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基于离散元模拟的砂土三维临界状态特征研究

应用基础与工程科学学报 2024年第4期32卷 1124-1139页

作者：蒋成龙许成顺焦爽王晓丽北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

对于在室内土工试验很难得到土体临界状态下的颗粒运动、局部孔隙比变化等特征的问题,基于离散元平台,构建了柔性边界条件下的不同初始物理状态的砂土试样的常规三轴数值模型,对不同初始孔隙比的砂土试样的剪切带的演化形成、试样的整... 详细信息

对于在室内土工试验很难得到土体临界状态下的颗粒运动、局部孔隙比变化等特征的问题,基于离散元平台,构建了柔性边界条件下的不同初始物理状态的砂土试样的常规三轴数值模型,对不同初始孔隙比的砂土试样的剪切带的演化形成、试样的整体孔隙比和局部孔隙比的变化规律等细观特征进行对比.数值计算结果表明:相对密实的砂土在剪切过程中更容易形成剪切带;剪切带内部颗粒随着加载发生剧烈转动现象,局部颗粒的流动呈现紊流特征;非剪切带上颗粒转动不明显,流动呈现定向特性;不同初始孔隙比的砂土试样,其剪切带上的临界状态孔隙比和偏应力比与初始孔隙比无关,临界状态特征的组构张量不变量的稳定特性,说明其临界状态存在且唯一.

关键词：砂土临界状态柔性边界剪切带速度矢量场孔隙比的演化组构张量

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颗粒破碎对水合物沉积物基质宏-细观力学特性影响的离散元分析

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太阳能学报 2024年第6期45卷 680-690页

作者：徐爽徐佳琳许成顺焦爽北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 清华大学水利水电工程系北京100084

基于“颗粒碎片替换法”建立反映颗粒破碎行为的含水合物沉积物基质离散元模型,与不破碎模型开展对比三轴剪切试验,证明颗粒破碎对强度和剪胀特征具有重要影响。进而应用“粒径膨胀法”提高模型对体应变和颗粒破碎程度的模拟效果,通过... 详细信息

基于“颗粒碎片替换法”建立反映颗粒破碎行为的含水合物沉积物基质离散元模型,与不破碎模型开展对比三轴剪切试验,证明颗粒破碎对强度和剪胀特征具有重要影响。进而应用“粒径膨胀法”提高模型对体应变和颗粒破碎程度的模拟效果,通过一系列低-高有效围压下的模拟三轴排水剪切试验,研究高应力范围及剪切过程中细观力学特征的演化。结果表明:随着有效围压逐渐增大,试样强度、刚度和平均法向接触力均增大,力链网络更加密集且由环状演变为以竖向为主,试样顶部与底部沿轴向运动的颗粒数量增加。颗粒破碎主要发生在剪切初期,力学配位数、平均法向接触力随剪切进行逐渐增大,剪切后期出现贯穿试样的强力链结构,颗粒运动逐渐从杂乱无章变为由顶、底两端向内,试样内部逐渐出现近似“X”形的剪切带。

关键词：天然气水合物数值模拟力学特性砂土破碎粒径膨胀法

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基于“源体力”理论的城市抗震安全韧性评估

工程力学 2024年

作者：王威贾文雪缪惠全许成顺北京工业大学城市建设学部北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

为有效实现地震灾害风险分析与城市抗震韧性评估工作的内在融合，完善和拓展城市抗震安全韧性评估理论和方法。基于“源体力”理论框架，首先通过地震危险性发生概率和承灾体易损性表达城市地震风险，从社会减灾力、设施减灾力和组织减... 详细信息

为有效实现地震灾害风险分析与城市抗震韧性评估工作的内在融合，完善和拓展城市抗震安全韧性评估理论和方法。基于“源体力”理论框架，首先通过地震危险性发生概率和承灾体易损性表达城市地震风险，从社会减灾力、设施减灾力和组织减灾力三个层面综合评价减灾力值，构建了城市抗震安全韧性评估模型；其次，采用北京市某街区多源数据分别进行了多情景地震风险计算、减灾力量化分析和抗震安全韧性评估，并通过z-score标准化将研究区域划分为高风险-高减灾力、高风险-低减灾力、低风险-高减灾力、低风险-低减灾力4种类型，更清晰地识别了城市抗震安全韧性的空间差异性；最后，以城市抗震安全韧性“源体力”理论为基础，从不断增强城市风险源多水准防灾可靠性、持续性提高城市承灾体抗灾鲁棒性和提升城市减灾力的快速可恢复性三个层面提出了未来抗震安全韧性提升优化策略。研究结果表明，本文研究思路和方法拓展了城市“源体力”理论框架的应用范畴，可为城市抗震安全韧性建设提供理论基础和科学依据。

关键词： “源体力”理论抗震安全韧性地震风险减灾力韧性提升

基于状态树模型的给水处理厂体系震后功能评估

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工程力学 2024年

作者：侯本伟元明豪吴珊缪惠全许成顺北京工业大学城市建设学部

给水处理厂体系是城市供水系统的重要组成部分，地震作用下厂区内部的水处理构筑物和建筑物等组件的破坏会导致水厂体系的震后供水能力下降。现有研究缺乏给水处理厂体系震后功能状态分析量化的模型和方法，本文提出了考虑厂内不同组件... 详细信息

给水处理厂体系是城市供水系统的重要组成部分，地震作用下厂区内部的水处理构筑物和建筑物等组件的破坏会导致水厂体系的震后供水能力下降。现有研究缺乏给水处理厂体系震后功能状态分析量化的模型和方法，本文提出了考虑厂内不同组件震后状态的给水处理厂体系震后供水能力评估模型。考虑净水处理工艺流程中的水处理构筑物、建筑物和连接管线的地震易损性，通过状态树模型表达不同组件之间的连接关系及其对水厂体系整体供水量的影响。采用地震易损性模型计算水厂体系中各类组件的不同破坏状态概率，通过Monte Carlo模拟抽样得到组件破坏状态，通过状态树的逻辑门判别各个组件的破坏状态对水厂体系供水量的影响。将状态树模型应用于某实例水厂体系的震后服务能力评估，验证了模型的合理性。结果表明，水厂体系的地震易损性与单个构筑物的地震易损性模型存在较大差异，不能使用构筑物的地震易损性表示水厂体系的震后功能状态，模型评估的水厂体系震后功能状态与实际震害调查报告记录吻合度较高。

关键词：给水处理厂体系震后功能评估状态树模型地震易损性 Monte Carlo模拟

基于LightGBM算法的供水管网抗震性能评估

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工程力学 2024年

作者：马天鹤侯本伟缪惠全许成顺杜修力北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

为考虑管线地震破坏和震后修复的不确定性，多采用蒙特卡罗模拟（MCS）方法进行供水管网震后水力服务性能以及韧性评估。由于MCS产生的样本数量多，且每个样本进行水力模型计算耗时较长，导致采用MCS评估供水管网震后服务性能时存在计... 详细信息

为考虑管线地震破坏和震后修复的不确定性，多采用蒙特卡罗模拟（MCS）方法进行供水管网震后水力服务性能以及韧性评估。由于MCS产生的样本数量多，且每个样本进行水力模型计算耗时较长，导致采用MCS评估供水管网震后服务性能时存在计算量大、效率低的问题。本文采用LightGBM算法构建地震破坏供水管网服务性能的预测模型，代替每个MCS样本中水力分析模型，提升MCS模拟计算效率。代理模型的输入参数为管线水力重要度及其破坏点漏口面积，输出参数为管网中节点和管网整体的供水满足率。通过Benchmark案例管网验证了LightGBM代理模型的有效性；与水力功能分析模型计算结果相比，代理模型评估的管网震后服务性能相对误差为1.09%～1.88%，计算时间降低了73.1%～92.3%；对于管网震后恢复过程模拟和韧性评估问题，代理模型得到的不同恢复策略的韧性指标，与水力分析模型的结果相对误差小于1%。因此，基于LightGBM算法的代理模型可为城市供水管网震后性能评估、恢复过程模拟和韧性评估提供支撑。

关键词：供水管网抗震性能评估韧性评估 LightGBM算法代理模型

考虑多功能状态的地铁车站体系的震后功能评估

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工程力学 2024年

作者：侯本伟武渊博缪惠全许成顺杜修力北京工业大学城市建设学部

地铁车站是城市轨道交通系统的重要组成部分，地震作用下车站内结构构件、非结构构件和设备设施等各类组件不同程度破坏均会导致地铁车站各类功能下降或丧失。现有研究缺乏地铁车站体系震后功能状态的整体评估模型，本文基于真实地铁车... 详细信息

地铁车站是城市轨道交通系统的重要组成部分，地震作用下车站内结构构件、非结构构件和设备设施等各类组件不同程度破坏均会导致地铁车站各类功能下降或丧失。现有研究缺乏地铁车站体系震后功能状态的整体评估模型，本文基于真实地铁车站地震破坏和恢复记录，明确了地铁车站体系的震后功能需求，并据此将地铁车站体系的震后功能状态划分为5个；将车站体系表示为由主体结构、乘降、供电、信号等7类子系统组成的体系，基于故障树模型表示子系统功能所需组件单元、不同子系统之间的关联关系、以及子系统对地铁车站体系震后功能的影响；通过Monte Carlo模拟随机抽样获取组件震后状态，并利用故障树分析子系统和地铁车站体系的震后功能状态。结果表明，随着地铁车站体系震后功能需求的降低，体系功能失效概率曲线中位数随之增大，最高要求的功能状态I对应的中位数是最低要求的功能状态V对应的中位数的20%。同一个组件单元，在不同的体系功能中的重要度差异可达17倍。

关键词：地铁车站震后功能评价地震易损性故障树模型 Monte Carlo模拟

混凝土碎石复合桩加固倾斜可液化场地的数值模拟研究

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地震工程与工程振动 2024年第1期44卷 194-204页

作者：范晓雪贾科敏许成顺潘汝江北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

地震震害调查显示,缓倾场地的液化侧向扩展是常见的地基失效形式。由于混凝土桩具有较高的竖向承载能力和抗剪能力,而碎石桩具有较高的渗透性,可有效降低周围场地的液化程度,因此,混凝土碎石复合桩能否作为有效应对缓倾场地液化侧向大... 详细信息

地震震害调查显示,缓倾场地的液化侧向扩展是常见的地基失效形式。由于混凝土桩具有较高的竖向承载能力和抗剪能力,而碎石桩具有较高的渗透性,可有效降低周围场地的液化程度,因此,混凝土碎石复合桩能否作为有效应对缓倾场地液化侧向大变形的工程措施,其可行性值得深入研究。基于OpenSees有限元平台建立了可液化土-桩基础的数值模型,并验证了模型的有效性。在此基础上,研究了混凝土碎石复合桩对倾斜液化场地的加固效果。此外,讨论了混凝土芯桩面积占比、碎石壳厚度对倾斜液化场地动力响应的影响。结果表明:混凝土碎石复合桩抗侧移效果明显,可有效降低周围场地侧向位移和混凝土桩身弯矩。当桩体的混凝土芯占比约为20%、碎石面积占比80%时为最优设计方案。

关键词：倾斜液化场地加固措施混凝土碎石复合桩数值模拟

球墨铸铁供水管道承插式接口力学性能试验及失效概率预测模型

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工程力学 2024年

作者：张亚波钟紫蓝李锦强缪惠全许成顺北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

探讨供水管道接口力学特性及性能水准分级是确保基于性能的管线结构抗震设计真实可靠的关键。针对球墨铸铁管道开展了轴力和管内水压共同作用下的接口轴向拉伸破坏性试验，对比了不同管径的接口拉伸力学性能变化过程及渗漏失效机理。分... 详细信息

探讨供水管道接口力学特性及性能水准分级是确保基于性能的管线结构抗震设计真实可靠的关键。针对球墨铸铁管道开展了轴力和管内水压共同作用下的接口轴向拉伸破坏性试验，对比了不同管径的接口拉伸力学性能变化过程及渗漏失效机理。分析了管道接口抗拉承载能力与对应张开量之间的潜在统计特征，提出了管道接口抗拉承载能力计算表达式，并建立了张开量归一化的管道接口失效准则。研究结果表明：0MPa～0.3 MPa的水压波幅对球墨铸铁管道接口抗拉承载能力未产生显著影响，接口抗拉承载力与相应接口张开量呈正相关分布。所提出的接口抗拉承载力公式与试验统计值有着良好的拟合度，当管道接口发生轻微渗漏和功能失效时，对应的接口张开量分别为安装深度的52%和60%，变异系数分别为10.5%和8.5%，研究结果可为埋地供水管线的震害、抗震验算、设计与措施等研究提供参考。

关键词：球墨铸铁管道承插式接口抗拉承载力力学模型功能失效

地震灾害场景下城市生命线工程系统数字孪生模型构建

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建筑结构学报 2024年

作者：刘占省莫言迟侯本伟许成顺李伟一北京工业大学建筑工程学院北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室

城市生命线工程系统具有空间尺度庞大、震后性能评估耗时长的特点，导致该系统抗震性能评估、震后恢复过程模拟和韧性分析计算效率低下。为了直观且高效地展示生命线工程系统震后受损情况，为其震前评估和震后功能恢复模拟提供快速决策... 详细信息

城市生命线工程系统具有空间尺度庞大、震后性能评估耗时长的特点，导致该系统抗震性能评估、震后恢复过程模拟和韧性分析计算效率低下。为了直观且高效地展示生命线工程系统震后受损情况，为其震前评估和震后功能恢复模拟提供快速决策分析工具，提出了针对该系统数字孪生五维模型。在此基础上，以供水系统为例，根据厂站和管线等物理实体的空间布局，建立了供水系统的三维虚拟几何模型。通过有限元数值分析模型的赋值计算，并配合计算机编程软件的解码转换，实现了地震灾害场景下供水系统中典型构件力学响应的可视化。结果表明：数字孪生五维模型能够直观地反映供水系统全局的地震响应；BIM-FEM的闭环映射体系能够在保证虚拟模型建模效率的基础上，提升地震灾害场景下典型构件响应计算结果的准确性；虚实关联建模方法能够将虚拟模型与物理实体间的融合简化为参数的耦合，从而实现数字孪生模型的虚实交互表达。

关键词：生命线工程系统数字孪生地震场景建筑信息模型(BIM) 有限元方法(FEM)