基于杆系离散元理论考虑构件断裂的单层网壳结构倒塌破坏模拟研究

塑性铰模型计算效率高,可快速获得结构宏观破坏模式,韧性断裂损伤模型从微观机制揭示钢材的断裂机理,可较准确预测钢材的断裂行为。为此,该文基于杆系离散元理论,将两者联合建立构件断裂模拟算法,既具有计算效率高的优势又保证构件断裂模拟的精度。首先介绍杆系离散元法的基本理论,以及宏观塑性铰模型和微观韧性断裂损伤模型具体计算流程;然后给出将两者联合分析的具体实施策略,即以接触截面边缘最不利点处的应力作为整个截面的应力状态,进而调用韧性断裂损伤模型。最后采用Fortran语言编制相应的分析程序,并通过悬臂梁断裂算例和单层网壳振动台倒塌试验,验证该算法对模拟杆件断裂行为的可行性和有效性。杆系离散元法模拟构件断裂时,截面发生开裂,颗粒间发生脱离是一个自然的过程,无需其他任何修正即可实现结构由连续体状态向断裂后非连续体状态过渡,与有限元方法相比,不存在网格畸变重划分、迭代不收敛的问题,更具计算优势,为大跨空间网壳结构倒塌破坏分析提供新的计算手段。

基于杆系离散元理论的结构屈曲显式弧长法研究

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推导了接触刚度系数;采用动力阻尼技术简化了颗粒运动方程的求解过程,然后引入总位移约束弧长法,详细阐述了与离散元法相结合的求解策略和实施过程,并给出了相关分析参数的计算公式;通过算例验证了该方法的准确性和适用性。在追踪结构屈曲平衡路径时,该方法无需组集刚度矩阵、不涉及矩阵奇异等不收敛问题,且参数少、稳定性好,与传统有限元弧长法相比更具优越性,为结构分析提供了新的算法工具。

复杂曲面膜结构风致响应的实验研究与模拟

以上海世博轴膜屋面为工程背景,进行了复杂曲面膜结构节段的气弹模型风洞实验研究和考虑流固耦合作用的数值模拟分析。考虑不同膜面预应力、风向角、风速以及流场情况,采集得到了膜结构的位移和加速度响应,进一步了解复杂曲面膜结构的风振响应特性,数值模拟分析与风洞实验结果一致。获得了复杂曲面膜结构的风振响应特性,统计得到了膜结构的位移效应风振系数。通过分析可知,膜结构本身的形状特征、初始预应力强弱、流场条件和场地类别都会对膜结构的风振产生影响。

模块化钢结构建筑柱-柱螺纹套筒连接抗剪试验

为研究模块化钢结构建筑上下模块间柱-柱螺纹套筒连接的抗剪性能,对4组螺纹套筒连接方钢管柱双剪试件进行研究,分析套筒壁厚、材性及套筒螺帽与柱连接类型等因素对连接抗剪性能的影响规律。研究结果表明:试件抗剪性能受螺纹套筒控制,其受剪过程主要经历定位杆剪切、套筒屈服、套筒屈曲和套筒强化4个阶段;空心套筒发生由上半圆筒壁局部控制的冲剪破坏形态,套筒下半圆未发生破坏;套筒壁厚和强度是影响试件抗剪性能的关键因素,套筒螺帽与柱焊接或螺栓连接对试件抗剪性能的影响不大;套筒壁厚增加67%或屈服强度提高22%,可使其抗剪承载力分别提升40.7%和18.0%;筒壁冲剪模型可较安全地预测套筒抗剪承载力,且预测值与实测值较吻合。

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。

基于杆系离散元法的结构接触碰撞行为分析

将杆系离散元法拓展至结构的碰撞行为分析中,通过对颗粒运动轨迹修正实现模拟杆件间的碰撞响应。根据杆件间可能发生的接触模式建立了“点-线”接触模型;将“虚拟接触点对”的概念引入临界接触约束条件,详细推导了接触力的计算公式,并采用Fortran语言编制基于离散元法的结构碰撞行为分析程序;通过对典型接触碰撞算例的模拟和分析,定量验证算法的正确性和有效性。结果表明:“点-线”接触模型可对发生接触碰撞的杆件做出及时判断,并准确计算法向排斥力和切向摩擦力;同时接触碰撞过程的能量耗散。

长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性

衬砌裂缝是引水隧洞中常见的病害之一,衬砌开裂会对隧洞衬砌承载力和安全性造成不同程度的影响。以长期服役的东江水源工程引水隧洞衬砌为研究对象,通过现场检测确定了全洞段裂缝的产状、分布规律和开裂特征。利用ANSYS软件中的软弱薄层单元,建立了开裂衬砌的三维数值模型,得出贯穿型纵向裂缝的位置变化对衬砌结构安全性的影响,系统分析了衬砌的承载特性。结果表明,衬砌开裂条件下,衬砌结构局部开裂区的安全系数降低最为显著,尤其是拱肩位置的裂缝对结构的危害程度远大于边墙、拱顶裂缝;另外,裂缝的产生会对其他未开裂部位的受力特性及稳定性产生影响。数值模拟结果良好地体现了裂损衬砌对隧洞结构的影响规律,与现场检测结果一致,为长期服役下隧洞结构病害防治提供了参考。

煤矸石细集料对水泥浆体微观结构的影响及其作用机理

以自燃煤矸石细集料-水泥浆体和非自燃煤矸石细集料-水泥浆体为研究对象,采用X射线衍射仪和扫描电镜研究自燃和非自燃煤矸石细集料对水泥浆体水化产物的物相组成、微观形貌的影响,分析煤矸石细集料活性对水泥浆体微观结构和强度发展的作用机理.结果表明:自燃煤矸石细集料早龄期发生明显的活性反应,在水泥浆体中形成水钙沸石、水石榴石、钙铁榴石等新物相,对水泥浆体早期抗压强度有一定提高作用;非自燃煤矸石细集料对水泥浆体水化进程和微观结构没有产生影响.2种煤矸石细集料均存在一个最优掺量.当煤矸石掺量(质量分数)为20%时,自燃煤矸石细集料-水泥浆体和非自燃煤矸石细集料-水泥浆体抗压强度均最高.

基于机器学习的高强钢焊接等截面箱型柱整体稳定性预测方法

目前,针对高强钢构件整体稳定性的研究多采用有限元建模或实验室试验方法,而基于机器学习的预测方法能够显著提升预测的准确性和便捷性。为了准确预测高强钢焊接等截面箱型柱的整体稳定性,提出使用纤维模型构建数据库并利用机器学习建立预测模型的方法。首先确定模型的输入输出参数,并通过纤维模型方法建立数据库;接着,选用常见的3种不同类型的机器学习模型和现有规范中的经验模型进行预测,并依据评价指标进行性能对比;最后,根据可解释算法分析机器学习模型的合理性。结果表明:大部分机器学习模型预测结果与试验结果吻合度略高于现有规范中的经验模型,其中,高斯过程回归模型对高强钢构件整体稳定性的预测表现最优;机器学习预测模型中各类参数对构件整体稳定性的影响趋势符合预期,验证了机器学习模型的合理性和可靠性;构件的正则化长细比对预测结果影响最大,而构件初始缺陷的影响相对最小。

索网玻璃幕墙结构抗震性能研究

采用了模型试验和数值模拟的方法对单层平面索网玻璃幕墙结构的抗震性能进行研究。首先通过地震模拟振动台试验研究了地震荷载作用下单层索网幕墙结构的地震响应特点,考察了索网和玻璃连接爪件性能,检验了玻璃幕墙的抗震性能。然后讨论了玻璃对于地震荷载作用下结构地震响应的影响,对玻璃与索网协同工作下结构的动力性能进行了研究。建立了地震荷载作用下玻璃与索网协同工作的数值模型,采用该模型分析了结构的地震响应。数值分析和试验结果表明:地震荷载作用下,索网模型和索网+玻璃模型地震响应主要以对称振型为主,结构第1阶振型占绝对主要成分;玻璃面板对索网幕墙结构的刚度影响很小;索网+玻璃结构的阻尼远大于索网的阻尼,玻璃幕墙结构的阻尼主要是由玻璃提供的;采用夹片爪的玻璃面板和索网结构连接可靠,索结构和玻璃面板没有破坏;索网玻璃幕墙结构具有较好的抗震性能,可以在地震较高烈度地区使用。

预应力混凝土结构耐久性研究综述

针对预应力混凝土结构耐久性的现实问题和未来矛盾日益突出的趋势,对预应力混凝土结构耐久性的研究进展进行了系统梳理和总结。提出了预应力混凝土结构耐久性的研究体系,包括研究背景、对象、思路、目标、科学问题、技术问题、内容、技术路线等;对预应力混凝土结构耐久性问题的研究现状分5个方面进行了综述,包括混凝土损伤有关耐久性问题、预应力钢筋腐蚀有关耐久性问题、锚固连接体系腐蚀有关耐久性问题、耐久性测试和提升及试验技术、耐久性数值模拟技术;提出了7个有关预应力混凝土结构耐久性研究尚需进一步解决的问题,即环境作用定量模型、腐蚀介质传输行为、腐蚀疲劳损伤演化模型、锚固连接体系腐蚀行为、岩土预应力结构的腐蚀行为、耐久性提升技术、耐久性数值模拟技术。所做研究可为进一步拓展和完善预应力混凝土结构耐久性研究提供参考。

某大型公共场馆抽柱改造工程设计与施工

为满足某大型公共场馆的使用要求,需要对位于中轴线上的3根钢筋混凝土柱进行拆除,此举将使大梁的最大跨度从12m增大到24m。在考虑结构整体性能以及抗震性能的基础上,综合采取了增设支点柱、增大断面加固梁和粘贴碳纤维布的改造方案,同时采取了先改造加固后拆除柱的施工方案。施工安全监测结果表明:柱拆除后,梁、柱的应力进行了重分配,结构的整体挠度变形很小,结构的改造和加固是安全的。

装配式混凝土结构斜缝免胶预压节点受剪性能分析

为提升装配式混凝土结构的预制及装配效率,确保连接节点具有良好的受剪性能,提出了一种不出筋预制、免支撑吊装、免胶预压连接混凝土框架结构体系的技术方案,并针对斜缝免胶预压连接节点的受剪性能进行了试验研究.参考规范中的单剪压受剪承载力计算方法,建议了斜缝免胶预压连接节点双剪压受剪承载力的计算与设计方法.结果表明:在表观剪跨比不大于1.54的情况下,竖缝连接节点发生了典型的界面摩擦滑移破坏,而斜缝连接节点则发生了典型的双剪压破坏;界面倾角越大,抗剪承载力越小,且界面极限滑移越大.

预应力锚索结构耐久性研究综述

针对腐蚀影响锚索体系结构可靠性的这一问题,从锚头体系腐蚀行为、索体腐蚀行为及受拉性能退化、腐蚀锚索结构锚固性能演化等方面对其进行较为系统的介绍;认为与一般地面结构不同,锚索结构的腐蚀环境为地下岩土介质,其氧气供应往往不足,但水的供应又很充分;指出锚索结构受到腐蚀后,其膨胀变形将受到围岩的显著约束,其锚固受力状态及破坏形态存在特殊性.国内外针对锚索结构的耐久性问题虽展开了一定的探讨,但总体工作仍然相对较少,而该文为锚索结构耐久性方面更深入的研究提供了参考.

预应力混凝土结构耐久性研究的若干试验技术

预应力混凝土结构耐久性损伤行为极其复杂,开展大量试验研究揭示其中复杂现象和规律十分必要.文章总结介绍了有关预应力混凝土结构耐久性研究的部分试验技术,包括短试件锚固预应力损失控制技术、腐蚀钢绞线拉伸试验的夹持与全程变形量测技术、长期疲劳加载技术、长期疲劳损伤声发射监测技术等,指出研究预应力混凝土结构耐久性的理论价值和工程意义.

基于灰色模型的鲁西北平原水资源供需平衡分析

水资源是影响鲁西北平原经济发展的重要因素,分析水资源供需平衡状况,预测未来需水量,对促进水资源的合理开发利用及人与自然和谐发展具有重要意义。基于陵城区近12年的用水量数据,采用灰色GM(1,1)模型预测方法,从2022年水资源可支撑的经济规模和人口数量的宏观指标角度描述需水量,对模型结果进行检验,并对2023~2030年供需水状态进行预测分析,并对模型结果进行了检验。结果表明,2022现状年的宏观需水量计算结果与模型相对误差δ=0.008,灰度模型预测结果准确。供水保证率为50%时,2022现状年缺水量为4090万m^(3),占总水量的16.74%;2030规划年缺水量为1811万m^(3),占总水量的6.28%。2030年水资源供需仍未达到平衡状态,但水资源平衡指数I_D逐年上升,水资源短缺状态逐步缓解。在现有经济与技术条件下,2030规划年水资源负载指数为Ⅲ级,水资源承载潜力不足,水资源开发利用方式单一,仍是社会经济发展的瓶颈。本研究为鲁西北平原水资源合理规划与开发利用提供参考。

海洋环境荷载下半潜式平台上承房屋钢框架结构的动力响应特征

以1000 m深海半潜式平台上承房屋钢框架结构为研究对象,首先采用有限元方法模拟了3层、6层、9层3种高度的上承结构在100年一遇极端海洋环境荷载作用下的动力时程响应,获得较适宜的推荐高度;然后对推荐高度结构分别进行陆地地震作用及海洋环境荷载作用下的动力时程响应有限元模拟,并将两种支承条件与作用方式下房屋钢框架结构的动力时程响应结果进行对比。结果表明:海洋环境荷载作用下,3层和6层结构的动力响应水平都相对较小且差距不大,而9层结构的动力响应水平因海风及结构倾斜影响过大而比6层结构的有显著增大,据此选定6层高度作为较适宜的推荐高度;6层房屋钢框架结构在平台支承4个月一遇海况下与在陆地支承8度多遇地震下的动力响应水平总体基本相当,但与陆地支承8度罕遇地震动力响应水平相比,即使是100年一遇的极端海洋环境荷载作用,其动力响应水平总体上也明显小于前者;研究成果可为海洋平台上承结构物的设计提供参考。

压气储能密封性技术挑战及对策

为推进可持续能源的存储和利用,促进我国产业绿色低碳化发展,本文探讨了压气储能内衬洞室(LRC)气体泄漏的三大主要原因:结构裂缝、热力循环和材料渗透,并提出地下岩穴储气库复合式衬砌密封结构及其施工方法,有效提高了LRC系统的安全稳定性和运营寿命,为完善LRC设计理论、提高LRC存储效率、保障LRC结构安全提供一定指导。

轴心受拉锚固结构锚板刚度研究

为探究后锚固群锚试件在轴心受拉作用下锚板刚性性能的发挥,设计并制作了6个不同锚板厚度与锚栓排列方式的后锚固试件,并通过静力拉拔试验研究了试件的破坏形态、极限承载力、锚板应变和位移.研究结果表明:锚栓为线性排列方式时,增加锚板厚度可有效提高锚板极限承载力;轴心对称分布时,锚板厚度取20mm时承载力最优;相同锚板厚度下轴心对称排列比线性排列的极限承载力高出65%左右;增加锚板厚度可抑制锚板变形,且采用轴心对称排列锚板变形更小.

纤维编织网增强水泥基材料加固砌体结构研究进展

砌体结构在地震等自然灾害中具有较大的易损性,加固是提高其安全性的有效方法之一。纤维编织网增强水泥基材料(FRCM)具有优良的力学性能,作为加固材料具有对原结构自重增加较小、几乎不影响建筑物使用功能、施工便捷以及与砌体材料协同受力性好等优点,且可以较好地应用于砌体古建筑的加固修复,在砌体结构加固领域具有广泛的应用前景。基于近年来国内外已开展的研究工作,主要从FRCM与砌体界面黏结性能、FRCM加固砌体构件/结构力学性能两个方面系统介绍相关的研究进展,并由此提出一些可以继续深入研究的问题。