基于微分法的大跨度桥梁三维颤振敏感性分析

桥梁颤振敏感性表征设计参数对颤振临界风速的影响,是探究桥梁颤振机理与提升颤振性能的重要工具。为帮助设计人员在设计阶段高效精准地获取结构动力特性及颤振导数对大跨度桥梁颤振性能的影响规律,提出一种基于直接微分法的桥梁三维颤振敏感性分析方法。该方法基于系统矩阵的左右特征向量正交特性,构建在设计参数小幅摄动时桥梁多模态耦合颤振规格化条件,结合颤振临界条件得到系统特征值及颤振临界风速对设计参数的敏感性。为检验该方法,以理想薄平板断面简支梁桥为算例,与有限差分方法进行比较,表明该方法具有较高的精度和计算效率。将该方法用于一座大跨度悬索桥的颤振敏感性分析,结果表明:对于采用闭口流线型主梁断面的大跨度桥梁,一阶对称竖弯和一阶对称扭转模态对桥梁颤振影响最大;增大桥梁结构的阻尼比、模态质量及基础扭弯频率比,均会提升桥梁颤振临界风速;颤振导数中,A_(2)^(*)影响最显著,A_(3)^(*)、A_(1)^(*)和H_(3)^(*)的影响次之,其它颤振导数的影响则基本可以忽略。

分体箱梁中央隔涡板涡激振动抑制机理研究

借助风洞试验和计算流体力学对分体钢箱梁的涡激振动性能及中央隔涡板的抑振效果与机理开展研究,对比不同形式(水平隔涡板、一道竖向隔涡板、两道竖向隔涡板)和尺寸中央隔涡板的抑振效果,并根据流迹与速度云图对不同形式中央隔涡板的抑振机理进行分析。结果表明:开槽顶部水平隔涡板能够阻碍开槽处的气体对流,降低开槽内部及断面周围气流速度,增加旋涡移动和脱落难度,从而在一定程度上抑制涡激振动,抑振效果随隔涡板宽度增大而增加;开槽内部竖向隔涡板能够将旋涡稳定在隔板分隔出的几个小区域内,避免产生稳定的旋涡脱落,进而有效抑制涡激振动,设置两道半高竖向隔涡板比设置一道全高竖向隔涡板效果更好,但需对两板间距进行优化。

混凝土养护期高温的后期强度及宏细观分析

研究对经历了养护早期高温混凝土的水化度与后期(10 d)强度开展室内试验,对比分析混凝土在养护温度20、40、60和80℃下养护7d后,继续标养至100d时的水化进程与抗压强度发展规律。同时,引入温度影响因子,分析了后期强度的宏细观作用机理,提出了温度影响因子的确定方法。研究发现:早期高温养护对混凝土后期的水化度影响较小但对强度影响较大;早期养护温度越高,后期强度损失越大。早期高温养护通过改变水化度、C-S-H密度和孔隙体积而影响后期强度。

基于化力模型的供水钢管内腐蚀力学性能评估

为了解决已有钢管腐蚀深度预测模型未考虑电化学腐蚀机理,难以泛化到不同应用场景的问题,提出基于电化学腐蚀机理的腐蚀深度预测模型.该模型以溶解氧质量浓度和水温监测数据作为输入,预测管壁平均腐蚀深度.结合腐蚀深度预测模型、腐蚀深度-力学性能退化经验公式及Chaboche本构模型,提出化力模型,用于估算腐蚀后管材的单轴应力-应变曲线.该单轴应力-应变曲线可以为全寿命运营周期内管道结构的安全评估提供依据.以某根服役的供水钢管为案例,结合实时监测数据,验证了该模型的合理性和可行性.

水平中央隔涡板透空形式对分体箱梁涡振响应的影响

分体箱梁断面因其优异的颤振性能近年来在大跨度缆索承重桥梁中多有应用。对涡振问题比较严重的分体箱梁,采用气动措施削弱开槽处的大尺度漩涡是控制涡振的最有效手段。通过大比例节段模型风洞试验,对比了不同形式水平隔涡板对分体箱梁的涡振控制效果。比较结果显示:在透空率接近的情况下,采用两侧水平隔涡板比各种打孔板的涡振控制效果都要好,如果要采用打孔板达到两侧水平板近似的涡振效果,透空率需要再减小26%左右;如果采用打孔板,板上的孔越是不均匀,涡振控制效果越好,而孔的形状对涡振影响不大。

冲击测试动响应高速视觉测量方法

获取测试目标的动态响应参数是航天器产品冲击测试中的关键内容,传统接触式传感器方法存在安装困难、监测维度单一、难以适应复杂测试环境等缺点。提出了一种用于获取冲击测试动响应的高速视觉测量方法,利用双目视觉原理获取测试对象的三维运动轨迹,并在此基础上解析测试过程中的冲击响应参数。该方法在空气炮冲击测试试验中获取的冲击响应谱曲线与加速度计的测量结果一致,识别结果相对偏差优于10%,表明高速视觉测量方法在航天器冲击测试中具有良好的应用潜力。

附加黏滞阻尼器减震结构实用设计方法研究

黏滞阻尼器近年来在结构减震控制中得到广泛应用,但面向黏滞阻尼减震结构的设计方法仍有待补充和完善。基于此,探讨和提出了一种针对附加黏滞阻尼器减震结构的实用设计方法,主要内容包括分析了黏滞阻尼减震的基本原理和力学模型,从主体结构与附加消能部件分开设计的思路着手给出了具体的设计流程和内容框架,列出了消能部件方案设计及性能参数配置的计算公式。最后,结合一个工程实例,引入日本JSSI Manual中黏滞阻尼减震结构设计方法进行了对比分析和论证,结果表明该实用减震设计方法对于结构各楼层地震响应控制得比较均匀,如此有助于改善结构薄弱层状况,而通过减震结构的强度、变形验算也表明该实用方法能很好地契合现有抗震设计规范,可应用于黏滞阻尼减震结构设计中,以满足不同地震风险下的减震控制目标和需求。

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。

邻近三幅桥气动干扰效应对桥梁抗风稳定性的影响

为研究邻近三幅桥的气动干扰效应,以宁波甬江上2座邻近的桥梁(甬江铁路桥——单幅混合梁斜拉桥和甬江公路桥——双幅结合梁斜拉桥)为背景,对平行的三幅桥梁节段模型(缩尺比1∶60)进行风洞试验,分析三幅桥面之间气动干扰效应对桥梁成桥和施工状态颤振稳定性和涡振特性的影响。结果表明:邻近桥梁的气动干扰效应使平行多幅桥的颤振临界风速明显降低,且对最下风侧桥梁的颤振临界风速影响最大;该气动干扰效应对主梁断面的A*2项气动阻尼(对系统扭转运动起稳定作用)影响不大,但会导致下风侧主梁断面的A_1*×H_3*项气动阻尼(驱动流线箱梁发生弯扭耦合颤振)增大;该气动干扰将对下风侧桥梁的涡振性能产生影响,特别是扭转涡振性能。

一个深海能源土弹塑性本构模型

天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明:新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E_(50))逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。

针对网级评估的区域桥梁退化建模与演绎应用

针对区域桥梁网级评估和管养策略优化的问题,系统地提出网级状态评估与管养策略优化框架,建立区域桥梁状态退化预测方法,实现桥梁状态在不同维修策略下的动态预测,解决路网桥梁管养策略的多目标优化问题。首先,从路网数据库中提炼得到用于桥梁状态预测的特征子集,选用合适的二次转码技术以适应人工神经网络的训练;然后,引入代价敏感型训练误差,通过模型选择得到最优桥梁退化模型,并用实测数据进行了效果验证;最后,通过控制各部位维修记录的输入,借助已有退化模型对单体桥梁在不同维修策略下的状态变化进行动态预测,进而拓展至整个桥梁路网。为统筹考虑区域路网的安全指标和费用指标,采用带精英策略的非支配排序遗传算法对网级评估结果进行分析和提炼,研究结果表明:该方法可建立基于神经网络的退化模型,可实现考虑维修的桥梁状态评估及预测。

不同重力下月壤水平推剪阻力离散元数值分析

月面环境下重力场仅为地面环境下的1/6,研究重力场对于开挖阻力的影响,对优化设计月面环境下开挖设备具有重要意义。采用离散单元法模拟不同深度不同重力场下的月壤水平推剪试验(简化的土–开挖机械间相互作用模型),分析了重力场对开挖试验中推剪阻力、能量消耗和破坏面的影响,最后建立推剪阻力与重力场的关系。结果表明:相同推剪深度下,随重力场增大推剪阻力和能量消耗均增加,推剪前方受扰动土体范围减小;随推剪深度增加,推剪阻力增加。

基于非线性涡激力广义模型的涡振幅值换算

节段模型测振风洞试验是研究涡激共振风速锁定区间和振动幅值的主要手段之一,但节段模型涡振振幅并不能由几何缩尺比直接换算至实桥,需要对测试结果进行修正。已有研究表明,涡激力具有强烈的非线性特性,因此基于线性涡激力模型的换算方法不再适用。此外,由于采用的非线性涡激力模型不准确,基于非线性涡激力模型的已有换算方法也不一定适用,并且目前基于非线性涡激力模型的换算方法也没有给出阻尼比的修正方法。为此,文章借鉴量纲分析方法,推导非线性涡激力广义模型,并给出计算涡振振幅的非线性涡激力简化广义模型,然后根据能量相等的原则推导节段模型与实桥的涡振幅值换算公式。研究表明:当节段模型与实桥结构阻尼比一致时,振幅换算关系仅与桥梁阵型函数值有关;当节段模型与实桥结构阻尼比不一致时,振幅换算关系还与涡振生长或衰变过程位移振幅变化率以及涡振稳定状态无量纲幅值有关;不同换算方法的结果对比表明本文换算结果与实测值最为接近。

重塑黄土与植物根系界面摩擦离散元分析

油松作为一种植根于黄土地区的常见植物,在提高黄土强度方面起重要作用。为了弄清油松根系在黄土地区的固土效应,本文采用离散单元法(Distinct Element Method)模拟根系拉拔试验,分析了法向压力、根系埋深、含水率对根-黄土界面摩擦力学特性的影响。结果表明:拉拔试验中,根-黄土界面峰值强度、残余强度随着法向力的增大而增大;峰值强度、残余强度随着根系埋深的增加而增大;随着含水率的降低,根-黄土界面峰值强度、残余强度呈增大的趋势。

弹性支承拉索动力特性研究

拉索的动力特性是拉索性能分析的基础。考虑弹性支承的影响建立了拉索动力分析的数学物理模型,研究了拉索的动力特性。研究表明:弹性支承刚度增大,索的整体刚度增大,索的自由振动频率增大;弹性支承刚度对奇数阶频率的影响远大于对偶数阶频率的影响;当反映索弹性支承刚度大小的无量纲参数k>25时,认为索两端固定,可不考虑索弹性支承刚度对拉索动力特性的影响。

考虑波浪形底面影响的边界层风场大涡模拟

为了研究强风作用下海面上的平均风剖面,采用大涡模拟方法对带有余弦波形状底面、自由滑移顶面的渠道流进行了模拟,波幅、波高比2a/λ为0.1,基于平均速度Ub和渠道高度的雷诺数Reb为6760。统计结果表明,波浪形下表面对上方风场分布有着显著的影响,y/H=0.3(y+≈200)是内区、外区的分界线,内区受壁面影响显著,外区受壁面影响较小。流动的分离点位于x/λ=0.14,而再附点位于x/λ=0.65。展向速度脉动峰值出现在上坡处,且超过竖向脉动。表面压力要比表面摩擦力大一个数量级,是阻力的主要来源。随着波幅的增大,回流区面积增大,速度峰值和展向脉动峰值也会增大,展向脉动峰值甚至会超过流向脉动峰值。

基础隔震结构不确定参数敏感性分析

隔震结构系统参数的不确定性和地震的随机性可能会导致结构响应意想不到的偏移,导致大幅减少安全性评价的准确度和精密度,因此有必要探究隔震支座的不确定性因素对结构响应的影响。本文着重研究基础隔震钢筋混凝土结构的不确定性因素,包括结构的不确定性和地震作用的不确定性。采用龙卷风图对结构不确定参数进行敏感性分析,并对比隔震与非隔震结构的参数敏感性;提出基于我国国情的双响应面法,利用响应面模型同时考察地震动和基础隔震结构的不确定性对地震响应的影响。结果表明:隔震技术可以减小结构不确定性的影响并且地震动的不确定性对结构的影响大大超过结构本身的不确定性。

南海软土微观结构与力学特性试验研究

针对南海原状土力学性质的研究对于南海油气资源开发具有重要意义。对南海陆坡区所取的软土试样,通过物理试验和X-射线衍射试验,分析了该土样的物化特性;通过一维固结试验和常规三轴压缩试验,探究了该原状土的压缩及剪切特性;借助扫描电子显微镜,分析了土体的微观结构特征。试验结果显示:该土体为高液限粉土,具有高含水率、高孔隙比和高饱和度的特点;土体的黏土矿物中伊利石含量最高,其胶体活动指数高;土体为欠固结土,在固结试验中表现出一定的结构性,在剪切试验中呈现应变硬化特征;土体微观上呈开放式的絮凝结构,骨架松散,颗粒定向度较低。

约束条件对加劲消能器性能的影响

通过加劲消能器性能试验与工程实际安装情况的对比,指出了两种工况下消能器所受约束条件的差异。选取典型加劲消能器,采用ABAQUS有限元软件模拟不同约束条件下的消能器,对比分析了初始刚度、滞回性能和极限位移等消能器主要性能指标。结果表明,在工程实际约束下,消能器耗能片的塑性应变发展速度明显大于试验约束条件下;试验约束下消能器的极限位移为60 mm,而工程实际约束下仅为40 mm;试验误差达50%。这将对消能器在强震下的稳定性产生不利影响。因此,加劲消能器性能试验应尽量模拟工程中实际受到的约束,以正确评估消能器性能。

检修车轨道对分体箱梁涡振响应的影响及其内在机理研究

检修车轨道是影响箱梁断面涡振性能的重要因素,选择合理的检修车轨道形式与位置往往能够经济有效地抑制甚至消除主梁涡激共振。采用风洞试验和计算流体力学(CFD)相结合的手段,研究检修车轨道尤其是内侧检修车轨道对分体箱梁涡振性能的影响。风洞试验结果表明,在主梁断面其他结构外形保持不变的条件下,设置内侧检修车轨道可能会对断面的涡振性能产生不利影响,而使内侧轨道远离梁体可以有效减小上述不利影响。采用CFD手段对试验工况分别进行流迹分析发现,设置内侧检修车轨道时,会在中央开槽处形成稳定波动的大漩涡,从而激起主梁涡振;而当内侧轨道距离箱梁主体足够远时,只会在下游产生小旋涡,整体流场基本不发生改变,因而对断面涡振性能的影响较小。