基于多分辨率-多边形单元建模策略的多材料结构动刚度拓扑优化方法

利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。

基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正

标准差分进化自适应Metropolis(differential evolution adaptive Metropolis,DREAM)算法需进行多条马氏链并行计算,存在收敛效率低和计算成本高的问题。为此,提出一种基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正(multiple-try differential evolution adaptive Metropolis with“ZS”,MT-DREAM(ZS))框架。该框架在DREAM的基础上引入历史向量差分采样、斯诺克更新以及多次尝试Metropolis抽样,并利用Kriging模型代替有限元模型进行随机抽样,实现利用极少数并行链便可快速探索多维修正参数后验分布。利用固结钢板梁模型试验,比较了DREAM和MT-DREAM(ZS)的修正效果。结果表明:MT-DREAM(ZS)可实现马尔科夫链的快速收敛,其收敛效率较DREAM提升了3.42倍,且修正结果精度和稳定性有提升;Kriging模型可大幅度降低计算成本。所提框架为解决多参数不确定模型修正中的收敛效率低和计算成本高等问题提供了一种新思路。

新型分层装配式节点钢框架地震易损性分析

为提高装配式钢框架的装配效率,结合节点抗震性能要求,提出一种新型全螺栓分层装配式节点。对新型和传统两类节点进行抗震性能试验研究,并把节点参数引入整体框架模型中,采用SAP2000建立两类框架模型并进行增量动力分析。考虑基于层间位移角的单参数损伤模型和基于变形与累积耗能的双参数损伤模型,定义结构性能水准限值并划分破坏等级,对结构进行地震易损性分析。结果表明:在单、双参数损伤指标下,新型节点框架的易损性曲线都包络于传统节点钢框架的易损性曲线内,且新型节点框架的抗倒塌储备系数更大,说明采用新型节点能降低结构在各破坏状态下的失效概率,提高框架的抗倒塌能力;在LS1、LS2极限状态下结构基于单参数损伤指标的峰值加速度中位值比基于双参数损伤指标下的峰值加速度中位值小,在LS3、LS4极限状态下则相反,说明累积耗能对结构抗震性能评估影响明显,结合双参数损伤指标能更好地预测结构的损伤程度;新型节点框架在单、双参数损伤模型下的倒塌储备系数均高于传统框架,说明新型框架的抗倒塌储备能力更高,有利于结构抗震。

密集城区深基坑工程施工安全管理研究--以某中医院工程为例

随着城市化进程的加速,高层建筑和地下空间的利用越来越普遍,深基坑工程也日益增多。而深基坑工程施工事故频发,且一旦发生事故,极易造成群死群伤,后果严重,究其原因,主要是相关管理经验不足,施工过程管理控制措施不到位。近10年来,深基坑开挖和支护成为国内岩土工程最为关注的问题之一。该文以某中医院工程为例,就深基坑的类型、适用范围及施工安全风险进行了剖析,并结合案例,总结了一些对于密集城区深基坑施工的安全管理经验,为类似工程提供参考。

多链MCMC有限元模型修正收敛判定方法研究

针对多链MCMC算法主要依靠设置较多迭代步以生成足量后验样本的问题,提出了算法收敛及所需后验样本数量的自动判定方法.在MCMC算法迭代初期引入最优竞争策略,通过定向差分代替原有随机差分,从而使多链样本快速向目标方向移动以提升计算效率;将当前迭代步多链带宽与预设精度指标相比较,自动判定由定向差分向随机差分的转换时机;基于抽样分布定理,采用一段区间内的样本构造t分布判定指标,对多链MCMC算法是否收敛进行自动判断,并在样本量满足统计要求后自动终止算法,以大幅减少算法平稳期的计算工作量.数值算例及实桥修正结果表明:在相同的计算精度下,所提判定方法可使多链MCMC算法燃烧期计算效率提高30%,考虑预设步长的情况下整个迭代过程可提速约50%,为基于贝叶斯的有限元模型修正在大型土木工程中的应用提供了方法支撑.

变刚度地基上隔震结构群桩基础动力响应试验研究

通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上桩基基础隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上桩基基础隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对隔震结构群桩基础动力学特性的影响规律。结果表明,结构-土体相对刚度比和输入地震动强度显著影响隔震结构群桩基础弯矩反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构群桩基础中间桩体上部弯矩反应幅值增大越显著,而中间桩体下部弯矩幅值较小。当输入加速度峰值和结构-土体相对刚度比R大于一定限值时,群桩基础震陷显著增加,群桩基础承台转动反应强烈,同时群桩基础桩顶水平位移在主震后出现明显的单边累积水平位移,说明强震作用下地基刚度变化过程中隔震结构群桩基础上部更易出现地震破坏,而群桩基础震陷与基础承台强烈转动反应的共同作用可能是导致隔震结构群桩基础上部弯矩骤增的主因。

预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

地铁上盖建筑振动响应预测及舒适度分析——以南京地铁1号线停车维修库综合体上盖住宅项目为例

对南京市地铁1号线车库段上部待建住宅楼进行研究,探讨地铁上盖建筑受地铁出入库振动的影响。通过现场测试与数值模拟,预测不同工况下待建建筑的振动响应以及室内振动加速度限值范围。模拟结果表明,采用底部加速度法将所测轨道、混凝土柱的振动输入计算模型中,可以获得待建建筑三向位移变化,并进行结构易损部位及预警分析,判断建筑安全性。通过模拟8种工况,计算得到1~80 Hz频率范围内各建筑楼板1/3倍频程中心频率下的加速度响应有效值和加速度振级,获取了住宅舒适度影响较大区域的具体坐标。研究成果对结构减振及舒适度提升具有参考意义。

贝壳形屋盖风压系数密度峰值聚类分区研究

鉴于贝壳形屋盖表面风压分布的特殊性,提出基于快速搜索技术的密度峰值聚类风压系数分区方法。以某贝壳形屋盖表面风压分布试验结果为基础,进行密度峰值聚类风压系数分区,采用SD有效性指标验证分区数的合理性,并与改进k-means聚类分区结果进行对比。结果表明:密度峰值聚类风压系数分区以风压系数相对距离、局部密度和综合指数为特征参数,能较好反映屋面风压分布特性,有效保证类聚合性和类类分离性;相较于改进k-means分区法,不同风向角下密度峰值聚类得到的分区数与SD最优聚类数接近;密度峰值聚类分区结果能更准确反映贝壳形屋盖表面风压分布特性,充分体现测点风压系数局部密度和相对距离特征值较大的基本原则,对于贝壳形屋盖的风压系数分区具有更好的适用性;贝壳形屋盖密度峰值聚类分区最大负风压系数在-0.59~-1.74之间。

人致结构振动舒适度评估标准研究综述

人致结构振动在大跨工程结构设计中日益受到重视,但振动评价标准的相关研究却相对滞后。首先通过文献的知识图谱分析,得到了近期研究关键词的共性分析图、聚类分析图和突现性表。结果表明:振动舒适度限值是振动舒适度领域近期研究的热点。进而从试验研究和标准规范两个维度,对近百年来代表性的振动舒适度限值研究进行了梳理,整理了近40部规范的规定及相互承启关系。结果表明:传统研究方式难以避免人的特殊性和主观感受差异性对试验结果的影响,各规范存在数据基础薄弱、振动指标不统一、影响因素单一、覆盖性和延续性差等问题。最后讨论了未来两个可能的工作方向。

武安州塔动力特性与抗震性能分析

为给赤峰市武安州塔的加固保护工作提供依据,对古塔动力特性开展测试和数值模拟分析。首先对武安州塔的塔体材料力学参数进行测试;然后在考虑栣木构造措施基础上建立武安州塔的数值分析模型,对模型进行模态分析并通过经验公式进行验证;之后用该模型进行反应谱分析。研究结果表明,塔身周围4个正方位的券洞是塔体的薄弱部位,塔身和1~4层束腰部位出现拉应力,超出了砌体材料的抗拉强度极限值;塔体3层及以上已产生轻微破坏,存在较大安全隐患,需采取相应加固保护措施。

新型扭转弹簧摩擦阻尼器力学性能的理论分析与数值模拟

基于扭转弹簧扭转后可以自复位的特性,提出了一种新型扭转弹簧摩擦阻尼器(TSFD)。首先阐述了TSFD的构造及其工作原理;其次构建了TSFD的简化力学模型和有限元模型,分别研究了摩擦系数、正压力和扭转弹簧刚度对TSFD力学性能的影响规律,并对比分析了TSFD力-位移滞回关系曲线理论分析结果与数值模拟结果。研究结果表明:TSFD具有良好的耗能能力、承载能力和自复位能力,此外,有限元模型得到的滞回曲线和理论曲线吻合较好,验证了其力学模型的精确性。

基于相关函数和卷积神经网络的结构损伤识别

为了改善基于振动信号的结构损伤识别效果,提出一种基于相关函数和卷积神经网络相结合的结构损伤识别方法。以一铁路钢梁桥结构为例,首先通过对结构的振动响应进行自相关运算来提高振动信号的信噪比,再使用自相关样本作为卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的输入可以显著提高其识别精度,且当振动信号中的噪声水平越高时,自相关样本作为CNN输入的识别精度的提升效果越明显,且自相关运算具有比快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)更强的抗噪性。使用互相关函数对结构上布置的多传感器的数据进行融合,再将融合后的信号作为CNN的输入,互相关在对2个传感器数据特征有效融合的前提下可以成倍地削减数据集的维度,减少网络运算的参数量,从而减少用时提高训练效率,且互相关样本作为网络输入同样具有较高的识别精度和较强的抗噪性。

地下结构抗震设计反应位移法的研究综述

近年来,反应位移法在地下结构抗震分析中的应用渐趋广泛。简要介绍了反应位移法的基本原理和应用现状,从地层变形、地基弹簧和结构模型等关键因素的角度详细总结了反应位移法的发展过程和最新研究进展,厘清了方法的完善思路,指出地层-结构相互作用是影响计算精度的重要误差来源。此外,在上述基础上论述了当前反应位移法应用过程中存在的突出问题,提出了反应位移法在进一步拓展应用场景、提升结果代表性过程中需要深入研究的关键问题。

建筑基本周期多因素机器学习预测模型

建筑物基本周期是其最重要的动力特性参数,影响因素众多。受限于曲线拟合的传统建模手段,目前的基本周期预测模型表达式中仅能包含高度或层数等单一因素,而忽略其他因素的影响。数据驱动机器学习方法的出现,为建筑周期多因素预测模型的建立提供了新思路。研究从大量文献中收集整理了2561条建筑周期的实测数据,形成了包含建筑高度、层数、材料、功能、地区等多因素的建筑周期实测数据库。建立了具有自学习能力的建筑基本周期多因素机器学习预测模型,避免了一般机器学习模型中繁琐的参数调节过程,提升模型的鲁棒性和适用性。与传统模型结果的对比表明:所提预测模型的适用结构类型范围广、准确性更高,配合云端服务器可形成一种全新的、开放式自学习的建筑周期预测模式。

大型混凝土储液罐考虑穹顶效应的动力响应研究

简化力学模型是大型储罐抗震设计的重要依据。在以往的研究中,对于大型储罐的简化模型多不考虑穹顶对结构体系动力响应的影响。该文推导了考虑穹顶作用的简化模型,对某30万方的混凝土储罐进行了数值计算,并与Housner模型进行对比,给出了动水压力的截断位置;使用振型分解法对高阶振型进行解耦,验证了高阶振型对储罐结构动力响应的影响;对比了考虑穹顶作用的简化力学模型与忽略穹顶作用的简化力学模型的储罐结构动力响应。研究表明:动水压力至少在第三项截断,形函数采用第二阶悬臂梁振型,并至少叠加一阶振型时,可保证结构的计算精度,忽略穹顶的作用会高估结构的基底剪力和倾覆力矩。

基于零位移与无应力状态控制的斜拉扣挂施工扣索力确定方法

大跨度拱桥常采用斜拉扣挂法开展拱肋施工,但在节段拼装过程中扣索索力和拱肋空间位形之间互相影响,索力优化计算以及扣索状态控制问题复杂。提出改进零位移法结合无应力状态控制法的复合扣索力计算方法:基于改进型零位移法快速得到满足成拱线形要求的扣索力大小,基于成拱索力采用无应力状态法反推各施工阶段扣索索力。该复合方法可避免传统零位移法扣索力不准和反复迭代计算的缺陷,施工中扣索可实现一次张拉,后续节段拼装中无需对扣索进行索力调整。以某跨径430 m大跨度钢管混凝土拱桥缆扣合一施工为工程应用背景,采用的零位移法结合无应力状态法对大跨度非对称式钢结构拱肋进行斜拉扣挂拼装的扣索力求解和施工模拟。分析拼装过程中扣索力变化规律,并对比验证实际线形与目标线形偏差,以及拱肋应力与设计应力之间偏差程度。结果表明,所提出的复合算法理论简单且索力求解计算便捷。所求的扣索力可有效保证拱肋拼装完成及松索后拱肋线形和受力均满足要求。

均匀流场下平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究

由于发电量明显高于固定式光伏系统,平单轴光伏发电系统近些年得到了广泛的应用。平单轴光伏支架由于扭转刚度较低,在大风天气下容易出现扭转气动失稳现象,从而造成支架结构破坏。为了进一步深入了解该振动的发生条件和机理,本研究通过节段模型测振风洞试验研究结构自振频率、倾角、阻尼等参数对扭转气动失稳的影响,分析了气动阻尼和气动刚度随着风速和倾角的变化规律。研究表明,平单轴光伏支架的扭转气动失稳表现出较强的气动耦合效应,气动阻尼和气动刚度是影响平单轴光伏支架气动失稳的重要参数,对风速和倾角的变化较为敏感,该失稳现象具备自激振动的特点;扭转刚度的提高在某些倾角下可以有效地限制振幅,同时可提高结构在各倾角的临界风速;扭转气动失稳的倾角范围为-15°~20°,0°倾角附近临界风速较高,若采用小倾角进行保护时,建议将大风保护角度设为0°。

基于CAS法的核电工程异形水箱分布质量计算模型

对于形状复杂的大型核电工程储液结构,Housner弹簧-质量模型适用性较差,基于有限元法的流-固耦合数值分析模型复杂、计算和存储量大,难以满足工程设计要求。该文基于声学-结构耦合法(CAS)提出了一种兼顾精度和效率的分布质量模型,通过理论推导从CAS计算结果中剥离得到的器壁动水压强脉冲分量,进而提出器壁单元各节点位置的分布式脉冲附加质量计算公式,精确地考虑了储液容器的形状对液体晃动的影响,同时实现了流-固耦合分析的解耦,有效解决了复杂大型核电工程储液结构的动力分析的难题。以矩形刚性水箱为例,将该文模型的结果与Housner分布模型比较,验证了该模型的合理性和可靠性。针对顶部具有复杂形状水箱的AP1000安全壳结构进行地震动分析,将该文模型与精细的流-固耦合模型进行比较,结果显示:两种模型计算结果吻合性好,该文模型前处理简便且在计算时间效率具有明显优势。该文模型可为核电工程考虑结构-地基、流-固耦合的多因素耦合高效分析奠定基础。

基于新的改进Bouc-Wen模型的预制RC桥墩滞回模型研究

Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型是改进的Bouc-Wen模型。BWBN模型可以较好地描述钢筋混凝土结构在强震作用下的捏缩效应,但由于BWBN模型中“捏缩效应”函数复杂且参数较多,其计算效率较低。针对该问题,该文基于近似狄拉克δ函数构建更简单、高效的“捏缩效应”函数,进而提出了新的改进Bouc-Wen(MBW)模型,它可以用更少的参数来实现捏缩效应。基于预制RC桥墩的拟静力试验数据来验证MBW模型的有效性,利用MATLAB遗传算法工具箱对BWBN模型和MBW模型进行参数识别,结果表明,该文提出的MBW模型具有更高的计算精度。