2022年 第39卷 第9期
2022, 39(9): 1-9.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0379
摘要:
一次可靠度方法简单、高效，但在处理强非线性功能函数时存在较大误差；已有的二次可靠度方法在提高精度的同时往往降低了效率。为此，该文中在发展改进一次可靠度方法的同时提出了更好地兼顾精度与效率的改进二次可靠度方法。将修正对称秩1方法与HLRF法的步长确定策略相结合，提出了具有较好收敛性的改进一次可靠度方法，且在基本不增加计算量的前提下获得了功能函数的近似Hessian矩阵；结合坐标旋转、单变量降维近似和非中心卡方分布，提出了与改进一次可靠度方法同效率但具有更高精度的改进二次可靠度方法；通过数值算例和工程算例验证了建议方法的广泛适用性以及精度或效率上的优势。
一次可靠度方法简单、高效，但在处理强非线性功能函数时存在较大误差；已有的二次可靠度方法在提高精度的同时往往降低了效率。为此，该文中在发展改进一次可靠度方法的同时提出了更好地兼顾精度与效率的改进二次可靠度方法。将修正对称秩1方法与HLRF法的步长确定策略相结合，提出了具有较好收敛性的改进一次可靠度方法，且在基本不增加计算量的前提下获得了功能函数的近似Hessian矩阵；结合坐标旋转、单变量降维近似和非中心卡方分布，提出了与改进一次可靠度方法同效率但具有更高精度的改进二次可靠度方法；通过数值算例和工程算例验证了建议方法的广泛适用性以及精度或效率上的优势。
2022, 39(9): 10-19.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0340
摘要:
工程结构中存在着大量分布不均的弯折裂纹，对结构稳定性有较大影响。为了能够简单快速地得到弯折裂纹尖端应力强度因子 (K) 值，应用近似方法，将弯折裂纹近似为等效直裂纹，通过计算等效直裂纹尖端K值得到弯折裂纹尖端K值。在已有近似方法(水平投影法)的基础上，提出了三种新的近似方法，分别为：垂线投影法、中心旋转法和连线法。新提出的三种近似方法与已有近似方法对比可知：优化了得到等效直裂纹的近似过程；修正和扩大了近似计算方法的适用范围。计算弯折裂纹的主裂纹尖端K时，当主裂纹与荷载方向垂直且次裂纹与荷载所在方向的夹角小于45°时，垂线投影法为最优近似方法；但当次裂纹与荷载所在方向的夹角大于45°时，中心旋转法为最优近似方法。计算弯折裂纹的次裂纹尖端KⅠ时，水平投影法为最优近似方法，当计算弯折裂纹的次裂纹尖端KⅡ时，在弯折裂纹主次裂纹长度比b/a<0.3范围内，垂线投影法、中心旋转法均优于水平投影法。与水平投影法相比，连线法更适用于计算主裂纹与荷载所在方向的夹角较小情况下的KⅡ值。
工程结构中存在着大量分布不均的弯折裂纹，对结构稳定性有较大影响。为了能够简单快速地得到弯折裂纹尖端应力强度因子 (K) 值，应用近似方法，将弯折裂纹近似为等效直裂纹，通过计算等效直裂纹尖端K值得到弯折裂纹尖端K值。在已有近似方法(水平投影法)的基础上，提出了三种新的近似方法，分别为：垂线投影法、中心旋转法和连线法。新提出的三种近似方法与已有近似方法对比可知：优化了得到等效直裂纹的近似过程；修正和扩大了近似计算方法的适用范围。计算弯折裂纹的主裂纹尖端K时，当主裂纹与荷载方向垂直且次裂纹与荷载所在方向的夹角小于45°时，垂线投影法为最优近似方法；但当次裂纹与荷载所在方向的夹角大于45°时，中心旋转法为最优近似方法。计算弯折裂纹的次裂纹尖端KⅠ时，水平投影法为最优近似方法，当计算弯折裂纹的次裂纹尖端KⅡ时，在弯折裂纹主次裂纹长度比b/a<0.3范围内，垂线投影法、中心旋转法均优于水平投影法。与水平投影法相比，连线法更适用于计算主裂纹与荷载所在方向的夹角较小情况下的KⅡ值。
2022, 39(9): 20-30.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.04.0309
摘要:
对于运行状态的风力发电机，其地震响应涉及风荷载与地震的联合激励。为建立风-地震共同作用下风力机动力响应的解耦分析方法，该文基于最小二乘法，建立水平轴风力机模态气动阻尼比简化模型；将叶轮气动阻力以等效阻尼比施加于支撑结构，形成风力机地震响应的解耦分析方法，与耦合方法模拟结果进行比较，验证解耦方法的可靠性。结果表明：双线性模型能够准确模拟风力机模态气动阻尼比随轮毂高度处10 min平均风速变化的规律，解耦方法得到的风力机塔顶加速度和塔底弯矩峰值与耦合方法所得结果的误差不超过15%，同时，解耦方法的计算效率也高于耦合方法。
对于运行状态的风力发电机，其地震响应涉及风荷载与地震的联合激励。为建立风-地震共同作用下风力机动力响应的解耦分析方法，该文基于最小二乘法，建立水平轴风力机模态气动阻尼比简化模型；将叶轮气动阻力以等效阻尼比施加于支撑结构，形成风力机地震响应的解耦分析方法，与耦合方法模拟结果进行比较，验证解耦方法的可靠性。结果表明：双线性模型能够准确模拟风力机模态气动阻尼比随轮毂高度处10 min平均风速变化的规律，解耦方法得到的风力机塔顶加速度和塔底弯矩峰值与耦合方法所得结果的误差不超过15%，同时，解耦方法的计算效率也高于耦合方法。
2022, 39(9): 31-39.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0329
摘要:
提出了基于贝叶斯理论的地震风险评估方法，综合考虑了地震危险性模型、输入地震动记录、结构参数和需求模型的不确定性，并以云南大理地区1970年−2017年间的地震数据为研究基础进行了详细讨论。在传统基于概率地震危险性分析方法的基础上，提出了基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法，通过贝叶斯更新准则，确定了地震概率模型中未知参数的后验概率分布；通过贝叶斯理论建立了基于概率的地震需求模型，并在易损性中考虑了需求模型认知不确定性的影响；以42层钢框架-RC核心筒建筑为例，开展了地震作用下的风险评估。研究表明：基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法，能够获得更为合理的危险性模型；忽略需求模型中参数不确定性的影响，将错误估计结构的地震易损性；不同加载工况将对高层建筑的地震风险产生显著影响。提出的概率风险评估方法，提供了可以考虑固有不确定性和认知不确定性的有效途径，有助于推动高性能结构地震韧性评价和设计理论的发展。
提出了基于贝叶斯理论的地震风险评估方法，综合考虑了地震危险性模型、输入地震动记录、结构参数和需求模型的不确定性，并以云南大理地区1970年−2017年间的地震数据为研究基础进行了详细讨论。在传统基于概率地震危险性分析方法的基础上，提出了基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法，通过贝叶斯更新准则，确定了地震概率模型中未知参数的后验概率分布；通过贝叶斯理论建立了基于概率的地震需求模型，并在易损性中考虑了需求模型认知不确定性的影响；以42层钢框架-RC核心筒建筑为例，开展了地震作用下的风险评估。研究表明：基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法，能够获得更为合理的危险性模型；忽略需求模型中参数不确定性的影响，将错误估计结构的地震易损性；不同加载工况将对高层建筑的地震风险产生显著影响。提出的概率风险评估方法，提供了可以考虑固有不确定性和认知不确定性的有效途径，有助于推动高性能结构地震韧性评价和设计理论的发展。
2022, 39(9): 40-47, 71.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0365
摘要:
传统实时混合模拟对数值子结构多采用有限元计算，对于较复杂或自由度较多的结构，容易导致计算机在指定积分步长内无法完成结构下一步响应的计算。为了提高计算效率，该文提出一种基于代理模型的实时混合模拟方法，采用含外部输入的非线性自回归模型代替有限元计算。以非线性数值子结构和自复位阻尼器试验子结构组成的单自由度体系为对象，使用数值模拟的数据来训练代理模型，并对该模型进行实时混合模拟试验验证。试验结果表明，基于代理模型的实时混合模拟与传统实时混合模拟结果十分接近，具有替代后者的潜力。
传统实时混合模拟对数值子结构多采用有限元计算，对于较复杂或自由度较多的结构，容易导致计算机在指定积分步长内无法完成结构下一步响应的计算。为了提高计算效率，该文提出一种基于代理模型的实时混合模拟方法，采用含外部输入的非线性自回归模型代替有限元计算。以非线性数值子结构和自复位阻尼器试验子结构组成的单自由度体系为对象，使用数值模拟的数据来训练代理模型，并对该模型进行实时混合模拟试验验证。试验结果表明，基于代理模型的实时混合模拟与传统实时混合模拟结果十分接近，具有替代后者的潜力。
2022, 39(9): 48-57.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0375
摘要:
基于性能的抗震设计方法要求将结构划分为多个性能状态，并合理定义结构的性能指标。该文基于Park-Ang损伤模型，根据网壳结构的位移与耗能在地震作用下的响应特点，提出由最大变形与塑性耗能两项无量纲参数非线性组合的双参数模型。结合我国抗震规范、网壳结构自身特性与以往学者的研究成果，通过四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4将网壳结构划分为五种性能状态：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏与倒塌。通过216组考虑不同跨度、矢跨比、屋面质量、杆件尺寸与地震作用的覆盖性算例，拟合得到模型的待定参数取值，进而提出适用于网壳结构的双参数准则，在四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4处相应的指标(D)值分别为0.3、0.6、1.0与∞。以两个大型网壳振动台试验验证准则的有效性和普适性。结果表明，该文提出的双参数准则与各性能点的指标值能够体现网壳结构的性能状态，具有良好的有效性和普适性。该准则可服务于网壳结构基于性能的抗震设计方法与地震风险评估。
基于性能的抗震设计方法要求将结构划分为多个性能状态，并合理定义结构的性能指标。该文基于Park-Ang损伤模型，根据网壳结构的位移与耗能在地震作用下的响应特点，提出由最大变形与塑性耗能两项无量纲参数非线性组合的双参数模型。结合我国抗震规范、网壳结构自身特性与以往学者的研究成果，通过四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4将网壳结构划分为五种性能状态：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏与倒塌。通过216组考虑不同跨度、矢跨比、屋面质量、杆件尺寸与地震作用的覆盖性算例，拟合得到模型的待定参数取值，进而提出适用于网壳结构的双参数准则，在四个性能点LS-1、LS-2、LS-3与LS-4处相应的指标(D)值分别为0.3、0.6、1.0与∞。以两个大型网壳振动台试验验证准则的有效性和普适性。结果表明，该文提出的双参数准则与各性能点的指标值能够体现网壳结构的性能状态，具有良好的有效性和普适性。该准则可服务于网壳结构基于性能的抗震设计方法与地震风险评估。
2022, 39(9): 58-71.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0328
摘要:
经典调谐质量减振系统往往需要较大的附加质量和相应的额外安装空间，为其实际使用带来不便。惯容系统是一种新型的高效振动控制装置，具有两端点惯性、表观质量增效和耗能增效等特性，其中表观质量增效特性可以实现轻量化结构振动控制。该文聚焦具有轻量化控制特征的广义调谐质量惯容减振系统(Tuned mass inerter system, TMIS)，陈述其基本原理与典型拓扑形式。考虑地震作用、风荷载与人致激励三种典型动力激励，提出适用于广义TMIS的基于性能需求的优化设计方法获得惯容系统的参数，在使结构满足性能目标的同时降低所需调谐质量的大小。通过与经典调谐质量减振系统进行对比，说明调谐质量惯容系统的轻量化减振控制优势，并通过典型案例及其动力响应分析加以验证。研究表明：TMIS是一种高效的结构振动控制装置，在多种典型灾害下均能有效实现结构减振控制的性能目标与减小调谐质量需求的轻量化目标，为结构振动控制问题的解决提供了便利的新选择。
经典调谐质量减振系统往往需要较大的附加质量和相应的额外安装空间，为其实际使用带来不便。惯容系统是一种新型的高效振动控制装置，具有两端点惯性、表观质量增效和耗能增效等特性，其中表观质量增效特性可以实现轻量化结构振动控制。该文聚焦具有轻量化控制特征的广义调谐质量惯容减振系统(Tuned mass inerter system, TMIS)，陈述其基本原理与典型拓扑形式。考虑地震作用、风荷载与人致激励三种典型动力激励，提出适用于广义TMIS的基于性能需求的优化设计方法获得惯容系统的参数，在使结构满足性能目标的同时降低所需调谐质量的大小。通过与经典调谐质量减振系统进行对比，说明调谐质量惯容系统的轻量化减振控制优势，并通过典型案例及其动力响应分析加以验证。研究表明：TMIS是一种高效的结构振动控制装置，在多种典型灾害下均能有效实现结构减振控制的性能目标与减小调谐质量需求的轻量化目标，为结构振动控制问题的解决提供了便利的新选择。
2022, 39(9): 72-80, 109.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0336
摘要:
轨道板与CA砂浆层间离缝是CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的主要病害之一。为描述轨道板-CA砂浆层间界面本构行为、揭示层间离缝机理，该文提出了一种改进指数型界面内聚力模型，并基于理论分析和试验数据确定了改进模型的参数取值。该模型为含有指数系数的分段函数，可以表征层间界面拉力-位移关系的非线性特征。研究结果表明：改进指数型内聚力模型可以高效计算轨道板-CA砂浆界面内聚强度、损伤萌生时界面相对位移和界面临界断裂能，结果与试验值基本一致；改进指数型模型可以较为准确地模拟轨道板-CA砂浆界面的法向和切向开裂行为。
轨道板与CA砂浆层间离缝是CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的主要病害之一。为描述轨道板-CA砂浆层间界面本构行为、揭示层间离缝机理，该文提出了一种改进指数型界面内聚力模型，并基于理论分析和试验数据确定了改进模型的参数取值。该模型为含有指数系数的分段函数，可以表征层间界面拉力-位移关系的非线性特征。研究结果表明：改进指数型内聚力模型可以高效计算轨道板-CA砂浆界面内聚强度、损伤萌生时界面相对位移和界面临界断裂能，结果与试验值基本一致；改进指数型模型可以较为准确地模拟轨道板-CA砂浆界面的法向和切向开裂行为。
2022, 39(9): 81-94.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0344
摘要:
该文通过ABAQUS有限元软件对自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能进行了研究，通过已有试验结果验证了有限元模型的准确性，基于此模型讨论了钢材强度等级、钢板厚度、螺钉直径以及不同中间钢板厚度对螺钉双面剪切连接的破坏模式和抗剪承载力的影响。结果表明：螺钉双面剪切连接构件的破坏模式可分成3类，分别为：承压破坏、承压-剪切破坏和剪切破坏。螺钉双面剪切连接抗剪承载力随着钢材强度等级和钢板厚度的增加而提高并趋于稳定；随着螺钉直径的增加，螺钉双面剪切连接抗剪承载力呈线性增加；在一定范围增加中间钢板厚度也可显著提高螺钉双面剪切连接抗剪承载力。将数值模拟结果与中美欧规范计算值进行比较分析得出，当钢板发生承压破坏时，中国、欧洲和AISC规范公式计算值偏于保守，AISI规范计算值较接近有限元值；当螺钉发生剪切破坏时，AISI和中欧规范过于保守。AISC规范公式计算值与有限元值吻合较好，因此，当螺钉发生剪切破坏时，使用AISC规范公式计算具有一定参考价值。
该文通过ABAQUS有限元软件对自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能进行了研究，通过已有试验结果验证了有限元模型的准确性，基于此模型讨论了钢材强度等级、钢板厚度、螺钉直径以及不同中间钢板厚度对螺钉双面剪切连接的破坏模式和抗剪承载力的影响。结果表明：螺钉双面剪切连接构件的破坏模式可分成3类，分别为：承压破坏、承压-剪切破坏和剪切破坏。螺钉双面剪切连接抗剪承载力随着钢材强度等级和钢板厚度的增加而提高并趋于稳定；随着螺钉直径的增加，螺钉双面剪切连接抗剪承载力呈线性增加；在一定范围增加中间钢板厚度也可显著提高螺钉双面剪切连接抗剪承载力。将数值模拟结果与中美欧规范计算值进行比较分析得出，当钢板发生承压破坏时，中国、欧洲和AISC规范公式计算值偏于保守，AISI规范计算值较接近有限元值；当螺钉发生剪切破坏时，AISI和中欧规范过于保守。AISC规范公式计算值与有限元值吻合较好，因此，当螺钉发生剪切破坏时，使用AISC规范公式计算具有一定参考价值。
2022, 39(9): 95-109.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0358
摘要:
针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要，该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱，保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析，并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证，包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型，从而优化单个防撞击X型阻尼器截面，使其耗能最好，并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明：在撞击荷载作用下，采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量，而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝；加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升，但结构柱的塑性应变也会随之增加；整体而言，新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力，保障了结构柱的安全。
针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要，该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱，保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析，并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证，包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型，从而优化单个防撞击X型阻尼器截面，使其耗能最好，并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明：在撞击荷载作用下，采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量，而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝；加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升，但结构柱的塑性应变也会随之增加；整体而言，新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力，保障了结构柱的安全。
2022, 39(9): 110-122.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0360
摘要:
针对自复位节点复位阶段抗力大的问题，提出了带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点。为研究节点的抗震性能和自复位性能，对5个足尺梁柱节点试件进行低周往复荷载试验，对其受力性能进行理论分析，建立节点的恢复力模型。结果表明：带开槽耗能板的自复位节点具有良好的耗能能力、承载能力和自复位性能，滞回曲线呈典型的“双旗帜”形。4.00%位移角时节点残余变形较小，除耗能板外其余部件均保持弹性，震后更换耗能板即可快速修复。节点的自复位性能随耗能板单个板条宽度的增大而降低，耗能能力随单个板条宽度的增大而提高；耗能板厚度和宽度越大，节点的耗能能力和承载力越强，自复位能力越弱；钢绞线初始预应力对节点的承载力、初始刚度和自复位能力均有显著影响，但对节点耗能能力影响很小。恢复力模型与试验结果吻合较好。
针对自复位节点复位阶段抗力大的问题，提出了带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点。为研究节点的抗震性能和自复位性能，对5个足尺梁柱节点试件进行低周往复荷载试验，对其受力性能进行理论分析，建立节点的恢复力模型。结果表明：带开槽耗能板的自复位节点具有良好的耗能能力、承载能力和自复位性能，滞回曲线呈典型的“双旗帜”形。4.00%位移角时节点残余变形较小，除耗能板外其余部件均保持弹性，震后更换耗能板即可快速修复。节点的自复位性能随耗能板单个板条宽度的增大而降低，耗能能力随单个板条宽度的增大而提高；耗能板厚度和宽度越大，节点的耗能能力和承载力越强，自复位能力越弱；钢绞线初始预应力对节点的承载力、初始刚度和自复位能力均有显著影响，但对节点耗能能力影响很小。恢复力模型与试验结果吻合较好。
2022, 39(9): 123-132.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0372
摘要:
以损伤比强度理论为基础，建立了钢纤维混凝土真三轴损伤比强度准则，并根据钢纤维混凝土试验资料，推荐了钢纤维混凝土损伤比变量表达式中的6个经验参数。利用钢纤维混凝土在单轴、双轴和三轴受力状态下的应力-应变曲线试验结果验证了损伤比取值合理性，对比了单轴受拉、单轴受压和双轴等压等典型受力状态下钢纤维混凝土和普通混凝土损伤比变量取值的差异。通过与国内外共104组钢纤维体积率为0.5%~2.5%的钢纤维混凝土三轴强度试验资料的比较，表明六经验参数钢纤维混凝土损伤比强度准则的三维破坏包络面接近已有认识；通过与国内外强度准则比较，表明损伤比强度准则与钢纤维混凝土三轴试验数据有较高的吻合度。对于围压三轴受力状态，提出简化的钢纤维混凝土常规三轴强度准则，并与已有常规三轴强度准则进行比较分析。此外，对于材料处于二轴受力，推荐了简化的损伤比二轴强度准则中的经验参数取值。
以损伤比强度理论为基础，建立了钢纤维混凝土真三轴损伤比强度准则，并根据钢纤维混凝土试验资料，推荐了钢纤维混凝土损伤比变量表达式中的6个经验参数。利用钢纤维混凝土在单轴、双轴和三轴受力状态下的应力-应变曲线试验结果验证了损伤比取值合理性，对比了单轴受拉、单轴受压和双轴等压等典型受力状态下钢纤维混凝土和普通混凝土损伤比变量取值的差异。通过与国内外共104组钢纤维体积率为0.5%~2.5%的钢纤维混凝土三轴强度试验资料的比较，表明六经验参数钢纤维混凝土损伤比强度准则的三维破坏包络面接近已有认识；通过与国内外强度准则比较，表明损伤比强度准则与钢纤维混凝土三轴试验数据有较高的吻合度。对于围压三轴受力状态，提出简化的钢纤维混凝土常规三轴强度准则，并与已有常规三轴强度准则进行比较分析。此外，对于材料处于二轴受力，推荐了简化的损伤比二轴强度准则中的经验参数取值。
2022, 39(9): 133-140, 169.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0373
摘要:
为研究冻融后自密实轻骨料混凝土单轴压缩下的声发射(AE)特性，对未掺引气剂的自密实轻骨料混凝土试件进行0次、50次、100次快速冻融试验。结果表明：随着冻融次数增加，试件轴压应力-应变曲线趋于完整，峰值应力有明显降低；声发射峰值频率主要位于15 kHz~45 kHz, 85 kHz~105 kHz, 235 kHz~255 kHz和285 kHz~320 kHz 这4个“优势频段”区间，对应于混凝土内部预存裂纹或孔隙压密，骨料/砂浆界面增强层的开裂，粗骨料断裂破坏以及砂浆的开裂。受冻后的试件在轴压作用经历拉伸裂缝与剪切裂缝之间的交替转化，最终形成主裂缝导致破坏。冻融作用以及应力水平变化对AE信号源分布有较大影响，随着应力水平的增加，AE信号源趋于活跃，且在试样断裂面有聚集趋势。
为研究冻融后自密实轻骨料混凝土单轴压缩下的声发射(AE)特性，对未掺引气剂的自密实轻骨料混凝土试件进行0次、50次、100次快速冻融试验。结果表明：随着冻融次数增加，试件轴压应力-应变曲线趋于完整，峰值应力有明显降低；声发射峰值频率主要位于15 kHz~45 kHz, 85 kHz~105 kHz, 235 kHz~255 kHz和285 kHz~320 kHz 这4个“优势频段”区间，对应于混凝土内部预存裂纹或孔隙压密，骨料/砂浆界面增强层的开裂，粗骨料断裂破坏以及砂浆的开裂。受冻后的试件在轴压作用经历拉伸裂缝与剪切裂缝之间的交替转化，最终形成主裂缝导致破坏。冻融作用以及应力水平变化对AE信号源分布有较大影响，随着应力水平的增加，AE信号源趋于活跃，且在试样断裂面有聚集趋势。
2022, 39(9): 141-152.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0374
摘要:
地震作用下土体发生液化侧向扩展对建筑物极具破坏性，特别是对建筑物的桩基、高架桥梁等，消除和减小土体液化扩展引起的对结构安全的危害具有极大的意义。刚性排水管桩由圆形空心刚性桩与排水体结合而成，其在具有排水功能的同时，又具有较大的承载力，但是目前针对刚性排水管桩群桩抗液化性能的研究仍十分有限。基于振动台试验，开展了桩顶承台竖向荷载作用下刚性排水管桩群桩与普通桩群桩处理液化侧向扩展场地的振动响应对比研究，分析了地基土的超孔压比、加速度、平均沉降、承台位移、挡板位移以及桩身弯矩等。研究结果表明：刚性排水管桩地基与普通桩地基相比，超孔压、桩身弯矩、地基沉降、承台位移、岸壁位移明显减小，而加速度增大，充分表明刚性排水管桩的抗液化效果显著。
地震作用下土体发生液化侧向扩展对建筑物极具破坏性，特别是对建筑物的桩基、高架桥梁等，消除和减小土体液化扩展引起的对结构安全的危害具有极大的意义。刚性排水管桩由圆形空心刚性桩与排水体结合而成，其在具有排水功能的同时，又具有较大的承载力，但是目前针对刚性排水管桩群桩抗液化性能的研究仍十分有限。基于振动台试验，开展了桩顶承台竖向荷载作用下刚性排水管桩群桩与普通桩群桩处理液化侧向扩展场地的振动响应对比研究，分析了地基土的超孔压比、加速度、平均沉降、承台位移、挡板位移以及桩身弯矩等。研究结果表明：刚性排水管桩地基与普通桩地基相比，超孔压、桩身弯矩、地基沉降、承台位移、岸壁位移明显减小，而加速度增大，充分表明刚性排水管桩的抗液化效果显著。
2022, 39(9): 153-159.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0380
摘要:
该文对国产Q460FR、Q420FR、Q345FR等高强度耐火钢进行了200℃~800℃高温过火、自然冷却后的拉伸试验，在获得高强度耐火钢高温冷却后的应力-应变关系曲线和力学性能参数，并与普通结构钢的高温冷却后力学参数进行对比后，给出了屈服强度和抗拉强度变化系数拟合公式。研究表明：国产高强度耐火钢在高温冷却后的屈服强度和抗拉强度均得到提高，弹性模量基本稳定。该文研究的结果可以用来评估耐火钢结构火灾后的承载性能。
该文对国产Q460FR、Q420FR、Q345FR等高强度耐火钢进行了200℃~800℃高温过火、自然冷却后的拉伸试验，在获得高强度耐火钢高温冷却后的应力-应变关系曲线和力学性能参数，并与普通结构钢的高温冷却后力学参数进行对比后，给出了屈服强度和抗拉强度变化系数拟合公式。研究表明：国产高强度耐火钢在高温冷却后的屈服强度和抗拉强度均得到提高，弹性模量基本稳定。该文研究的结果可以用来评估耐火钢结构火灾后的承载性能。
2022, 39(9): 160-169.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0381
摘要:
氯离子扩散系数是评价沿海环境中核电厂预应力混凝土安全壳耐久性的重要参数。该文基于两尺度方法，通过分析双轴等压下水泥浆基体、界面和混凝土细观结构，建立了水泥浆基体和界面毛细孔隙率与预应力之间的定量关系。为了量化预应力对微裂纹闭合、产生和扩展的影响，提出了临界毛细孔隙率与预应力之间的经验公式。将混凝土模拟成由骨料、界面和水泥浆基体组成的三相复合材料，获得预应力混凝土氯离子扩散系数比。通过与试验结果比较，校正了经验公式中的两个参数。用三组试验数据初步验证了该预测方法的有效性。
氯离子扩散系数是评价沿海环境中核电厂预应力混凝土安全壳耐久性的重要参数。该文基于两尺度方法，通过分析双轴等压下水泥浆基体、界面和混凝土细观结构，建立了水泥浆基体和界面毛细孔隙率与预应力之间的定量关系。为了量化预应力对微裂纹闭合、产生和扩展的影响，提出了临界毛细孔隙率与预应力之间的经验公式。将混凝土模拟成由骨料、界面和水泥浆基体组成的三相复合材料，获得预应力混凝土氯离子扩散系数比。通过与试验结果比较，校正了经验公式中的两个参数。用三组试验数据初步验证了该预测方法的有效性。
2022, 39(9): 170-178, 203.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0386
摘要:
非高斯风压的极值估计对建筑围护结构抗风设计是极其重要的。由于简便性和无可行区限制，基于矩的piecewise HPM(PHPM)、Johnson转换模型(JTM)和piecewise JTM(PJTM)常用于非高斯风压极值估计。现阶段，PJTM对非高斯风压极值的估计效果还缺乏系统的研究，且对于三种无可行区限制模型的极值估计差别尚不明确。为探明三种模型的差别，从而提供一定的选择原则，该文系统对比了三种模型估计非高斯风压极值的精度。该文从理论上对比了三种模型的母本概率密度函数和传递函数；选用超长风洞试验风压数据对三种模型估计非高斯风压极值的精度进行了评估。结果表明：PHPM对非高斯风压(负偏度)极小值的估计精度比PJTM和JTM高，PHPM和PJTM对非高斯风压(负偏度)极大值的估计精度比JTM高。
非高斯风压的极值估计对建筑围护结构抗风设计是极其重要的。由于简便性和无可行区限制，基于矩的piecewise HPM(PHPM)、Johnson转换模型(JTM)和piecewise JTM(PJTM)常用于非高斯风压极值估计。现阶段，PJTM对非高斯风压极值的估计效果还缺乏系统的研究，且对于三种无可行区限制模型的极值估计差别尚不明确。为探明三种模型的差别，从而提供一定的选择原则，该文系统对比了三种模型估计非高斯风压极值的精度。该文从理论上对比了三种模型的母本概率密度函数和传递函数；选用超长风洞试验风压数据对三种模型估计非高斯风压极值的精度进行了评估。结果表明：PHPM对非高斯风压(负偏度)极小值的估计精度比PJTM和JTM高，PHPM和PJTM对非高斯风压(负偏度)极大值的估计精度比JTM高。
2022, 39(9): 179-190.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0388
摘要:
嵌入式毂节点是我国自行设计研制出来的一种新型装配式节点，具有施工方便、外形流畅、定位精度高等优点，属于典型的半刚性节点。但目前对此类节点的研究尚不够深入，现有规范尚未涉及此类半刚接单层球面网壳的相关理论计算公式和设计要求。基于此，采用ANSYS软件建立了嵌入式毂节点的精细化模型，基于幂函数模型拟合了节点的弯矩-转角公式，同时，探讨了不同跨度和矢跨比下节点刚度对单层球面网壳稳定承载能力的影响。研究表明：嵌入式毂节点在平面外弯曲时的弯矩-转角曲线以及在扭转作用时的扭矩-转角曲线均与幂函数模型吻合良好；网壳结构承载力对节点弯曲刚度的敏感程度要大于节点轴向刚度，且极限承载力对节点刚度的敏感程度会随着结构跨度或矢跨比的增大均呈现减弱的趋势。
嵌入式毂节点是我国自行设计研制出来的一种新型装配式节点，具有施工方便、外形流畅、定位精度高等优点，属于典型的半刚性节点。但目前对此类节点的研究尚不够深入，现有规范尚未涉及此类半刚接单层球面网壳的相关理论计算公式和设计要求。基于此，采用ANSYS软件建立了嵌入式毂节点的精细化模型，基于幂函数模型拟合了节点的弯矩-转角公式，同时，探讨了不同跨度和矢跨比下节点刚度对单层球面网壳稳定承载能力的影响。研究表明：嵌入式毂节点在平面外弯曲时的弯矩-转角曲线以及在扭转作用时的扭矩-转角曲线均与幂函数模型吻合良好；网壳结构承载力对节点弯曲刚度的敏感程度要大于节点轴向刚度，且极限承载力对节点刚度的敏感程度会随着结构跨度或矢跨比的增大均呈现减弱的趋势。
2022, 39(9): 191-203.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0390
摘要:
为探究薄柔H形截面双向压弯构件的极限状态性能，采用ABAQUS建立了不同轴压比、腹板和翼缘宽厚比的H形截面构件在不同加载角度下的参数分析模型，分析中考虑了材料非线性、几何非线性及残余应力的影响，并基于已有试验数据验证了该模型的适用性。基于经典弹塑性稳定理论，提出了用于确定双向压弯构件极限状态的判定准则，对于塑性铰截面定义为截面出现塑性铰时达到其极限状态；对于由局部屈曲控制的薄柔截面其极限状态为屈曲起始时刻，且该准则能够准确识别出板件局部屈曲的发生。通过最小二乘法拟合得到双轴弯矩极限相关曲线，呈现出腹板和翼缘宽厚比及轴压力的复杂相关影响关系。提出了考虑材料的强化作用和板件相关作用的极限相关计算公式，能够良好地预测H形截面双向压弯构件的极限承载力，且不受截面分类的限制，具有良好的适用性。
为探究薄柔H形截面双向压弯构件的极限状态性能，采用ABAQUS建立了不同轴压比、腹板和翼缘宽厚比的H形截面构件在不同加载角度下的参数分析模型，分析中考虑了材料非线性、几何非线性及残余应力的影响，并基于已有试验数据验证了该模型的适用性。基于经典弹塑性稳定理论，提出了用于确定双向压弯构件极限状态的判定准则，对于塑性铰截面定义为截面出现塑性铰时达到其极限状态；对于由局部屈曲控制的薄柔截面其极限状态为屈曲起始时刻，且该准则能够准确识别出板件局部屈曲的发生。通过最小二乘法拟合得到双轴弯矩极限相关曲线，呈现出腹板和翼缘宽厚比及轴压力的复杂相关影响关系。提出了考虑材料的强化作用和板件相关作用的极限相关计算公式，能够良好地预测H形截面双向压弯构件的极限承载力，且不受截面分类的限制，具有良好的适用性。
2022, 39(9): 204-214.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0399
摘要:
良好的界面黏结是保证高强钢绞线网增强工程用水泥基复合材料(HSSWM-ECC)与混凝土协同工作的前提，其界面黏结的有效程度决定着HSSWM-ECC材料性能的发挥。为研究HSSWM-ECC与混凝土界面黏结性能，以混凝土抗压强度、界面黏结长度、黏结宽度和界面处理方式为参数，对设计制作的9组27个梁铰式试件进行了界面黏结性能试验。试验结果表明：界面黏结-滑移受力过程呈现明显的两阶段特征：非线性上升段和下降段。基于试验结果，探究了HSSWM-ECC与混凝土间界面黏结破坏特征和受力机理，构建了考虑各参数影响的界面黏结-滑移关系模型；采用微段分析法对模型特征参数进行了分析，结果表明：所建模型及特征参数计算与试验结果吻合良好，可较好表征HSSWM-ECC与混凝土界面黏结-滑移关系力学行为。
良好的界面黏结是保证高强钢绞线网增强工程用水泥基复合材料(HSSWM-ECC)与混凝土协同工作的前提，其界面黏结的有效程度决定着HSSWM-ECC材料性能的发挥。为研究HSSWM-ECC与混凝土界面黏结性能，以混凝土抗压强度、界面黏结长度、黏结宽度和界面处理方式为参数，对设计制作的9组27个梁铰式试件进行了界面黏结性能试验。试验结果表明：界面黏结-滑移受力过程呈现明显的两阶段特征：非线性上升段和下降段。基于试验结果，探究了HSSWM-ECC与混凝土间界面黏结破坏特征和受力机理，构建了考虑各参数影响的界面黏结-滑移关系模型；采用微段分析法对模型特征参数进行了分析，结果表明：所建模型及特征参数计算与试验结果吻合良好，可较好表征HSSWM-ECC与混凝土界面黏结-滑移关系力学行为。
2022, 39(9): 215-224.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0402
摘要:
为了研究型钢混凝土深梁的受剪机理，以剪跨比、型钢截面高度比、翼缘宽度比为影响因素，设计7个试件进行了跨中集中荷载作用下的抗剪性能试验，对受力过程、荷载-位移曲线、破坏形态、受剪承载力等进行了比较分析，基于修正压力场理论提出了型钢混凝土深梁受剪承载力计算模型。结果表明：剪跨比是型钢混凝土深梁破坏形态主要影响因素，较大翼缘宽度比的试件具有更高的受剪承载力；基于修正压力场理论的计算模型能够综合考虑剪跨比和翼缘宽度比的影响，模型计算值与试验结果吻合较好。
为了研究型钢混凝土深梁的受剪机理，以剪跨比、型钢截面高度比、翼缘宽度比为影响因素，设计7个试件进行了跨中集中荷载作用下的抗剪性能试验，对受力过程、荷载-位移曲线、破坏形态、受剪承载力等进行了比较分析，基于修正压力场理论提出了型钢混凝土深梁受剪承载力计算模型。结果表明：剪跨比是型钢混凝土深梁破坏形态主要影响因素，较大翼缘宽度比的试件具有更高的受剪承载力；基于修正压力场理论的计算模型能够综合考虑剪跨比和翼缘宽度比的影响，模型计算值与试验结果吻合较好。
2022, 39(9): 225-233.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0419
摘要:
土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义，也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数，或者需要准确获取结构外部载荷信息，极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性，该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中，提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型，以损伤结构测量的信号输入，通过基于经验模态分解的应变重构方法，可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据，通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算，求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息，通过高效的时域应变重构，能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性，开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究，探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响，结果表明，该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤，对测量噪声具有较强的鲁棒性。
土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义，也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数，或者需要准确获取结构外部载荷信息，极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性，该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中，提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型，以损伤结构测量的信号输入，通过基于经验模态分解的应变重构方法，可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据，通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算，求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息，通过高效的时域应变重构，能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性，开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究，探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响，结果表明，该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤，对测量噪声具有较强的鲁棒性。
2022, 39(9): 234-241, 256.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.0433
摘要:
通过钢筋与混凝土拉式粘结试验，测试了高强度带肋钢筋与不同强度等级混凝土的粘结强度，分析了带肋钢筋与混凝土的粘结受力机理；采用双线性软化本构对开裂区的软化行为进行描述，建立了综合考虑开裂区及未开裂区混凝土影响的粘结强度理论计算模型；研究了开裂区不同径向位移分布对计算结果的影响，并将计算结果与试验结果进行对比，验证了计算模型的有效性。结果表明：模型采用基于等效弹性假设的开裂区径向位移分布时，计算值与试验值最为吻合，但却过高的估计了低强度混凝土试件的粘结强度；为确保有足够的安全储备，建议采用弹性假设作为开裂区混凝土径向位移分布。
通过钢筋与混凝土拉式粘结试验，测试了高强度带肋钢筋与不同强度等级混凝土的粘结强度，分析了带肋钢筋与混凝土的粘结受力机理；采用双线性软化本构对开裂区的软化行为进行描述，建立了综合考虑开裂区及未开裂区混凝土影响的粘结强度理论计算模型；研究了开裂区不同径向位移分布对计算结果的影响，并将计算结果与试验结果进行对比，验证了计算模型的有效性。结果表明：模型采用基于等效弹性假设的开裂区径向位移分布时，计算值与试验值最为吻合，但却过高的估计了低强度混凝土试件的粘结强度；为确保有足够的安全储备，建议采用弹性假设作为开裂区混凝土径向位移分布。
2022, 39(9): 242-256.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0391
摘要:
长输海底管道常不可避免地穿过地震断层，地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂，极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为，首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式，提出适用壳单元的非线性管土耦合模型，然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题，编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟，分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响，结果表明：海底管道径厚比小，用钢等级高，周围土体强度低，具有更高的抵抗断层位移载荷能力；较低外压和平移断层联合作用下，管道变形呈S形，屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导，失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷，截面变形呈椭圆形；穿越角度越小，屈曲失效的临界断层位移越小；周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂)，管道弯曲变形越严重，屈曲失效的临界断层位移越小；较高外压和平移断层联合作用下，屈曲失效由外压主导，主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃，然后发生屈曲传播现象；不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一，压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。
长输海底管道常不可避免地穿过地震断层，地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂，极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为，首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式，提出适用壳单元的非线性管土耦合模型，然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题，编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟，分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响，结果表明：海底管道径厚比小，用钢等级高，周围土体强度低，具有更高的抵抗断层位移载荷能力；较低外压和平移断层联合作用下，管道变形呈S形，屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导，失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷，截面变形呈椭圆形；穿越角度越小，屈曲失效的临界断层位移越小；周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂)，管道弯曲变形越严重，屈曲失效的临界断层位移越小；较高外压和平移断层联合作用下，屈曲失效由外压主导，主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃，然后发生屈曲传播现象；不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一，压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。
