最新刊期
      2021 年 第 53 卷 5 期

        水利与土木工程

      • 潘华利,李炳志,邓其娟,欧国强,孔玲
        2021, 53(5): 1-9. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000806
        摘要：建立考虑沟床侵蚀、坡面汇流以及上空降雨共同作用下沟道流体运动的水土耦合模型，可以为流域风险评估、防灾减灾和潜在性泥石流沟判识等提供理论依据。通过分析沟道流体对沟床可移动固体物源的侵蚀过程，并将其与具有时空变异性的坡面汇流及上空降雨进行合理耦合，建立了小流域沟道流体运动的水土耦合模型；采用有限差分法对流体运动水土耦合模型进行时空离散，得到了沟道流体运动数值离散模型；在此基础上，基于MATLAB语言编写了流体运动数值离散模型的求解程序；同时，以来流流量及沟槽坡度为控制变量开展了室内模型实验，观测不同工况条件下沟槽控制点处流体流深、流速以及流体容重的变化情况。通过对所得到的12组水槽实验的实验结果进行数据分析，发现在沟槽坡度保持不变的条件下，沟槽控制点处流体流深及流体流速与来流流量之间呈正相关关系，流体容重与来流流量之间呈负相关关系；同时，将沟槽控制点处流体流深、流速以及流体容重的数值求解结果与实验测量结果进行对比分析，发现流体流速和流体容重的模拟精度均高于90%，流体流深的模拟精度高于80%。表明所建立的小流域沟道流体运动的水土耦合模型基本合理，所采用的数值离散方法及所编写的模型求解程序较为可行。  
        关键词：沟床起动;流体运动模型;水土耦合;有限差分法;数值离散   
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        发布时间：2024-01-10
      • 蒋学炼,刘畅,赵悦,杨伟超,柳淑学,朱福明
        2021, 53(5): 10-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000991
        摘要：采用粒子图像测速技术（PIV）和基于雷诺时均纳维尔–斯托克斯方程（RANS）的数值模型研究了斯托克斯2阶波作用下抛石基床矩型潜堤周围的流体分离与涡流结构。越堤前后试验波面发生了非线性变形，迎浪面波形的不对称度和偏度分别为–0.21和0.04，波面前倾，背浪面波形的不对称度和偏度分别为–0.39和0.99，相对于垂直轴和水平轴的不对称性更显著。由PIV数据得到的相平均速度场和涡量场显示，迎浪面和背浪面周期性地生成顺时针涡和逆时针涡，但均未能充分发展，由随后到来的变向水流携带与自由液面或结构表面相互作用而耗散。迎浪区域的涡对运动范围较窄，局限于距离堤面约0.5倍Keulegan–Carpenter数的范围内，波能损耗小，背浪区域的涡对扩散范围较大，局限于距离堤背约1倍Keulegan–Carpenter数的范围内，波能损耗大。迎浪基肩上存在一个小型环流系统，影响范围约2个水质点运动轨迹，可能引起局部冲刷。基于RANS–VOF（volume of fluid）格式构建了数值波浪水槽，借助试验数据探讨了不同造波方法的适用性和海绵层的消能效果，进一步研究了边界层的分离现象。数值结果表明，涡旋的涡量供应主要来自结构表面的剪切边界层，而这些反旋涡量是由前一时刻的分离涡运动引起的逆压梯度诱导生成的。涡旋的生成、泄放、拉伸、对流、耗散会显著改变水下结构物周围的局部流场，进而影响局部冲淤和受力，工程设计中应考虑涡旋引起的复杂流动效应。  
        关键词：非线性波;矩形潜堤;速度场;涡量场;流体分离   
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      • 崔强,郭超溢,张楷,张传庆
        2021, 53(5): 21-31. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001045
        摘要：解决新时期电网“绿色建设”的需求，研发并应用新型环保型杆塔基础是电网建设中的首要任务之一。本文提出一种改进的薄壁锥端注浆微型钢管桩，通过现场试验，研究该类钢管桩的抗拔承载特性。以双楼—交河220 kV线路工程为背景，设计出$\varnothing $159和$\varnothing $203 mm两种桩径、5 和8 m两种埋深、注浆与不注浆两种条件，共18根钢管桩，开展18组试验桩的现场抗拔承载特性试验，对比分析了注浆作用对不同型号抗拔桩荷载位移曲线、抗拔承载力及桩周土体破坏模式的影响；基于现场试验获取的桩土界面破坏机制，建立桩土体系的有限元模型，对钢管桩上拔变形破坏过程进行数值模拟分析，重点佐证了现场试验中得出的桩土界面破坏模式；通过测试注浆前后桩周土体的抗剪强度参数和微观结构，分析注浆作用对桩周土体影响的宏微观机制。结果表明：1）注浆前后钢管桩荷载位移曲线由陡变型转变为缓变型，塑性变形特性增强；2）注浆前后，钢管桩抗拔承载力提高59%～148%，提高幅度与其长细比呈负相关；3）未注浆钢管桩发生破坏时，地表土体鲜见裂缝，桩体近乎被抽出，注浆钢管桩破坏时地表土体出现径向与环向裂缝；4）注浆过程中的浆液向土体空隙中不断渗透，充填了大量空隙，从而加固了桩周土体，最终在钢管桩周围形成水泥固结体，并与桩周土体之间形成剪切面，这一结论同时得到数值模拟结果的佐证。注浆作用对钢管桩抗拔承载力的影响机制主要体现在有效剪切面积的加大和桩周土体侧摩阻力的提高两个方面。工程应用表明，该桩型具有施工周期快、承载力高、对周围环境破坏小的优点，在双楼—交河220 kV线路工程中应用效果良好。  
        关键词：输电线路;注浆钢管桩;现场试验;CT扫描;数值模拟;抗拔承载力   
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      • 杜永峰,李虎,李芳玉
        2021, 53(5): 32-42. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000690
        摘要：基础隔震结构对于隔震层的整体性要求较高，隔震层构件的连接性能则直接影响着隔震层的整体性和抗震性能。本文针对预制装配式混凝土框架隔震结构的隔震层部分，对梁底纵筋的焊接连接方式进行了改进并开展拉拔试验，提出了一种框架节点连接方式。利用ABAQUS建立了新型隔震层框架节点与传统现浇节点的有限元分析模型，施加低周往复荷载作用，对比两类节点的整体性和抗震性能差异，并对新型隔震层框架节点的连接构造进行改进。分析结果表明：采用钢板焊接连接时，钢筋连接试件的抗拉强度与通长钢筋接近，在钢板上开槽再焊接可显著减小连接钢板的弯曲变形；预制装配式隔震层框架节点的承载能力、刚度和耗能能力均低于现浇节点，但变形能力较强；在预制梁端部增设锚固钢筋后，梁端局部区域的配筋增大，预制装配式隔震层框架节点的承载能力、刚度和变形能力均显著提高，由于锚固钢筋抑制了梁端受力纵筋的塑性发展，因此其耗能能力降低；改进的预制装配式隔震层框架节点的承载能力、刚度和变形能力均强于传统现浇节点，具有良好的结构整体性，可用于实际工程。  
        关键词：预制装配式混凝土;焊接;拉拔试验;整体性;数值模拟   
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      • 吴长,王仁红,丁金伟
        2021, 53(5): 43-52. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000654
        摘要：为了研究C型冷弯薄壁钢构件在横向冲击荷载作用下的动力性能，本文选用两组共12个冷弯薄壁槽钢梁构件进行冲击试验，并将试验构件的变形模式和试验测得的位移极值与ANSYS/LS–DYNA有限元模拟所得的结果进行对比分析，结果表明：两者的构件变形模式相似，位移极值差值均在8.0%以内，表明ANSYS/LS–DYNA有限元模型能够准确有效地模拟该构件的动力响应结果。采用该数值模型依次分析了不同冲击参数（密度、速度和角度）对C型冷弯薄壁槽钢梁构件的变形模式和动力性能的影响，结果表明：当冲击物的密度在2000～8000 kg/m3内，以2000 kg/m3的增量增大时，构件冲击力最大增加25.5%，竖向位移最大值为20.30 mm，应变能稳定值所占峰值的比例基本保持在60.0%左右；当冲击物速度在3～9 m/s内以3 m/s的增量增大时，构件冲击力最大增幅为79.1%，竖向位移最大值为26.78 mm，应变能稳定值所占峰值的比例基本保持在60.0%左右；当冲击物冲击角度由30°增加到90°，构件冲击力最大增幅为41.4%，竖向位移最大值为20.09 mm，应变能稳定值所占峰值的比例在60.0%～70.0%之间。因此，冲击物的密度、冲击速度与冲击角度的改变，对构件的变形和破坏程度均有影响，但冲击速度的改变对构件变形程度的影响最为显著。  
        关键词：薄壁构件;冲击荷载;塑性变形;动力响应   
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        发布时间：2024-01-10
      • 阿比尔的,向钰周,郑颖人,柴少波,袁和川,刘露
        2021, 53(5): 53-61. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000933
        摘要：围岩破坏模式分析是地下工程围岩稳定性分析、控制和支护设计的基础。围岩开挖是一个径向应力减小、轴向应力增大的复杂加卸载过程，当前常采用超载试验研究隧洞围岩的破坏模式。围岩的应力路径是影响其破坏模式的重要因素，而超载试验的围岩应力路径不同于加轴压、卸围压路径。为对比隧洞围岩在不同应力状态下的破坏模式，利用WE–600B型液压式万能试验机和自主设计的隧洞模型试验仪，采用相似模型试验方法，研究隧洞围岩在超载和开挖卸载过程中的应变演化规律及破坏面发展过程。应变演化规律方面：两种工况下，拱底均产生一定的拉应变；开挖卸载模式下，侧墙和拱腰处的应变增速大于超载模式，围岩向临空面的变形速度更快，破坏发展更快。破坏面发展方面：超载时，直墙两侧围岩整体剥落，剥落体保持完整；开挖卸载模式下，直墙两侧围岩向临空面逐层挤压溃曲，剥落体的完整性差，即开挖卸载路径下的围岩破碎程度更大。超载工况下，破坏过程由低应力时的拱底拉裂转变为高应力时的侧墙拉剪耦合的“V”型片帮剥落破坏；两种卸载工况下，破坏过程均为侧壁楔体剪切破坏和竖向张拉破坏耦合的“V”型片帮劈裂破坏。  
        关键词：隧洞围岩;超载试验;开挖卸载试验;应变演化;破坏面发展;破坏模式   
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      • 张海龙,汤杨,任汀,大久保诚介
        2021, 53(5): 62-69. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000849
        摘要：地下工程中，岩体有蠕变特性和应力松弛特性，但在很多工程实践中，岩体变形既不是纯蠕变，也不是纯应力松弛，而是随着时间的增加，应力和应变同时发生变化，表现出时间依存性变形，导致岩体最终发生破坏，这种现象用一般的蠕变和应力松弛特性很难解释清楚，是岩石力学研究工作者所面临的一个难题。为确保地下工程及其构筑物在长期运营过程中的安全与稳定，需要通过广义流变理论对岩体流变力学特性进一步深入研究。在线性黏弹性理论中，蠕变柔量和松弛模量分别由蠕变试验和松弛试验获得，两者呈线性流变特征，数值上互为倒数关系，且可相互转化，没有本质区别。但在非线性黏弹性理论中，蠕变柔量和松弛模量两者关系还不明确，由应力归还控制实现的广义流变为研究两者关系提供了可能。利用应力归还控制的伺服试验系统执行启动点为50%和80%田下凝灰岩的广义流变试验，使用同样的加载方式执行启动点为50%、65%和80%三城目安山岩广义流变试验，两种岩石的广义流变方向系数均为3.0、±∞、–3.0、–1.0、–0.3、0、0.3。结果显示：两种岩石的广义流变演化规律具有相似性，且应力和应变随时间变化的规律符合对数法则。本文在线弹性蠕变柔量和松弛模量的基础上，定义了广义关联应变和广义关联应力，并提出广义流变柔量和模量的计算方法。对两种岩石的广义流变试验结果进行计算。由计算结果可以看出，该计算方法具有广义性；蠕变柔量和松弛模量是广义流变属性的两种特殊形式。两种岩石广义流变柔量和模量都与黏弹性变形相关，具有明显的时间依存性、方向系数依存性和非线性流变特征；广义流变柔量和模量的比值随着时间的增加逐渐减小，表明破坏前岩石刚性逐渐降低，变形逐渐增大。因此，本文构建的计算方法可进一步分析岩石破坏前和破坏后刚度和塑性变形的定量关系，为研究岩石的时间效应奠定了基础，对评估地下工程的长期稳定性具有重要的意义。  
        关键词：广义流变柔量;广义流变模量;非线性黏弹性;刚性;塑性变形   
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      • 李健,韩广强,李峰,苗吉军
        2021, 53(5): 70-80. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000611
        摘要：双钢板组合剪力墙结构因其整体性好、刚度大、抗剪承载力高等优点而广泛应用于高层建筑。本文分析了L形截面双钢板组合剪力墙结构的受力特点，通过有限元软件ABAQUS对L形截面双钢板组合剪力墙建模分析，并将结果与试验结果进行了对比。通过有限元参数化建模，研究了轴压比、钢板厚度、钢材强度等级、混凝土强度等级、端部H型钢尺寸等主要参数对剪力墙滞回性能的影响及其特征。研究结果表明：有限元模拟与试验结果较吻合，试件的承载力随试件的高宽比减小而增大，增加钢板厚度及端部H型钢尺寸、提高钢材强度等级及混凝土强度等级都会提高L形截面双钢板组合剪力墙承载力，混凝土强度及在无翼缘腹板处增设H型钢是影响承载能力的主要因素。建议对L形截面双钢板组合剪力墙的设计轴压比不宜大于0.4。  
        关键词：L形截面双钢板组合剪力墙;有限元分析;参数化分析;端部加强;拟静力试验   
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      • 张为,李昕,任金秋
        2021, 53(5): 81-88. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001126
        摘要：滞后性是河流系统自动调整的重要特征之一，以往对于三峡水库泥沙淤积滞后响应规律的研究相对较少。本文采用实测资料分析与滞后响应模型等理论模型研究相结合的方法研究三峡水库泥沙淤积响应规律。首先，统计三峡水库蓄水以来水沙条件及泥沙淤积特性变化，分析梯级水库蓄水对三峡水库水沙条件及库区泥沙淤积的影响，在此基础之上，通过考虑入库流量、含沙量、泥沙中数粒径以及坝前水位优化已有的库区泥沙淤积滞后响应模型。从已有的及优化后的模型模拟结果可以看出：1）优化后的泥沙淤积滞后响应模型能够更好地模拟梯级水库蓄水后三峡水库泥沙淤积的过程；2）梯级水库蓄水后，三峡水库来水来沙变幅减小，来沙更加集中在汛期，河道调整速率加剧，河道调整的时间尺度有所缩短，表现为三峡水库泥沙淤积滞后响应年限从前期4 a缩短到前期3 a；3）梯级水库蓄水后，入库含沙量对于库区泥沙淤积过程的影响权重有所增加，对入库流量及坝前水位对库区泥沙淤积过程的影响权重降低。三峡水库泥沙淤积过程存在滞后性，本文采用优化后的三峡水库泥沙淤积滞后响应模型分析得到梯级水库蓄水后，三峡水库入库来沙更加集中在汛期，三峡水库泥沙淤积滞后响应年限缩短，入库含沙量对于库区泥沙淤积的影响占比增加。  
        关键词：三峡水库;滞后响应模型;泥沙淤积   
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      • 徐进,杨伟涛,陈征,王少伟
        2021, 53(5): 89-97. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000936
        摘要：过量开采地下水引起的地面沉降是一种严重的环境地质灾害，其具有土层变形长期发展的特点，弱透水层黏性土与含水层砂土的流变性是导致这一现象的重要原因之一。为此，采用广义开尔文模型描述弱透水层和含水层的流变性，结合太沙基1维固结理论和连续性条件，建立了水位变化诱发弱透水层–含水层双层系统流变固结的控制方程和定解条件。利用Laplace变换，给出基于传统矩阵传递法和边界转换法，分别推导了该双层系统在Laplace域内孔压和沉降的计算公式；采用Stehfest逆变换方法进行数值模拟并编写计算程序，得到真实物理空间解。通过与已有单层解析解、双层模型试验值和数值模拟结果的对比，验证了本文解法和程序的正确性。对比研究表明，相比于传统矩阵传递法，边界转换法可以将混合边界条件转换成单一边界条件，具有更高的计算精度和计算效率。最后，基于边界转换法，利用总沉降定义的固结度，研究了土体黏滞性系数、渗透系数以及水位下降速率等因素对土层长期变形的影响。结果表明：渗透系数和水位下降速率的影响主要体现在前中期，渗透性越小，水位下降速率越慢，固结发展得越慢；黏滞性系数的影响则主要体现在土层变形的后期，黏滞性越强，同等水位变化条件下变形完成所需时间越长。  
        关键词：地下水位变化;地面沉降;双层地基;黏弹性模型;半解析解   
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      • 钱龙霞,李汉霖,汪腾,王艺玮,王红瑞
        2021, 53(5): 98-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000904
        摘要：气候变化和人类活动的双重作用使得流域水文过程发生显著变化，水文序列变异诊断研究对防洪减灾、生态环境保护具有重要的科学意义和应用价值。传统水文变异诊断方法存在多点检测能力不足、主观性较强、精度较低等问题，本文建立了一种基于启发式分割算法和近似熵的水文变异诊断耦合模型，主要建模步骤如下：首先，用近似熵刻画水文序列各点的动力学状态，基于数据滑动技术充分获取随着滑动窗口移动而变化的近似熵序列；其次，运用启发式分割算法依次对各点进行一分为二的迭代计算、对比，得到每个点的检验统计值和置信概率；最后，根据置信概率结果判断是否对近似熵序列进行水文动力学状态划分，确定变异点的数目和位置。利用耦合模型对窟野河温家川站1956—2019年的年径流序列进行变异诊断研究，结果表明，窟野河年径流序列在1983年和1996年发生了变异，与实际情况基本吻合。通过模拟实验，证明耦合模型具有如下潜力：1）对于强趋势变异检测性能优异，弱趋势变异时在特定滑动步长下具有良好表现。2）当设置不同的参数时，耦合模型对于弱趋势动力学结构变异检测具有较好的性能，检测误差较小。3）当样本量较高（N=4 000～8 000）时，权重误差均较小，耦合模型检测到的变异区间中包含设置的理想变异点，且样本量越大，检测越精确；在样本量较低（N=60～3 000）时，检测的变异区间与真实变异点较接近，检测效果可以接受。  
        关键词：变异诊断;近似熵;启发式分割算法;耦合模型;窟野河   
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      • 马险峰,邹宇翔,李向红,洪斌
        2021, 53(5): 110-117. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000744
        摘要：顶管工程同步注浆是减小地层扰动和最终地层沉降的一种重要手段。为研究注浆压力与顶管工程最终地层沉降的关系，在实际工程中选择合理的注浆压力和注浆量以减小顶管法对周围地层的扰动，为顶管工程同步注浆技术改进提供理论和试验支持，本文首先从土体颗粒和膨润土分子的结构特征角度对地层和泥浆的互相作用及沉降机理进行分析，提出4个沉降阶段的理论假设；然后，使用岩土工程离心机和自主研制的顶管工程注浆模拟系统进行缩尺模型试验，模拟现场不同注浆压力下的顶管顶进，通过对各组试验沉降曲线对比分析，验证理论分析部分的结论；最后，将试验中的注浆压力等相关参数应用于苏州东汇公园顶管工程，并在现场布置沉降测点，发现现场监测数据规律与试验结果吻合，进一步验证了本文的结论。研究表明：注浆后的沉降可分为土体塌陷阶段、渗透失水阶段、泥皮形成阶段和补浆抬升阶段，其中：土体塌陷阶段时间短，沉降速度快；渗透失水阶段持续时间长，总沉降量大，为地层沉降的主要部分；泥皮形成阶段，膨润土分子在泥浆–地层接触面堆积形成泥皮，浆液不再大量向地层渗透，使得地层沉降大幅减缓；最后的补浆抬升阶段，泥浆的注浆压力作用于泥皮，对上覆土产生推力，产生沉降补偿作用。注浆压力和注浆量的大小对最终地层沉降的影响很大，过小的注浆压力和注浆量会增大土体塌陷和渗透失水造成的地层沉降，而过大的注浆压力产生的过度沉降补偿作用甚至会使地表隆起。选择合理的注浆压力和注浆量对于控制地层沉降至关重要且效果显著，可应用于现场各类顶管工程。  
        关键词：注浆压力;地层沉降;沉降机理;岩土离心机试验;注浆模拟系统   
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      • 王秀丽,冯竹君,曾在平,申亮,李杰
        2021, 53(5): 118-126. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000655
        摘要：为了有效改善大跨度桥梁中管翼缘焊接箱型截面构件的耐久性问题，提出采用耐候钢代替普通钢的管翼缘箱型截面梁；同时，为了研究耐候钢管翼缘焊接箱型截面构件填充混凝土后，在全熔透和部分熔透条件下的单轴承载力性能，开展了焊接矩形截面在3种不同焊缝熔深下的耐候钢管混凝土截面轴压短柱试验研究；分别测试每个试件在单轴压力作用下的静态应变、动态应变，以及竖向位移和侧向位移；对比构件承载力的试验结果及理论分析结果，得出不同熔深下焊接箱型截面管翼缘组合构件的承载力性能。研究结果表明：1）耐候钢管翼缘焊接箱型截面构件的全熔透焊缝承载力高于部分熔透焊缝承载力。2）构件开裂时的竖向位移值，全熔透构件比部分熔透构件大；不同熔深下构件的横向位移值，测点L4随轴压荷载的增大而增加，测点L3随轴压荷载的增大先增加后减小。3）构件内部混凝土应变值，开裂时全熔透构件比部分熔透构件突变小；构件表面钢材竖向应变，整体受压，且随荷载增大而增大；构件表面钢材横向应变，整体受拉，局部在顶部四角位置受压。  
        关键词：耐候钢;管翼缘焊接箱型截面构件;轴压承载力;焊缝熔深;钢管混凝土   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王德斌,夏青,孙治国,王东升,刘朵
        2021, 53(5): 127-137. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000910
        摘要：现有跨海桥梁抗震分析研究仍选用陆地地震动而忽略了海底与陆地地震动间的差异，且处于海洋环境中的桥梁下部结构在长时间流水冲刷下，桩周土体流失进而导致结构稳定性降低。本文以某跨海大桥引桥段为例，利用ABAQUS建立有限元计算模型，考虑桩土作用和动水压力等因素影响，采用概率地震需求分析方法对不同冲刷环境下陆地和海底地震动作用下的桥墩、支座进行易损性分析。通过绘制桥墩、支座超越概率易损性曲线和超越概率增幅柱状图研究桥梁关键构件在海陆地震动和不同冲刷深度下的损伤发展规律。结果表明：对比陆地地震动作用，海底地震动作用下的桥墩更易损坏，且随着土体局部冲刷深度增加，桥墩破坏概率持续提高；冲刷深度对桥墩纵桥向破坏超越概率影响更为明显，同等强度地震动激励下，桥墩纵桥向破坏超越概率高于横桥向。支座较桥墩在相同工况作用下更易发生破坏，海底地震动作用下其破坏超越概率增幅普遍高于陆地地震动作用下；随着冲刷深度增加，支座破坏超越概率逐渐提高，且随着地震动强度的增加，相较于陆地地震动，海底地震动作用下支座破坏超越概率受冲刷深度的影响更加明显。  
        关键词：桥梁抗震;海陆地震动;局部冲刷深度;桩土作用;易损性分析   
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      • 庄艳峰,刘娅妮,郭康仕
        2021, 53(5): 138-145. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000858
        摘要：本文对电渗模型中电阻测量方法进行了改良，提出串联法代替当前的电势测针法和夹具法，并提出适用于测量EKG电极电阻的走线法。串联不同长度的电渗土体测量电极与土体间的接触电阻，消除了电势测针法中测针与电极之间一段土体电阻值的误差影响，同时避免了电势测针插入土壤对土壤电流分布的影响；串联不同长度的电渗电极测量电极电阻率时，消除了夹具法测量时夹具和电极之间接触电阻的误差影响。结果表明：电势测针法所得的接触电阻与串联法得到的接触电阻的比值大多为1.3～1.4，验证了电势测针法将测针与电极间的一段土体值计入了接触电阻，造成测得的接触电阻偏大，故该比值的大小取决于该段土体的电阻值；串联法对于当前应用广泛的EKG电极并不适用，提出的走线法测量EKG电极电阻率能消除电极板内因嵌入铜制导线而电流分布不均的影响，测量结果基本不受电极长度的影响，具有良好的可靠性和稳定性，且测量便捷，方便应用于EKG电极生产工艺中，有比较广阔的应用前景；走线法测量EKG电极所得的电阻率与夹具法得到电阻率的比值大多为0.08～0.10，该比值主要与夹具和电极板间的接触电阻相关，该接触电阻仅取决于夹具和电极板，故可利用该比值对使用夹具法的测量结果进行修正；在许多室内试验和工程中均应用到了EKG电极，考虑EKG电极电阻率对整个试验和工程的能耗影响时，可参考电阻率比值0.08～0.10进行修正。  
        关键词：电渗;电极电阻;接触电阻;EKG电极   
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        发布时间：2024-01-10
      • 阿斯哈,周长东
        2021, 53(5): 146-154. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000675
        摘要：内嵌钢筋外包纤维布的复合加固方法可以有效提高古建筑木柱的受压承载力和变形能力，大幅提升其工作性能。为提出内嵌钢筋外包碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）布复合加固圆形短木柱轴心受压承载力的计算公式，本文共完成12组42根复合加固试件的轴心受压试验。试验结果表明：木柱的破坏主要发生于初始缺陷较为集中的区段，且复合加固方法能够提升木柱的承载力和变形能力，加固效果显著。基于经典的纤维布约束混凝土柱抗压强度理论，对CFRP布约束木柱相关试验数据进行拟合分析，进而提出3个CFRP布约束木柱的抗压强度计算模型。通过对比理论计算值与试验值，比选出适用的CFRP布约束木柱顺纹抗压强度计算模型，继而给出复合加固圆形木柱的轴心受压承载力计算公式。依据补充试验结果和与既有文献研究中试验数据的对比可知，理论计算能够较好地预测相关试验结果，从而验证复合加固圆形木柱轴心受压承载力计算公式的可靠性。  
        关键词：复合加固;内嵌钢筋;CFRP布;圆形木柱;受压承载力   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 刘志,匡鑫,王青萌,卢红
        2021, 53(5): 155-165. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000968
        摘要：为提升锥面包络蜗杆与二次包络蜗轮的模型精度，提出其复杂齿廓数字化建模方法与模型求解算法。基于蜗轮副成型过程构建了锥母面砂轮、蜗杆与蜗轮的坐标标架及数字建模系统，采用矢量法、微分几何和运动学等方法推导了蜗杆齿廓的啮合方程，运用空间变换矩和啮合理论建立了蜗杆齿廓的数字表征模型。以蜗杆齿廓为新母面进行二次包络运动，建立了二次包络蜗轮齿廓的啮合方程与数字模型。通过联立母面包络条件和蜗轮副齿廓边界，给出了蜗轮副齿顶和齿底环面母线方程，并构建了蜗轮副数字表征模型的约束条件。针对蜗杆与蜗轮齿廓成型特征，设计了复杂齿面数字表征模型的求解算法。在MATLAB环境下开发求解算法计算程序，计算蜗杆齿廓和蜗轮齿廓在不同坐标系下的接触样线，计算结果表明，蜗杆和蜗轮接触线均保持复杂的非线性。根据设计的求解算法计算出了蜗杆与蜗轮齿廓的全部啮合点云，采用逆向包络法验证了点云计算精度。在Creo环境下，对啮合点云进行包络拟合得到了蜗杆与蜗轮3维数字化模型，根据成型过程和啮合条件将蜗杆与蜗轮进行虚拟装配及运动仿真，验证建模效果和传动性能。建模实例和装配结果显示，蜗轮副计算点云精度保持在10–9与10–8级之间，传动效果与理论相符，证实了数字模型与求解算法的有效性与准确性。  
        关键词：锥面包络;二次包络蜗轮副;数字模型;求解算法   
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        发布时间：2024-01-10
      • 刘廷瑞,孙长乐,李善耀,张晓林,刘桂芳
        2021, 53(5): 166-174. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000469
        摘要：针对叶片的高频振动，阐述了抑制风力发电机叶片高频振动的尾缘襟翼主动控制方法。结构模型是基于周向反对称刚度（CAS）铺层设计的复合材料叶片梁模型，基于弹性挥舞/扭转位移的分析，纳入了由步进电机驱动的尾缘襟翼的角度控制。气弹系统的气动力是基于一种新颖的适合于尾缘襟翼的准稳态模型，其偏微分气弹方程组的求解是基于Galerkin法的离散化。通过基于尾缘襟翼摆角的主动控制成功抑制了叶片高频振动。主动控制是基于线性矩阵不等式（LMI）设计和状态观察器设计的H∞控制算法，其研究基于时域响应的稳定性分析和鲁棒控制方法，实现位移响应分析、鲁棒性能分析，以襟翼角度输入控制信号展示。LMI的优化机理是在选定鲁棒控制参数的基础上，优化不确定的鲁棒性能参数，使得被控位移和控制输入均保持在一个合理的范围。为降低全状态反馈时状态变量检测的误差影响，利用状态重构和状态观察器来改善控制性能，同时，对比不同的鲁棒性能参数和不同的风速激励下的高频振动控制结果，验证了基于LMI的H∞控制算法的可靠性和鲁棒性。基于S7–300 PLC和WinCC组态软件的“实时OPC技术”，采用一种过程控制实验，验证了控制算法在工程应用中的可行性，因为算法复杂性而无法在常规控制器硬件中运行的智能控制算法，提供了一种实时工程应用的可行性方案。  
        关键词：风力发电机;叶片高频振动;尾缘襟翼;主动控制;H∞控制   
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      • 李阁强,赵文奎,毛波,董振乐,李东林
        2021, 53(5): 175-182. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001048
        摘要：转叶舵机具有结构紧凑、机械效率高、安装简便等优点，在舰船上得到广泛应用。现有转叶舵机为单层液压摆动缸，舵叶转动区间受摆动缸结构限制具有饱和非线性。此外，舵叶受水动力干扰引起的冲舵、滞舵和跑舵现象，严重影响船舶航向控制和舵减摇效果。针对上述问题，以直驱式电液伺服转叶舵机为对象，在建立数学模型，分析水动力对舵角干扰的基础上，提出一种复式结构摆动缸操舵新原理。复式摆动缸采用双层结构，内层为舵驱动缸，外层为力矩解耦缸。内外层转子同向转动，可增大舵叶的工作区间，同时，外层力矩解耦缸转子输出助推力矩作用于舵驱动缸转子，可抵消水动力在驱动缸转子上产生的负载力矩，提高舵叶转动精度，解决舵机运动中的力位耦合问题；内外层转子反向转动，可使舵机及时制动、换向，提高舵机操纵性能。复式摆动缸用于转叶舵机，舵机系统具有较大的稳定裕量，幅值裕度为45.3 dB，相角裕度为99.2°，满足伺服系统设计指标。仿真分析表明：在有外负载干扰下，相较于单层摆动缸加控制策略的操舵方式，复式摆动缸操舵响应速度更快，无超调，达到稳态的速度提升约36%，且稳态误差维持在±0.05°范围内。在跟踪斜率为0.01°/s的斜坡信号时，转舵精度可保持在±0.03°位置误差带内，具有较高的位置控制精度。  
        关键词：转叶舵机;复式摆动缸;力矩解耦;位置控制   
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        发布时间：2024-01-10
      • 卫沅
        2021, 53(5): 183-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000953
        摘要：拟人机械臂的仿人运动作为仿人机器人的运动基础，一直都是研究的热点及难点。针对拟人机械臂仿人运动的模型多样化及运动相似性特点，提出了一种基于动作基元的拟人臂仿人运动规划算法，使拟人臂在满足仿人运动特点的基础上进一步提高运动的精度。首先，对手臂结构进行解耦，建立手臂模型，满足运动多样化要求。提出动作基元的提取法则，确定不同动作基元之间的连接方式，建立动作基元与拟人臂反解算法之间的映射关系。同时，提出了一种基于动作基元的运动框架，以满足不同拟人臂平台的仿人运动任务，实现方法的通用性。其次，针对多模型状态下的逆运动学求解问题，根据动作基元的运动特点，建立了不同动作基元模型下的拟人臂臂姿预测指标，实现拟人臂逆运动学的求解。最后，在仿人机器人NAO平台上分别进行了相似性实验验证和仿人运动实验验证。在相似性实验中，采用该方法使NAO产生仿人运动，并与实际人臂运动进行对比，运动过程中的肘部误差能够控制在1 cm以内，满足仿人运动的精度要求。在仿人运动实验中，该方法分别与最小势能法和最小二乘法进行了一组仿人运动对比，在相似度上分别提高了7%和58%。该方法的提出在保证拟人臂仿人运动精度的基础上，使复杂的仿人运动模块化、简单化、精确化。  
        关键词：拟人机械臂;仿人运动规划;动作基元;臂姿预测   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 杨东亚,田松,任俊芬,王宏刚,高贵,陈生圣,李伟涛
        2021, 53(5): 191-198, 206. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001141
        摘要：为了研究水润滑条件下试验载荷和速度对纳米磷化硅填料（Nano–SiC）改性超高分子量聚乙烯（UHMWPE）–橡胶复合材料摩擦学性能的影响，通过高温混炼、热压成型制备Nano–SiC辅以聚四氟乙烯（PTFE）填充改性UHMWPE–橡胶复合材料；采用MRH–3型环–块摩擦试验机探究4种不同载荷条件下复合材料的摩擦磨损性能，采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和非接触光学3维轮廓仪对试样微观磨损表面形貌分析，从微观层面探究改性复合材料的摩擦机理。试验结果表明：在定载变速条件下，速度由0.005 m/s升到0.541 m/s时，改性复合材料的动、静摩擦系数均呈现大幅下降趋势，摩擦系数波动归于平稳，黏–滑现象逐渐减弱直至消失。试验载荷和纳米粒子含量的变化与试样摩擦磨损程度呈负相关：在水润滑条件下，随着纳米粒子含量增加，摩擦系数与磨损率均出现明显降低，填充比例5%的复合材料摩擦学性能最佳，摩擦系数整体较UHMWPE–橡胶材料降低35%，磨损率降低46.6%，磨损表面形貌也随之发生改变；随着载荷的增加，复合材料的磨损率从1.25×10–6 mm3/(N·m)降至0.40×10–6 mm3/(N·m)。Nano–SiC的含量与工况载荷压力对摩擦磨损均存在一定影响，即填充适量Nano–SiC的UHMWPE–橡胶复合材料能减轻黏–滑现象，与一定工况压力下的对偶钢环组成的摩擦配副能有效改善摩擦性能，有利于减小水润滑轴承的磨损，增强传动系统服役寿命。  
        关键词：水润滑轴承;超高分子量聚乙烯;黏–滑现象   
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        发布时间：2024-01-10
      • 金宝丹,钮劲涛,张淼,赵建国,尹志刚
        2021, 53(5): 199-206. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000738
        摘要：为了研究纳米颗粒对城市污水处理厂低有机质剩余污泥厌氧发酵性能的影响，将纳米CuO（Nano–CuO）和纳米ZnO（Nano–ZnO）投至低有机质剩余污厌氧发酵系统。研究表明，Nano–ZnO发酵系统低有机质剩余污泥水解酸化性能显著高于Nano–CuO发酵系统。蛋白酶活性随着Nano–CuO和Nano–ZnO的投加量增加而增大，其中，投加量为100 mg/L时，蛋白酶活性分别为25.15 EU/mg VSS（Nano–CuO）和46.71 EU/mg VSS（Nano–ZnO），α–葡萄糖苷酶活性随着Nano–CuO和Nano–ZnO投加量先增加后降低，其中，10 mg/L Nano–CuO发酵系统蛋白酶活性最大为0.0037 EU/mg VSS，1 mg/L Nano–ZnO发酵系统蛋白酶活性最大为0.0039 EU/mg VSS。碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性均随着Nano–CuO和Nano–ZnO的增加而降低，而且Nano–ZnO系统磷酸酶活性显著高于Nano–CuO系统。辅酶420活性随着Nano–ZnO的增加而降低，但是随着Nano–CuO的增加而升高。terrimonas、chryseolinea、ferruginibacter等丰富的水解功能菌促进Nano–ZnO发酵系统较高的SCFAs产量。  
        关键词：剩余污泥;纳米氧化铜;纳米氧化锌;水解酸化;短链脂肪酸;生物酶活性   
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        发布时间：2024-01-10
      • 牟海燕,黄武,万娟,陈文清,敖天其
        2021, 53(5): 207-213. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001016
        摘要：工业活动和农业活动导致土壤镉污染日益加剧，蒙脱石和胡敏酸（humic acid，HA）作为土壤胶体中重要的功能组成部分，对镉具有良好的吸附性能。以胡敏酸为研究对象，通过切向流超滤对胡敏酸进行了4种分子量分级（<10 kDa，HA1；10～50 kDa，HA2；50～100 kDa，HA3；>100 kDa，HA4），结合傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）、元素测定、官能团滴定等表征分析，研究不同分子量胡敏酸对蒙脱石吸附镉的影响及作用机制。研究结果表明：随着胡敏酸分子量的增加，胡敏酸所含的羟基和羧基量减少而酚羟基和甲基的含量增加，芳香度变大，疏水性增强，pH值逐渐增大。三元体系中蒙脱石吸附的镉和胡敏酸的含量随着胡敏酸分子量的增大而增加。镉的初始浓度为50 mg/L时，HA、HA1、HA2、HA3、HA4与蒙脱石的复合体系对镉的吸附量分别为1.99、2.11、2.46、4.12、4.88 mg/g；各分子量胡敏酸作用下体系吸附的镉均以可还原态为主。胡敏酸分子量越小，越容易竞争吸附蒙脱石表面已结合的镉，并由于其强亲水性会将吸附的镉带入溶液中，使体系吸附的镉含量减少；随着胡敏酸分子量的增大，其与蒙脱石表面的竞争吸附作用减小，且此时胡敏酸进入蒙脱石层间的难度增大，在疏水作用下，吸附了镉的大分子胡敏酸会覆盖在蒙脱石表面，从而增加体系对镉的吸附量。  
        关键词：胡敏酸;蒙脱石;镉;分子量;吸附   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 梁洪卫,刘冬冬,阚玲玲,苏皓
        2021, 53(5): 214-218. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000920
        摘要：一般光路中传输信号存在光功率影响、外界振动干扰、光路本征噪声和环境温度变化引起的热运动影响，并且光纤对环境干扰极其敏感，任何环境的扰动都会带来相应的相位误差；同时，如果对信号进行预处理滤波，容易导致一些微小信息丢失，增大重构误差。针对微米级振动测量中内部共模噪声影响测量精度且增大重构误差的问题，建立了一种基于全光纤Fabry–Perot（F–P）干涉的差分测量系统。首先，根据F–P干涉原理的相位方程及2×2单模光纤耦合器在传输过程中直通臂和耦合臂具有90°的相位差特性，通过推导得到结构中两输出端探测器接收的信号大小相等、方向相反。然后，经两信号做差可以增大总体信号幅值，削弱共模噪声对信号的影响，增强信号质量。通过实验对干涉信号进行重构位移分析，实验结果表明：在镜面2 μm正弦振动中，合成信号的最大重构误差降低了0.4%；在粗糙表面1.4 μm振动测量下，重构误差降低了2.8%；差分结构能降低测振重构误差，重构波形更加平缓。  
        关键词：激光测振;法布里–玻罗干涉;差分系统;消噪   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨永鹏,杨真真,李建林,范露
        2021, 53(5): 219-226. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000412
        摘要：视频前背景分离的主要目的是从视频中提取感兴趣目标，但是由于噪声、光照变化等的影响使其仍是计算机视觉等领域最具有挑战性的任务之一。截断核范数（truncated nuclear norm，TNN）算法是一种经典的鲁棒主成分分析（robust principal component analysis，RPCA）算法，被广泛地应用于视频前背景分离。但是，该算法中的截断核范数对传统鲁棒主成分分析中的秩函数逼近度不高，导致其稳定性不强，对一些复杂场景下的视频前背景分离精度不高。针对该问题，本文提出了一种改进的截断核范数（improved truncated nuclear norm，ITNN）算法。该算法首先采用非凸γ范数替代TNN模型中的核范数，并分析了相对于核范数而言，非凸γ范数对秩函数具有更高的逼近度，同时提出了该算法所对应的模型；其次，为了求解提出的模型，本文引入了广义交替方向乘子法（generalized alternating direction method of multipliers，GADMM）对该模型进行求解；最后，将提出的ITNN算法应用于多个公共视频的前背景分离实验中，并通过展示提取不同视频的前景效果，从视觉角度验证了ITNN算法的有效性。同时，计算提出算法和对比算法提取的视频前景的F-measure值，从量化的角度进一步验证了ITNN算法的有效性。另外，实验还记录了各算法的视频前背景分离的运行时间，验证了ITNN算法的效率。总之，本文通过实验验证了提出的ITNN算法在视频前背景分离中的有效性和优越性。  
        关键词：鲁棒主成分分析;截断核范数;广义交替方向乘子法;非凸γ范数;前背景分离   
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        发布时间：2024-01-10
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