建筑科学与工程学报

开槽混凝土夹芯板受弯状态开裂荷载分析

2024年11月30 00:00

为了减弱裂缝对混凝土结构承载能力以及耐久性的影响,提出了开槽混凝土夹芯板; 研究了槽深以及开槽位置对于夹芯板吊装以及正常使用过程中开裂行为的影响,通过ABAQUS建立了有限元模型并验证了其可靠性,在此基础上以槽深以及开槽位置为变量进行了参数化分析,最后通过理论公式对模拟结果进行对比验证。结果表明:在有效控制裂缝位置的前提下,对夹芯板板底合理开槽不会导致其在吊装过程中产生裂缝; 在两端简支条件下,开槽构造主要影响夹芯板的开裂荷载,而对于极限荷载影响较小; 在裂缝发展的前中期,通过设置适当的槽深以及位置,由于应力集中效应可使得夹芯板拉应力在槽及其附近达到较大值,从而达到控制裂缝产生位置的效果; 随着槽深以及槽数量增加,裂缝产生位置得到有效控制,但将导致夹芯板开裂荷载减小。

轻质混凝土组合墙板受弯性能试验与数值研究

2024年11月30 00:00

为了研究轻质混凝土组合墙板的受弯性能,提出一种以免烧核壳轻集料混凝土为内叶板材料的组合墙板并进行了试验研究; 采用数值模拟软件对试验结果进行了模拟验证,选取保温层厚度、桁架筋间距、钢筋网格边长以及桁架筋直径进行参数化分析,并使用改进后的等效截面惯性矩法对试验结果以及模拟结果进行了对比分析。结果表明:该组合墙板的开裂荷载为10.18 kN·m,为典型受弯破坏,可满足实际使用; 以开裂荷载设计组合墙板时,保温层厚度作为主要控制参数,增大厚度使得截面中性轴偏移,有效截面高度增加,从而使开裂荷载得以提升; 以极限荷载设计组合墙板时,增加保温层厚度、桁架腹筋数量、桁架筋直径以及减小钢筋网格大小均能提升组合墙板的极限承载力; 通过理论公式计算的开裂荷载与试验值及模拟值均较为吻合,与试验值相对误差为10.69%,与模拟值最大相对误差为9.26%。

基于改进遗传算法的大型体育场馆传感器优化布置研究

2024年11月30 00:00

为高效、准确地对大型体育场馆结构进行健康监测,根据其结构特点,提出了一种基于多种群非支配重组遗传算法(MP-RGA)的传感器优化布置方法。引入二重编码解决离散优化问题,通过多种群策略提高算法的搜索能力,通过非支配重组解决以往遗传算法优化后期的多样性丧失问题,最后采用自适应化交叉、变异策略改善算法前期的收敛速度和后期的寻优能力。以西安国际足球中心屋盖为例,通过数值算例验证不同传感器布置数量下利用该算法确定传感器布置方案时的有效性。结果表明:与量子遗传算法(QGA)和粒子群算法(PSO)相比,多种群非支配重组遗传算法收敛速度更快,以模态置信度准则为目标的优化效果分别提升了41.88%和91.27%; 依据所提算法优化得到的传感器布置方案实际应用效果良好,表明该算法适用于大型体育场馆的传感器优化布置问题。

基于深度学习的混凝土结构钢筋工程质量图像视觉检测算法

2024年11月30 00:00

针对目前钢筋工程质量检测中人工抽检方法检测效率低,覆盖面不全的问题,提出一种可实现钢筋间距与直径智能检测的改进YOLOX目标检测算法。该方法基于精确的钢筋交叉点识别,实现钢筋间距与直径检测,在YOLOX目标检测算法中加入坐标注意力机制模块,采用完全交并比损失函数替换原有算法中的边界框回归损失函数,显著提升目标检测算法识别钢筋交叉点及其中心坐标的精准度; 依据钢筋交叉点预测框的像素坐标信息与RGBD相机采集的深度信息,实现钢筋间距检测; 采用整体嵌套边缘检测网络(HED)边缘检测算法消除图片中钢筋肋边缘对统计钢筋直径所含像素个数的干扰,实现钢筋直径的检测。结果表明:采用改进后的算法检测得到的钢筋间距最大误差为4.04 mm,平均误差小于2.8 mm,满足施工规范要求; 当采用改进后的算法检测8、10、16、20、25 mm钢筋直径时,检测值在标准值d₀±1 mm范围内的平均准确率为97.22%。

基于BP神经网络的桁架结构损伤识别研究

冯紫科,杨璐,柳美玉,李笑林 — 2024年11月30 00:00

为分析验证BP神经网络在结构损伤识别定位上应用的有效性,设计了一个桁架结构模型的静力加载试验,通过在桁架结构中更换不同直径的杆件来模拟杆件损伤,并记录其所引起的静力响应; 采用ABAQUS分析软件建立了对应的桁架有限元模型,并分析了该桁架在不同荷载工况下的受力性能与损伤情况; 在此基础上建立了用于预测桁架损伤状态的BP神经网络,该网络以有限元分析中桁架结构的荷载和节点位移作为输入参数,桁架杆件的损伤状态作为输出参数,建立了桁架结构杆件损伤状态与荷载、节点位移之间的关系; 采用桁架结构模型静力加载试验所得数据对BP神经网络算法的正确性进行验证。结果表明:BP神经网络用于桁架结构杆件的损伤识别定位能够达到较高的精度,可以实现对结构进行实时准确的安全状态评价。

装配式框架结构一致多尺度模拟方法与动力响应研究

2024年11月30 00:00

为了在有限算力下尽可能提高装配式框架结构的有限元分析精度,且对结构的局部损伤特性和整体结构响应开展并行分析,提出了一套应用于装配式混凝土框架结构的一致多尺度模拟方法。基于内聚力模型来考虑新旧混凝土的界面接触问题,采用组合多点约束法实现多尺度模型的界面连接; 结合预制混凝土梁柱节点试验对该模拟方法的合理性进行了验证,并通过参数分析得出装配式混凝土框架结构节点区域细观尺度模型的合理取值范围; 最后采用提出的一致多尺度模拟方法,分析了某装配式混凝土框架结构在地震作用下的动力响应。结果表明:不同尺度模型耦合界面宜取在新旧混凝土交界面之外,建议长度为h/3～h(h为梁高),距离灌浆套筒端部至少留出1/2个套筒的长度; 与宏观梁单元相比,采用一致多尺度模拟方法得到的结构整体响应更加精确且能够反映节点区域的真实塑性发展规律; 提出的一致多尺度模拟方法可为复杂装配式混凝土结构的整体计算分析及关键节点的精细化仿真提供有效途径。

基于超单元法的空腹夹层板精细化有限元分析

2024年11月30 00:00

针对空腹夹层板精细化有限元分析存在计算模型总自由度数庞大、运算效率低的问题,根据空腹夹层板的构造特点,将其分成若干相同的基本网格,把任一网格当成子结构并凝聚成超单元,再控制超单元的边界自由度数。以超单元为基础扩展出新计算模型,降低空腹夹层板有限元模型的总自由度数,从而提高计算效率。分别用不同超单元和边长0.1 m的实体单元,建立一块平面尺寸为16 m×16 m的混凝土空腹夹层板精细有限元模型并做静、动力分析。结果表明:超单元法提取空腹夹层板参数受限制小,能较快提取结构参数完成计算; 超单元边界节点数越少,运算效率越高,但误差相应增大; 当超单元的节点数对比精细有限元缩小约89%并合理放置时,计算最大相对误差不超过6%且计算时间能节省11%～24%,模态和时程分析图像吻合度较好; 基于超单元法的空腹夹层板精细化有限元分析适用于空腹夹层板结构线弹性阶段的参数分析计算。

钢筋混凝土墩柱弯剪数值模型对比研究

张永强,夏修身,马健行,黎大玮,罗辉,陈琦璠 — 2024年11月30 00:00

为探究弯剪和剪切破坏墩柱的抗震性能及反映墩柱弯剪破坏机制的数值分析模型,依据弯剪及剪切破坏墩柱的拟静力试验结果,考虑剪跨比和截面配箍率对墩柱抗剪及延性变形能力的影响,提出了剪切破坏时墩柱塑性铰区转角的计算公式,并与Leborgne公式及Ghannoum公式进行了比较; 基于OpenSees数值分析平台,从截面层次和单元层次分别建立了考虑弹性剪切效应及弯剪耦合效应的两种精细化分析模型,以PEER数据库中试验墩柱结果进行了数值分析模型验证。结果表明:所提公式能更精确地监测墩柱剪切破坏发生时刻,考虑弯剪耦合效应的数值模型能较好地模拟钢筋混凝土墩柱抗剪强度、刚度退化及捏拢现象,与试验结果吻合较好; 考虑弹性剪切效应的数值模型不能较好地体现剪切失效与刚度退化。

FRP-ECM加固RC梁二次受力抗剪性能试验

2024年11月30 00:00

为研究纤维增强复合材料(FRP)刚性网格-环氧水泥砂浆(ECM)复合加固钢筋混凝土(RC)梁二次受力抗剪性能,以预载幅值、FRP网格尺寸及网格布置范围为参数,对7根二次受力RC梁进行四点弯曲静载试验,观察各试验梁的裂缝发展过程,分析跨中挠度、箍筋应变和FRP网格应变变化,基于桁架-拱理论模型,引进预损伤影响系数,对FRP刚性网格-ECM加固梁二次受力进行斜截面抗剪承载力计算。结果表明:与未加固梁相比,加固梁极限荷载下跨中挠度、主斜裂缝形成荷载和极限荷载最大提高幅度分别为28.0%、37.0%和22.5%; 与无预载加固梁相比,随着预载幅值的增加,加固梁弯剪区斜裂缝发展增快且加固层剥离破坏荷载最大降低幅度为8.7%; 与预载幅值为40%P_u的加固梁相比,预载幅值为60%P_u、80%P_u的加固梁FRP网格进入抗剪状态时的荷载分别降低了200、270 kN; 采用100 mm网格间距加固和弯剪区横贴加固的方式使斜截面开裂荷载分别提高了22.2%、14.8%; FRP刚性网格-ECM加固RC梁能有效抑制斜裂缝扩展,改善剪切破坏时的延性; 提出的抗剪承载力计算公式的计算结果与试验结果吻合较好,可以有效预测FRP刚性网格-ECM加固RC梁二次受力的抗剪承载力。

压弯荷载下再生砂浆的裂纹演变与氯离子扩散

应敬伟,王威伻,苏飞鸣 — 2024年11月30 00:00

为了研究压弯荷载作用下再生砂浆的裂纹发展与氯离子的扩散规律,自制了一种氯盐荷载耦合装置,该装置包括压弯荷载加载装置和电加速快速氯离子迁移装置。通过该氯盐荷载耦合装置,对再生砂浆小梁进行了压弯加载与氯离子渗透。为了避免小梁在弯曲加载时提前破坏,在小梁的横向分别预先施加25%、50%、75%极限轴向压荷载,再竖向进行逐级加载,并结合数字图像相关(DIC)技术研究了加载过程中再生砂浆小梁的裂纹演变规律。同时设计了4种不同的压弯荷载组合,以RCM理论为基础,进行了压弯荷载作用下的电加速氯离子渗透试验。结果表明:在横向荷载为25%极限轴向压荷载时逐级加载竖向荷载,再生砂浆小梁呈现少筋梁的破坏特征; 在横向荷载为50%、75%极限轴向压荷载时逐级施加竖向荷载,再生砂浆小梁呈现超筋梁的破坏特征; 当再生骨料取代率小于50%时,增加压弯荷载值对小梁的氯离子扩散系数影响不大; 当再生骨料取代率大于50%时,随着压弯荷载值的增加,砂浆小梁的氯离子扩散系数快速增加; 在压弯荷载作用下,小梁的氯离子扩散系数呈现沿着竖向高度逐渐减小的趋势。

基于TPE-XGBoost算法的再生粗骨料混凝土抗压强度预测模型

2024年11月30 00:00

为了更好地预测再生粗骨料混凝土的抗压强度,提出了基于极限提升树(XGBoost)算法的再生粗骨料混凝土抗压强度预测模型; 利用再生粗骨料混凝土数据库,对数据进行预处理,利用树结构概率密度估计贝叶斯优化(TPE-BO)方法优化模型参数; 通过实例对再生粗骨料混凝土抗压强度预测模型进行对比验证。结果表明:数据预处理和TPE-BO超参数优化方法均能在一定程度提升模型性能; 与随机森林、K邻近回归、支持向量机回归、梯度提升决策树模型相比,提出的模型有更高的预测精度和泛化能力; 高性能抗压强度预测模型可为再生粗骨料混凝土的研究和实践提供依据,同时也为再生混凝土性能预测提供新途径。

在役钢管混凝土拱桥吊杆钢丝腐蚀疲劳损伤机理

2024年11月30 00:00

为了评估在役钢管混凝土拱桥吊杆钢丝的剩余疲劳寿命,以某服役满20年拱桥所更换下来的吊杆内部高强度钢丝为研究对象,进行不同时间的加速腐蚀,获得不同腐蚀程度的钢丝试件; 对试件钢丝进行表观检测、称重、疲劳试验和断口形貌分析,得到了不同腐蚀程度下钢丝的表面粗糙度、质量损失率、断裂机理和疲劳寿命,通过Weibull模型对疲劳寿命数据进行分析,得到了不同失效概率下吊杆钢丝的剩余疲劳寿命公式。结果表明:随着腐蚀程度的增加,吊杆钢丝表面粗糙度和质量损失率的数值不断增加,疲劳寿命降低且疲劳断口均为脆性破坏,打磨后的钢丝疲劳寿命有所提升; 相同失效概率下,吊杆钢丝剩余疲劳寿命将随着应力比的增加或腐蚀程度的增加而减少; 研究结果可为吊杆钢丝的服役状态和疲劳寿命预测提供参考。

焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响

2024年11月30 00:00

为研究焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响,基于建立的热力顺序间接耦合的有限元分析方法,对拱肋相贯节点的焊接温度场和残余应力场进行数值模拟,结合文献试验结果验证了有限元分析方法的准确性。然后对湘渝高速双堡桥拱脚处拱肋相贯节点进行焊接温度场和残余应力场的数值模拟。在此基础上,通过参数分析研究对比了不同焊接热输入和焊接速度以及进行焊前预热和焊后热处理等不同焊接工艺对拱肋相贯节点不同位置的残余应力影响。结果表明:不同焊接热输入和焊接速度下拱肋相贯节点的焊接残余应力分布规律基本一致,变化规律表现为焊接残余应力与焊接热输入呈正相关关系,与焊接速度呈负相关关系; 随着焊接热输入的减小和焊接速度的提高,拉压残余应力整体减小,拱肋相贯节点经过焊前预热150～200 ℃以后,残余应力的峰值应力总体降低4%以上,但焊前预热对残余应力分布基本没有影响,更高的焊前预热温度能更有效地降低残余应力的峰值应力; 拱肋相贯节点经过550～650 ℃保温温度下保温4 h的焊后热处理以后,焊接残余应力总体降低幅度在40%以上,更高的保温温度能更有效地降低焊接残余应力; 钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点可通过减小焊接热输入和提高焊接速度的焊接工艺、焊前预热处理和焊后热处理来减小焊接残余应力。

湿陷性黄土场地中单桩承载力与负摩阻力试验研究

2024年11月30 00:00

为了研究湿陷性黄土场地中土体湿陷引起的桩基承载力问题,在平凉市某工程现场利用机械成孔灌注桩(桩径0.8 m,桩长26 m)进行荷载-特殊浸水试验,对试验过程中不同深度处的桩身轴力和桩侧摩阻力进行分析。结果表明:天然状态下试验桩极限承载力大于13 200 kN,受力特性为典型的摩擦桩; 由于前期泥浆护壁施工方式对孔壁的浸水影响以及桩周土沿桩长方向上物理力学性能分布的不确定性,侧摩阻力沿深度出现多个峰值,最大值均出现在泥浆护壁以上(桩身2～6 m)位置处; 在渗水孔与渗水坑相结合的特殊浸水试验条件下,桩侧负摩阻力在浸水试验第8 d时趋于稳定,中性点在桩身8 m位置处,负摩阻力为107.6 kPa; 试验过程中桩周土沿桩长分段发生湿陷,而不是随浸水自上到下逐渐湿陷; 受到预浸水作用的试件SZH在静载试验结束后的中性点出现在桩身12 m位置处,负摩阻力为127.8 kPa,人工浸水试验主要使桩身8 m位置以上桩身轴力增大,中性点位置保持不变,表明负摩阻力受桩顶荷载、浸水方式和浸水固结时间影响显著。

微型钢管桩-锚杆新型组合基础承载特性研究

2024年11月30 00:00

为解决输电线路传统锚杆基础材料耗量大、施工安全问题突出、环水保效益差、施工工期长以及运输不便的问题,提出了一种装配式输电线路型钢群锚基础,包括型钢结构、微型钢管桩-锚杆新型组合基础。采用有限元方法建立了单根微型钢管桩-锚杆组合基础的三维精细化数值模型,研究了多种荷载工况下组合基础锚筋、灌浆体、钢管及周围岩体的应力场与位移场变化规律,并与普通锚杆基础计算结果进行了对比分析; 分析了钢管尺寸、岩体强度等因素对新型组合基础承载性能的影响规律。讨论了新型组合基础水平位移与岩体强度的定量关系; 将钢管、钢管内侧混凝土与锚筋简化为整体力学模型,基于Winkler弹性地基梁法建立了单根微型钢管桩-锚杆组合基础的水平位移计算方法,并将计算结果与数值模拟结果进行对比。结果表明:相同工况下新型组合基础锚筋、灌浆体与周围岩体的应力及位移更小,新型组合基础适用于岩体等级为极软岩的情况; 多种荷载工况下新型组合基础产生的位移随着岩体强度降低而逐渐增大,当岩体质量较差时,可采用增大钢管的横截面面积及长度等措施限制组合基础的水平位移。

颗粒级配对压实砾砂类氯盐渍土溶陷特性的影响

2024年11月30 00:00

为探究颗粒级配对砾砂类氯盐渍土溶陷特性的影响,针对压实砂类(砾砂、粗砂、中砂)及砾石类盐渍土开展室内溶陷试验,并基于试验数据,采用SPSS软件构建了溶陷率与各影响因素关系的分析模型,明确了砾砂类氯盐渍土溶陷敏感参数及权重。结果表明:砾砂盐渍土的溶陷率随细颗粒含量和2～5 mm颗粒含量增加均呈先增大后减小的趋势; 粗砂和中砂盐渍土的溶陷率随细颗粒含量的增加而减小,随2～5 mm颗粒含量的增加而增大; 砾石类盐渍土的溶陷率随细颗粒含量的增加而增大,随含盐量的增加呈先增大后减小的趋势; 对于砾砂,细颗粒含量、2～5 mm颗粒含量对其溶陷率的影响权重分别为0.864、0.126,对于粗砂,细颗粒含量、2～5 mm颗粒含量对其溶陷率的影响权重分别为0.257、0.722,对于中砂,细颗粒含量、2～5 mm颗粒含量对其溶陷率的影响权重分别为0.573、0.411,对于砾石类盐渍土,含盐量、细颗粒含量、2～5 mm颗粒含量对其溶陷率的影响权重分别为0.681、0.234、0.049。

多排微型抗滑桩极限抗滑力的数值模拟研究

2024年11月30 00:00

对多排微型桩群在土体水平位移作用下的响应开展数值模拟研究,微型桩的建模充分考虑了其塑性变形的特性,并通过对已有的桩抗弯试验建立精细化有限元模型获得了桩体参数。在分析微型抗滑桩响应的基础上,推导了适用于微型抗滑桩的简化极限抗滑力计算公式,研究了微型桩排距和滑动面摩擦因数的影响。结果表明:多排桩能调动相对单排桩更大深度范围的桩土相互作用,结构整体刚度更高,但同时群桩效应降低了桩土相互作用力,多排桩中单桩抗滑力仅为单排桩情况下的50%～70%; 滑动面摩擦因数对多排桩的影响大于单排桩,增加该系数明显降低了桩土相互作用力,提高了桩的影响深度范围,导致抗滑力降低; 增大排距可整体上提高多排微型桩的抗滑力,当排距小于7倍桩径时,增大排距主要降低了桩的影响深度范围,而当排距大于7倍桩径时,则主要是通过改变桩土相互作用力的分布来增加抗滑力; 所提出的桩抗滑承载力计算公式较好地反映了微型桩的受力特征,具有进一步研究和推广的价值。

考虑涂抹作用的砂井地基大应变非线性固结分析

2024年11月30 00:00

假定土体中渗流符合非达西渗流,通过引入有效应力及渗透系数与孔隙比间的双对数模型描述软土非线性压缩特性,建立能同时考虑涂抹作用的砂井地基大变形固结模型,并用有限差分法对该模型求解。通过退化数值解与等应变条件下的解析解及现有试验的对比,验证了该解答的可靠性,并对影响砂井地基非线性固结的参数进行了分析。结果表明:在考虑涂抹作用的3种模式中,涂抹区渗透系数呈抛物线变化时固结最快,为常数时最慢; 相较于渗透系数为常数,涂抹区渗透系数线性变化时固结度最大相对偏差达到35.7%,沉降量最大相对偏差达到26.7%; 涂抹区渗透系数呈抛物线变化时固结度最大相对偏差达到36.9%,沉降量最大相对偏差达到28.4%; 双对数坐标系下的压缩指数和渗透指数增大,砂井地基固结速率减慢,压缩指数增大时最终沉降量增加,而渗透指数不影响最终沉降量,相较于压缩指数I_c=0.08,I_c=0.1时固结度最大相对偏差达到21.7%,最终沉降量偏差0.030 m; I_c=0.12时固结度最大相对偏差达到37.9%,沉降最大偏差达到0.059 m; 相较于渗透指数α=6,α=10时固结度最大相对偏差达到39.3%,α=14时高达61.9%; 考虑非达西渗流砂井地基固结速率更慢,固结度最大相对偏差可达16.5%。