新工科背景下的土木工程学科本科生培养——以北京工业大学“道桥专业本科生”培养为例

大学本科教育是青少年学生从学校步入社会的重要过程性教育之一。大学教育不仅包含中小学教育的“教书”属性,更多承担的是丰富的、自由的、具有社会性的“育人”属性。本文以新工科大学教育中对学生实际操作性、经验性、科学性和可复制性要求高为背景,通过梳理新工科背景下土木工程学科大学教育与后续工作实践、科学研究需求适用性、指导性、有效性和终身性要求,探索分阶段、系统化、多层次、网络化的多位一体育人模式;在此基础上,通过北京工业大学道路桥梁与渡河工程国家一流本科专业本科生培养实际案例分析,旨在提出既能够满足大学教育工作者需求,又能够提高大学教育管理者人才培养和方案制定的大学教育教学新模式。

伸缩缝及支座病害对简支梁桥车致动力响应的影响研究

中小跨径桥梁在中国公路桥梁中占比大,其伸缩缝服役环境恶劣,易发生损伤造成过往车辆剧烈振动、桥梁支座损伤等病害。为探明伸缩缝、支座参数对简支梁桥车致动力响应的影响,建立了车⁃伸缩缝⁃桥梁耦合动力响应(VBCV⁃J)数值分析方法,并通过实测数据验证了该方法,进而开展了伸缩缝、支座参数影响规律的研究。研究结果表明:车速与车辆的振动密切相关,在车速较高、路面状况“一般”时,伸缩缝、梁端的冲击效应会超出规范值。伸缩缝中梁高于路面会导致该部件的冲击效应增大明显,反之则有所减小;而伸缩缝中梁高于或低于路面,均会造成该桥梁端冲击效应增大。伸缩缝弹性支撑刚度的降低、主梁边支座脱空均会引起伸缩缝、主梁梁端的冲击效应增大。支座刚度降低则主要导致主梁整体的冲击效应增大。伸缩缝的破损不仅影响自身冲击效应,还会大幅增大简支梁桥梁端构件的冲击作用,在设计和养护中,应对伸缩缝及梁端构件给予足够的重视。

P-ECC-RC组合柱偏心受压力学性能仿真分析

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite, ECC)具有卓越的韧性和抗裂性能,然而其存在现场浇筑困难、造价高等问题。鉴于此,本文提出了一种带ECC壳的装配式混凝土组合柱(P-ECC-RC)。首先建立了其数值仿真分析模型,并通过既有试验验证;进而开展了参数影响分析,探究了ECC强度和纵筋配筋率对P-ECC-RC的偏压力学性能的影响。研究结果表明:对于组合柱,峰值荷载随着偏心距的增加而显著降低,但延性提升;ECC强度增加对组合柱的承载能力有正向影响,但延性会有所降低;增加纵向钢筋配筋率可有效增加组合柱的承载能力以及延性。

列车时速变化对雨棚动力响应的影响研究

为探究列车通过铁路站房时在雨棚结构上引起的动力响应,本文将模态综合法引入站房雨棚结构的车致动力响应分析中,并基于实测结果对其进行验证。在此基础上,重点探究了列车车速变化对雨棚的车致动力响应的影响。结果表明:根据提出的理论分析方法计算所得的站房结构动力响应峰值与实测值的误差在15%以内;雨棚各部位的冲击系数在车速为210 km/h和280 km/h时会出现两次峰值,且当车速为280 km/h左右时,冲击系数达到最大值;雨棚边缘相比于雨棚中部受车速的影响更加显著,且雨棚各跨端部冲击系数更大。

伸缩缝变化参数对简支梁桥–连续梁桥车致动力响应影响实测研究

本文通过现场实测探究了伸缩缝参数对简支梁桥、连续梁桥车致动力响应的影响。实测结果表明,伸缩缝变化参数对车致桥梁动力响应显著,车辆过缝会造成车辆对桥梁局部冲击作用增大,且该局部冲击作用随测点与伸缩缝距离的减小而增加。伸缩缝高差(横梁两侧、中横梁与边横梁间)会增大车辆对简支梁桥、连续梁桥梁端的车辆冲击作用。

ECC-RC组合柱轴压性能研究

工程水泥基复合材料(Engineered Cenmentitious Composites, ECC)具有延性高、耗能能力强、裂缝控制能力优异等特点,然而,ECC材料现场施工难度大、质量难以保证、且工程应用成本较高,使得其应用推广受限。有鉴于此,本文提出了一种ECC-RC (Engineered Cenmentitious Composites-Reinforced Concrete, ECC-RC)组合柱,基于ABAQUS平台通过数值仿真分析的方法,探究了ECC强度、箍筋间距、箍筋直径对ECC-RC组合柱轴压力学性能的影响规律。结果表明,ECC强度越大,ECC-RC组合柱的峰值承载能力越好,但延性越差;减小箍筋间距,组合柱的峰值承载力、延性提高幅度较大,试件的轴压力学性能较好;增大箍筋直径时,试件的峰值承载力、延性均可得到一定程度的提高。

CFRP-EMD加固灌浆套筒连接装配式桥墩振动台试验

为研究受力筋灌浆套筒连接装配式混凝土桥墩的抗震加固方法,以受力筋灌浆套筒连接装配式混凝土桥墩和灌浆套筒-预应力筋连接装配式混凝土桥墩为研究对象,设计制作了两个1/6缩尺模型,并依据二者的震害特点提出了一种采用碳纤维复合材料-外置金属耗能装置(简称CFRP-EMD)的组合加固方法。选取近断层地震波作为输入,开展了单、双向激励下模型桥墩的振动台试验,从试验现象、基本动力特性、地震响应规律等方面分析了CFRP-EMD对两类装配式混凝土桥墩的加固效果。结果表明:地震作用下两类试件的主要震损包括墩身开裂、墩底接缝开合、接缝混凝土剥落压碎等;附加预应力筋连接可提高构件刚度和自复位能力,降低墩身和接缝的损伤速率和损伤程度;采用CFRP-EMD组合加固能够显著提高震损装配式构件的刚度、抗震变形能力和耗能能力;CFRP-EMD加固后灌浆套筒-预应力筋连接装配式混凝土桥墩的塑性变形更加合理。提出的组合加固设计方法和实施原则可用于装配式混凝土桥墩抗震加固中。

调频型颗粒阻尼器与高架连续梁桥减震控制研究

为了将颗粒阻尼技术引入到桥梁减震控制领域,提出一种适合桥梁结构使用的调频型颗粒阻尼器及其设计方法,并以某高架连续梁桥为原型,设计制作了1∶10缩尺模型,利用振动台台阵系统对未设置和设置调频型颗粒阻尼器的模型桥进行了振动台试验研究。研究结果表明:调频型颗粒阻尼器的初步设计方法可以为颗粒阻尼技术在桥梁减震领域的应用提供一定的理论指导;调频型颗粒阻尼器在高架连续梁桥减震领域应用效果良好,激励强度是影响阻尼器减震控制效果的主要因素之一;与调谐型阻尼器相比,调频型颗粒阻尼器的减震频带更宽。

面向施工过程模拟研究的自锚式悬索桥试验模型设计与有效性评价

为解决自锚式悬索桥施工过程模拟研究中试验模型的有效性问题,以某在建自锚式悬索桥结构为原型,设计制作了该桥的1/20缩尺模型,利用有限元方法对模型桥的有效性进行了评价;设计了模型桥的配重和测试方案,并依据测试方案对模型桥的空缆线形和主塔动力特性进行测试与分析.结果表明:试验模型的空缆线形和主塔动力特性测试结果与理论设计结果吻合良好,试验模型设计有效.

基于颗粒阻尼器的曲线桥减震分析与试验

为了将颗粒阻尼器引入到曲线桥减震控制中,设计制作了某典型曲线桥的1/10缩尺试验模型及可用于试验模型桥上的曲型舱颗粒阻尼器(curved-capsule particle damper,简称CPD),基于振动台试验开展了地震波类别和激励方向对该型阻尼器减震效果的影响研究。结果表明:CPD构造简单,可方便快捷地安装于曲线桥上;远场地震波和近断层地震波作用下,CPD沿顺桥向和横桥向均能发挥一定的减震控制效果,对曲线桥动力响应的抑制具有良好的方向适应性;与远场地震波相比,近断层地震波作用下,由于长周期大脉冲的影响,CPD减震控制效果的变异性更大,当在结构自振周期附近存在大脉冲时,CPD的减震控制效果更佳。

考虑车辆过缝的车-桥耦合振动分析方法

为考虑伸缩缝参数变化对车-桥耦合动力响应的影响,通过分析车轮过缝过程,提出了车辆过缝等效力、等效位移模型.利用伸缩缝局部振动模态提取法及模态综合法,建立了考虑伸缩缝参数影响的车-桥耦合动力响应分析模型,并基于Matlab平台编制了车辆过缝的车-桥耦合动力响应分析程序及其数值求解方法.以某简支转连续梁桥为例,通过现场实测对考虑车辆过缝的车-桥耦合动力响应分析方法进行验证.结果表明,利用所提方法计算的伸缩缝和主梁的加速度和位移响应峰值与实测值的误差均在7%以内,说明该方法能够较为准确地考虑车辆过缝对车-桥耦合动力响应的影响.

近断层脉冲型地震动作用下高墩连续刚构桥振动台试验研究

为了研究近断层脉冲型地震动对高墩连续刚构桥抗震性能的影响,以某典型高墩连续刚构桥为原型,设计制作了该桥的1/15缩尺试验模型,利用多子台模拟地震动振动台台阵系统,完成了远场地震动和近断层地震动输入下的对比试验,重点探讨了近断层地震动速度脉冲效应及脉冲个数的影响.研究结果表明:高墩连续刚构桥纵向和横向一阶频率均较小,结构地震响应主要以低频成分为主;近断层脉冲型地震动作用下模型桥的地震响应均大于远场地震动作用下模型桥地震响应的2倍,而近断层无脉冲地震动下模型桥的动力响应略小于远场地震动输入时模型桥的动力响应,为其0.76~0.95;速度脉冲效应使高柔的高墩连续刚构桥主梁瞬时产生较大位移响应(最大值为54.8 mm),极易引起主梁端部碰撞和支座破坏,在抗震设计上应引起重视;速度脉冲个数对高墩连续刚构桥地震响应的影响显著,墩顶位移响应脉冲个数影响系数AF_w为1.46~5.54,其中,多脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应最大,单脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应次之,而双脉冲型地震动引起的结构响应相对较小.因此,对靠近断层区域的此类桥梁,应考虑近断层地震动速度脉冲效应及其参数变化的影响.

考虑摩擦效应的颗粒阻尼器力学模型研究及参数分析

颗粒阻尼具有高度非线性特性且影响因素复杂,在土木工程减振控制的研究和应用处于简单理论探究与实验阶段,尚未形成成熟可靠的理论对实际设计和应用进行指导。在阻尼颗粒未发生堆积时,考虑阻尼颗粒与阻尼器腔体之间的碰撞过程和摩擦效应,构建一种颗粒阻尼器-单自由度结构系统力学模型,并求得该力学模型在简谐激励下位移响应的解析解。该模型能够充分反映颗粒阻尼器的碰撞和非碰撞过程,其相轨迹可以体现颗粒阻尼器的复杂非线性特征。通过单层钢框架在简谐激励下的电磁振台试验对颗粒阻尼器的理论及运动特性进行验证,证明该理论模型的合理性和解析结果的正确性。最后对颗粒阻尼器进行颗粒质量、激振幅值、激振频率和阻尼颗粒运动间隙的参数分析,并与已有冲击阻尼器模型进行对比,结果表明所构建的力学模型能更加合理地评价颗粒阻尼器的减振性能。

基于能量法的颗粒阻尼器减振机理研究及参数分析

颗粒阻尼技术因频带宽和鲁棒性强等优点在土木工程减振领域具有良好的应用前景,但由于颗粒的力学行为具有高度非线性特征且影响因素复杂,相关力学机理研究尚不深入,亟需改进.在阻尼颗粒未发生堆积的条件下,考虑阻尼颗粒与阻尼器腔体之间的碰撞过程和摩擦效应,构建一种颗粒阻尼器-单自由度结构系统力学模型.基于能量法对颗粒阻尼器-单自由度结构各组分能量进行求解,对结构系统各部分耗能规律进行分析,明晰减振机理,对颗粒阻尼器和TMD的减振效果进行对比并探究颗粒材料参数影响规律.通过单层钢框架电磁振动台试验验证基于能量法的结构动力分析的准确性.结果表明:在同等条件下,当结构发生共振时TMD的减振效果较优,非共振时颗粒阻尼器的减振效果较优;在非共振条件下,颗粒阻尼器的减振效果随碰撞恢复系数的减小或滚动摩擦系数的增大而增加,小粒径阻尼颗粒的减振效果更优.

简谐激励下双调谐质量阻尼器基本特性研究

借鉴TMD和MTMD各自的优缺点,结合土木工程结构减震装置的经济性和适用性,提出一种双调谐质量阻尼器(DTMD),建立了简谐激励作用下单自由度DTMD控制体系(DTMD-SDOF)的运动方程,推导其动力反应放大系数,提出了针对DTMD的调优策略及优化评价函数,并通过相关算法获得DTMD-SDOF系统的参数优化程序,并利用该程序得到了DTMD的最优参数;具体分析了不同参数对DTMD共振峰值和调频宽度的影响,并对阻尼器阻尼参数或受控结构频率发生变化后DTMD的鲁棒性进行了评价;对DTMD与TMD、MTMD的有效性和鲁棒性进行了对比分析。理论与数值研究结果表明,DTMD的控制效果明显优于TMD和MTMD,并且对主结构频率的摄动拥有更佳的鲁棒性。事实证明,DTMD比TMD和MTMD更具工程适用性。

基于单自由度结构的颗粒阻尼减振机理试验研究

颗粒阻尼(Particle Damping)技术具有减振效果好、作用频带宽、对原结构改动小、布置灵活等优点,因而在航空及机械振动控制领域得到了广泛的研究,但在建筑结构中的研究尚处于探索阶段。以单自由度钢框架结构为研究对象,通过自由振动试验,对比原结构、附加阻尼颗粒结构的响应,研究颗粒质量比、粒径、腔体底摩擦系数、颗粒堆积状态与振动方向长度、激励强度各参数对颗粒阻尼减振控制效果的影响。结果表明,阻尼颗粒提供的等效附加阻尼比随颗粒质量比的增加先增加后减小;粒径小的颗粒数量更多,效果更好;增加腔体底部摩擦导致颗粒运动变缓,减振效果变差;当颗粒没有堆积时,腔体尺寸对阻尼效果的影响很小;振动方向长度增加,阻尼效果略有变差;等效附加阻尼比随激励强度的增加先增加后趋于稳定。颗粒阻尼技术在单自由度结构体系减振控制中的应用效果良好,具有广泛的应用前景。

颗粒阻尼器布置方案对其减震效果影响研究

为明晰建筑结构用颗粒阻尼器布置方案对其减震控制效果的影响规律。以某1∶30比例缩尺钢筋混凝土框架结构为研究对象,设计制作了可用于缩尺模型的刚性连接颗粒阻尼器,结合建筑结构减震需求,对颗粒阻尼器的布置方案进行了设计,通过振动台试验研究了布置位置和阻尼器数量等参数对颗粒阻尼器减震控制效果的影响。结果表明:颗粒阻尼器布置位置处的结构均方根位移响应和峰值位移响应均有所降低,阻尼器减震控制效果良好;阻尼器布置位置对颗粒阻尼器减震控制效果影响显著,阻尼器宜布置于结构位移响应较大的位置,合理的阻尼器布置方案能够有效地控制结构的扭转响应;随附加颗粒阻尼器数量的增加,颗粒阻尼器对结构位移响应的减震控制效果提高,建筑结构可用附加质量比范围内,阻尼器布置数量越多,减震控制效果越好。

连接刚度对调频型颗粒阻尼器减震控制效果影响研究

为明确连接刚度对调频型颗粒阻尼器(Tuned Particle Damper,TPD)减震控制效果的影响,确定实际可用的较优的阻尼器连接刚度范围,设计制作了某钢筋混凝土框架结构1∶30缩尺试验模型及可用于该试验模型的调频型颗粒阻尼器,设计了不同的TPD连接刚度,通过系列振动台试验研究了连接刚度对该型阻尼器减震控制效果的影响。结果表明:合理设计的TPD能有效降低地震荷载作用下结构的位移响应;TPD与受控结构的连接刚度对TPD减震控制效果影响显著,TPD自振频率与结构控制方向基频之比在0.90~1.10内,TPD减震效果较优。

微细耗能颗粒对调频型颗粒阻尼器减震效果影响研究

为明确调频型颗粒阻尼器(Tuned Particle Damper,TPD)减震效果的关键影响因素和附加微细耗能颗粒对土木工程领域用调频型颗粒阻尼器减震效果的影响,以某钢筋混凝土框架结构为原型,设计制作了1∶30的缩尺试验模型及可用于该试验模型的调频型颗粒阻尼器,基于选定的TPD参数,通过在阻尼器腔体中附加不同质量的微细耗能铁粉颗粒,利用振动台试验对附加微细耗能颗粒前后调频型颗粒阻尼器减震效果的变化进行了研究。结果表明:依据设计的TPD附加微细耗能颗粒后仍能较有效降低结构在地震作用下的位移响应;激励强度是影响其控制效果的关键因素,随着激励强度的增加,附加微细耗能颗粒TPD的控制效果趋于提高;附加微细耗能颗粒后TPD的减震效果略有降低,土木工程领域颗粒与腔体间相对运动提供的调谐作用是影响TPD减震效果的重要因素。

环境激励下人行桥振动时频分析

为研究人行桥在不同环境激励下的振动响应规律,采用Hilbert-Huang变换对某人行桥在噪声激励、车辆荷载、行人荷载以及车辆-行人荷载耦合激励条件下的加速度响应进行分析。结果表明:噪声激励、车辆荷载、人行荷载、车辆-行人耦合激励条件下人行桥的加速度响应幅值逐渐增大,脉冲指标呈逐渐增加的趋势,功率谱幅值不断向高频段偏移。四种激励下,人行桥的加速度响应经过经验模态分解后的前五阶本征模态函数的方差贡献率及相关系数较大,且瞬时振幅和瞬时频率呈减小趋势;其能量分布随加速度幅值的增大逐渐增大,车辆荷载作用下其能量熵值最小,能量分布相对均匀。Hilbert-Huang变换对处理复杂环境激励下的桥梁振动响应具有较好的识别效果,分析过程可为同类振动信号处理所借鉴。