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基于状态空间法的阶梯型变截面水平受荷桩分析方法

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岩土工程学报 2023年第9期45卷 1944-1952页

作者：张晓笛王金昌杨仲轩龚晓南徐荣桥浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 浙江大学平衡建筑研究中心浙江杭州310058 公路数智养护浙江省工程研究中心浙江杭州310051

为研究阶梯型变截面桩的水平承载特性,基于Timoshenko梁理论,建立了综合考虑桩基尺寸效应、剪切变形和桩基材料非线性效应的四弹簧模型及其状态方程,获得了非线性桩土相互作用下任意长细比的桩截面内力与变形解析解。通过与已有文献中... 详细信息

为研究阶梯型变截面桩的水平承载特性,基于Timoshenko梁理论,建立了综合考虑桩基尺寸效应、剪切变形和桩基材料非线性效应的四弹簧模型及其状态方程,获得了非线性桩土相互作用下任意长细比的桩截面内力与变形解析解。通过与已有文献中现场试验结果对比分析,验证该方法的适用性和有效性,并讨论了变径位置、桩径比和弹性模量比对桩基受荷特性的影响。研究结果表明:(1)桩基水平承载力对三者的敏感性为:桩径比>变径位置>弹性模量比;(2)综合考虑桩承载能力和经济性,建议变径位置、桩径比和弹性模量比取0.6。

关键词：阶梯型变截面桩水平受荷桩土相互作用 Timoshenko梁四弹簧模型状态空间法

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基于状态空间法的圆弧曲梁面内动力学分析

工程力学 2023年第S1期40卷 19-24,55页

作者：刘兴喜杨博徐荣桥浙江理工大学土木工程系浙江杭州310018 浙江大学土木工程系浙江杭州310058

该文采用状态空间法研究了圆弧曲梁面内动力学特性。通过选择合适的状态变量,建立了相应的状态空间列式,并给出了固有频率和振动模态的求解过程。进一步通过引入辛内积的概念,建立了三种工程常见边界条件(简支、固支和自由)下圆弧曲梁... 详细信息

该文采用状态空间法研究了圆弧曲梁面内动力学特性。通过选择合适的状态变量,建立了相应的状态空间列式,并给出了固有频率和振动模态的求解过程。进一步通过引入辛内积的概念,建立了三种工程常见边界条件(简支、固支和自由)下圆弧曲梁面内振动模态关于质量和旋转惯量的正交关系式。在此基础上,运用模态叠加法给出了非齐次状态方程的解析解,并得到了圆弧曲梁在竖向移动集中荷载作用下的瞬态响应。数值算例结果表明该文方法是十分精确和可靠的。

关键词：圆弧曲梁自由振动强迫振动状态空间法辛内积模态正交性

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基于状态空间法的风机调频退出时刻研究

智慧电力 2022年第5期50卷 17-24页

作者：孙领何廷一陈亦平李崇涛何鑫孟贤和鹏西安交通大学电气工程学院陕西西安710049 云南电网有限责任公司电力科学研究院云南昆明650200 中国南方电网电力调度控制中心广东广州510663

风机通常采用惯量控制参与调频,而在退出调频时容易引发频率二次跌落问题。为此,提出了一种风机调频退出时刻的确定方法。首先由状态空间法,推导了研究所需的系统模型。然后以风机调频退出时刻为分界,得到了适用于频率动态分析的分段线... 详细信息

风机通常采用惯量控制参与调频,而在退出调频时容易引发频率二次跌落问题。为此,提出了一种风机调频退出时刻的确定方法。首先由状态空间法,推导了研究所需的系统模型。然后以风机调频退出时刻为分界,得到了适用于频率动态分析的分段线性化模型;以提升频率二次跌落对应的频率最低值为目标,建立了优化模型,并给出了求解算法。基于Matlab/Simulink搭建了仿真系统模型,仿真结果验证了所建立分段线性化模型的准确性和退出时刻的合理性。

关键词：惯量控制频率二次跌落状态空间法分段线性化模型退出时刻

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基于状态空间法的类矩形隧道衬砌分析理论

基于状态空间法的类矩形隧道衬砌分析理论

作者：范卫洲浙江大学

学位级别：硕士

高度集约化利用是城市地下空间开发的必然趋势。为解决传统圆形盾构隧道在空间利用率与环境影响控制层面的不足,类矩形盾构隧道应运而生,为轨道交通建设的可持续发展提供新的思路。但作为一种大断面异型盾构隧道结构,类矩型盾构隧道的... 详细信息

高度集约化利用是城市地下空间开发的必然趋势。为解决传统圆形盾构隧道在空间利用率与环境影响控制层面的不足,类矩形盾构隧道应运而生,为轨道交通建设的可持续发展提供新的思路。但作为一种大断面异型盾构隧道结构,类矩型盾构隧道的断面形式和承载机制更加复杂,其在实际工程中的普及应用在设计上仍存在诸多难点,譬如如何合理确定最佳断面形式与断面尺寸。在设计环节,简化力学法因具有计算高效、概念清晰等特点备受青睐。但受限于复杂的地质条件与衬砌形式,传统的理论分析方法已难以适应隧道工程领域。应用力法与位移法等传统求解体系必将导致方程的高阶化,提高求解难度。鉴于此,本文基于欧拉梁理论与状态空间法,采用汉密尔顿辛对偶体系,联合力与位移两类变量形成矩阵,提出了一种类矩形盾构隧道结构解析分析方法,并利用该方法针对相关参数进行了分析。该方法可为类矩形盾构隧道的安全设计及快速评价建立理论基础,同时为其余异型隧道的设计研究提供重要支撑。主要研究内容及成果包括:1.在圆形盾构隧道解析分析方法的基础上,考虑类矩型盾构隧道断面形式特点,推导了弹性地基上任意荷载作用下由多段圆弧组成的无柱型类矩形隧道精确解析解,并通过与有限元计算结果的对比证明了解析成果的有效性。在此基础,针对重要影响因素——土弹簧刚度系数进行了参数分析,揭示了管片衬砌的内力与位移随土弹簧刚度系数的变化规律。而后通过隧道断面形状参数对管片行为的影响分析,揭示类矩形隧道扁平率对结构内力、位移的影响规律。2.在无柱型类矩形隧道解析研究的基础上,考虑中立柱的存在,进一步推导立柱型类矩形隧道精确解析解,并通过与有限元计算以及试验实测对比证明解析结果的有效性。针对土弹簧刚度系数进行参数化分析,揭示了管片衬砌、中立柱的内力与位移随土弹簧刚度系数的变化规律。对接头抗弯刚度的正负方向性进行探讨,对负弯矩下的抗弯刚度进行折减,研究正负弯矩作用下隧道接头刚度差异对衬砌内力与变形的影响。3.针对接头的非线性问题,结合相关学者进行的接头试验工作,就接头张开量与偏心距两类指标,总结了四种常见的接头模型,并就其特点及适用性进行讨论。选用指数接头模型,针对具体案例下的类矩形隧道建立了考虑接头非线性的内力与位移迭代计算方法。4.在立柱型类矩形隧道解析研究的基础上,考虑错缝模式下临近环间的相互作用,并通过引入虚拟接头将错缝“通缝化”,推导了弹性地基上纵向双环类矩形隧道衬砌模型的精确解析解。通过对环间剪切弹簧影响的参数化分析,揭示双环管片、中立柱内力与位移随其变化规律。通过比较错缝、通缝与均质环模式下两侧拱腰的径向位移,得到类矩形隧道横向刚度有效率的大致范围,为类矩形横向刚度有效率的取值研究提供思路。5.针对土体的非线性问题,探讨在状态空间法解析体系内,不同土弹簧刚度系数取值方法的适用性。结果表明,本文解析方法适合对衬砌与土体共同作用的初步模拟,但不适用于精细化单元划分与复杂迭代方法的使用场合。

关键词：类矩形盾构隧道接头梁弹簧模型欧拉梁理论状态空间法解析解

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基于状态空间法的含裂缝路面力学响应分析

基于状态空间法的含裂缝路面力学响应分析

作者：郑直沈阳建筑大学

学位级别：硕士

在复杂环境因素影响下,路面结构的病害日益突出,其中,裂缝是路面结构最常见的破坏类型之一。为了确保整个路面结构系统的安全性、耐久性和功能性,在工程伊始,以适当的手段准确地分析和预测各种荷载条件下系统的力学行为,即路面结构在各... 详细信息

在复杂环境因素影响下,路面结构的病害日益突出,其中,裂缝是路面结构最常见的破坏类型之一。为了确保整个路面结构系统的安全性、耐久性和功能性,在工程伊始,以适当的手段准确地分析和预测各种荷载条件下系统的力学行为,即路面结构在各种工况下的内力和变形是首要前提。目前,研究学者们对含裂缝路面结构的研究主要集中在试验和数值模拟,解析方法相对较少,因此有必要进一步研究和完善路面结构的分析理论。本文基于Euler–Bernoulli直梁理论,通过引入状态空间法,并利用矩阵理论对路面结构响应进行了解析求解,最终探讨了一种新的含裂缝路面结构解析分析方法,该方法可以快速地获得任意裂缝分布的路面结构在受任意形式荷载作用下的解析解;并针对不同影响因素下水泥路面结构和复合式路面结构力学性能开展研究,主要研究及成果如下:（1）路面结构力学模型的建立路面结构层使用Euler–Bernoulli直梁来模拟,地基采用Winkler地基模型,将整体路面结构及路基视作弹性地基上的梁,即弹性地基梁,以分析整个路面结构的力学性能。（2）裂缝模型的构建针对路面结构中的裂缝,引入接头模型来模拟其力学行为。通过设置线性弹簧,考虑裂缝位置几种内力的刚度差异,揭示裂缝位置的刚度弱化机理。（3）Winkler地基上单层含裂缝路面结构解析分析利用状态空间法建立了综合考虑土体竖向抗力、裂缝处的抗剪切力和抵抗弯矩的单层含裂缝直梁模型,得到了Winkler地基上单层含裂缝路面结构在竖向荷载作用下内力和变形的解析解。通过与已有解析解和数值算例的结果对比,验证了解析解的有效性。通过参数分析,揭示了裂缝间距、荷载大小和结构层厚度等参数影响下路面结构内力和变形的变化规律。（4）Winkler地基上考虑水平摩阻效应的单层含裂缝路面结构解析分析在Winkler地基上单层含裂缝路面结构分析理论的基础上进行衍化,引入路基与路面结构的水平向相互作用,建立起了综合考虑路基土的竖向抗力和路面结构与路基土之间的水平摩阻效应,以及裂缝处的抗压、抗剪和抗弯特性的单层含裂缝直梁模型,得到了Winkler地基上考虑水平摩阻力的单层含裂缝路面结构内力和变形的解析解。通过与有限元的结果对比,验证了解析解的有效性。通过参数分析,讨论了结构抗弯刚度、水平荷载、水平摩阻效应、水平与竖直弹簧抗力系数之比以及裂缝位置等因素对路面结构响应的影响规律。（5）Winkler地基上考虑界面剪切滑移效应的双层含裂缝路面结构解析分析利用自主研发设计的层间剪切仪器,通过界面剪切试验获得了路面结构层之间的界面剪切刚度;利用状态空间法建立了综合考虑面层与基层层间滑移、裂缝处的抵抗弯矩以及土体的竖向抗力的双层含裂缝直梁模型,得到了Winkler地基上考虑界面剪切滑移效应的双层含裂缝路面结构在竖向荷载作用下内力和变形的解析解。通过与数值模拟的结果对比,验证了解析解的有效性。通过参数分析,揭示了层间剪切刚度和基层厚度对双层路面结构变形响应的影响,以及荷载大小对界面处的剪力集度和相对滑移的影响规律。

关键词：含裂缝路面结构水平摩阻效应界面剪切滑移效应状态空间法解析理论

基于状态空间法的复合绝缘子变截面梁振动模型研究

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基于状态空间法的复合绝缘子变截面梁振动模型研究

作者：庞景轩华北电力大学

学位级别：硕士

绝缘子在输电线路中是连接导线与杆塔之间的关键部件,其结构安全直接影响输电线路供电安全。硅橡胶复合绝缘子以其优良的抗污闪性能,轻便的结构,较低的维护成本脱颖而出。为了在工程中对复合绝缘子的工作状态进行有效检测,延长绝缘子的... 详细信息

绝缘子在输电线路中是连接导线与杆塔之间的关键部件,其结构安全直接影响输电线路供电安全。硅橡胶复合绝缘子以其优良的抗污闪性能,轻便的结构,较低的维护成本脱颖而出。为了在工程中对复合绝缘子的工作状态进行有效检测,延长绝缘子的工作寿命。因此,快速计算复合绝缘子振动固有频率在工程上十分重要。本文以硅橡胶复合绝缘子为主要研究对象,进行数学理论推导分析,通过有限元数值模拟及实验研究相结合的方法,具体研究了复合绝缘子的变截面梁振动模型,编制了绝缘子振动频率计算程序,并探究了影响复合绝缘子振动频率的因素。本文所做的主要工作如下(1)基于等效刚度原则,建立复合绝缘子圆柱型变截面梁简化模型。根据弹性力学基础理论,推导建立基于状态空间法的复合绝缘子变截面梁振动频率计算方程组,使用JCM法改善求解精度。方程组可精确模拟复合绝缘子各部分不同的截面特性和材料参数,并详细考虑两端复杂的边界条件,为工程中测量复合绝缘子振动固有频率提供理论支撑。(2)使用MATLAB软件编写了复合绝缘子固有频率快速计算程序,并使用ABAQUS有限元分析软件,通过模拟复合绝缘子工作环境,测量得到复合绝缘子固有频率。通过搭建复合绝缘子振动频率测量实验台,测量复合绝缘子振动固有频率,并将实验结果与程序计算结果相比较,验证基于状态空间法的复合绝缘子振动频率计算方程的正确性。(3)结合相关算例,分析了复合绝缘子轴向拉力、截面抗弯刚度、端部边界条件对绝缘子振动频率的影响规律。研究结果表明,复合绝缘子振动频率随轴向拉力的增加而增大,随着刚度的增加绝缘子振动基频同时增加,且较短复合绝缘子的振动频率相对较长复合绝缘子而言,受边界条件的影响较大。

关键词：复合绝缘子状态空间法传递矩阵 MATLAB 振动基频

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基于状态空间法的受电弓主动控制的研究

中国铁道科学 2006年第3期27卷 79-83页

作者：刘红娇张卫华梅桂明西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

建立线性化的受电弓模型和接触网的有限元模型、以及它们的耦合系统动力学模型,分析接触网的刚度变化,利用最优控制理论对主动控制式受电弓进行了理论上的研究。根据高速铁路对受电弓和接触网动力学性能的要求,从降低接触压力的波动以... 详细信息

建立线性化的受电弓模型和接触网的有限元模型、以及它们的耦合系统动力学模型,分析接触网的刚度变化,利用最优控制理论对主动控制式受电弓进行了理论上的研究。根据高速铁路对受电弓和接触网动力学性能的要求,从降低接触压力的波动以改善受流质量着手,针对弓网关系的特点,建立了受电弓主动控制系统模型,采用全状态反馈设计并利用线性二次型最优控制策略设计了受电弓主动控制的控制器,并求得了控制器参数。对控制系统进行仿真验证和研究。结果表明,采用主动控制式受电弓,能够降低接触压力的波动,提高弓网系统的动态性能,改善受流质量。

关键词：受电弓接触网主动控制状态空间法

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基于状态空间法的分段变截面吊杆张拉力分析

浙江大学学报（工学版） 2020年第2期54卷 257-263页

作者：欧阳光李田军张江涛汪劲丰徐荣桥浙江大学土木工程系浙江杭州310058 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

针对分段变截面拱桥吊杆的动力特性,采用受轴向张拉力作用的Euler-Bernoulli梁理论建立分析模型,开发基于状态空间法的精确分析方法.该方法详细考虑吊杆各部分不同的截面特性和材料参数,以及吊杆两端实际较为复杂的边界条件,给出吊杆自... 详细信息

针对分段变截面拱桥吊杆的动力特性,采用受轴向张拉力作用的Euler-Bernoulli梁理论建立分析模型,开发基于状态空间法的精确分析方法.该方法详细考虑吊杆各部分不同的截面特性和材料参数,以及吊杆两端实际较为复杂的边界条件,给出吊杆自由振动的频率与其张拉力的关系,为基于频率法的吊杆张拉力测试方法提供理论基础.通过某实际拱桥的吊杆张拉力测试数据以及有限元分析结果,验证所提方法.当吊杆的索体长度大于阈值时,吊杆的有效计算长度与吊杆的实际索体长度存在着较强的线性关系,因此可将本研究方法与经典弦理论公式相结合,识别与索体长度相关的吊杆有效计算长度,可在实际工程中运用弦理论公式方便地计算吊杆张拉力.

关键词：分段变截面吊杆张拉力频率法状态空间法有效长度

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状态空间法计算墙体Z传递函数

暖通空调 1997年第2期27卷 15-17页

作者：丁国良张春路王险峰陈芝久上海交通大学制冷工程研究所

提出了用状态空间法计算墙体Ｚ传递函数的数学模型和计算方法，给出了与拉氏变换方法的对比算例及其结果，认为本算法的精度和可靠性是令人满意的。

关键词：动态计算状态空间法墙体Z传递函数空调负荷