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。

硬化土模型在OpenSees中的实现

为了更好地描述不同岩土的力学行为,将硬化土模型集成于OpenSees中,从刚度参数、屈服函数及塑性势函数3个方面概述了硬化土本构模型理论。基于模型理论,根据隐式积分算法推导出硬化土模型的有限元算法格式并给出实现流程,该算法考虑了屈服面交汇处角区域应力更新问题。结合程序流程和OpenSees接口,将模型在软件中进行了实现,并从理论解及试验对比验证了模型开发的正确性。结果表明:算法推导及程序实现正确。硬化土模型在OpenSees中的实现,弥补了OpenSees三维岩土材料的不足,扩大了OpenSees的应用范围。

碳纤维混凝土力学性能研究

为探究衬砌管片的混凝土开裂破坏,考虑加入碳纤维来改善其力学性能。设计了不同配合比的碳纤维混凝土试件,进行了碳纤维长度和掺量对碳纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度的研究。试验结果表明:碳纤维混凝土较普通混凝土抗拉和抗压强度均得到了增强,其中抗拉强度增加程度最大,达到普通混凝土的150%,弹性模量和延性也均得到了提高,利用这些特征可以有效延缓和阻止衬砌管片开裂。此外,通过试验数据拟合得到了碳纤维混凝土应力-应变曲线表达式,为碳纤维混凝土在数值模拟中奠定理论基础。

自浮式防船撞装置滚动构件性能分析

为减少自浮式防船撞装置在水位变化作用下与桥墩的相互磨损,提出一种具有熔断能力的滚动构件,可与防撞浮筒共同形成整体自浮式防撞装置,将防撞装置与桥墩的滑动接触变为滚动接触,同时实现防撞装置在不同撞击强度下的多级耗能。防撞浮筒由钢材及功能材料组成,滚动构件由纵肋板、加劲肋、螺栓剪力销等组成。当螺栓剪力销所受剪力小于设计熔断力时,由浮筒弹性耗能,即一级耗能;螺栓剪力销所受剪力达到设计熔断力时,螺栓剪力销断裂,橡胶护舷与桥墩接触,橡胶护舷压缩变形耗能(二级耗能),进而钢浮筒塑性变形耗能(三级耗能)。通过LS-DYNA软件对原型及刻槽优化后滚动构件进行熔断行为模拟,并进行船舶撞击整体防撞装置动力过程模拟,分析滚动构件的可靠性及在防撞装置中的防撞性能。结果表明:滚动构件可实现熔断行为,刻槽优化后能使螺栓剪力销断裂行为更精准,熔断行为更可控;钢浮筒与滚动构件组合形成的防撞装置能够使整体装置依次进入三级耗能,且在桥梁实际应用中具有可更换、易于维修的特点。

基于时频变换和卷积神经网络的结构损伤识别

为了解决将单传感器时域数据直接作为卷积神经网络(CNN)的输入所引起的损伤识别精度不高的问题,提出基于小波包变换(DWPT)和快速傅里叶变换(FFT)的卷积神经网络识别方法。以短钢梁桥现场试验测得的数据集为例,将单传感器数据样本分别进行DWPT和FFT变换,使用变换后的特征训练1D-CNN网络,训练好的网络测试精度有明显的提升,其识别精度均高于多个传感器数据直接作为输入的识别精度。同时分析了对噪声样本和异源(结构上未曾参与网络训练的传感器)数据的识别情况,结果表明对含噪声样本先进行时频变换再训练网络能显著提升对噪声样本的识别精度,而且能改善训练好的网络难以对异源传感器数据进行识别的问题,最后通过卡塔尔大学看台现场试验数据进一步论证上述结论。

基于共旋坐标法的空间桁架几何非线性分析

以往提出的共旋坐标法中,随动与整体坐标系的转换矩阵的计算需要中介值,对于大型工程结构会影响计算效率,且共旋坐标法在有限元程序中的实现多基于面向过程技术,以至数据不易管理、功能难以扩充,此外桁架何时考虑几何非线性也缺乏研究。归纳对比了两种常用的共旋坐标法理论,基于整体坐标系原点来建立随转坐标系,给出无需中介值的空间桁架转换矩阵及杆端抗力的具体表达式,并基于此法,使用C++语言在基于面向对象技术的程序Aduts中实现空间桁架单元,进一步简化了共旋坐标法的计算,使其在有限元程序中的数据管理、二次开发和维护更简便。设计典型算例验证了本文桁架单元的正确性,并通过参数分析研究桁架的几何非线性,结果表明桁架的几何非线性不能单纯以经验理论即应变达到5%为判断依据,而需结合拱跨比的值来确定。

基于K近邻算法的钢筋混凝土柱地震破坏模式判别方法

钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)柱在地震力的作用下会发生不同的破坏模式,不同的破坏模式会有不同的损伤特点。所以,有必要针对不同地震破坏模式提出有效的判别方法。首先基于合成少数过采样技术(synthetic minority over-sampling technique, SMOTE)算法使数据样本达到均衡,其次根据编辑近邻(edited nearest neighbours, ENN)算法,筛选了判别弯曲破坏和非弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏的最佳参数;再次通过TomekLinks算法合理剔除噪声样本重构均衡数据,最后基于K-近邻(K-nearest neighbor, KNN)算法建立了两阶段KNN模型,达到了准确判别RC柱地震破坏模式的目的,并通过与传统KNN模型、传统经验方法进行对比分析,验证了模型的优异性。研究结果表明:该方法通过选取筛选最佳参数,在提高判别准确率的同时简化了传统机器学习判别模型;所提出的两阶段KNN模型对3种破坏模式的判别准确率均可达90%以上;比传统KNN模型及传统经验法弯剪破坏模式的判别准确率有较大提升,对于弯曲破坏模式和剪切破坏模式的判别准确率也有一定程度提升;比传统KNN模型整体高10%左右,比传统经验判别方法整体高20%左右。

基于土层位移差的地下结构抗震反应位移法分析

采用平面弹性理论复变函数方法,推导具有小孔无限介质在无限远处受剪应力的水平位移,得出有小孔与无小孔的位移关系,应用在基于土层位移差的反应位移法土层位移求解。为验证该方法的适用性,设某地质条件下典型圆形盾构隧道与矩形地下车站为基准模型,用不同方法求解土层位移,用反应位移法计算土体刚度变化的结构内力。结果表明,基于土层位移差的反应位移法适用于埋深较大的地下结构,不适用硬土情况;对地基弹簧刚度求解精度要求较高。

表面活性剂减阻流体传热与阻力关系试验研究

针对在水中添加表面活性剂可以出现阻力系数减少而同时传热性能发生变化的现象,采用测压差装置和热电偶测温系统分别对二维流道内不同的减阻流体的减阻性能、传热性能进行了试验,研究了浓度、配比、雷诺数和热流密度对减阻流体传热与阻力系数之比值的影响。结果表明,表面活性剂减阻流体的传热系数考尔朋(Colburn)因子与阻力系数之比和水的情况有较大的差异;当减阻流体的减阻率稳定时,随着雷诺数的增大,考尔朋恩因子与阻力系数比值缓慢下降;达到临界雷诺数后,考尔朋因子与阻力系数之比值波动较大,并且比值迅速增大到接近没有添加减阻剂的水平。

深埋盾构隧道结构抗震设计方法评价

分析评价了反应位移法、反应加速度法应用于深埋盾构隧道结构抗震设计的差异。采用平面弹性理论的复变函数方法,提出了深埋结构的土体弹簧的解析解法,可以应用于反应位移法。设定某地质条件下的深埋典型盾构隧道结构为基准模型,用反应位移法、反应加速度法和动力时程法计算基准模型的结构刚度变化时的结构内力和变形,评价前两种方法的适用性。结果表明:反应加速度法的结果一般比反应位移法更接近动力时程法;反应位移法的结果一般是偏于安全的;反应加速度法不适用于结构刚度较小时的情况。

反应加速度法和反应位移法精度随结构埋深变化的研究

从理论方程上,看不出反应加速度法和反应位移法的精度会随地下结构埋深而变化,因此为确定其精度,设定不同场地条件下、不同埋深的城市轨道交通箱型地下结构为基准模型。使用反应加速度法、反应位移法、修正的反应位移法和时间历程法计算基准模型的结构内力,评价前三种方法随埋深变化的精度。结果表明:前三种方法的精度会受到场地类型、土层厚度和结构埋深的影响;若以时间历程法为基准,反应位移法的精度要低于反应加速度法和修正的反应位移法;反应加速度法和修正反应位移法的精度受埋深影响较小,反应位移法在埋深较小时精度尚可。

浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的求解方法

把浅埋盾构隧道简化为半无限平面的挖孔问题,采用平面弹性理论的复变函数方法,推导了反应位移法中浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的解析公式。设定不同的埋深和土体泊松比,计算了隧道周边的压缩和剪切地基弹簧刚度,讨论了隧道埋深和土体泊松比对刚度的影响,以及压缩和剪切地基弹簧刚度的关系。结果表明:浅埋隧道与深埋隧道的地基弹簧刚度存在差异;隧道埋深和土体泊松比对地基弹簧刚度的大小和分布规律影响很大;浅埋隧道的剪切与压缩地基弹簧刚度之比沿隧道周边变化。

城市轨道交通盾构隧道的横向抗震设计

介绍了盾构隧道横向抗震设计中重力作用的计算方法、反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法。为了验证这些方法的适用性,设定某地质条件下的典型圆形盾构隧道为基准模型,使用反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法计算盾构隧道的结构内力、直径变形率。结果表明:反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法,三者计算结果最值的大小、出现位置并不一致,且反应位移法和反应加速度法的计算结果要大于基于等效线性化的时程法的计算结果。

城市轨道交通地下结构抗震设计流程

城市轨道交通地下结构需要进行抗震设计,但我国缺乏成熟的地下结构抗震设计流程。依托GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》,对城市轨道交通地下结构抗震设计中的关键问题及流程图进行了研究,提出了一套抗震设计流程,并对一个典型的城市轨道交通区间隧道抗震设计进行了讨论。

地下结构横向抗震一体化方法研究

文章在现有平面时程法的基础上,利用等效线性方法原理,提出了地下结构的横向一体化方法。该法通过等效线性来实现土体的非线性,利用单元阻尼形成总体阻尼矩阵,利用动力时程的方式实现重力和地震作用同时计算;并对横向一体化方法进行了编程实现;最后通过和常用的Pro Shake以及SAP2000软件进行实例对比,从等效线性、考虑重力、考虑地下结构等不同角度验证了横向一体化方法的有效性和编写程序的正确性;结果表明横向抗震一体化方法可以在二维时域内使用土体等效线性模型。

城市轨道交通地下结构抗震性能指标体系研究

为了能够合理地评价城市轨道交通地下结构在地震下的损伤程度,给出了其抗震性能指标体系,包括构件的强度指标和结构的整体变形指标。构件的强度指标分为两个等级,并给出了其限值。结构的整体变形指标区分矩形截面和圆形截面,分别用层间位移角和最大直径变形率表示。通过分析地面建筑和地下建筑的异同,并统计了国内46组钢管混凝土框架和145组型钢混凝土框架的层间位移角的试验数据,得出了城市轨道交通矩形地下结构的层间位移角的不同性能下的限值。利用盾构隧道衬砌直径变形和内力的关系,通过变形协调推得直径变形率的计算公式;又通过动力增量法,分不同的场地和不同的地震波,计算得出典型盾构隧道的直径变形率,综合考虑后得出地震作用下盾构隧道直径变形率限值。

地震作用下盾构隧道直径变形率限值研究

选用最大直径变形率作为地震作用下城市轨道交通盾构隧道的性能指标,并利用盾构隧道衬砌直径变形和内力的关系。通过变形协调推得直径变形率的计算公式。又通过动力增量法,分不同的场地和不同的地震波,计算得出典型盾构隧道的直径变形率。综合考虑后得出地震作用下盾构隧道直径变形率限值:性能I下的限值为3.40‰,性能II下的限值为6.40‰。

反应加速度法中地震动参数的修正研究

文章采用结构变形和自由场变形之间的相互作用系数修正反应加速度法中的地震动参数,近似考虑结构存在对场地地震动参数的影响,进而得出了修正的反应加速度法。为了验证该方法的适用性,设定某种地质条件下的典型圆形盾构隧道为基准模型,使用反应加速度法、修正方法、时程法计算衬砌刚度变化时的结构内力。结果表明,若以时程法为准,修正方法可提高反应加速度法的精度,且对设计中关注的弯矩精度提高最大。

城市轨道交通矩形地下结构层间位移角研究

城市轨道交通矩形地下结构抗震设计时,除了强度验算外,还需要变形验算。矩形地下结构在横截面一般可简化为矩形框架,可以使用层间位移角作为变形控制指标。参考地面建筑框架结构层间位移角的已有成果,通过分析地面建筑和地下建筑的异同,并统计了国内46组钢管混凝土框架和145组型钢混凝土框架的层间位移角的试验数据,结合城市轨道交通结构的特点和我国的国情,得出了城市轨道交通矩形地下结构的层间位移角的不同性能要求下的限值:小震、中震、大震下的限值分别为1/550、1/250、1/70。

反应位移法和反应加速度法的程序实现

基于结构有限元理论,将反应位移法和反应加速度法的土层反应荷载转化为节点力施加在结构上,并编制计算程序.设定某地质条件下的典型圆形结构和矩形结构为基准模型,使用自编程序和SAP2000分别计算反应位移法和反应加速度法下的结构内力.结果表明,自编程序是正确的,并且较简便,其计算精度和SAP2000的计算结果一致.