建筑物内气体爆燃下结构动力特性研究

建筑物内部可燃气体混合物爆燃压力受燃气特性、气流泄放和内部环境等影响,一般具有峰值多、作用时间长的特点,与结构抵抗化爆冲击波荷载计算相比,室内气体爆燃下结构动力响应分析需考虑初始静载与动载耦合、荷载发展时程等因素。考虑变形速率引发材料强度的变化,修正结构抗力函数,建立等效单自由度简化计算模型,并用实验数据进行验证。计算表明:结构响应受爆燃荷载整个发展历程影响,计算时考虑初始正向静载、忽略阻尼影响均会引发结构动位移显著增大,沿用化爆荷载作用下结构简化计算方法应考虑上述特点。     

变曲率均质梁结构的振动特性研究EI北大核心CSCD

曲梁结构具有外形美观、力学性能好和承载能力强等一系列优点,在建筑、桥梁、船舶和航空航天等领域得到广泛应用。首先,基于一阶剪切变形梁理论和哈密尔顿原理建立四种典型曲梁结构(即圆弧曲梁、椭圆曲梁、抛物曲梁和双曲曲梁)在复杂边界条件下的统一动力学分析模型。其次,对上述曲梁结构模型进行收敛性验证并确定最佳截断数和边界弹簧刚度的取值。然后,对已建立曲梁结构模型进行准确性验证并证明其可以快速求解复杂边界条件下曲梁结构的振动特性。最后,研究结构参数、边界条件和脉冲载荷类型对曲梁结构振动特性的影响。分析结果表明,曲梁结构厚度、弹性边界条件以及脉冲载荷类型对曲梁结构的振动特性具有不同程度的影响。     

悬浮隧道结构体系与动力响应研究进展EI北大核心CSCD

悬浮隧道是一种全浸入式新型跨越结构,在复杂海湾环境中有较高的应用前景。为了深入了解悬浮隧道在外界激励下的动力行为,整理了悬浮隧道动力学的研究假定,分别总结了悬浮隧道独立结构和整体结构在一般波流荷载、交通荷载以及偶然荷载作用下的数学模型与动力学研究进展,并归纳了影响结构动力响应的几何、环境和交通参数等因素。结果表明:管道计算模型普遍采用欧拉梁模型和离散弹性支承梁模型,锚索计算模型大多采用忽略了抗弯刚度并考虑初始构型的梁或者弦模型;在二维分析中梁模型具有较高精度,但少有学者进行三维空间下的讨论;物理实验需要考虑模型的适用性、环境的真实性和测量的准确性,着重针对结构相似、激励条件、测量手段、结构初始状态和整体系统固有动力参数进行测试;偶然荷载作用下地震动响应受到学者广泛关注,已有研究普遍表明:结构的地震响应一般在安全范围内,但是当考虑了由地震引起的动水压力之后,结构动力响应大大提高。     

Q460高强钢柱在近爆荷载作用下的动力响应研究EI北大核心CSCD

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,运用流固耦合计算方法,模拟Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应,在此基础上提出了分段等效三角波计算方法对结构/构件施加爆炸荷载,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。结果表明:分段等效三角波计算方法和流固耦合方法计算吻合较好,验证了分段等效三角波计算方法的可行性;爆炸冲击波速度快,荷载峰值大,持续时间短,对钢柱的破坏力极强;钢材强度等级越大,钢柱抵抗变形的能力越强;炸药位置越低,柱脚越容易发生剪切破坏;翼缘作为迎爆面更能抵抗爆炸冲击的作用;适当减小翼缘和腹板的宽厚比能增强钢柱抵抗动力荷载的能力。提出的分段等效三角波计算方法为研究抗爆提供进一步参考。     

阶跃激励下网架结构的动力响应扩展及其误差分析EI北大核心CSCD

为了增加单次动力测试的可用测试信息,提出一种考虑阶跃激励作用的网架结构动力响应扩展方法。由阶跃激励引起的结构自由振动响应在任意时刻均可近似表达为少数贡献模态的线性组合。在此基础上,构造一种优选测点位置的迭代策略,以无偏估计各个时刻的贡献模态组合系数(即广义坐标),从而实现动力响应由少数测点向全自由度空间的扩展。解释了动力响应扩展的误差机理,并提出一种相关系数指标来筛选高精度非测点。以某560杆的网架结构为例进行数值分析。结果表明,该方法能方便地实现网架结构的动力响应扩展,并筛选出较多数量的高精度非测点,有利于提高网架结构动力测试的效率。     

撞击荷载下钢筋混凝土柱动力响应的数值研究EI北大核心CSCD

为了研究撞击荷载下钢筋混凝土柱的动力响应,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土构件碰撞模拟分析的数值模型。对经典钢筋混凝土梁落锤试验进行数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟钢筋混凝土构件碰撞过程中的撞击力和变形发展。基于该模型该文研究了不同因素对刚体碰撞钢筋混凝土柱动力变形和撞击力的影响,包括撞击体速度、质量和形状,钢筋混凝土柱纵向配筋率、配箍率和混凝土轴心抗压强度以及材料应变率。分析表明钢筋混凝土柱在撞击作用下的破坏模式主要包括:局部损伤型、整体破坏型和局部破坏型。影响撞击力曲线变化的因素可分为三种:撞击体自身的因素,影响柱体刚度的因素和影响柱体材料强度的因素。各种因素对撞击力峰值、撞击力平台值和撞击持时分别具有不同的影响规律。这些规律将为建立建筑结构倒塌分析的简化撞击力模型提供参考。     

综合管廊燃气爆炸对下穿隧道结构安全性的影响研究EI北大核心CSCD

针对综合管廊燃气爆炸时下穿隧道可能遭受破坏的风险,首先通过野外管廊燃气爆炸试验确定综合管廊超压时程,而后建立综合管廊-土体-下穿隧道整体三维有限元模型,并在综合管廊燃气舱内壁施加荷载,计算分析了下穿隧道的动力响应规律。结果表明:野外管廊燃气爆炸试验实测超压峰值高达0.63 MPa,且升压和降压持续时间均为0.1 s左右;隧道衬砌拱顶区域最先受到冲击,衬砌位移随时间的增大而增大,而衬砌应力则在超压峰值时刻达到最大,且隧道平行下穿时的衬砌应力超过正交下穿时的3.5倍;随着隧道和管廊间距的增大,隧道动力响应如衬砌应力、振动速度等均逐渐减小,且隧道正交下穿管廊时的减小趋势更明显;综合考虑各因素的影响,建议优先考虑隧道正交下穿综合管廊,且隧道与管廊的安全距离控制在7 m以上。研究结果可为综合管廊抗爆及下穿隧道工程设计等提供参考。     

多级性态隔震体系试验研究和结构动力响应分析EI北大核心CSCD

铅芯橡胶支座力学性能受竖向压应力和水平剪应变影响较大,且在极罕遇地震下传统隔震结构易发生位移过大而引发隔震沟碰撞风险。该文提出一种新型高性能多级性态隔震支座,可在单个支座中兼顾竖向高承载特性和稳定的水平滞回特性,所提出支座具有与结构多水准抗震性能相匹配的多级刚度特性。制作多级性态原型支座并进行力学性能试验,得到多级性态支座不同工况下的水平滞回性能,基于试验结果提出了多级性态支座的力学滞回模型。对某高层框架剪力墙结构进行多级性态隔震设计并与原设计铅芯橡胶支座(lead rubber bearing,LRB)隔震方案对比分析,结果表明多级性态隔震系统具有理想的水平隔震效果,且可有效控制支座的竖向拉应力,在极罕遇地震下有效控制隔震层水平位移,实现隔震结构具有多级的抗震性能。     

整体式桥台研究综述EI北大核心CSCD

整体式桥的桥身与桥台之间没有设置支座和伸缩缝,而是刚性连接为一体,从而能极大地节省桥梁全寿命周期的维护与维修费用。但是由于季节性温度波动导致桥身长度变化,桥台后土体随之受到水平方向循环加载作用。桥台后土压力的发展变化,成为整体式桥研究的重点。另外,对整体式桥台在地震作用下的动力反应还缺乏认识。该文首先系统总结了关于整体式桥台后土压力的相关研究成果,包括现场监测、缩尺模型实验、土单元应力路径实验、以及数值模拟等,揭示出在这种特殊循环作用下桥台后土压力的变化规律,并对土压力累积机理进行了探讨。然后,该文总结了整体式桥台在地震作用下动力响应的相关研究成果,指出由于桥台与桥身的刚性连接,桥身惯性力对桥台与土动力相互作用产生很大影响。     

波能转换装置耦合振动非线性水动力特性研究EI北大核心CSCD

针对一种新型波能转换装置,开展非线性水动力特性研究。在势流理论基础上,考虑装置不规则外形(不对称,且水线面面积不恒定)与位置变化等非线性因素对回复力的影响,并引入Morison模型分析流体黏性的附加惯性力效应与阻力效应,建立包含主要的线性与非线性水动力、从波能捕获到转换全过程的非线性动力学模型。利用计算流体动力学法搭建数值波浪水槽,开展波能转换装置响应的准确模拟,并将数值波浪水槽与所提出的非线性动力学模型的结果对比,进行非线性水动力的效应研究和系数辨识。结果表明:传统线性模型造成对波能转换性能的过高估计,非线性水动力模型显著提高了自由衰减振荡、波浪-装置耦合响应等过程的计算精度;Morison模型系数在不同工况中是变化的,幅值响应因子的计算在共振频率附近对Morison模型系数的敏感性最高。研究结果可为准确、快捷地衡量波能转换装置性能提供指导。     

滚石冲击EPE-砂土复合垫层明洞动力响应研究EI北大核心CSCD

明洞顶部铺设缓冲垫层是提升明洞结构抗滚石冲击性能的重要措施之一,传统垫层主要以砂土材料为主,存在自重大、缓冲效果差等缺点。为此,引入具有轻质、高回弹性能的发泡聚乙烯(expandable polyethylene,EPE)材料,并与砂土组成EPE-砂土复合明洞垫层结构,采用物理模型试验及数值模拟手段,开展滚石冲击EPE-砂土复合垫层明洞动力响应研究及优化设计。研究表明:当垫层总厚度一定时,与传统砂土垫层、纯EPE垫层相比,EPE-砂土复合垫层在减缓滚石冲击力和降低下覆顶板应力及位移上均表现出更好的耗能缓冲效果;进一步,将EPE-砂土复合垫层应用于汶马高速桑坪隧道明洞工程中,通过多组工况数值模拟计算表明:当垫层总厚度设计为1.5 m时,在最大滚石设计冲击能级(1621 kJ)条件下,EPE-砂土复合垫层采用厚度比值为4∶1(砂土材料1.2 m,EPE材料0.3 m)时具有最佳防护效果。研究成果可为明洞工程EPE-砂土复合垫层设计提供理论依据及技术支持。     

单柱失效下结构连续倒塌的动力响应分析

该文提出了一种基于三折线结构抗力形式和升压平台形荷载函数的非线性单自由度模型,并推导了该模型的解析解,用于分析由单柱移除引起的连续倒塌过程中的结构瞬态动力响应。该模型可以涵盖各类抗力形式,包括抗力软化及大变形条件下的悬链作用,并考虑了柱子移除时间对动力响应的影响。钢筋混凝土和钢结构的梁柱子结构的动力试验结果与非线性单自由度模型计算所得到的动力响应结果（例如跨中位移）的对比表明：此模型可以准确地预测结构倒塌过程中结构的动力响应,计算速度快,准确性高,便于应用。     

隧道爆破开挖作用下砂浆锚杆动力响应特征及安全控制研究EI北大核心CSCD

明晰隧道爆破开挖作用下砂浆锚杆的动力响应特征,保证锚杆支护系统的安全稳定是隧道高效建设及安全运行的关键。基于龙南隧道各级围岩爆破开挖工程,采用动力有限元数值模拟软件ANSYS/LS⁃DYNA,分别建立不同围岩级别、不同注浆龄期砂浆锚杆爆破开挖动力有限元计算模型,分析隧道爆破作用下各部位砂浆锚杆的动力响应特征与失效机制。研究表明,各级围岩爆破开挖时,隧道拱顶的锚杆振动速度与轴力均最大,锚杆部件端部为最危险点,沿隧道轴线方向,锚杆的振动速度与轴力均随爆破距离的增大而不断衰减;各部位的锚杆峰值振速随着注浆龄期的增加而减小,轴力随注浆强度的增加而减小,其剪力值也会减小;拱顶锚杆的轴力值与峰值振速具有线性关系,其与围岩级别以及龄期的大小有关,根据锚杆安全轴力可以计算得到不同围岩级别、不同养护龄期隧道爆破开挖砂浆锚杆的安全控制振速。     

列车动力荷载作用下大跨度斜拉桥局部振动响应研究EI北大核心CSCD

为研究列车动力荷载引起的大跨度斜拉桥主梁和桥面板局部动力响应,基于车-桥耦合动力学理论建立了列车-轨道-斜拉桥空间耦合动力学模型。采用固定界面模态综合法和等效正交异性板法建立大跨度斜拉桥精细化三维有限元模型,车辆简化为具有二系悬挂的31自由度弹簧-质量模型,轮轨关系采用可分离的三维轮轨滚动接触模型。以主跨为1 092 m的沪通长江大桥为例,研究了轨道不平顺激励条件下高速列车行驶引起的桥面板和主桁架梁的动力响应特征及分布规律。研究结果表明:固定界面模态综合法既可以有效减少模型自由度数目,又可以反映桥梁局部动力响应;等效正交异性板法虽能较好地反映桥面板的局部振动,但由于没有考虑等效前后主梁整体刚度的一致性,故所计算的主梁振动位移偏差较大;由于桥面板局部竖向刚度较小,桥梁行车线正下方的桥面板竖向加速度远大于主梁桁架节点竖向加速度,建议我国相关铁路桥梁规范在评估大跨度板桁斜拉桥振动加速度时,考虑桥面板局部振动的影响;列车动力荷载作用下主梁桁架杆件应力冲击系数较小,动力效应不显著。     

移动荷载下有限深度Winkler地基上梁的动力响应研究EI北大核心CSCD

基于考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁理论,建立移动荷载作用下弹性地基上有限长梁的横向运动方程。利用模态叠加法求得移动荷载作用下有限长梁动力响应的解析解,进而以移动荷载离开时梁的响应为初值,采用分离变量法求得有限长梁自由振动的一阶近似解;通过数值计算和参数分析,揭示了移动荷载作用下有限深度Winkler地基上简支边界梁的动力学特性,分析地基深度、地基黏滞阻尼系数和荷载移动速度等对有限长梁受迫振动阶段和自由振动阶段动力响应的影响,全面揭示有限深度土体运动对临界速度的作用效应。结果表明:地基深度显著降低了临界速度,且弹性地基黏滞阻尼明显延长了自由振动衰减时间;荷载移动速度加剧了有限深度弹性地基与其支承梁的相互作用效应,系统振动的幅值和响应周期均发生显著变化。     

基础摩擦滑移隔震结构起滑加速度研究EI北大核心CSCD

起滑条件是影响滑移隔震结构动力响应特性的重要参数,也是滑移隔震结构性能化设计研究的理论基础。采用两自由度模型模拟滑移隔震结构,基于动力时程分析方法,分析了隔震结构参数(包括自振周期、质量比和摩擦系数)和地震动参数(包括反应谱特征周期和近断层地震动脉冲)对隔震结构起滑加速度的影响。结果表明:结构参数比地震动参数对起滑加速度的影响更明显。隔震结构的起滑加速度-自振周期曲线分为下降、水平、上升和先上升后水平4段。所选地震动集激励下,当自振周期小于1.4 s时,相同自振周期结构的起滑加速度随质量比的增大而减小;大于7.8 s时,起滑加速度随质量比的增大而增大。起滑加速度随摩擦系数的增加而等比例增大。基于分析结果,采用分段拟合方法建立了起滑加速度计算公式,公式计算结果和多自由度结构算例的时程分析结果吻合良好。研究成果可为滑移隔震结构的起滑条件研究和结构设计提供参考。     

落石冲击砂垫层的动力响应数值分析EI北大核心CSCD

针对落石冲击砂垫层的动力响应问题,研究了压缩波在砂中的扩散角、衰减系数和冲击力传递系数,提出了砂中压缩波传播的锥杆模型,分析了压缩波在砂中的传播过程和相互作用机理。首先,根据砂的力学特性,选用Soil and Foam模型,给出了参数计算方法,基于ANSYS/LS-DYNA软件开展了仿真计算,并与现有试验结果进行了对比验证。其次,采用数值研究方法,分析了落石冲击效应及压缩波传播规律,拟合得到了衰减系数随砂深度的关系式。最后,提出了锥杆模型,研究了压缩波在砂中传播、衰减及其相互作用机理。研究成果对进一步分析落石冲击荷载下防落石结构的动力响应奠定了基础。     

汽车发动机启停时具有半主动阻尼拉杆的动力总成悬置系统研究EI北大核心CSCD

提出减小汽车发动机启停振动的三种策略。考虑增加悬置系统的阻尼可以有效地减小发动机启停时的振动,设计并开发了一款半主动阻尼拉杆(hydraulic damping strut,HDS);建立包含半主动阻尼拉杆的整车13自由度动力学模型,提出发动机启停时基于动力总成和整车振动的动态响应评价指标和计算方法;基于动力总成悬置系统的设计方法,对半主动阻尼拉杆的安装位置和外通道的孔径进行优化计算;根据力的分担方法,通过对动态响应评价指标的计算,对半主动阻尼拉杆活塞孔径的尺寸和数量进行计算分析。通过试验对比分析在发动机启动及怠速时,不加半主动阻尼拉杆和加半主动阻尼拉杆时座椅导轨的纵向加速度值,验证了发动机启停时半主动阻尼拉杆设计方法的有效性。     

内嵌牛顿迭代的线性隐式算法及其在结构非线性动力分析中的应用EI北大核心CSCD

将牛顿迭代法的思想引入平均加速度法,对方程式以加速度项作为迭代变量进行内嵌一次牛顿迭代处理,推导出了一种新型的线性隐式数值积分方法。然后通过离散控制理论和根轨迹法分析了新算法在求解含非线性恢复力和非线性阻尼力的结构运动方程时维持稳定的条件,并利用一个单自由度剪切型结构,检验了新算法的非线性稳定性。最后通过数值模拟,考察了新算法对于非线性多自由度结构体系的适用性和可靠性。     

界面自由度柔性等效与子结构频响函数综合方法EI北大核心CSCD

针对频响函数子结构综合法中由于转角自由度频响函数缺失造成的综合建模误差较大的问题,提出了界面自由度柔性等效方法。将界面分为若干子界面,假定子界面刚性,通过最小二乘坐标变换,提取可描述子界面特征的6自由度分量,据此实现对子界面的刚性等效,综合所有子界面的等效自由度即形成界面的柔性等效。利用等效后的界面柔性自由度与原界面自由度的关系,对子结构的原始频响函数进行相应地变换,并将其应用到子结构频响函数综合方法中。仿真结果表明,将界面自由度进行柔性等效能明显提高频响函数的综合精度。