机器学习算法用于自密实混凝土性能设计的研究进展

为了厘清自密实混凝土材料各组分与其工作性能、力学性能、耐久性能间的复杂耦合影响机制,近年来,机器学习方法被越来越多地应用于自密实混凝土配合比设计与优化以及性能分析方面的研究。机器学习方法具有在复杂数据集中学习数据间的内在规律或映射关系的能力,在自密实混凝土设计领域被认为是构建混凝土原材料配合比与性能间映射关系模型的一种具有广阔前景的技术手段。然而,机器学习方法由于其依赖的数据集难以满足以及算法架构的可解释性较差等因素限制,使得基于机器学习在自密实混凝土性能设计领域面临着一系列挑战。本文系统总结梳理当前机器学习在自密实混凝土各项性能设计的应用情况,重点分析数据驱动的机器学习算法应用于自密实混凝土设计领域时面临的主要技术难点:高维度与小样本数据的难题、性能多目标优化难题、模型复杂而缺乏可解释性难题;归纳总结机器学习在自密实混凝土材料性能设计领域应用的发展趋势及未来发展方向。

基于激光扫描和形貌等效的行道树风荷载模拟

行道树风荷载的准确模拟是对其开展风致失效模式分析以及加固处置的先决条件.为精确模拟行道树的风荷载,提出一种基于三维(three dimensional,3D)激光扫描与树冠形貌等效融合的典型行道树风荷载数值模拟方法,对典型行道树的风致失效模式进行了探讨.首先通过移动式3D激光扫描建立山茶树和南洋楹两种行道树的点云模型,并采用树冠形貌等效方法构建了两种行道树数值分析模型;然后探讨等效建模方法中模型尺寸随风速变化的折减规律;最后分析行道树模型在不同等级风速作用下的风振响应特性和失效模式.研究表明,基于3D激光扫描和树冠形貌等效的行道树风荷载模拟方法可准确模拟行道树风荷载特性,行道树顺风向阻力模拟值与试验值的误差在5%以内;树木破坏形态以弯曲破坏为主,且树木各级枝干初始破坏呈现出3级枝条、2级枝条、1级枝条和主干的顺序特征,但在风速较大时则出现主干或重要枝干破坏先于次要枝干的现象.本研究提出的树冠形貌等效的行道树风荷载模拟方法精确性良好,对城市行道树风致易损性分析以及城市绿化系统的防灾减灾规划具有重要指导意义.

考虑结构尺寸效应的台风场阵风因子特性分析

为了克服现行固定时距阵风因子在进行结构抗风设计时潜在的不足,提出一种基于性能设计的阵风因子确定方法。首先,在极值理论所建立的阵风因子基础上,通过引入滑动平均滤波器与气动导纳函数等效的方法建立了考虑结构尺寸效应和平均风速的阵风时距确定方法;之后对常见的5种气动导纳函数进行分析得到了等效阵风时距计算公式;最后利用2006年到2008年间影响中国的三次台风过程实测数据,分别建立了A,B两类场地不同时距阵风因子曲线。研究结果表明:由Vickery通过实验测得气动导纳函数确定的等效阵风时距最大,由Newberry等实测得到的脉动风压相干函数经验式确定的等效阵风时距最小;综合五种气动导纳函数的计算结果,等效阵风时距可取为1.33倍的结构宽度与平均风速比值;随着场地粗糙度增加,阵风因子显著增大;实测台风场阵风因子大于规范给出相应场地类别推荐值。

基于设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法研究

利用在博贺峙仔岛观测站实测的台风黑格比数据,在莫宁-奥布霍夫相似理论框架内提出了一种数据驱动的考虑设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法。首先基于均匀各向同性湍流能谱需满足的基本模型准则,将六参数脉动风速谱统一模型简化为四参数谱模型;之后基于高频区和低频区脉动风速谱特征建立了四个谱参数的理论表达式,并利用实测的台风黑格比数据将谱参数理论表达式进行参数化处理,进而提出基于设计基准条件的脉动风速谱建模方法;最后利用台风黑格比过程中任意选取的四个1 h时长样本对上述脉动风速谱建模方法进行了验证,表明其与实测样本的风速谱具有较好的一致性。

积分尺度和风速谱对桥梁抖振响应影响分析

为研究目前被动湍流风洞试验中无法准确模拟的湍流积分尺度对桥梁结构抖振响应的影响并合理评价风洞试验结果,本文采用抖振频域的计算方法,以典型的一座斜拉桥和一座悬索桥为例,结合主梁节段模型气动力参数风洞试验结果研究了积分尺度对节段模型抖振响应的影响.结果表明:当在小风速时,抖振响应随着积分尺度的增加而减小,而当风速超过一定限值后,抖振响应随着积分尺度的增加先增大后减小;通过对比风洞试验模拟与规范推荐积分尺度的差异,发现风洞试验在小风速时高估了抖振响应,而在大风速时则低估了抖振响应.本文还分析了各国规范中采用的几种水平和竖向风速谱对抖振响应的影响,结果表明几种水平向风速谱对抖振响应的影响可忽略不计,而不同竖向风速谱计算的抖振响应则存在一定差别.

基于改进局部递归率的脉动风速非平稳度分析方法

为了克服递归趋势(recurrence trend,RT)指标对不同信号非平稳度估计存在误判的缺陷,分别采用互信息法和伪临近法确定了递归量化分析的最佳延迟时间和最小嵌入维数,然后在递归量化分析基础上,提出了归一化局部递归率标准差(standard deviation of normalized local recurrence rate,SDNLRR)作为信号非平稳度量化指标.利用该指标,通过递归量化分析方法分析了白噪声信号、正弦信号、调幅信号、线性调频信号4个基本信号和2个实测台风场脉动风速信号的非平稳特性,并与传统的递归趋势指标分析结果进行了对比.研究结果表明:利用SDNLRR指标对6个信号的非平稳度的量化比较准确率达100%,比RT指标的准确率提高了33.33%,消除了RT指标对正弦信号和平稳脉动风速信号的错误估计.

考虑非高斯特性影响的台风场阵风因子研究

为了刻画脉动风非高斯特性对阵风因子的影响,在高斯过程阵风因子计算模型的基础上推导非高斯过程的阵风因子理论计算模型,并对台风风场的阵风因子特性进行系统分析。首先,在高斯过程阵风因子理论基础上通过引入修正Hermite模型对非高斯过程进行修正,提出综合高斯过程和非高斯过程(包含硬化高斯过程和软化高斯过程)的阵风因子理论计算模型;之后利用实测的台风珍珠(0601)、鹦鹉(0812)和黑格比(0814)数据对台风场实测脉动风速的非高斯特性进行研究;最后基于上述三次台风过程的实测数据,研究了考虑非高斯特性影响的台风场阵风因子特性。研究结果表明:台风场脉动风具有较强的非高斯特性,使得台风场阵风因子偏离了基于高斯过程假定的规范建议值;考虑非高斯修正的阵风因子理论公式能够较准确地估计实测台风场的阵风因子。

0814号强台风“黑格比”风场相干结构统计和演化特征研究

为了探究台风风场相干结构统计特性以及在台风不同空间结构部位的演化规律,采用小波系数谱分析(Spavelet Analysis)方法对0814号强台风“黑格比”风速场的湍流相干结构统计特征及演化特性进行了系统分析。研究结果表明:对于0814号强台风“黑格比”过程,顺风向脉动风速与横风向脉动风速的相干结构呈现出多尺度分布特征;顺风向、横风向和竖向风速分量的相干结构主周期均值分别为70.2 s、50.3 s、22.8 s,主尺度均值分别为54.4 s、38.9 s、18.2 s,三个方向相干结构的周期尺度比均值分别为1.28、1.27、1.29;台风“黑格比”风场水平向空间部位中,前外环流区(FOV)的顺风向、横风向和竖向的相干结构主尺度均值分别为68.8 s、41.7 s、14.4 s;前眼壁区(FEW)的三个方向脉动风速的相干结构主尺度均值分别为69.9 s、32.5 s、19.5 s;风眼区三个方向脉动风速的相干结构主尺度分别为83.5 s、50.3 s、15.3 s;后眼壁区(BEW)其值为55.1 s、42.3 s、11.2 s;后外环流区(BOV)三个方向脉动风速相干结构的主尺度分别为53.6 s、39.1 s、10.9 s;整体上表现为前外环流区(FOV)和前眼壁区(FEW)相干结构主尺度大于后眼壁区(BEW)和后外环流区(BOV),风眼区相干结构主尺度则为最大。

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。

广东省台风数值模拟与危险性分析

广东省是中国沿海最为发达的省份之一,人口密度大,经济总量多,受台风影响严重,每年台风都给这里带来重大经济损失。本文通过对广东省以25公里的距离来划分正方形网格,再以每个网格点为中心,提取台风,并分析各点台风关键参数概率模型。最后利用Monte-Carlo数值模拟方法和Yan Meng风场进行模拟计算,得到各点重现期100年的台风极值风速,并绘出广东省风速分布图,为抗风设计提供参考。

钢纤维增强磷酸镁水泥复合材料的研究进展

磷酸镁水泥(MPC)由于其早强、耐磨、可塑性好等优越的性能得到了广泛的利用。然而作为化学键合的胶凝材料,MPC脆性较高,掺入钢纤维是提高其延性和韧性的一种非常简单又有效的方法。综合国内外钢纤维增强磷酸镁水泥复合材料的研究现状,从钢纤维的不同种类分析了其对磷酸镁水泥力学性能的影响,还从微观结构界面过渡区的变化来阐述钢纤维的增强增韧机理。钢纤维可以显著改善磷酸镁水泥的抗压强度和高脆性,而相同体积下的微细钢纤维较普通钢纤维具有更多的根数,其与磷酸镁水泥的界面黏结能力就越强,故微细钢纤维对于提高MPC抗压强度和高脆性效果比普通钢纤维更为显著。指出了当前钢纤维增强磷酸镁水泥研究中存在的一些问题,结合实际应用和需求展望了今后的研究及发展的方向。

深圳市阴香类行道树风致失效模式及失效风速预测研究

为了探究行道树的抗风性能和风灾易损性,文中选取了深圳市具有代表性的阴香类行道树模型作为研究对象,依据分形理论并考虑其空间形态构建了行道树的有限元模型;利用ANASYS-Work-bench平台模拟行道树模型的风荷载,并探讨了该行道树模型在不同等级风速作用下的风振响应特性和破坏模式。研究发现:行道树主干的最大切应力出现在最低处树枝与主干连接处,最大弯矩出现在树根端部位置;剪切破坏是引起该类型行道树破坏的主要形式,行道树结构失效的位置集中发生在枝条连接处;随着枝条逐渐损失,行道树承受的总风荷载减少,失效风速显著增加;考虑行道树的空间形态和分枝影响构建的有限元模型能较为准确地预测典型行道树的失效风速和破坏形态。

相干结构对0814号强台风“黑格比”湍流特性的影响

为了探究实测台风眼壁强风区和风眼区风速非平稳性的形成机理,以0814号强台风“黑格比”实测数据为研究对象,用离散小波变换结合假设检验的方法对风场的相干结构进行辨识与提取,探讨相干结构对风速非平稳性、非高斯性以及风场湍流特性参数的影响规律.研究结果表明:对于0814号强台风“黑格比”,相干结构是造成风场脉动风速具有非平稳性和非高斯性的关键因素,提取相干结构后非平稳样本的非平稳性和非高斯性显著减弱;相干结构对各湍流参数的平均贡献介于6.42%~32.40%.相干结构持时占样本时长的比值平均为10.60%,对湍动能贡献占比最高达40.50%.相干结构具有“短持时、高含能”的特点,是造成湍流参数值异常偏大的根本原因.研究可为非平稳风作用下结构精细化抗风设计提供参考.

局部腐蚀对钢筋混凝土墩柱力学性能退化影响数值模拟

为了探究局部腐蚀对钢筋混凝土(RC)墩柱的力学性能退化规律,本研究建立了局部腐蚀RC墩柱有限元模型,探讨不同目标腐蚀率下墩柱的力学性能退化规律,并与相关试验结果进行对比分析。考虑到箍筋腐蚀较主筋腐蚀严重的现象,共设计6个不同目标腐蚀率工况;有限元模型考虑了保护层混凝土锈胀开裂导致其强度折减影响,对腐蚀区域钢筋强度按质量损失率进行了折减,同时引入四节点粘结滑移单元考虑锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能退化影响。研究结果表明:本有限元模型可较准确模拟腐蚀对墩柱力学性能的影响,数值模拟结果与试验实测关于轴心受压柱的承载力最大相对误差为7.87%;RC墩柱承载力随局部钢筋腐蚀程度增加呈退化趋势,当主筋锈蚀率达20%时,RC墩柱轴压承载力和侧向承载力分别降低30.73%和5.87%。

基于实测数据的台风边界层风速剖面特征研究

目前规范中对台风影响区建筑物的抗风设计采用类比非气旋风场的方式来进行,然而大量实测结果表明台风剖面与非气旋风场风剖面存在较大差异,风剖面的影响因素和变化规律目前仍不明确。为清晰地了解台风的剖面特征及其规律,基于多个台风的实测剖面数据,以下垫面类型、台风结构分区和风速大小三类控制指标对数据进行分类,对各个类别的风剖面数据进行对比分析。研究表明:台风剖面中的近地急流层与下垫面类型、台风结构分区和风速均有关,即A、B类场地、较大风速和台风后眼壁区更易出现近地急流层;台风风剖面的梯度风高度与下垫面类型和平均风速存在着一定关系,A、B类场地的梯度风高度由台风中心向外呈增大趋势,C类场地下的梯度风高度从台风中心向外呈先减小后增大趋势。

基于风观测塔和风廓线雷达实测的强台风黑格比风剖面研究

利用两座风观测塔和一台风廓线雷达对强台风黑格比的实测结果,研究了台风黑格比近地塔层和边界层风剖面特征。结果表明:在近地塔层风剖面,陆地来风时,最大风速高度高于70m,且指数律剖面指数α随着风速的增大而减小;海面来风时,最大风速高度约为50m,指数律剖面指数α随着风速的增大而增大。在边界层风剖面,台风黑格比前眼壁强风区梯度风高度为450m,后眼壁强风区为300m,外风场为200m。指数律和对数律剖面可以用来描述台风黑格比眼壁强风区300m高度以下和外风场200m高度以下的风剖面,但是风剖面参数不符合规范推荐值,D-H模型参数不适合描述其风剖面,需进行修正。

氯离子腐蚀对滨海地区输电塔结构风振响应的影响研究

滨海地区的输电塔结构长期遭受海洋腐蚀性大气环境的侵蚀,其构件有效承载面积因腐蚀而削减,力学性能逐渐降低;长期的环境腐蚀与滨海强风耦合作用下,输电塔结构的服役安全性及耐久性受到了严重威胁。为了准确刻画长期氯离子侵蚀对滨海输电塔线结构体系风致动力响应的影响机制,首先在实验室对输电塔角钢进行盐雾加速腐蚀试验,腐蚀时长分别设定为0,800,1600,2400 h;之后利用腐蚀后角钢制作拉伸试件并采用MTS试验机对其进行力学性能试验,探究腐蚀对角钢截面损失率以及力学性能退化的影响规律,构建腐蚀时长(截面损失率)与角钢力学性能参数的回归模型;最后基于修正的二次溯流模型来刻画腐蚀后角钢的本构模型,并采用SAP 2000有限元分析软件建立考虑腐蚀影响的输电塔结构有限元分析模型,开展输电塔线结构体系风振响应分析,探究滨海氯离子侵蚀对输电塔结构风振响应的影响机制。研究结果表明:随着氯离子侵蚀时间的增加,角钢力学性能呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长为800 h时,极限强度退化率与屈服强度退化率分别为4.00%与3.01%,伸长率和弹性模量则分别下降了5.33%和7.02%;当腐蚀时长达到2400 h后,极限强度退化率与屈服强度退化率相较于未腐蚀工况分别达到16.49%和15.22%,下降幅度显著,伸长率和弹性模量下降幅值分别达到9.74%与14.33%。通过对输电塔结构的动力分析发现,随着腐蚀累积,输电塔结构的自振频率呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长达2400 h时,输电塔结构的一阶自振频率相较于未腐蚀前下降了4.08%,且腐蚀对输电塔结构的高阶频率影响更加显著;对应于3种腐蚀工况(腐蚀时长分别为800,1600,2400 h)的输电塔结构风振位移响应和塔身杆件应力呈逐渐增加趋势,腐蚀时长达到2400 h时,塔身顶部最大位移已达0.466 m,较未腐蚀工况时塔身顶部位移增幅达9.8%,杆件应力最大增幅达5.1%;4种工况在同一风荷载作用下最大应力值与其对应腐蚀时长下的屈服强度比分别为0.52、0.55、0.58和0.60。