2019年 第36卷 第4期
2019, 36(4): 1-7.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.ST13
摘要:
该文对结构力学中的解法和方法从方法论的角度进行回望。提出三点认识：1）结力方法论的文脉是"阴阳-和合系统"；2）结力方法的特色是"成对、互补"似阴阳；3）虚功能量法的优势是"合一、多能"成太极。此外，还在打通血脉、消除隔阂方面，提出两点看法：4）论证能量法与虚功法之间是"殊途同归、实质相通"的关系；5）揭示"平衡"与"几何"两个领域中存在隐晦的"互借、互伴"关系。
该文对结构力学中的解法和方法从方法论的角度进行回望。提出三点认识：1）结力方法论的文脉是"阴阳-和合系统"；2）结力方法的特色是"成对、互补"似阴阳；3）虚功能量法的优势是"合一、多能"成太极。此外，还在打通血脉、消除隔阂方面，提出两点看法：4）论证能量法与虚功法之间是"殊途同归、实质相通"的关系；5）揭示"平衡"与"几何"两个领域中存在隐晦的"互借、互伴"关系。
2019, 36(4): 8-23.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0175
摘要:
昆虫、鸟类与蝙蝠等生物具有高超的飞行能力，是扑翼飞行器的主要模仿对象。近年来，扑翼空气动力学领域的研究取得了很大进展，该文主要对其主要研究成果进行综述，重点介绍扑翼空气动力学各研究方向的最新进展，包括昆虫、鸟类与蝙蝠扑翼的主要升力机制，翅膀形态学参数与微观结构、翅膀柔性与动态变形、翼-翼干扰、翼-身干扰、个体间干扰及地面效应等对扑翼气动特性的影响。同时还对仿生扑翼飞行器气动研究的新进展进行了介绍，并提出了扑翼空气动力学所面临的主要问题和挑战。
昆虫、鸟类与蝙蝠等生物具有高超的飞行能力，是扑翼飞行器的主要模仿对象。近年来，扑翼空气动力学领域的研究取得了很大进展，该文主要对其主要研究成果进行综述，重点介绍扑翼空气动力学各研究方向的最新进展，包括昆虫、鸟类与蝙蝠扑翼的主要升力机制，翅膀形态学参数与微观结构、翅膀柔性与动态变形、翼-翼干扰、翼-身干扰、个体间干扰及地面效应等对扑翼气动特性的影响。同时还对仿生扑翼飞行器气动研究的新进展进行了介绍，并提出了扑翼空气动力学所面临的主要问题和挑战。
2019, 36(4): 24-36.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0484
摘要:
如何提高结构动力学性能的鲁棒性，以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念，从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例，从结构的动力响应要求出发，采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明，基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案，在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后，对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。
如何提高结构动力学性能的鲁棒性，以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念，从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例，从结构的动力响应要求出发，采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明，基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案，在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后，对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。
2019, 36(4): 37-43,51.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0074
摘要:
该文基于插值型移动最小二乘法，将无网格局部Petrov-Galerkin（MLPG）法用于二维耦合热弹性动力学问题的求解。修正的Fourier热传导方程和弹性动力控制方程通过加权余量法来离散，Heaviside分段函数作为局部弱形式的权函数，从而得到描述热耦合问题的二阶常微分方程组。然后利用微分代数方法，温度和位移作为辅助变量，将上述二阶常微分方程组转换成常微分代数系统，采用Newmark逐步积分法进行求解。该方法无需Laplace变换可直接得到温度场和位移场数值结果，同时插值型移动最小二乘法构造的形函数由于满足Kroneckerdelta特性，因此能直接施加本质边界条件。最后通过两个数值算例来验证该方法的有效性。
该文基于插值型移动最小二乘法，将无网格局部Petrov-Galerkin（MLPG）法用于二维耦合热弹性动力学问题的求解。修正的Fourier热传导方程和弹性动力控制方程通过加权余量法来离散，Heaviside分段函数作为局部弱形式的权函数，从而得到描述热耦合问题的二阶常微分方程组。然后利用微分代数方法，温度和位移作为辅助变量，将上述二阶常微分方程组转换成常微分代数系统，采用Newmark逐步积分法进行求解。该方法无需Laplace变换可直接得到温度场和位移场数值结果，同时插值型移动最小二乘法构造的形函数由于满足Kroneckerdelta特性，因此能直接施加本质边界条件。最后通过两个数值算例来验证该方法的有效性。
2019, 36(4): 44-51.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0116
摘要:
为提高压扭杆件内力和变形分析的精度和效率，以Vlasov扭转理论为基础，根据压扭杆件位移控制方程，考虑大位移和截面翘曲影响，构建了压扭杆的单元位移形函数，采用势能原理建立了压扭杆势能泛函。利用势能驻值变分原理得出了解析型压扭杆单元列式，并推导了用于杆件内力分析的单元刚度矩阵。将其与理论解、插值多项式单元进行对比，结果表明：该文构造的单元计算压扭杆转角及翘曲率和临界荷载的精度高于插值多项式单元，且不需划分单元，即可保证计算结果与理论解一致，满足了高精度、高效率的要求，可应用于解决实际工程问题。
为提高压扭杆件内力和变形分析的精度和效率，以Vlasov扭转理论为基础，根据压扭杆件位移控制方程，考虑大位移和截面翘曲影响，构建了压扭杆的单元位移形函数，采用势能原理建立了压扭杆势能泛函。利用势能驻值变分原理得出了解析型压扭杆单元列式，并推导了用于杆件内力分析的单元刚度矩阵。将其与理论解、插值多项式单元进行对比，结果表明：该文构造的单元计算压扭杆转角及翘曲率和临界荷载的精度高于插值多项式单元，且不需划分单元，即可保证计算结果与理论解一致，满足了高精度、高效率的要求，可应用于解决实际工程问题。
2019, 36(4): 52-61.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0142
摘要:
功能梯度梁热后屈曲特性研究对于推进功能梯度材料在航天器热防护设计中的应用有着重要意义。基于经典梁的几何非线性理论和物理中面的概念，建立了热载荷作用下功能梯度梁的运动微分方程，通过化简得到一个仅关于挠度的四阶微分-积分方程，并与固支边界条件构成特征值问题，分析研究了功能梯度梁的热后屈曲及在此基础上的振动问题。首先证明了通过哈密顿原理推导的运动方程是轴线可伸长理论的近似形式。接着考虑热对材料物性参数的影响，并对梁的长细比、功能梯度指数和温度比作了详细分析，研究了这些参数对热后屈曲路径和后屈曲振动的影响规律。结果表明：只有在长细比较大时才可以不考虑温度对材料物性参数的影响，否则误差较大；长细比、功能梯度指数和温度比的增大会增大无量纲热屈曲载荷，同时使屈曲路径和频率-载荷曲线向热载荷增大的方向移动。
功能梯度梁热后屈曲特性研究对于推进功能梯度材料在航天器热防护设计中的应用有着重要意义。基于经典梁的几何非线性理论和物理中面的概念，建立了热载荷作用下功能梯度梁的运动微分方程，通过化简得到一个仅关于挠度的四阶微分-积分方程，并与固支边界条件构成特征值问题，分析研究了功能梯度梁的热后屈曲及在此基础上的振动问题。首先证明了通过哈密顿原理推导的运动方程是轴线可伸长理论的近似形式。接着考虑热对材料物性参数的影响，并对梁的长细比、功能梯度指数和温度比作了详细分析，研究了这些参数对热后屈曲路径和后屈曲振动的影响规律。结果表明：只有在长细比较大时才可以不考虑温度对材料物性参数的影响，否则误差较大；长细比、功能梯度指数和温度比的增大会增大无量纲热屈曲载荷，同时使屈曲路径和频率-载荷曲线向热载荷增大的方向移动。
2019, 36(4): 62-71,99.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.10.0760
摘要:
深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力，其主要特点是变形持续时间长且具有重复性，支护完成后围岩压力仍将持续增大，企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的，采用让压支护是解决问题的一个方向。同时，深部围岩赋存条件复杂，岩体结构复杂多变，盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景，采用相似模型试验和有限元数值计算手段，对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明：在模型正确建立且参数取值合理的前提下，有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%，最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化，但对管片轴力的影响则不明显，管片弯矩对复合地层抗力更为敏感，而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下，复合地层中管片内力分布更加均匀，轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定，对管片最大负弯矩影响显著，使其产生位置偏向相对较软一侧的地层，且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。
深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力，其主要特点是变形持续时间长且具有重复性，支护完成后围岩压力仍将持续增大，企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的，采用让压支护是解决问题的一个方向。同时，深部围岩赋存条件复杂，岩体结构复杂多变，盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景，采用相似模型试验和有限元数值计算手段，对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明：在模型正确建立且参数取值合理的前提下，有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%，最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化，但对管片轴力的影响则不明显，管片弯矩对复合地层抗力更为敏感，而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下，复合地层中管片内力分布更加均匀，轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定，对管片最大负弯矩影响显著，使其产生位置偏向相对较软一侧的地层，且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。
2019, 36(4): 72-79.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0138
摘要:
利用谐波合成法生成粗网格的脉动风速时程，通过双线性插值得到入口节点时程数据，考虑时程互相关性对时程进行修正得到大涡模拟湍流入口。采用谱元法对两种不同坡度的三维山丘地形进行大涡数值模拟，将结果与风洞试验及有限体积法数值模拟进行对比。结果表明：大涡模拟能较准确地预测山丘地形的风场及湍流特性；与有限体积法相比，谱元法的计算效率更高，在复杂山地地形的风场预测上有较好的应用前景。
利用谐波合成法生成粗网格的脉动风速时程，通过双线性插值得到入口节点时程数据，考虑时程互相关性对时程进行修正得到大涡模拟湍流入口。采用谱元法对两种不同坡度的三维山丘地形进行大涡数值模拟，将结果与风洞试验及有限体积法数值模拟进行对比。结果表明：大涡模拟能较准确地预测山丘地形的风场及湍流特性；与有限体积法相比，谱元法的计算效率更高，在复杂山地地形的风场预测上有较好的应用前景。
2019, 36(4): 80-88.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.12.0939
摘要:
风力发电机受到的气动力作用表现为气动阻尼和空气动力荷载，对结构地震响应分别具有阻尼效应和动力效应。该文建立理论分析模型，考虑运行和停机两种工况，分析工作状态影响风力发电机地震响应的规律和机理；针对NREL 5 MW基准风机，采用FAST软件分析不同风-地震组合作用下风力发电机结构动力响应，验证理论分析结果的正确性；同时，分析输入地震动方向对风力发电机地震响应的影响。结果表明：工作状态对风力发电机地震响应的影响与地震动幅值和风速有关；强震作用下，停机状态地震单独作用为最不利工况；弱震作用下，额定风速-设计地震动组合是最不利荷载组合；输入地震动方向影响风力发电机动力响应。
风力发电机受到的气动力作用表现为气动阻尼和空气动力荷载，对结构地震响应分别具有阻尼效应和动力效应。该文建立理论分析模型，考虑运行和停机两种工况，分析工作状态影响风力发电机地震响应的规律和机理；针对NREL 5 MW基准风机，采用FAST软件分析不同风-地震组合作用下风力发电机结构动力响应，验证理论分析结果的正确性；同时，分析输入地震动方向对风力发电机地震响应的影响。结果表明：工作状态对风力发电机地震响应的影响与地震动幅值和风速有关；强震作用下，停机状态地震单独作用为最不利工况；弱震作用下，额定风速-设计地震动组合是最不利荷载组合；输入地震动方向影响风力发电机动力响应。
2019, 36(4): 89-99.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0027
摘要:
该文在利用电磁阻尼单元代替经典型调谐质量阻尼器中的粘性阻尼单元的基础上，引入惯质单元，形成一种新型的具有结构减振和能量收集双重功能的电磁调谐双质阻尼器（electromagnetic tuned mass-inerter damper，EM-TMID）。依据达朗伯定理，建立EM-TMID与单自由度结构耦合结构受地震作用时的动力学模型。然后基于H2优化理论，即以主结构位移均方根值最小为目标函数，对EM-TMID进行参数优化，得到EM-TMID的结构频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的最优解析式。最后通过频域和时域两种仿真方法数值仿真分析了EM-TMID对结构的减震和能量收集的双重性能。结果表明，在频域分析中，EM-TMID的主结构位移峰值和频响面积均优于经典TMD、EM-TMD和TMDI。在时域分析中，EM-TMID对结构位移、加速度的峰值和均方根值的减震性能均优于经典TMD，同时能够进行能量收集。
该文在利用电磁阻尼单元代替经典型调谐质量阻尼器中的粘性阻尼单元的基础上，引入惯质单元，形成一种新型的具有结构减振和能量收集双重功能的电磁调谐双质阻尼器（electromagnetic tuned mass-inerter damper，EM-TMID）。依据达朗伯定理，建立EM-TMID与单自由度结构耦合结构受地震作用时的动力学模型。然后基于H2优化理论，即以主结构位移均方根值最小为目标函数，对EM-TMID进行参数优化，得到EM-TMID的结构频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的最优解析式。最后通过频域和时域两种仿真方法数值仿真分析了EM-TMID对结构的减震和能量收集的双重性能。结果表明，在频域分析中，EM-TMID的主结构位移峰值和频响面积均优于经典TMD、EM-TMD和TMDI。在时域分析中，EM-TMID对结构位移、加速度的峰值和均方根值的减震性能均优于经典TMD，同时能够进行能量收集。
2019, 36(4): 100-108,124.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0060
摘要:
为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能，建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统，进行了一个1：2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性，分析了试验子结构的位移加载精度，作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载，分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明：作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近，最大相对误差为13.60%，各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右；随着地震波加速度峰值的增大，模型的自振频率下降，刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处，以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197，符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上，基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应，高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。
为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能，建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统，进行了一个1：2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性，分析了试验子结构的位移加载精度，作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载，分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明：作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近，最大相对误差为13.60%，各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右；随着地震波加速度峰值的增大，模型的自振频率下降，刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处，以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197，符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上，基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应，高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。
2019, 36(4): 109-116.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0071
摘要:
为建立部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）构件的抗剪承载力计算公式，该文设计并进行了7个试件的静力加载试验，考虑了剪跨比、现浇混凝土强度和截面形式三个变化参数对PPSRC构件抗剪性能的影响。通过分析试件的破坏过程、剪力-位移曲线和剪力-应变曲线，对PPSRC构件的破坏机理和抗剪承载力进行研究。基于试验结果，分析了预制装配型钢混凝土构件抗剪承载力的主要影响因素，依据叠加原理提出了部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载力计算公式。试验结果表明：部分预制装配型钢混凝土构件斜截面破坏形态有斜压破坏和剪压破坏两种形式，预制混凝土和现浇混凝土的协同工作良好；提出的抗剪承载力计算公式可为部分预制装配型钢混凝土构件的设计提供一定的基础。
为建立部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）构件的抗剪承载力计算公式，该文设计并进行了7个试件的静力加载试验，考虑了剪跨比、现浇混凝土强度和截面形式三个变化参数对PPSRC构件抗剪性能的影响。通过分析试件的破坏过程、剪力-位移曲线和剪力-应变曲线，对PPSRC构件的破坏机理和抗剪承载力进行研究。基于试验结果，分析了预制装配型钢混凝土构件抗剪承载力的主要影响因素，依据叠加原理提出了部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载力计算公式。试验结果表明：部分预制装配型钢混凝土构件斜截面破坏形态有斜压破坏和剪压破坏两种形式，预制混凝土和现浇混凝土的协同工作良好；提出的抗剪承载力计算公式可为部分预制装配型钢混凝土构件的设计提供一定的基础。
2019, 36(4): 117-124.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0084
摘要:
针对内嵌碳纤维增强塑料筋加固宽缺口混凝土梁体系，对碳纤维增强塑料筋、胶粘剂及混凝土三种介质两个界面的内力进行了力学解析分析，分析研究表明：剪应力是碳纤维增强塑料筋-胶粘剂-混凝土界面的粘结应力的主体，由内嵌加固宽缺口梁破坏试验可直接获取界面的剥离承载力；碳纤维增强塑料筋的受力相当于外表受到剪应力和正应力的圆柱体，剪应力靠胶结力提供，筋表面的平均剪应力可以通过宽缺口处外露部分的应变片实测得到，且与试验结果吻合较好，筋表面正应力的作用可以忽略；碳纤维筋横截面上的正应力在筋的长度方向成幂指数分布，沿筋截面径向分布不均匀，这导致其横截面中心的变形滞后于筋边缘的变形；槽内胶凝固后的内聚体是一个断面内圆外方的柱体，可以假定为是近似的厚壁圆筒，胶内聚体内的切向和径向应力对胶内聚体的剪切变形几乎没有影响；界面剥离破坏在比邻界面的混凝土中发生，因此混凝土强度将显著影响界面粘结性能与剥离承载力。
针对内嵌碳纤维增强塑料筋加固宽缺口混凝土梁体系，对碳纤维增强塑料筋、胶粘剂及混凝土三种介质两个界面的内力进行了力学解析分析，分析研究表明：剪应力是碳纤维增强塑料筋-胶粘剂-混凝土界面的粘结应力的主体，由内嵌加固宽缺口梁破坏试验可直接获取界面的剥离承载力；碳纤维增强塑料筋的受力相当于外表受到剪应力和正应力的圆柱体，剪应力靠胶结力提供，筋表面的平均剪应力可以通过宽缺口处外露部分的应变片实测得到，且与试验结果吻合较好，筋表面正应力的作用可以忽略；碳纤维筋横截面上的正应力在筋的长度方向成幂指数分布，沿筋截面径向分布不均匀，这导致其横截面中心的变形滞后于筋边缘的变形；槽内胶凝固后的内聚体是一个断面内圆外方的柱体，可以假定为是近似的厚壁圆筒，胶内聚体内的切向和径向应力对胶内聚体的剪切变形几乎没有影响；界面剥离破坏在比邻界面的混凝土中发生，因此混凝土强度将显著影响界面粘结性能与剥离承载力。
2019, 36(4): 125-134.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.01.0085
摘要:
为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能，对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验，分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果，得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线，并根据完好构件恢复力模型特征参数，得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法，得到基于滞回耗能的循环退化指数，通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明：随着钢筋锈蚀程度的增加，锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显，滞回耗能逐渐降低；配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似；所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性，可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。
为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能，对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验，分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果，得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线，并根据完好构件恢复力模型特征参数，得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法，得到基于滞回耗能的循环退化指数，通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明：随着钢筋锈蚀程度的增加，锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显，滞回耗能逐渐降低；配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似；所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性，可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。
2019, 36(4): 135-146.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0090
摘要:
以天津高银117大厦巨型柱为原型，按1/20缩尺设计制作11根多腔式多边形钢管混凝土柱偏压试件，通过静力试验研究其偏心受压性能，包括破坏形态、荷载-侧向挠度关系曲线和荷载-应变关系曲线，采用ABAQUS软件拓展分析钢管壁厚、长细比、偏心率和混凝土强度等参数对试件极限承载力的影响规律。研究结果表明：多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压试件主要发生弯曲型失稳破坏；提高混凝土强度或钢管壁厚，可提高试件的极限承载力；腔内钢筋笼可显著提高其延性及后期承载力；当长细比从24增加到70，其极限承载力下降38.6%；当偏心率从0.2增加到1，其极限承载力下降54.1%；基于有限元结果，参考相关的承载力计算方法，建立适用于六边形六腔及五边形四腔的钢管混凝土柱偏心受压承载力计算公式，可为实际工程应用提供参考。
以天津高银117大厦巨型柱为原型，按1/20缩尺设计制作11根多腔式多边形钢管混凝土柱偏压试件，通过静力试验研究其偏心受压性能，包括破坏形态、荷载-侧向挠度关系曲线和荷载-应变关系曲线，采用ABAQUS软件拓展分析钢管壁厚、长细比、偏心率和混凝土强度等参数对试件极限承载力的影响规律。研究结果表明：多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压试件主要发生弯曲型失稳破坏；提高混凝土强度或钢管壁厚，可提高试件的极限承载力；腔内钢筋笼可显著提高其延性及后期承载力；当长细比从24增加到70，其极限承载力下降38.6%；当偏心率从0.2增加到1，其极限承载力下降54.1%；基于有限元结果，参考相关的承载力计算方法，建立适用于六边形六腔及五边形四腔的钢管混凝土柱偏心受压承载力计算公式，可为实际工程应用提供参考。
2019, 36(4): 147-157.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0092
摘要:
在分布式连接新型全装配RC楼盖中，板与板之间通过连接件连接实现横板向传力。为研究新型楼盖竖向承载力计算方法，进行了新型楼盖在竖向荷载作用下的内力与变形分析。结果表明：基于正交各向异性弹性薄板小挠度理论和单三角级数法得到四边简支新型楼盖在竖向均布荷载作用下的弯矩与挠度表达式，提出了新型楼盖横板向刚度计算方法，并通过与试验和有限元结果对比，验证了所提方法的准确性；新型楼盖的挠度在两个方向呈空间抛物面分布，表明新型楼盖具有良好横板向传力性能；板缝连接可有效传递板内弯矩，但正交的两个方向弯矩传递效果存在差异，表现为顺板向弯矩的传递效果优于横板向。研究成果可为分布式连接全装配RC楼盖的研究和应用提供参考。
在分布式连接新型全装配RC楼盖中，板与板之间通过连接件连接实现横板向传力。为研究新型楼盖竖向承载力计算方法，进行了新型楼盖在竖向荷载作用下的内力与变形分析。结果表明：基于正交各向异性弹性薄板小挠度理论和单三角级数法得到四边简支新型楼盖在竖向均布荷载作用下的弯矩与挠度表达式，提出了新型楼盖横板向刚度计算方法，并通过与试验和有限元结果对比，验证了所提方法的准确性；新型楼盖的挠度在两个方向呈空间抛物面分布，表明新型楼盖具有良好横板向传力性能；板缝连接可有效传递板内弯矩，但正交的两个方向弯矩传递效果存在差异，表现为顺板向弯矩的传递效果优于横板向。研究成果可为分布式连接全装配RC楼盖的研究和应用提供参考。
2019, 36(4): 158-166,187.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0093
摘要:
从抗震节能一体化出发，研发了自保温暗骨架承重墙及其结构体系。通过水平低周反复荷载试验研究了自保温暗骨架承重墙的抗震性能，揭示了该新型抗震墙体受力机制的转化过程，即抗震失效全过程可分为共同工作、转化过渡和弱框架工作三个阶段。结合试验成果开展理论分析，针对自保温暗骨架承重墙剪切破坏模式，分别建立了基于等效弹性板模型的墙体开裂荷载计算方法和基于修正软化拉压杆模型的墙体抗剪极限承载力计算方法，与实测值相比误差分别是3.2%、3.3%，故构建的理论计算方法精度高、物理力学概念清晰。结果表明：自保温暗骨架承重墙具有多道抗震防线，抗震性能好，加之施工方便快捷、造价低廉，特别适宜在村镇住宅等多层建筑中推广应用。
从抗震节能一体化出发，研发了自保温暗骨架承重墙及其结构体系。通过水平低周反复荷载试验研究了自保温暗骨架承重墙的抗震性能，揭示了该新型抗震墙体受力机制的转化过程，即抗震失效全过程可分为共同工作、转化过渡和弱框架工作三个阶段。结合试验成果开展理论分析，针对自保温暗骨架承重墙剪切破坏模式，分别建立了基于等效弹性板模型的墙体开裂荷载计算方法和基于修正软化拉压杆模型的墙体抗剪极限承载力计算方法，与实测值相比误差分别是3.2%、3.3%，故构建的理论计算方法精度高、物理力学概念清晰。结果表明：自保温暗骨架承重墙具有多道抗震防线，抗震性能好，加之施工方便快捷、造价低廉，特别适宜在村镇住宅等多层建筑中推广应用。
2019, 36(4): 167-176.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0096
摘要:
该文提出了一种框架-预应力摇摆墙新型结构形式，其中摇摆墙脚部混凝土采用橡胶块替代，并通过墙内预埋的无粘结预应力筋与基础进行贯穿连接，摇摆墙与主体框架则采用耗能连接件相连。通过一榀框架试件和一榀框架-预应力摇摆墙试件的拟静力试验，研究了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明：框架-预应力摇摆墙结构的破坏有效地集中在耗能连接件上，梁端、柱端以及梁柱节点区的破坏相对较轻；极限承载能力提升显著，相较对比框架提高了112.4%；耗能能力较对比框架大幅提升，且各层层间变形趋于均匀；耗能连接件发挥出了良好的延性变形能力，且施工方便、造价低，实现了可更换构件与摇摆结构的有机结合。
该文提出了一种框架-预应力摇摆墙新型结构形式，其中摇摆墙脚部混凝土采用橡胶块替代，并通过墙内预埋的无粘结预应力筋与基础进行贯穿连接，摇摆墙与主体框架则采用耗能连接件相连。通过一榀框架试件和一榀框架-预应力摇摆墙试件的拟静力试验，研究了试件的破坏形态、承载能力、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明：框架-预应力摇摆墙结构的破坏有效地集中在耗能连接件上，梁端、柱端以及梁柱节点区的破坏相对较轻；极限承载能力提升显著，相较对比框架提高了112.4%；耗能能力较对比框架大幅提升，且各层层间变形趋于均匀；耗能连接件发挥出了良好的延性变形能力，且施工方便、造价低，实现了可更换构件与摇摆结构的有机结合。
2019, 36(4): 177-187.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0107
摘要:
为减小斜拉桥横桥向的地震响应，提出一种设置预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥横向减震体系及支撑参数的设计方法。以一座斜拉桥为研究对象，对支撑参数进行了设计，并对塔梁固结体系和采用支撑的减震体系进行地震时程分析，从关键位置的地震响应、耗能能力等方面对支撑体系的抗震性能进行了研究。结果表明，横桥向采用预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥减震体系利用支撑良好的滞回耗能特性，有效减小桥塔位移和应变，改善桥塔受力，减小主梁的残余位移。附加预压弹簧自复位耗能支撑对斜拉桥地震响应有良好减震控制效果，是一种合理的抗震体系。
为减小斜拉桥横桥向的地震响应，提出一种设置预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥横向减震体系及支撑参数的设计方法。以一座斜拉桥为研究对象，对支撑参数进行了设计，并对塔梁固结体系和采用支撑的减震体系进行地震时程分析，从关键位置的地震响应、耗能能力等方面对支撑体系的抗震性能进行了研究。结果表明，横桥向采用预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥减震体系利用支撑良好的滞回耗能特性，有效减小桥塔位移和应变，改善桥塔受力，减小主梁的残余位移。附加预压弹簧自复位耗能支撑对斜拉桥地震响应有良好减震控制效果，是一种合理的抗震体系。
2019, 36(4): 188-195,205.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0108
摘要:
基于某三跨隔震连续梁桥，分析了环境温度、隔震支座初始位移及铅芯热效应对其地震响应的影响。首先，分析了隔震支座产生初始位移的机理。在此基础上，选取36条近断层地震动记录，分别采用考虑与不考虑铅芯热效应的隔震支座模型，对该隔震连续梁桥进行了不同环境温度条件下的非线性动力时程分析，得到结构关键部位的动力响应。结果表明：低温环境条件下，环境温度、初始位移、铅芯热共同作用效应会使得隔震连续梁桥结构地震峰值位移明显减小，支座、墩底峰值剪力显著增大，环境温度对隔震梁桥地震峰值响应起主导作用；当环境温度超过常温（20℃）时，由于环境温度引起隔震支座力学性能显著退化，环境温度、隔震支座初始位移、铅芯热效应的共同作用使得结构地震峰值位移显著增大，此时初始位移与铅芯热对隔震支座峰值位移、剪力、墩底剪力影响更为显著。由于部分近场地震动作用下的结构峰值位移显著增大，使得其峰值剪力呈现出增大趋势。
基于某三跨隔震连续梁桥，分析了环境温度、隔震支座初始位移及铅芯热效应对其地震响应的影响。首先，分析了隔震支座产生初始位移的机理。在此基础上，选取36条近断层地震动记录，分别采用考虑与不考虑铅芯热效应的隔震支座模型，对该隔震连续梁桥进行了不同环境温度条件下的非线性动力时程分析，得到结构关键部位的动力响应。结果表明：低温环境条件下，环境温度、初始位移、铅芯热共同作用效应会使得隔震连续梁桥结构地震峰值位移明显减小，支座、墩底峰值剪力显著增大，环境温度对隔震梁桥地震峰值响应起主导作用；当环境温度超过常温（20℃）时，由于环境温度引起隔震支座力学性能显著退化，环境温度、隔震支座初始位移、铅芯热效应的共同作用使得结构地震峰值位移显著增大，此时初始位移与铅芯热对隔震支座峰值位移、剪力、墩底剪力影响更为显著。由于部分近场地震动作用下的结构峰值位移显著增大，使得其峰值剪力呈现出增大趋势。
2019, 36(4): 196-205.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0125
摘要:
为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System，TTBS）动力分析的计算效率，该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型，结合模态叠加法和直接刚度法，提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method，IHM）。该方法中，列车动力方程通过多刚体动力学方法建立；轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应，桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统，轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后，以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例，探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律，最后，对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时，结果表明：同样的计算精度下，该文方法具有更高的计算效率。
为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System，TTBS）动力分析的计算效率，该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型，结合模态叠加法和直接刚度法，提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method，IHM）。该方法中，列车动力方程通过多刚体动力学方法建立；轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应，桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统，轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后，以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例，探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律，最后，对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时，结果表明：同样的计算精度下，该文方法具有更高的计算效率。
2019, 36(4): 206-213.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0127
摘要:
该文以分层装配梁贯通式支撑钢框架为对象，通过引入节点弯矩-转角本构模型的数值模拟方法，研究节点刚度和承载力设置对结构体系抗震性能的影响。分析结果表明，节点刚度对结构自振频率影响不大，但影响结构在静力推覆下的失效演进模式和地震作用下的滞回特性，节点刚度小于4倍相邻柱线刚度时，结构不能满足罕遇地震下的层间位移角限值要求；节点承载力对静力推覆下结构的极限承载力影响很小，对罕遇地震作用下的结构滞回特性和层间位移分布几乎没有影响。
该文以分层装配梁贯通式支撑钢框架为对象，通过引入节点弯矩-转角本构模型的数值模拟方法，研究节点刚度和承载力设置对结构体系抗震性能的影响。分析结果表明，节点刚度对结构自振频率影响不大，但影响结构在静力推覆下的失效演进模式和地震作用下的滞回特性，节点刚度小于4倍相邻柱线刚度时，结构不能满足罕遇地震下的层间位移角限值要求；节点承载力对静力推覆下结构的极限承载力影响很小，对罕遇地震作用下的结构滞回特性和层间位移分布几乎没有影响。
2019, 36(4): 214-220,230.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0133
摘要:
后注浆微型钢管桩以其施工速度快、场地适应性好及承载力高等技术特点，广泛应用于基础托换及软基加固工程中；然而，针对海相淤泥质土中浆液扩散规律及承载特性的研究仍相对较少。开展连云港海相淤泥质土中静压微型钢管桩及后注浆微型钢管桩承载特性现场试验，对比分析桩侧注浆对微型钢管桩承载特性的影响规律。基于透明黏土材料和PIV技术，开展后注浆微型钢管桩沉桩及注浆过程可视化模型试验研究，观测分析微型钢管桩静压沉桩过程中桩周土体位移场、桩侧注浆施工过程中浆液扩散规律。研究结果表明，现场实测后注浆微型钢管桩竖向抗压承载力约为常规微型钢管桩承载力的2.4倍；静压微型钢管桩沉桩挤土效应小于4.5D，海相淤泥质土中注浆浆液扩散形式以水平向二次劈裂注浆为主。
后注浆微型钢管桩以其施工速度快、场地适应性好及承载力高等技术特点，广泛应用于基础托换及软基加固工程中；然而，针对海相淤泥质土中浆液扩散规律及承载特性的研究仍相对较少。开展连云港海相淤泥质土中静压微型钢管桩及后注浆微型钢管桩承载特性现场试验，对比分析桩侧注浆对微型钢管桩承载特性的影响规律。基于透明黏土材料和PIV技术，开展后注浆微型钢管桩沉桩及注浆过程可视化模型试验研究，观测分析微型钢管桩静压沉桩过程中桩周土体位移场、桩侧注浆施工过程中浆液扩散规律。研究结果表明，现场实测后注浆微型钢管桩竖向抗压承载力约为常规微型钢管桩承载力的2.4倍；静压微型钢管桩沉桩挤土效应小于4.5D，海相淤泥质土中注浆浆液扩散形式以水平向二次劈裂注浆为主。
2019, 36(4): 221-230.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0139
摘要:
经典的扩展卡尔曼滤波（Extend Kalman Filter，EKF）方法可有效识别结构参数，但却需要已知外部激励，然而，在工程实际中，有些外激励往往难以实时获取。为此，该文提出了一种基于EKF的未知激励下的结构参数和荷载识别方法。通过在观测方程中引入投影矩阵，实现了结构参数的识别，同时，利用最小二乘估计实时识别了未知的外激励。为了验证该方法的有效性和鲁棒性，文中采用了三个数值算例：四层的Benchmark模型、分段线性系统和非线性Duffing系统。数值分析的结果表明，该方法不仅能够准确识别线性和非线性结构的参数，还能有效识别作用于这些结构的外激励。
经典的扩展卡尔曼滤波（Extend Kalman Filter，EKF）方法可有效识别结构参数，但却需要已知外部激励，然而，在工程实际中，有些外激励往往难以实时获取。为此，该文提出了一种基于EKF的未知激励下的结构参数和荷载识别方法。通过在观测方程中引入投影矩阵，实现了结构参数的识别，同时，利用最小二乘估计实时识别了未知的外激励。为了验证该方法的有效性和鲁棒性，文中采用了三个数值算例：四层的Benchmark模型、分段线性系统和非线性Duffing系统。数值分析的结果表明，该方法不仅能够准确识别线性和非线性结构的参数，还能有效识别作用于这些结构的外激励。
2019, 36(4): 231-238.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0141
摘要:
该文采用非接触式应变视频测量系统，开展了冷拉1860级钢绞线高温力学性能试验研究。基于试验测试的钢绞线高温应力-应变全过程曲线，建议了预应力钢结构用钢绞线的比例极限、弹性模量、名义屈服强度、断裂强度的高温折减系数以及高温应力-应变函数关系。试验结果表明，高强冷拉钢绞线高温下应力-应变全过程具有显著的应力强化阶段和颈缩阶段，1.25%应变下的高温名义屈服强度适用于高强冷拉钢绞线，钢绞线在高温下的捻度松弛效应对其高温力学性能存在影响。该研究成果进一步完善了预应力张拉钢结构用冷拉高强钢绞线高温下基本力学性能指标体系。
该文采用非接触式应变视频测量系统，开展了冷拉1860级钢绞线高温力学性能试验研究。基于试验测试的钢绞线高温应力-应变全过程曲线，建议了预应力钢结构用钢绞线的比例极限、弹性模量、名义屈服强度、断裂强度的高温折减系数以及高温应力-应变函数关系。试验结果表明，高强冷拉钢绞线高温下应力-应变全过程具有显著的应力强化阶段和颈缩阶段，1.25%应变下的高温名义屈服强度适用于高强冷拉钢绞线，钢绞线在高温下的捻度松弛效应对其高温力学性能存在影响。该研究成果进一步完善了预应力张拉钢结构用冷拉高强钢绞线高温下基本力学性能指标体系。
2019, 36(4): 239-247.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.02.0099
摘要:
基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型，详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨（波长30 mm~170 mm）和宏观粗糙度（波长4 mm~30 mm）时钢轨表层0.25 mm~0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示：1）空间上，表层单元的应变率最大，时间上，表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程，且法向应变分量的应变率最大，其最值是Von Mises（V-M）等效应变率最值的1.50倍~1.86倍；2）网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响；3）采用0.5 mm网格和0.32 μs步长，平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s-1，材料弹塑性无影响，波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s-1和79.4 s-1；采用0.25 mm网格和0.042 μs步长的结果约为上述值的1.65倍~1.88倍；4）最大V-M等效应变率随速度线性增加，随摩擦系数的增加而单调递增，牵引系数的影响可忽略。
基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型，详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨（波长30 mm~170 mm）和宏观粗糙度（波长4 mm~30 mm）时钢轨表层0.25 mm~0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示：1）空间上，表层单元的应变率最大，时间上，表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程，且法向应变分量的应变率最大，其最值是Von Mises（V-M）等效应变率最值的1.50倍~1.86倍；2）网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响；3）采用0.5 mm网格和0.32 μs步长，平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s-1，材料弹塑性无影响，波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s-1和79.4 s-1；采用0.25 mm网格和0.042 μs步长的结果约为上述值的1.65倍~1.88倍；4）最大V-M等效应变率随速度线性增加，随摩擦系数的增加而单调递增，牵引系数的影响可忽略。
2019, 36(4): 248-256.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2018.03.0119
摘要:
为了解决带孔结构形状优化问题，提出了一种将扩展等几何分析方法和混沌离子运动算法相结合的优化求解模式。针对带孔结构的力学计算，采用扩展等几何分析方法，以几何体外轮廓划分背景网格，利用非均匀有理B样条描述带孔边界，其中在劲度矩阵组装过程中，孔内区域不做积分。另外，为获得高精度的积分计算，与孔边界相关的单元采用自适应四叉树细化规则。在优化模型中，以描述结构形状的控制点作为设计变量，以结构质量最小作为优化目标；利用离子运动优化算法代替传统的敏感性移动渐进法对优化模型进行求解。带孔无限平板算例的扩展等几何分析计算结果和转矩臂结构优化算例的计算结果证明了本文方法的有效性。
为了解决带孔结构形状优化问题，提出了一种将扩展等几何分析方法和混沌离子运动算法相结合的优化求解模式。针对带孔结构的力学计算，采用扩展等几何分析方法，以几何体外轮廓划分背景网格，利用非均匀有理B样条描述带孔边界，其中在劲度矩阵组装过程中，孔内区域不做积分。另外，为获得高精度的积分计算，与孔边界相关的单元采用自适应四叉树细化规则。在优化模型中，以描述结构形状的控制点作为设计变量，以结构质量最小作为优化目标；利用离子运动优化算法代替传统的敏感性移动渐进法对优化模型进行求解。带孔无限平板算例的扩展等几何分析计算结果和转矩臂结构优化算例的计算结果证明了本文方法的有效性。
