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。

钢管输电塔挂线节点足尺模型失效模式与承载力提升分析

针对特高压钢管输电塔挂线位置节点在极端荷载下的安全性,提出了挂线节点双侧挂线板协同受力的构造改进措施,并对比研究两种挂线节点的极限承载力与失效模式。通过足尺挂线节点处的承载力试验与有限元分析,比较挂线节点在单侧板受力、双侧板受力情况下的应力分布与承载能力,分析传力螺母与挂线板之间的合理初始间距。结果表明:双侧受力时两侧挂线板均发生弯曲破坏,受力形式更加合理,节点板应力分布更加均匀,挂线点的屈服承载力可以提升一倍以上,传力螺母与挂线板之间的合理初始间隙为2~4 mm。

基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题的虚单元法求解

应变-旋转(Strain-Rotation,S-R)和分解定理为分析几何非线性问题提供了合理可靠的理论基础,但用有限元求解时会遇到大变形发生后的网格畸变问题。近年提出的虚单元法(Virtual element method,VEM)适用于一般的多边形网格,因此,该文尝试使用一阶虚单元求解基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题,以克服网格畸变的影响。基于重新定义的多项式位移空间基函数,推演获得一阶虚单元分析线弹性力学问题时允许位移空间向多项式位移空间的投影表达式;按照虚单元法双线性格式的计算规则,分析处理基于更新拖带坐标法和势能率原理的增量变分方程;进而建立离散系统方程及其矩阵表达形式,并编制MATLAB求解程序;采用常规多边形网格和畸变网格,应用该文算法分析均布荷载下的悬臂梁和均匀内压下的厚壁圆筒变形。结果与已有文献和ANSYS软件的对比表明:该文算法在两种网格中均可有效执行且具备足够数值精度。总体该文算法为基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题求解提供了一种鲁棒方法。

解析试函数单元的非线性化及工程应用

解析试函数单元将弹性控制方程的解析解引入到单元位移场中,导致位移场与弹性参数相关,限制了其在弹塑性分析中的应用。该文提出了构造解析试函数单元的弹性参数保持常数的策略,使其适用于弹塑性分析。通过土柱弯曲的弹塑性分析结果表明:用于构造解析试函数单元的弹性模量的取值对计算结果没有影响;泊松比的取值对结果影响较大,而当其与材料弹性泊松比一致时精度较高,计算误差小于等参单元、比例边界有限元和非协调元。将解析试函数单元的非线性化方法应用于大开地铁的震害模拟,结果表明:在自由度较少的情况下,非线性化解析试函数单元的模拟结果更接近实际震害,具有良好的应用前景。

单步无条件稳定显式结构动力学算法

在结构动力学分析中,数值积分方法通常被用来高效和准确地求解复杂结构系统在动态负载下的响应。基于量纲分析的原理,提出一种求解结构动力学问题的单步无条件稳定显式算法。首先对所构造的关于位移和速度的函数关系式进行无量纲化处理,然后通过算法精度要求、无条件稳定条件和数值阻尼可控条件确定了其最终递推格式,并根据算法最终递推格式分析得出算法耗散与弥散特性、超调和自启动特性和多自由度系统计算步骤,最后通过数值算例验证了算法的收敛精度、可控数值阻尼和计算效率优势。研究结果表明:对于线性和非线性系统,该算法都兼具显式算法的非迭代特性和隐式算法的无条件稳定特性;该算法能实现真正意义上的自启动并且在速度和位移上均无超调;该算法的数值阻尼由单自由参数控制,数值耗散和弥散对系统低模态响应的影响可以忽略不计,与具有代表性的非迭代显式算法KR-α法相比,该算法在引入数值阻尼滤除虚假高频模态的同时更真实地保留了低阶振型的贡献,从而表现出更好的计算精度;该算法在求解非线性结构动力学问题时相较于常用隐式算法有着显著的计算效率优势,并略优于两求解器非迭代显式算法KR-α法。研究结果很有希望成为求解非线性结构动力学问题的最新且更加有效的显式算法。

内置了最大模误差估计器的自适应有限元法——研究进展与展望

新近提出的降阶单元,将常规单元解答的最高次项视为误差项,当作内置的最大模误差估计器;将降低一次的解作为有限元最终解,从而一举实现了按最大模控制误差的自适应有限元算法。降阶单元最初针对结构时程分析的自适应步长算法提出,同时将其推广到一般的一维初值问题和边值问题。其后,将其推广到二维边值问题,构造了任意四边形和三角形降阶单元,已成功求解弹性薄膜挠度、弹性力学平面问题、平面和反平面裂纹问题、中厚板弯曲问题等各类二维问题。近期,又进一步将其推广到诸如非线性初值问题、薄膜结构找形问题、最小曲面问题、薄膜与地基接触、弹塑性扭转问题等非线性问题。该文对这一系列研究进展做了综述性介绍和展望,并给出各类问题的代表性数值算例以展示本法的有效性、灵活性、通用性和可靠性。

开圆孔波纹夹层板单向拉伸状态的应力极值优化求解

[目的]旨在研究开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力分布,寻求最不利开孔位置。[方法]采用ANSYS软件子模型方法计算不同开孔位置的应力分布,并用ANSYS软件提供的零阶优化设计方法寻求最大应力集中系数时的开孔位置。[结果]开孔附近的应力分布与网格划分密切相关,最大应力总是出现在芯层板上。开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力集中系数普遍大于3,最大可达4.104。[结论]先整体模型再子模型的应力极值优化分析过程既可以节省计算时间,又可得到较高计算精度,提高优化效率。

工程结构超多维变量可微分智能优化方法研究

参数优化问题在工程结构设计、建造、运维等阶段都极为常见。受限于有限元方法的单向分析信息流,传统优化方法主要采用启发式算法,优化效率与可优化变量数目较低,无法满足日趋复杂的工程应用需求。提出了一种基于深度学习的高效可微分结构优化方法,引入了结构体系的高保真图数据表征方法,利用智能代理模型的可微分特性,实现超多维变量的结构高效优化。不规则多层混凝土结构设计参数优化案例表明,可微分结构优化方法可在分钟级别优化数千个变量并达到令人满意的指标,材料用量比人工设计方案降低了13%;相较于优化时间长达数星期的传统优化方法,可微分结构优化方法效率可提高10 000倍以上。可微分结构优化方法可内嵌任意工程目标函数与基于深度学习的结构智能计算模型,能够拓展应用于参数反演等多种任务,具有广泛的工程场景适应性。

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。

一种研究高铁轨面-桥梁横向变形映射关系的精细化解析模型

强震后的桥墩和支座不可避免会产生一定残余变形,引起钢轨的几何不平顺,直接影响行车安全性和舒适性。该文基于势能驻值原理推导了CRTS-Ⅱ型纵连式无砟轨道横向变形与桥梁结构横向变形之间的映射解析表达式,提出了可考虑层间各构件刚度贡献的解析映射模型。通过有限元模型和文献解析模型验证了该文解析映射模型,进而基于该模型定量分析了层间构件对钢轨横向映射变形的影响。结果表明:梁体横向错台下的钢轨映射变形呈现明显非对称性,且跟随主梁变形的特性较差;扣件对钢轨映射变形的影响很小;CA砂浆层对梁体错台下钢轨映射变形幅值的影响很大,滑动层次之,而对钢轨映射变形范围的影响则弱于滑动层;剪力齿槽对钢轨映射变形的影响最大,侧向挡块次之;剪切钢筋对钢轨映射变形的影响可以忽略;桥梁抗弯刚度对钢轨映射变形范围有一定影响,而对钢轨映射变形幅值的影响几乎可以忽略。

型钢混凝土T形截面剪力墙基于性能的变形限值研究

为更好地评估T形截面型钢混凝土(steel reinforced concrete,SRC)剪力墙变形性能,采用ABAQUS有限元软件对按照规范设计的324个T形截面SRC剪力墙构件的破坏形态和变形性能进行研究,根据收集的试验数据分析构件的破坏形态,提出T形截面SRC剪力墙的破坏形态划分准则;以构件的各材料应变极限值为准则来判别构件的性能状态,考虑轴压比、剪跨比、弯剪比、腹板暗柱配钢率、暗柱纵筋配筋率及箍筋暗柱特征值对构件变形性能的影响。对不同性能状态变形限值和参数进行线性回归分析,得到不同破坏类型下各性能状态位移角限值计算式;按规范ASCE 41修正各性能状态变形限值的失效概率,得到具有15%、20%、35%失效概率保证的各性能状态变形限值取值表。研究表明:剪跨比、轴压比对构件各性能状态位移角限值影响较大,暗柱腹板配钢率、纵筋配筋率及箍筋特征值对构件位移角限值影响相对较小,但能提高其延性。按规范ASCE 41修正后的位移角限值取值较为合理且有一定的安全储备。为T形截面SRC剪力墙基于性能的抗震设计与性能评估提供参考。

新型连接方式内嵌墙板钢框架拟静力试验研究

为了研究基于新型连接方式下内嵌墙板与钢框架结构的地震协同工作性能和破坏机理,对新型连接方式内嵌墙板钢框架、传统L形卡件连接内嵌墙板钢框架及纯钢框架等3种工况进行了拟静力试验,对比分析了3个试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线等抗震性能指标。结果表明:内嵌墙板能够提高钢框架的极限承载力、变形能力和刚度,传统L形卡件连接墙板钢框架的抗震承载力是纯框架抗震承载力的1.34倍,新型连接方式墙板钢框架的抗震承载力是传统节点框架抗震承载力的1.42倍。当加载位移为12 mm(层间位移角为1/133)时,采用传统连接的试件中间墙板破坏较为严重且已达到混凝土极限应变,而采用新型连接的试件中间墙板未发现明显损伤,仍处于工作状态。新型连接通过连接节点处的连接件滑动耗能,延缓墙板开裂时间,减轻墙板损伤,增加了内嵌墙板钢框架大震下的耗能储备。

考虑土-结相互作用的大型结构高效地震分析方法

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

基于快速边界元方法的倾滑断层近场效应和盆地聚焦效应耦合作用研究

基于快速边界元方法和三维运动学有限断层模型,对倾滑断层作用下复杂场地地震动进行求解。以三维近断层沉积盆地为例,采用频域内动力格林函数求解散射场的地震动,以频域内地震波的相位变化反映发震断层在时域内的动态破裂过程,突破了确定性震源难以模拟高频地震波散射的瓶颈,通过设计快速边界元方法频域-时域自适应逆变换程序得到时域内地震响应,在频域和时域内皆实现了基于确定性运动学有限震源模型的地震动快速边界元法模拟,量化分析了倾滑断层动态破裂下近场沉积盆地地震动的放大效应,揭示了地震的近断层效应与盆地效应的耦合机制。结果表明:近断层效应和盆地聚焦效应存在明显的耦合作用,显著影响了盆地区域地震动的空间分布,盆地中心点的地震动相较于断层附近输入地震动放大了3.97倍;永久位移随断层距离的增加而衰减;在沉积盆地区域内,地震动持时显著延长,软土沉积对外部输入的速度脉冲有放大作用,出现幅值较大的长周期速度大脉冲;沉积盆地会显著增大近断层强震集中性的分布范围。

部分埋入式箱形型钢再生混凝土梁受弯性能分析

根据工程实践,提出了部分埋入式箱形型钢再生混凝土梁(Partially Embedded Box Section Reinforced Recycled aggregate Concrete Beam,PEBRRCB),利用ABAQUS软件建立部分埋入式箱形型钢再生混凝土梁的有限元受弯性能模型,研究其正截面受弯性能,并考虑再生粗骨料取代率、箱形型钢埋置深度、再生混凝土强度和箱形型钢强度对梁受弯性能的影响规律,建立了部分埋入式箱形型钢再生混凝土梁的正截面受弯承载力计算方法。研究结果表明:取代率和混凝土强度的变化对梁的抗弯承载力和刚度的影响较小,但对延性有一定影响;型钢埋置深度和型钢强度的变化对梁的抗弯承载力、刚度和延性都有较明显影响;提出的计算公式可以准确计算部分埋入式箱形型钢再生混凝土梁的正截面受弯承载力。

某椭球形采光顶支承结构稳定性与抗震性能分析

单层网壳兼具薄壳结构及杆系结构的力学特征,属于缺陷敏感型结构,结构稳定性起主要控制作用。以某椭球形三向网格型单层网壳玻璃采光顶支承结构为研究对象,对其进行弹塑性全过程稳定分析,建模求解椭球形单层网壳在长、短轴半跨及满跨活载工况下结构整体稳定性系数,通过数值分析得出椭球形单层网壳在满跨活载工况下整体失稳的风险高于半跨活载工况,结构整体稳定性对荷载不对称分布不敏感;鉴于本工程的重要性,在不同烈度下的结构抗震能力分析中,结构的抗震设防目标需提高到大震不屈服。

装配式预制部分外包混凝土组合梁受弯性能研究

针对装配式预制部分外包混凝土组合梁受弯性能进行深度研究。研究结果表明:装配式预制混凝土组合梁在不同条件下表现出不同的受弯性能;外包方式对混凝土的坍落度和力学性能有一定影响,需谨慎选择;抗氯离子渗透性能方面,外包方式的选择对混凝土的性能影响显著。

共旋梁单元几何非线性分析的子结构方法

采用有限元方法分析结构的非线性行为必须进行多次迭代求解,因此在保证非线性计算精度的同时提高其计算效率是关键。该文以内含2个平面梁单元的子结构为例,建立一种平面梁结构基于共旋法与子结构的几何非线性分析方法。共旋法具有将刚体位移从结构的大位移中扣除而得到准确的小变形的特点,子结构法则能将内部节点的自由度凝聚到边界节点从而大大减少结构非线性平衡方程组的阶数,该文将两者结合并利用有较好的通过荷载和位移极限点功能的修正弧长法编制了计算程序,对荷载-位移曲线具有“位移跳跃”或“荷载跌落”显著特征的数个算例进行分析,与已有文献的结果对比验证了方法及程序的正确性。

双跨连续梁力学计算及与简支梁计算结果比较

为正确计算浇注式隔热铝合金玻璃幕墙立柱的双跨连续梁力学特性。本文依次给出承受均布荷载的双跨连续梁力学计算模型中集中偏心荷载的计算原理,浇注式隔热铝合金双跨连续梁挠曲线微分方程及其分别求一阶、二阶及三阶导数后的微分方程,以双浇注式槽口立柱的双跨连续梁力学计算作为实例,利用分项常数计算公式、计算数值及求方程近似解的二分法,采用Python编程及材料力学算法求得浇注式隔热铝合金双跨连续梁强度及挠度计算数值。利用研制的“志诚软件V2.0”及美国建筑制造协会(AAMA)的TBSA软件计算相同条件下简支梁的力学特性数值,通过数值对比验证双跨连续梁的力学特性相对同等条件下简支梁有显著的提高。

基于内聚力单元的石拱桥数值模拟

古石拱桥一般由块石砌筑而成,材料有明显的非匀质性,且古石拱桥在长期荷载作用下很容易产生累计变形改变拱圈几何形状,进而影响其结构受力,采用传统整体式有限元模型很难准确模拟古石拱桥的受力性能。因此,为精确模拟古石拱桥实际受力状态,分析承载力影响因素,采用参数化建模的方法建立两相数值模型,用内聚力单元模拟材料非线性,并通过自编程序引入初始缺陷。分析了几何参数及材料参数对拱桥承载能力和破坏模式的影响。结果表明几何参数与材料参数显著影响结构的承载能力和破坏模式,为石拱桥的设计及修复、加固工作提供依据。