基于谱随机有限元法的龙卷风作用下核电常规岛可靠度分析

在核电厂厂址处龙卷风观测记录的基础上,推导了极值III型龙卷风强度概率分布函数。建立了核电常规岛主厂房的计算模型,采用谱随机有限元法,考虑三种荷载工况下龙卷风荷载和结构抗力参数的不确定性,对结构进行龙卷风作用下的随机响应和可靠度分析。分析结果表明:厂房位于龙卷风中心时,龙卷风荷载对厂房的产生明显的扭转效应,结构顶点随机位移对规范限值的超越概率较大;当厂房位于龙卷风最大半径处,龙卷风对结构主要产生侧向推动作用,顶点随机位移对规范限值的超越概率很小。龙卷风位于厂房中心处为三种工况下的荷载最不利位置。     

龙卷风动态冲击高层建筑风荷载数值模拟

龙卷风具有较强的破坏力,是抗风减灾工程重要的防范对象之一。近年来,随着地球环境的恶化,龙卷风袭击大型城市的灾害时有发生,针对高层建筑的研究开始受到重视。目前对龙卷风动态冲击高层结构的研究还较少。因此,该文建立了动态运动的龙卷风风场模型,模拟了龙卷风动态冲击高层建筑结构的非定常过程,初步分析了龙卷风冲击高层建筑结构的风荷载特征及规律。结果表明:1） 该文采用的龙卷风模型及计算方法能可靠地模拟龙卷风的基本特征和荷载规律。2） 龙卷风动态冲击高层建筑,其荷载效应与建筑尺度有关。建筑尺度较小时,冲击荷载呈双峰特征,冲击效应和时变效应相对较小。相反,冲击荷载呈多峰特征,时变性强,冲击效应明显。3） 龙卷风在冲击较大尺度建筑时,主涡会发生破裂,形成多个漩涡。多漩涡及建筑尾涡相互作用和耦合是导致更大冲击效应的重要力学机制。这种力学现象在国内外龙卷风研究中尚未发现类似报道。     

龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

物理模拟龙卷风的风速和气压降分布特征

与季风、台风相比，龙卷风具有空间尺度最小、风速最大的特点，常规气象观测仪器无法记录龙卷风的风场信息；到目前为止，极少量的龙卷风风场信息来自于多普勒雷达探测得到的龙卷风风速、气压特征信息。因此，基于龙卷风实测数据尚不能充分研究龙卷风的风场特征。在实验室中，利用缩尺的物理模拟器生成龙卷风风场，研究其风场特点，对于充分认识龙卷风特性具有重要意义。利用北京交通大学龙卷风模拟器生成了5种涡流比的龙卷风风场，总结分析了龙卷风的切向风速、径向风速、竖向风速以及气压降的空间分布规律，与龙卷风实测结果和龙卷风理论模型进行了对比分析。结果表明，利用北京交通大学龙卷风模拟器生成的龙卷风风场与真实龙卷风的形状相似，风速、气压降的分布特点与真实龙卷风实测值和修正兰金涡理论值吻合或基本吻合，验证了龙卷风模拟器的有效性，为进一步研究建筑、桥梁、输电线等基础设施的龙卷风风效应提供了试验平台。     

基于类桁架材料模型的不确定荷载下结构拓扑优化

用区间分析方法研究了不确定荷载下结构拓扑优化方法。采用类桁架材料模型建立拓扑优化类桁架连续体结构。根据区间变量运算法则推导出不确定荷载下应力约束体积最小类桁架结构的拓扑优化方法。首先采用区间分析方法得到任一点的最不利荷载工况下应变状态。在此应变状态下,利用满应力准则优化类桁架材料中杆件的方向和密度。如此反复分析和优化,直至迭代收敛。最后由类桁架中杆件分布场可以近似离散得到桁架结构。通过几个数值算例验证了方法的有效性。数值算例显示了不确定荷载下的结构拓扑优化布局更合理。     

基于城市中心区实测风场的高层建筑风荷载特性

风剖面是影响高层建筑风荷载特性的主要因素。为了探究城市中心区风场下高层建筑的风荷载特性,选取了北京气象塔2013年-2017年连续观测的实测风速数据,采用指数率模型并结合城市边界层分层结构对实测风场风剖面进行了拟合。通过刚性模型风洞测压试验得到了宽厚比D/B=1, 2, 4三种超高层建筑在实测风场下的风荷载,并将试验结果同规范中的B、D类风场进行了对比。研究表明：基于分层结构,采用指数率模型拟合得到的实测风场幂指数为0.35,其平均风速剖面同D类风场相似,湍流度剖面则大于D类风场;与B、D类风场下的风荷载相比,实测风场对超高层建筑的平均风荷载影响较小,对脉动风荷载的影响较大,且建筑宽厚比增大后,其在实测风场下的脉动风效应显著增强;建筑基底横风向和扭转向力矩系数间具有较强的相关性,且存在极值相关性,特别是90°风向角时的D/B=4建筑,两种相关性在实测风场下均显著增强。     

移动龙卷风作用下高铁接触网风振响应分析

为探究龙卷风作用下高速铁路接触网的动力响应,以简单链形接触网为研究对象,基于Wen模型模拟三维移动龙卷风场,开展了移动龙卷风作用下的接触网风振响应分析,研究了龙卷风级别及移动速度等关键参数对接触网动力响应的影响。结果表明,接触线横向位移响应幅值发生在龙卷风场中心到达结构之前;龙卷风移动速度的增加在一定范围导致接触线横向振动响应更加剧烈,然而当移动速度过大时,接触线横向位移响应幅值下降。在研究所选F1及F2级龙卷风作用下,接触线各跨间最大横向位移响应幅值均在规范的许用范围之内;而F3级龙卷风作用下,接触线振动响应接近甚至超过规范限值,应当引起关注。     

区间桁架结构有限元分析的区间因子法

研究了具有区间参数的桁架结构在区间力作用下的有限元分析方法。利用区间因子法,桁架结构材料物理参数、几何尺寸和外荷载均可表达为其区间因子和其确定性量的乘积,进而结构的位移和应力响应也可表达成区间因子们的函数。利用区间算法,推导出了结构位移和应力响应的上、下限和均值的计算表达式。通过算例,分析了结构参数和外荷载的不确定性对结构响应的影响,并验证了模型和方法的合理性与可行性。该方法的优点是能够反映结构某一参数的不确定性对结构响应的影响。     

高耸格构式结构风振数值分析及风洞试验

以１８３ｍ高的某跨江输电铁塔为原型，设计制作了全塔气动弹性模型，对高耸格构式结构的风荷载及风振响应进行了风洞试验研究，获得了风振响应和风振系数等重要结果，并采用空间桁架模式，考虑风与结构耦合作用的影响，在频域中进行了随机风荷载作用下的风振响应数值计算机分析。     

随机参数智能桁架结构振动控制中主动杆的优化配置

该文研究压电智能桁架结构振动主动控制中结构物理参数，作用荷载和控制力同时具有随机性时，压电主动杆的最优配置和增益优化问题，采用智能结构的状态空间模型建立了以最大耗散能准则来基础的目标函数，建立了具有动应力，动位移可靠约束的主动杆的优化配置和增益优化模型，对结构动力响应的数字特征进行了推导，并通过一智能桁架结构的优化配置计算，说明该优化配置模型的合理性和有效性。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

核电站特种气密防火门在风致飞射物冲击作用下安全性能研究

采用LS-DYNA程序分析研究了某型核电站气密防火门在龙卷风及其飞射物冲击荷载联合作用下的动力响应。计算给出了气密防火门在F4级龙卷风及风致飞射物作用下的冲击力曲线、结构变形和耗能情况,分析了冲击过程的能量耗散机制,考察了冲击位置对防火门响应性态的影响,指出了门体抗飞射物冲击设计和安全检验的关键问题,发现飞射物撞击位置不同对防火门的耗能机制和冲击力曲线有一定的影响。     

波谱单元法在空间桁架地震响应分析中的应用

摘 要：针对传统波谱单元法（SEM）只能用于求解节点集中荷载作用下结构动力响应问题的不足,提出了一种通过计算地震等效波谱节点荷载求解桁架结构地震响应的方法。基于虚功原理,利用波谱形函数积分得到地震等效波谱节点荷载的显式表达式,通过修改波谱单元法中单元刚度矩阵的波数,考虑了阻尼对结构动力特征的影响,采用数值拉普拉斯（Laplace）变换替换快速傅立叶（FFT）变换,回避了传统波谱单元法中FFT的周期性问题。利用地震荷载等效后的波谱节点荷载对三维空间桁架结构进行地震响应分析,结果表明,采用本文的方法能方便的计算桁架结构的地震等效波谱节点荷载,精确求解结构的地震响应,与传统有限元法（FEM）相比,大大减少计算单元数量,提高计算精度,且便于编程计算。     

基于完全概率的随机桁架结构动力响应分析

提出了一种求解随机桁架结构在随机荷载作用下动力响应概率密度函数的方法.通过对随机参数桁架结构的有限元分析,获得了结构的质量阵与刚度阵,利用振型迭加法导出了结构的物理参数、几何参数、外荷载幅值及频率同时具有随机性时,结构动力响应随机变量的表达式,应用随机向量函数的概率分布函数表达式,通过逐步求解的策略,获得结构动力响应的概率密度函数.算例结果与Monte-Carlo模拟法结果比较表明,该方法具有较高的精度及效率.     

基于改进应力变化率法的空间杆系结构鲁棒性分析

为研究空间杆系结构鲁棒性及结构失效模式预测方法,将杆件关键系数引入应力变化率法用于结构失效模式预测和结构可靠度分析以考虑悬链线作用对杆件失效模式的影响。利用ANSYS数值模拟分析了静力阶跃荷载和竖向地震荷载作用下单层星型穹顶结构杆件失效模式,对比了考虑杆件关键系数前后应力变化率曲线。作为对比分析,应用有限元软件ALGOR分析了一种新型张弦桁架结构在7种局部构件损坏工况下剩余构件内力变化的敏感性系数,分析了结构可靠度的鲁棒性并同传统张弦桁架结构进行了对比。结果表明,考虑杆件关键系数后显著提高了临界破坏发生前若干荷载步的应力变化率,从而可利用该方法在结构失效前进行预警。通过改变下弦拉索的数量和布置方式可有效降低其对构件内力变化敏感性的影响,从而有效提高结构可靠度。在断索工况下,该高冗余度张弦桁架结构可提高结构抗连续性倒塌能力,延长结构从局部破坏到全部倒塌的过程,增加了结构安全储备,增强了结构抵抗灾变荷载的能力。     

基于遗传算法的离散型结构拓扑优化设计

采用遗传算法求解包括桁架结构和框架结构的离散型结构拓扑优化问题。在遗传算法的基础上,通过引入拓扑变量并修改被删除杆件的材料弹性模量,提出了一个受多工况荷载作用,能同时考虑应力、稳定及位移等约束的离散型结构拓扑优化问题统一数学模型。该模型不但能同时适用于桁架结构和框架结构等离散型结构拓扑优化问题,而且还能解决奇异最优解问题。结合上述统一数学模型和遗传算法,给出了求解离散型结构拓扑优化问题的优化方法。算例结果表明,采用该文提出的拓扑优化方法可有效、方便地对桁架结构、框架结构等离散型结构进行拓扑优化设计。     

考虑材料非线性的RC冷却塔风致动力破坏研究

为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载，采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒，分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构，在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上，进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA)，结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述，并与静风破坏过程进行了对比。结果表明：静风荷载下，塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致，但前者所得结构极限荷载略高，结构延性更好；静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应；脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服，但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降：动力风荷载作用下塔筒破坏(V0=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%，明显高于静风作用下的结果。     

周期桁架结构浮筏隔振特性分析与实验研究

利用周期结构特性和波形转换作用,提出一种新型周期桁架结构浮筏。首先利用有限元方法建立浮筏结构的数值模型并计算其频响特性,通过频响函数综合建立包含机组、浮筏和基础的振动传递模型,在隔振系统中评价新型桁架浮筏的性能,然后在此基础上,对新型桁架浮筏隔振系统进行实验验证。结果表明：周期桁架结构浮筏比传统浮筏能够更有效地抑制振动传递,组成浮筏隔振系统后,在与浮筏上下层隔振器的共同作用下,整个隔振系统在更宽的频段内对振动传递产生抑制作用。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

土木工程结构风场实测及新技术研究的进展

土木工程结构风场实测结果是掌握结构风荷载作用机理和结构动力响应及破坏机理最直接的资料,也是修正现有试验方法和理论模型最为权威的依据.简要回顾了具有高柔低阻尼特性的高层建筑和高耸结构、大跨度桥梁和大跨空间结构的发展,分析了土木工程风场实测对于结构抗风设计的重要意义.对土木工程风场实测及实测新技术的研究进展进行了综述,提出了无线传感网络用于土木工程风场实测需要解决的关键技术问题.