极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究EI北大核心CSCD

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。     

水中桥塔波浪作用动力模型试验相似方法与模型设计方法

针对跨海桥梁桥塔结构波浪作用动力模型试验研究方法,通过分析水中结构动力模型试验相似原理,提出了桥塔结构动力模型试验的相似方法与模型设计方法。基于此,设计制作了一大型跨海斜拉桥桥塔结构的动力模型,并利用该试验模型进行了结构动力特性试验和波浪作用动力响应试验。动力特性试验结果表明:试验测得的结构主要自振频率与原型结构设计自振频率相接近,试验模型结构能较好地模拟原型结构自振特性。波浪作用下模型结构的基底受力和运动响应与原型结构相应的数值计算结果大致吻合。试验结果验证了提出的模型试验相似方法与模型设计方法的可行性,对跨海桥梁结构的水弹性模型试验研究具有应用和借鉴意义。     

冲击荷载下高桥墩的弹塑性动力屈曲

考虑剪切变形和大位移,在双线性本构模型下, 建立高桥墩在冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;通过数值求解,得到冲击荷载作用下高桥墩的临界荷载、位移响应曲线以及各种荷载和几何参数对临界荷载的影响规律。比较了三角形冲击荷载和矩形冲击荷载作用下的荷载-位移幅值响应曲线;给出了矩形冲击荷载作用下,不同荷载峰值的位移响应曲线、临界荷载随高桥墩柔度的变化曲线、不同冲击持续时间对临界荷载的影响;分析了塑性变形对高桥墩稳定性的影响,给出了塑性区域的出现和扩大的过程。     

近海箱型梁桥受海啸波浪力作用试验研究

近海桥梁在极端气候下会受到海啸波或者风暴潮等灾害作用。采用水槽模型试验研究了海啸波在近海桥梁结构上的波浪力作用规律。试验原型为厦门演武大桥的A匝道桥,上部为流线型三室箱梁,下部为圆柱式桥墩。模型采用1∶25缩尺比进行海啸波冲击试验,研究不同海啸波条件下箱梁和桥墩结构所受波浪力特点。研究结果表明：在波浪刚冲击到主梁时,由于受到动水冲击力的作用,结构所受压强会瞬间达到最大峰值,随后,当波浪水流逐渐浸没桥体时,由于受到动水压力的作用,压强趋于稳定变化。不同波速或冲击淹没系数下结构所受的竖向力峰值都约为水平力峰值的两倍,然而,波速或冲击淹没系数的变化却对结构所受水平力的影响更为明显。当波高一样时,随着波速的增加,桥墩所受峰值压强显著增大,而当波速相同时,波高的变化对桥墩所受峰值压强的影响较小,说明桥墩所受波浪力对波速的变化更为敏感。     

商用客机对核安全壳撞击破坏效应的数值模拟分析

为研究商用客机撞击下新型核反应堆安全壳安全防护性能,该文建立新舟600飞机和安全壳精细化有限元模型,采用LS-DYNA软件对撞击全过程进行数值模拟,分析安全壳结构位移响应和局部损伤破坏情况。分析表明:新舟600撞击力时程曲线中的峰值荷载是因引擎和机翼撞击安全壳所致,撞击力时程曲线与Phantom F4战斗机和Boeing 707客机撞击力时程曲线的形状大体相似,但撞击持续时间、峰值荷载大小有较大差别;在正常巡航速度撞击下核安全壳局部破坏较为严重,局部变形量超过规范许可值,密闭性能受到影响;采用在直接施加撞击荷载的计算方法不能反映安全壳真实的响应和损伤破坏。     

冲击荷载下两端简支高桥墩的动力屈曲

考虑剪切变形和大位移的影响,建立高桥墩在冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;利用四阶Runge-Kutta法进行数值求解,得到冲击荷载作用下高桥墩的临界荷载、位移响应曲线以及各种荷载和几何参数对临界荷载的影响规律。通过数值算例比较了三角形冲击荷载和矩形冲击荷载作用下的荷载-位移幅值响应曲线;给出了矩形冲击荷载作用下,不同峰值的位移响应曲线、临界荷载随高桥墩柔度的变化曲线、不同冲击持续时间对临界荷载的影响。     

冲击荷载下一端简支一端固支高桥墩的动力屈曲

考虑剪切变形和大位移的影响,建立一端简支一端固支高桥墩在冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;利用四阶Runge-Kutta法进行数值求解,得到冲击荷载作用下高桥墩的临界荷载、位移响应曲线以及各种荷载和几何参数对临界荷载的影响规律。通过数值算例比较了三角形冲击荷载和矩形冲击荷载作用下的荷载-位移幅值响应曲线;给出了矩形冲击荷载作用下,不同峰值的位移响应曲线、临界荷载随高桥墩柔度的变化曲线、不同冲击持续时间对临界荷载的影响     

面向储舱结构设计的晃荡冲击荷载实验研究

薄膜型船载液化天然气储舱设计中的一个关键力学问题是对液体晃荡引起的冲击荷载的评估。晃荡冲击载荷主要包括晃荡冲击荷载的幅值,上升和持续时间以及荷载三角脉冲的偏斜度等参数。室内大比尺晃荡模型实验是评估晃荡冲击荷载的有效方法。以二维矩形液舱为模型,在大吨位六自由度运动平台开展了一系列不规则激励下的晃荡冲击荷载实验研究。研究结果表明:由于液体与气体的相互作用,导致晃荡冲击荷载具有幅值较大且冲击上升时间较短的特点,可能导致舱壁产生较大的响应。采用统计学的方法分析了晃荡冲击荷载的参数;此外,定量地提出了长期不规则激励下,由荷载峰值、上升和持续时间以及偏斜度的组成的三角脉冲荷载模型,该模型可为储舱舱壁结构设计和有限元分析提供荷载参考。     

多维爆破地震动作用下框架结构动态响应有限元时程分析

爆破震动的幅值、频率与持续时间是结构爆破震动响应与破坏的重要参数,爆破安全规程规定地面建筑物的爆破震动判据采用质点峰值震动速度和主震频率,但没有指明是三向速度的合速度还是单向速度,给爆破震动判据应用带来不便。文中采用有限元时程分析讨论了不同爆破震动频率速度荷载作用下结构的动态响应,指出在较高频率的爆破震动荷载作用下,框架结构对竖直向地震波响应较大,易在竖直向地震波作用下产生破坏,并可以将三维爆破震动中最大震动速度幅值作为爆破震动安全标准值;在较低频率的爆破地震荷载作用下,震动的水平荷载引起结构的破坏是主要的,应考虑水平最大荷载的爆破震动安全标准值。即结构抗震的安全标准在高频时以垂直荷载速度峰值为准;在低频时以水平荷载速度峰值为准。     

轮船-桥墩碰撞简化荷载模型

目前各国桥梁设计规范普遍将船舶撞击力处理为等效静力,忽略了冲击荷载引起的结构动力效应,为建立更加合理的实用荷载模型,建立了5艘轮船的有限元模型,采用正撞刚性墙模型,通过数值仿真获得了45条不同撞击速度下的撞击力时程样本。提出采用修正半波正弦函数近似描述撞击力样本过程,通过数理统计确定了模型的实用参数。最后,以一座连续梁桥为例进行了接触碰撞反应分析与撞击力时程反应分析,并将修正半波正弦荷载模型的响应求解误差分为3类,分别讨论了3种误差对结构响应误差的贡献大小。算例分析结果表明,建立的轮船修正半波正弦荷载模型具有良好的求解精度,具有很好的工程实用价值。     

压杆应变式压力传感器在爆炸冲击波载荷测试中的应用

在容器内实施化学爆炸时，容器内壁上冲击波载荷的确定是进行爆炸容器结构动力响应分析、安全评估和工程设计的基础。获得比较准确、可靠的爆炸容器内壁上作用载荷的时间历程及分布情况，对研究结构动力响应意义重大。文章采用压杆应变式压力传感器来测量爆炸冲击波载荷，这种传感器解决了普通传感器在高频压力脉冲下频响低且容易损坏等问题。压杆应变式压力传感器为一细长弹性杆，爆炸冲击波作用在杆的一端，在杆中激发一维弹性应力波，通过测量杆上适当位置处的应变，利用一维弹性应力波理论可以计算出作用在杆端的爆炸冲击载荷。文章根据一维弹性波理论，设计了满足所需频响、上升时间、持续作用时间等参数要求的压杆应变式压力传感器，其材料为高强度钢，采用动态应变放大器和数据采集仪组成测量系统。通过实验，获得了比较完整的容器内壁上冲击波载荷曲线，测量结果的重复性和一致性很好。经分析表明，压杆应变式压力传感器能准确地测得容器内壁上冲击波荷载的幅值和比较完整的曲线，对爆炸冲击波载荷测试来说，是一种比较准确可靠的传感器。     

A comparison of methods for the statistics of slow-drift oscillations

A probabilistic model for the slowly varying horizontal motion of a moored floating structure, excited by nonlinear, second order wave forces is derived. The model consists of a coupled system of three white-noise excited stochastic differential equations that govern a continuous vector Markov process. Different methods are applied for the investigation of the first passage time probabilities of the displacement of the marine structure. The methods include time history simulation estimation of the first four moments, time history simulation of the first passage problem, and finite element solution of the backward Kolmogorov equation governing the first passage time distribution. The impact of non-Gaussian aspects of the response on extreme value statistics is demonstrated.     

漂浮式光伏电站方阵环境载荷计算方法研究

针对我国建成的全球首个单体容量达到40 MW的漂浮式光伏电站方阵进行了环境载荷数值预报研究,在与风洞模型试验结果对比验证的基础上,基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对该大规模方阵的整体风载荷和流载荷进行了数值研究。CFD计算的数值考察验证了采用简化浮体模型进行研究的可行性,单体模型的计算结果与风洞试验结果吻合良好;对方阵进行实尺度建模及3D简略计算,得到了整体风载荷在不同风向角下的变化规律;通过对最大载荷风向的北风条件下的载荷分布规律的分析,提出了2.5D计算的策略,得到了数值验证;根据计算结果设计并实施了18行×11列单元模块的缩尺方阵风洞试验,试验结果和CFD计算结果吻合良好,据此构建了完整的数值计算方法;对2.5D进行高精度计算,确定了针对3D简略计算的修正系数,得到较为准确的整体风载荷结果。流载荷计算方法与风载荷相同。采取势流计算方法开展了波浪载荷数值分析研究,得到了在单位波幅规则波作用下漂浮方阵波浪载荷随行和列的变化规律;根据此规律获得了整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算了50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷。该研究为漂浮式光伏电站的风、流、波浪等环境载荷的数值预报提供了方法,为漂浮方阵的锚泊计算及水上光伏电站的系统设计提供了技术支持。     

Experimental investigation of random loading sequence effect on fatigue crack growth

An experimental study is proposed to investigate the effect of random loading sequence effect on the fatigue crack growth behavior of Al 7075-T6. The testing matrix includes different overload cycle percentage, overload ratios, and deterministic and random loading sequences in the current investigation. Multiple specimen tests and statistical data analysis are performed to show the effect of random loading sequence on the median and scatter behavior of fatigue crack growth. The proposed experimental study suggests that extreme value distribution is a good approximation of fatigue life distribution. It is observed that the effect of uncertain loading is different under different loading spectrums. For high overload cycle percentage spectrums, the random loading sequence has no major impact on the probabilistic crack growth behavior compared to the deterministic loading sequence with identical load cycle distributions. For low overload cycle percentage spectrums, the random loading sequence has huge impact on the probabilistic crack growth behavior compared to the deterministic loading sequence with identical load cycle distributions, for both the median and the scatter of the fatigue crack length curves. Finally, all experimental observations are reported in table format in Appendix A for future numerical model development and validation for interested readers.     

Progress and development in the instrumented Charpy impact test

Toughness is the most important characteristics for structural component materials and has been evaluated widely by Charpy impact test. Charpy test has been presented firstly in 1901, and instrumentation to record load history during impact has been attempted since 1920's. Various methods to estimate quantitative fracture toughness values under dynamic loading condition have been presented. In the development of fracture mechanics, one of the authors has successfully developed the new dynamic fracture toughness testing and evaluation system using the instrumented Charpy impact test, which is called “CAI system”. This paper introduces history of instrumented Charpy impact test and CAI system. Moreover, instrumented impact testing method on brittle materials is also mentioned. Worldwide standard on dynamic fracture toughness evaluation by the instrumented impact testing is highly expected to be established.     

考虑实际分布形式的水平受荷桩桩周土抗力分析方法

p-y曲线法被广泛应用于水平受荷桩荷载位移响应的分析中,但该方法无法准确地反映出桩周土抗力的实际分布形式。鉴于此,该文考虑了桩-土实际相互作用,假定随着径向位移的增加,桩的被动侧径向土压力呈双曲线形式增大,主动侧径向土压力呈线性减小,从而建立了桩周径向土压力与径向位移的关系;在此基础上,对摩阻力的初始刚度进行修正,引入双曲线荷载传递模型求解了桩周环向摩阻力;最后提出了考虑实际分布形式的桩周土抗力分析方法,并通过2个算例验证了正确性。通过参数分析表明:径向土压力和环向摩阻力对土抗力的贡献程度与水平位移有关;极限状态下,传统的桩侧环向摩阻力水平分量不均匀分布的形状系数偏大,该文给出了建议的取值;对径向土压力水平分量和环向摩阻力水平分量进行归一化分析,得到了拟合曲线公式,可为后续分析提供参考。     

基于圆孔扩张理论的桩基水平承载力计算方法

近年来,我国城市的基础设施建设规模不断扩大,桩基础是基础设施建设中常用的基础形式,其水平承载特性的分析计算是桩基设计中的重要问题.基于Vesic圆孔扩张理论,分析了水平荷载作用下桩侧土体的实际受力状态,推导了基于应力增量的桩侧土抗力的计算公式,进而提出了考虑摩擦效应的桩土相互作用的计算方法;并基于MATLAB编写了相应...     

卷破波斜向作用下方形桥墩砰击荷载研究

沿海桥梁常受到破碎波浪作用,其中卷破波砰击严重威胁结构安全。该文通过理论和试验相结合的方法研究了方形桥墩受到的卷破波砰击荷载。以结构破波荷载经验计算公式和MLM理论模型为基础,建立了方形截面桥墩卷破波砰击荷载理论计算模型。通过卷破波水槽试验探究砰击角度与砰击荷载的关系;对比不同砰击角度理论和试验下方形桥墩截面砰击压强时程,验证了理论模型的有效性,结合试验与理论模型确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围。研究表明：卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小,砰击荷载越大;该文提出的理论模型能很好地描述方形截面砰击压强时程随砰击角度的变化情况;根据试验结果拟合得出了方形截面卷曲因子随砰击角度的变化公式。     

室内爆炸超压荷载简化模型

美国UFC规范计算室内爆炸荷载时假设爆炸荷载在整个空间均匀分布,但由于壁面的限制作用,真实室内爆炸的压力场并不均匀。该文利用非线性显式动力分析程序AUTODYN的Remap技术对室内爆炸进行模拟,研究了壁面爆炸荷载的分布规律;依据壁面爆炸超压时程曲线特点及其峰值超压分布,对爆炸荷载作用区域进行划分,并提出了各区域爆炸荷载典型参数—峰值超压、冲击波作用时间、准静态峰值气体压力及吹降时间的计算式,建立了室内爆炸荷载简化模型,并进一步研究了爆源高度和房间尺寸对荷载简化模型的影响。结果表明:室内爆炸下壁面不同区域爆炸荷载的分布形式及计算方法不同,拟合得到了各区域爆炸荷载的简化计算式;爆源高度及房间尺寸对峰值超压影响较大,对冲击波冲量影响较小。     

Structural behaviour of three-pile caps subjected to axial compressive loading

This work presents a comparative analysis about the behaviour of pile caps supported by 3 piles subjected to axial loading. Piles with 20 cm and 30 cm diameters were analysed. The main reinforcement was maintained in all the specimens, however, the arrangement of the secondary reinforcement varied. The main reinforcement consisted of steel bars connecting the piles. The secondary reinforcement was made up of: (a) bars going through the piles and through the projection of the column, (b) bars forming a network, and (c) vertical and horizontal stirrups. The main objective was the observation of the pile cap behaviour regarding the cracks and the modes of rupture. The real scale specimens were subjected to experimental tests until failure by rupture. Instruments were placed with the aim to obtain the displacement of the bases, the strains in the main and secondary reinforcement bars, in the compression struts, in the lower and upper nodal zones and in the sides of the caps. None of the caps reached failure by rupture with a load less than 1.12 times the theoretical load. The specimens ruptured due to the cracking of the compression strut and/or the yielding of the reinforcement bars in one direction.