数字孪生技术在土木工程中的应用:综述与展望

随着工业4.0概念的发展,数字孪生技术(digital twin)已经成为智能制造和产品全寿命周期管理相关领域的主要数字化解决手段。在工程建设领域,提升土木工程结构数字化防灾能力和管理水平是未来智慧城市建设的重要环节。建立精确可靠的数字孪生模型,一方面,可以帮助实现工程灾害的精准防控和重大灾害事故的风险识别预警;另一方面,数字孪生也为未来城市的数字化建设和管理提供了技术基础。本文首先对数字孪生技术的基本概念和阶段性发展成果进行梳理,总结了在土木工程领域里孪生数据获取和构建数字孪生体的技术手段。最后,从结构运营评估、灾害仿真推演和数字孪生城市建设三个领域来回顾与展望数字孪生技术在土木工程领域的应用进展。

翼缘纵向变厚度工型截面梁变形性能试验

为研究翼缘纵向变厚度工型截面简支梁的变形性能,对2根翼缘纵向变厚度工型截面梁与2根等厚度梁进行静力加载对比试验,同时采用有限元软件ANSYS进行数值模拟.变厚度梁翼缘材料为Q345GJC等级纵向变厚度钢板,加载方式包括单点加载和两点加载.试验结果表明:试件均发生明显的板件局部屈曲;采用翼缘纵向变厚度工型截面简支梁,不仅可以在保证承载力的情况下大大减少用钢量,而且可以获得更大的强度储备;也可以达到密实截面的变形要求,满足塑性设计要求.有限元结果与试验结果吻合良好.该试验结果可为翼缘纵向变厚度工型截面钢梁的塑性变形设计提供依据.

低标号混凝土植筋连接界面抗剪性能试验研究

北京前三门地区有一批建于20世纪70年代的鱼骨式剪力墙混凝土建筑。该批建筑修建时间较早,受经济与技术条件限制,剪力墙混凝土强度低,配筋率不满足现行建筑抗震规范要求,需要对原有结构通过增设混凝土墙体进行加固。原结构混凝土强度低于现行规范规定的可采用植筋技术的最低混凝土强度,不能直接按照现行规范进行设计。为了确定新旧混凝土墙体植筋连接界面的抗剪性能,本文设计了8个抗剪连接试件,对其进行推出试验研究。结果表明,对低标号混凝土使用植筋加固方法可行,植入的钢筋可承受较大剪力,能有效提高新旧墙体连接性能。

低配筋剪力墙双边抗震加固试验研究

北京前三门地区有一些建于上个世纪70年代的鱼骨式剪力墙混凝土建筑。该建筑修建时间较早,受经济与技术条件限制,剪力墙混凝土强度低,配筋率不满足现行建筑抗震规范要求。北京市建筑设计研究院提出了外套式加固方案,该方案具有不入户,节能保温,增大使用面积等优点。为了检验外套式加固方案的性能,本文设计了2个双边加固剪力墙试件与2个未加固试件,对其进行了拟静力试验研究。试验结果表明,加固后墙体承载力明显提高,加固后墙体具有良好的延性。

改变框架-核心筒结构剪力调整策略对其抗震性能影响的研究

框架-核心筒体系是超高层结构的常用结构体系之一。我国规范对框架-核心筒结构设计时的框架剪力做了相关的调整规定,但其在超高层结构中的适用性有待进一步研究。该文对比了中美规范的相关规定,并以一实际超高层建筑为例,改变其剪力调整策略得到新设计方案。并建立新、旧两方案的精细有限元模型,进行了大震弹塑性分析和特大震抗倒塌能力分析。分析结果表明:改变剪力调整策略的新模型设计难度降低,抗大震性能与满足中国规范的原模型相当,且其抗特大震倒塌能力更优。研究结果可以为超高层框架-核心筒结构的设计提供参考。

基于城市抗震弹塑性分析的我国主要城市建筑地震风险评估

全国尺度的城市建筑地震风险评估对城市防震减灾工作有着重要意义。本文根据全国人口普查和城市统计年鉴等给出的宏观指标建立城市建筑数据库,通过GEAR1方法(Global earthquake activity rate model 1)和第五代中国地震动参数区划图给出具体场地的地面运动强度,通过地面坡度与剪切波速的对应关系确定的场地类别来考虑地震动输入,采用城市抗震弹塑性分析方法建立建筑分析模型,通过地震经济损失风险指标和建筑严重破坏和倒塌风险作为风险评价指标,给出中国大陆主要城市建筑地震风险分布图。结果分析表明,本文方法可以基于可公开获取的数据预测全国不同城市的建筑震害风险;根据第五代地震动参数区划图给出的地面强度,地震经济损失高风险区主要是设防加速度0.3g以上地区;考虑城市人口、GDP因素后,中、东部城市因人口和财富密度较高,建筑地震风险增加明显;不同地震动选波对经济损失风险影响较小,而对倒塌风险影响较大。本文分析方法可以为城市建筑地震风险分析提供相关参考。

火灾下拉剪组合作用对高强螺栓节点性能影响的试验研究

火灾中节点的承载力随着温度的升高而降低,高温下梁的悬链线效应在梁内产生较大的拉力,高强螺栓连接节点通常在拉剪共同作用下发生破坏。采用自定义双线性炉温控制曲线,进行两类共8组高强螺栓连接节点的恒载升温试验,分析了端板式连接和腹板双角钢连接两类节点在高温以及拉剪共同作用下的变形发展及破坏规律。试验结果表明:高强螺栓连接节点区的梁端板、连接角钢、柱上翼缘及高强螺栓的温度接近,且较梁柱构件温度低50℃左右;节点刚度随着温度的升高而降低,且大约在节点温度达到500℃后刚度下降速度明显加快;火灾下8mm端板节点的变形集中于拉力较大侧端板及螺栓,16mm端板节点的变形则集中于拉力较大侧螺栓及柱上翼缘;腹板双角钢连接节点主要是角钢产生较大变形;两类节点失效温度随拉力或剪力的增加而减小,且同类节点在不同拉剪组合作用下的残余变形模态类似。

低配筋剪力墙结构外套式加固试验研究

北京市有一批建于20世纪70年代的高层低配筋混凝土剪力墙住宅。由于修建时间较早,受到当时经济条件和规范水平的影响,结构混凝土强度低且配筋率严重不足,为了满足现行抗震规范对混凝土结构抗震的要求,需要进行抗震加固。为了尽可能缩短加固工程周期并减少对居民生活的影响,提出了外套式加固方法,该方法无需进入原结构内部,仅在原结构两侧延长横墙长度、增设纵墙,并在原结构顶部增设跨越屋面的大梁将两侧的加固部分连成整体。为了考察加固后结构的抗震性能,采用子结构技术进行1∶2缩比模型拟静力试验。试验结果表明:原结构经加固后承载力大幅提高;加固结构在层间位移角达到1/200时,承载力达到峰值;层间位移角达到1/100时,结构连梁剪坏,剪力墙墙角混凝土压碎,结构剩余承载力约为峰值承载力的85%;加固后结构承载力和延性满足现行抗震规范要求。

区域建筑震害模拟方法分析对比

地震灾害是我国城市安全的重要威胁,科学合理的城市区域建筑震害模拟对城市防震减灾的规划和应急预案的制定具有重要的参考意义。该文简单介绍了4种区域建筑震害分析方法(易损性矩阵方法、HAZUS方法、多层集中质量剪切(MCS)模型、多自由度(MDOF)剪切/弯剪模型),从典型建筑和具体区域算例的角度,对比了4种方法的预测结果,表明:1)MDOF剪切/弯剪模型对中低层建筑采用了基于中国建筑的参数标定,对于高层框剪结构考虑了弯曲变形,震害预测结果具有最佳的准确性。因此,对于中国城市区域建筑的震害预测,宜采用MDOF剪切/弯剪模型。2)相对于易损性矩阵方法,其他三种方法能更好地考虑目标区域建筑特异性。3)由于MCS模型采用HAZUS参数库进行参数标定,因此二者给出的震害结果大体相近。但MCS模型相对HAZUS方法,能更好地体现层数对结构抗侧特性(骨架线)的影响。该文的分析对比结果,可为区域震害预测研究提供参考。

滚轴式金属屈服耗能阻尼器数值模拟研究

桥梁用阻尼器通常吨位和变形需求巨大,普通金属屈服耗能阻尼器难以满足其性能要求。为此该文提出一种新型的滚轴式金属屈服耗能阻尼器,并对其进行数值模拟研究。该阻尼器由一块平直耗能钢板及一组可转动辊轴组成,耗能钢板在辊轴之间穿过,受辊轴挤压产生塑性变形,从而耗散地震能量。该文采用在大型通用有限元软件ABAQUS建立了滚轴阻尼器的模型,通过该模型研究了辊轴个数以及辊轴间隙对阻尼器耗能性能的影响。分析结果表明:该阻尼器耗能性能受辊轴间隙和辊轴个数控制,通过合理的设计可以保证滚轴式金属屈服耗能阻尼器具备优良的变形能力和耗能能力。该文还提出了该阻尼器的恢复力计算公式,结合有限元仿真结果对计算公式进行了修正。

采用新一代性能化设计方法对比典型中美高层建筑地震损失

针对两栋分别按照美国规范和中国规范进行设计的42层典型钢筋混凝土框架-核心筒建筑,采用美国FEMA P-58建议的新一代抗震性能评估方法,仔细对比研究了按照中美规范设计的建筑在地震下的经济损失、修复时间和人员伤亡情况。结果表明,两国设计方案的地震损失情况存在一定差异,非结构构件的基于性能抗震设计需要得到进一步重视,同时FEMA P-58提出的抗震性能评估方法较传统方法更加直观,结果易于理解,为建筑可恢复功能抗震设计的研究提供了一定的参考。