移角平均值为1/136，极限位移角为1/42，均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011−2010)中弹性和弹塑性层间位移角的要求；下翼缘贴板节点弱于上翼缘外环板节点的变形能力，而且贴板节点连接焊缝易于开裂；一旦贴板节点达到承载力极限，之后强度和刚度迅速退化。该文建立了组合节点的实体-壳单元的精细化有限元模型，进行了试验加载全过程分析。比较了节点试验与有限元分析结果，利用该文建立的有限元模型开展分析，为贴板节点设计提供了依据。
多高层住宅钢结构建筑中，采用剪力墙边缘构件与钢梁连接的等宽度设计，可避免室内凸柱现象，能获得整洁的室内空间，但使墙边缘构件-梁连接节点设计的难度增加。为此，该文结合波形钢板-混凝土组合墙构成特点，提出了墙边缘构件与梁连接采用上翼缘环板节点、下翼缘贴板节点的组合型式，并进行了2个不同轴压比组合节点的滞回加载试验，研究其承载性能、破坏模式、滞回性能、骨架曲线、强度和刚度退化等。试验发现，两个试件的屈服位移角平均值为1/136，极限位移角为1/42，均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011−2010)中弹性和弹塑性层间位移角的要求；下翼缘贴板节点弱于上翼缘外环板节点的变形能力，而且贴板节点连接焊缝易于开裂；一旦贴板节点达到承载力极限，之后强度和刚度迅速退化。该文建立了组合节点的实体-壳单元的精细化有限元模型，进行了试验加载全过程分析。比较了节点试验与有限元分析结果，利用该文建立的有限元模型开展分析，为贴板节点设计提供了依据。
2023, 40(12): 175-184.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0168
摘要:
该文对一种新型自复位装配式预应力钢框架体系进行理论分析，主要从钢绞线索力、自复位节点受力变化过程的各个状态进行分析阐述，推导出初始转动中心位置、钢绞线变化长度、钢绞线索力及不同状态下外荷载的理论计算公式；通过分析自复位节点理论滞回曲线及自复位框架荷载-位移曲线，进一步推导出自复位节点耗能系数与节点开口前后框架刚度比值的理论计算公式，并对荷载-位移曲线中每段过程进行分析说明；将自复位框架试验中的节点开口荷载、耗能系数、自复位节点开口前后框架刚度比值与理论计算值进行对比，结果表明试验值与理论值基本相等，故理论分析是合理的，能够很好地预测和解释试验现象及结果，且理论公式具有较高的精确性，可为后续工程应用提供理论基础。
该文对一种新型自复位装配式预应力钢框架体系进行理论分析，主要从钢绞线索力、自复位节点受力变化过程的各个状态进行分析阐述，推导出初始转动中心位置、钢绞线变化长度、钢绞线索力及不同状态下外荷载的理论计算公式；通过分析自复位节点理论滞回曲线及自复位框架荷载-位移曲线，进一步推导出自复位节点耗能系数与节点开口前后框架刚度比值的理论计算公式，并对荷载-位移曲线中每段过程进行分析说明；将自复位框架试验中的节点开口荷载、耗能系数、自复位节点开口前后框架刚度比值与理论计算值进行对比，结果表明试验值与理论值基本相等，故理论分析是合理的，能够很好地预测和解释试验现象及结果，且理论公式具有较高的精确性，可为后续工程应用提供理论基础。
2023, 40(12): 185-193.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0180
摘要:
基于平截面假定等基本假定，建立基于局部螺栓松动的法兰螺栓群受力模型；引入影响线概念，提出了基于柔度系数影响线的风力机塔架法兰主风向局部螺栓松动检测方法；通过绘制机头方位角-柔度系数曲线，实现了主风向局部螺栓松动位置识别和程度评估。建立风力机塔架连接法兰螺栓群有限元分析模型，验证了检测方法的有效性。通过在风力机塔架连接法兰拼接处呈正交方位布置应变计，并接入到风力机SCADA系统，与风向角、轮毂转速等上部机组参数同步采集，编制在线分析程序，提出基于影响线的风力机塔架法兰螺栓松动识别在线监控和评估方法，供实际工程选用。
基于平截面假定等基本假定，建立基于局部螺栓松动的法兰螺栓群受力模型；引入影响线概念，提出了基于柔度系数影响线的风力机塔架法兰主风向局部螺栓松动检测方法；通过绘制机头方位角-柔度系数曲线，实现了主风向局部螺栓松动位置识别和程度评估。建立风力机塔架连接法兰螺栓群有限元分析模型，验证了检测方法的有效性。通过在风力机塔架连接法兰拼接处呈正交方位布置应变计，并接入到风力机SCADA系统，与风向角、轮毂转速等上部机组参数同步采集，编制在线分析程序，提出基于影响线的风力机塔架法兰螺栓松动识别在线监控和评估方法，供实际工程选用。
2023, 40(12): 194-202.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0182
摘要:
气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为了在悬索桥初步设计阶段，给主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考，对主跨1000 m~5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。基于跨径从888 m(虎门大桥)~1991 m(明石海峡大桥)的悬索桥动力特性，拟合在1000 m~5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m~5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型，其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱4种主梁断面，将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数，采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明，跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势，在3000 m~5000 m时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低，与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示，流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳临界风速低于实测最大阵风风速的80 m/s；跨径超过2000 m时，四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明，对于本文构建的悬索桥而言，跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳，而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素，且颤振问题随跨径增大而越发严峻。
气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为了在悬索桥初步设计阶段，给主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考，对主跨1000 m~5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。基于跨径从888 m(虎门大桥)~1991 m(明石海峡大桥)的悬索桥动力特性，拟合在1000 m~5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m~5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型，其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱4种主梁断面，将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数，采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明，跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势，在3000 m~5000 m时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低，与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示，流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳临界风速低于实测最大阵风风速的80 m/s；跨径超过2000 m时，四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明，对于本文构建的悬索桥而言，跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳，而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素，且颤振问题随跨径增大而越发严峻。
2023, 40(12): 203-211.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0194
摘要:
强震过后短时间内发生的余震会对主震损伤结构产生重要影响，目前针对地下结构抗震性能的研究多是基于单次主震作用，对余震作用的认识有待进一步提高。为研究主余震作用下地下结构的性能劣化及增量损伤，以2层3跨地铁车站为原型建立土–地下结构相互作用模型，选取14次真实地震中的85组天然主震记录和对应的主余震序列为输入，对比研究了地下结构的地震响应特征。结果表明：考虑主余震作用时地下结构的地震损伤程度一般要比仅考虑主震作用时严重，但其增量幅度及扩展范围与主余震序列峰值加速度比ξ、地震动特性和主余震“极性”等因素有关；由于地下结构的损伤累计效应，在相近主余震峰值强度作用下(ξ≈1.0)，地铁车站在余震时的层间位移反应较主震更大；当主震与余震的峰值加速度相差较大时(ξ≥1.4)，余震对结构造成的附加损伤十分有限。
强震过后短时间内发生的余震会对主震损伤结构产生重要影响，目前针对地下结构抗震性能的研究多是基于单次主震作用，对余震作用的认识有待进一步提高。为研究主余震作用下地下结构的性能劣化及增量损伤，以2层3跨地铁车站为原型建立土–地下结构相互作用模型，选取14次真实地震中的85组天然主震记录和对应的主余震序列为输入，对比研究了地下结构的地震响应特征。结果表明：考虑主余震作用时地下结构的地震损伤程度一般要比仅考虑主震作用时严重，但其增量幅度及扩展范围与主余震序列峰值加速度比ξ、地震动特性和主余震“极性”等因素有关；由于地下结构的损伤累计效应，在相近主余震峰值强度作用下(ξ≈1.0)，地铁车站在余震时的层间位移反应较主震更大；当主震与余震的峰值加速度相差较大时(ξ≥1.4)，余震对结构造成的附加损伤十分有限。
2023, 40(12): 212-221.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0195
摘要:
为了探究内嵌钢筋外包碳纤维(CFRP)布复合加固圆形木柱的抗震性能，并提出加固木柱的抗侧性能计算方法，以内嵌钢筋数量和CFRP布加固量为变量，开展了5根复合加固木柱的低周往复荷载试验。试验结果表明：复合加固方法能够延缓木柱损伤破坏的进程，加固木柱均表现为试件底部受拉侧木材纤维的断裂，脆性破坏特征显著。复合加固木柱的承载和变形能力提升明显，随着CFRP布加固量的增加，试件的峰值荷载和延性均呈上升趋势，内嵌钢筋的布设位置会影响木柱的抗侧承载力。钢筋和CFRP布的应变-位移滞回曲线与木材的相应曲线分布形态相近，加固材料可以与木材协调变形、共同工作，进而提升木柱的滞回性能。采用条带法对试件截面进行受力分析，通过理论计算与试验数据的对比，验证了截面内力计算方法的可靠性。基于材料力学基本理论，提出了复合加固木柱抗侧性能计算方法，理论计算与试验结果对应良好。
为了探究内嵌钢筋外包碳纤维(CFRP)布复合加固圆形木柱的抗震性能，并提出加固木柱的抗侧性能计算方法，以内嵌钢筋数量和CFRP布加固量为变量，开展了5根复合加固木柱的低周往复荷载试验。试验结果表明：复合加固方法能够延缓木柱损伤破坏的进程，加固木柱均表现为试件底部受拉侧木材纤维的断裂，脆性破坏特征显著。复合加固木柱的承载和变形能力提升明显，随着CFRP布加固量的增加，试件的峰值荷载和延性均呈上升趋势，内嵌钢筋的布设位置会影响木柱的抗侧承载力。钢筋和CFRP布的应变-位移滞回曲线与木材的相应曲线分布形态相近，加固材料可以与木材协调变形、共同工作，进而提升木柱的滞回性能。采用条带法对试件截面进行受力分析，通过理论计算与试验数据的对比，验证了截面内力计算方法的可靠性。基于材料力学基本理论，提出了复合加固木柱抗侧性能计算方法，理论计算与试验结果对应良好。
2023, 40(12): 222-233.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.07.0633
摘要:
为了讨论楔形端承摩擦桩在扭矩T-竖向荷载V联合作用下的承载性能，考虑地基土剪切模量在地面处为非零值且随深度呈幂函数的分布形式，根据能量法和变分原理，分别得出基桩在桩顶竖向荷载和扭矩作用下的桩身竖向位移以及扭转角微分控制方程。采用MATLAB编制程序求解楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载、极限扭矩，得到相应的承载力包络图。在T→V加载顺序下，通过改变初始扭矩值，分析了初始扭矩对楔形端承摩擦桩竖向承载特性的影响。对T-V联合受荷楔形端承摩擦桩进行了参数影响分析。研究结果表明：与等截面桩相比，纯压和纯扭作用下楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载和极限扭矩有所提高。在T→V加载顺序下，楔形端承摩擦桩承载力包络线相比等截面桩有所外扩。随着桩径变化率的增大，楔形端承摩擦桩的承载力包络线也随之向外扩张。当初始扭矩与极限扭矩之比超过一定值时，楔形端承摩擦桩极限竖向荷载开始显著降低，需注意T-V组合效应。对于大直径长桩而言，需要重视初始扭矩对基桩竖向承载性能的影响。一味提高混凝土标号并不能极大的改善基桩在T→V受荷模式下的竖向承载性能。
为了讨论楔形端承摩擦桩在扭矩T-竖向荷载V联合作用下的承载性能，考虑地基土剪切模量在地面处为非零值且随深度呈幂函数的分布形式，根据能量法和变分原理，分别得出基桩在桩顶竖向荷载和扭矩作用下的桩身竖向位移以及扭转角微分控制方程。采用MATLAB编制程序求解楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载、极限扭矩，得到相应的承载力包络图。在T→V加载顺序下，通过改变初始扭矩值，分析了初始扭矩对楔形端承摩擦桩竖向承载特性的影响。对T-V联合受荷楔形端承摩擦桩进行了参数影响分析。研究结果表明：与等截面桩相比，纯压和纯扭作用下楔形端承摩擦桩的极限竖向荷载和极限扭矩有所提高。在T→V加载顺序下，楔形端承摩擦桩承载力包络线相比等截面桩有所外扩。随着桩径变化率的增大，楔形端承摩擦桩的承载力包络线也随之向外扩张。当初始扭矩与极限扭矩之比超过一定值时，楔形端承摩擦桩极限竖向荷载开始显著降低，需注意T-V组合效应。对于大直径长桩而言，需要重视初始扭矩对基桩竖向承载性能的影响。一味提高混凝土标号并不能极大的改善基桩在T→V受荷模式下的竖向承载性能。
2023, 40(12): 234-244.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0186
摘要:
复合材料夹芯结构在轨道车辆轻量化设计中应用广泛，传统单一铝蜂窝芯体的复合材料夹芯结构抗冲击性能较差，难以满足运用需求。在传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构的芯体中引入网格形格栅，形成碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构，在格栅交点处、单肋板中心处和格栅中心处3种典型位置对其分别进行落锤冲击试验与冲击后压缩试验。并将碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构应用于车体顶棚结构，在落石冲击工况下建立了3种不同材料的车体顶棚仿真模型，分析其比峰值载荷和比刚度等力学性能。结果表明：碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构相较于传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构，其抗冲击性能更强，冲击后压缩强度高出约34%，压缩刚度高出约52%；位于格栅交点处与单肋板中心处的接触力峰值、分层临界载荷与凹坑深度显著优于格栅中心处；与碳纤维/铝蜂窝车体顶棚相比，碳纤维/格栅增强蜂窝车体顶棚在落石冲击下的变形量减小了71.73%，比峰值载荷与比刚度分别提高了133.33%、146.72%。碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构兼具轻量化与性能强的优点，适合作为大型承载结构，可以为高速列车车体结构设计提供参考。
复合材料夹芯结构在轨道车辆轻量化设计中应用广泛，传统单一铝蜂窝芯体的复合材料夹芯结构抗冲击性能较差，难以满足运用需求。在传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构的芯体中引入网格形格栅，形成碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构，在格栅交点处、单肋板中心处和格栅中心处3种典型位置对其分别进行落锤冲击试验与冲击后压缩试验。并将碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构应用于车体顶棚结构，在落石冲击工况下建立了3种不同材料的车体顶棚仿真模型，分析其比峰值载荷和比刚度等力学性能。结果表明：碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构相较于传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构，其抗冲击性能更强，冲击后压缩强度高出约34%，压缩刚度高出约52%；位于格栅交点处与单肋板中心处的接触力峰值、分层临界载荷与凹坑深度显著优于格栅中心处；与碳纤维/铝蜂窝车体顶棚相比，碳纤维/格栅增强蜂窝车体顶棚在落石冲击下的变形量减小了71.73%，比峰值载荷与比刚度分别提高了133.33%、146.72%。碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构兼具轻量化与性能强的优点，适合作为大型承载结构，可以为高速列车车体结构设计提供参考。
2023, 40(12): 245-256.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.02.0189
摘要:
黏弹性材料在消声降噪、精密仪器减振和建筑结构防震减灾等领域存在较多应用。炭黑、白炭黑等填料体系是黏弹性材料的重要组成部分。该文采用随机序列吸附方法，建立了不同体积炭黑填充黏弹性材料的代表体积单元(RVE)模型，基于有效体积分数对有限元模型进行修正，从细观尺度对不同体积分数炭黑填充黏弹性材料的弹性力学行为和动态耗能指标进行了计算分析，与经验值和试验结果进行了对比验证。结果表明：采用有效体积分数建模时，RVE方法计算得到不同体积分数下炭黑填充黏弹性材料的应力-应变曲线、动态耗能指标均能与试验和理论结果较好吻合。
黏弹性材料在消声降噪、精密仪器减振和建筑结构防震减灾等领域存在较多应用。炭黑、白炭黑等填料体系是黏弹性材料的重要组成部分。该文采用随机序列吸附方法，建立了不同体积炭黑填充黏弹性材料的代表体积单元(RVE)模型，基于有效体积分数对有限元模型进行修正，从细观尺度对不同体积分数炭黑填充黏弹性材料的弹性力学行为和动态耗能指标进行了计算分析，与经验值和试验结果进行了对比验证。结果表明：采用有效体积分数建模时，RVE方法计算得到不同体积分数下炭黑填充黏弹性材料的应力-应变曲线、动态耗能指标均能与试验和理论结果较好吻合。
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