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数字孪生技术在土木工程中的应用:综述与展望

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哈尔滨工业大学学报 2024年第1期56卷 1-16页

作者：林楷奇郑俊浩陆新征福州大学土木工程学院福州350116 土木工程安全与耐久教育部重点试验室(清华大学) 北京100084

随着工业4.0概念的发展,数字孪生技术(digital twin)已经成为智能制造和产品全寿命周期管理相关领域的主要数字化解决手段。在工程建设领域,提升土木工程结构数字化防灾能力和管理水平是未来智慧城市建设的重要环节。建立精确可靠的数... 详细信息

随着工业4.0概念的发展,数字孪生技术(digital twin)已经成为智能制造和产品全寿命周期管理相关领域的主要数字化解决手段。在工程建设领域,提升土木工程结构数字化防灾能力和管理水平是未来智慧城市建设的重要环节。建立精确可靠的数字孪生模型,一方面,可以帮助实现工程灾害的精准防控和重大灾害事故的风险识别预警;另一方面,数字孪生也为未来城市的数字化建设和管理提供了技术基础。本文首先对数字孪生技术的基本概念和阶段性发展成果进行梳理,总结了在土木工程领域里孪生数据获取和构建数字孪生体的技术手段。最后,从结构运营评估、灾害仿真推演和数字孪生城市建设三个领域来回顾与展望数字孪生技术在土木工程领域的应用进展。

关键词：数字孪生数字化防灾运营评估灾害仿真推演数字孪生城市

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建筑结构隔震技术研究进展

工程力学 2024年第5期41卷 39-54页

作者：潘鹏曾一曹迎日艾华浩王海深清华大学土木工程系北京100084 土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学北京100084

建筑结构隔震技术通过在建筑结构底部或中间楼层设置隔震装置,延长结构的自振周期,并提供适当的阻尼使得结构的响应大幅度减小,能够更有效地保护房屋结构以及室内设备的安全,可显著提升建筑震后功能可恢复能力。目前建筑结构隔震技术已... 详细信息

建筑结构隔震技术通过在建筑结构底部或中间楼层设置隔震装置,延长结构的自振周期,并提供适当的阻尼使得结构的响应大幅度减小,能够更有效地保护房屋结构以及室内设备的安全,可显著提升建筑震后功能可恢复能力。目前建筑结构隔震技术已经有较为成熟的技术产品和工程应用,已广泛应用于住宅、医院、学校、博物馆和图书馆等建筑中。随着《建设工程抗震管理条例》的颁布,预期隔震技术将有更广阔的应用场景。隔震建筑也将逐步从低层、简单建筑结构向高层、复杂建筑结构的方向发展。目前常用的隔震装置存在着抗拉能力不足、对竖向地震或竖向环境振动减振效果不足、控制频宽窄、适应性不足以及使用状态及损伤状态难以监测等问题。为此,众多学者针对以上问题进行了深入研究,开发了抗拉隔震支座、三维隔震(振)支座、半主动隔震支座和隔震支座的健康监测系统,为扩展隔震技术的应用范围提供了解决方法。目前,相关研究偏重于新型隔震装置的性能研究,未来应全面考虑新型隔震装置对于建筑的影响,提出配套的设计方法,并进行示范性工程应用,加快隔震技术的推广。

关键词：隔震技术抗拉支座三维隔震(振)支座半主动隔震系统健康监测综述

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理论驱动的弹性结构体系图神经网络计算模型

工程力学 2024年第2期41卷 25-34页

作者：宋凌寒王琛樊健生清华大学土木工程系北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

该文提出了一个理论驱动的弹性结构体系图神经网络计算模型StructGNN-E,能够高保真数字化结构体系的拓扑连接关系与构件组成信息,无需外部标签数据即可实现对任意杆系结构体系的弹性内力分析,且计算结果具有理论正确性。总结了结构体系... 详细信息

该文提出了一个理论驱动的弹性结构体系图神经网络计算模型StructGNN-E,能够高保真数字化结构体系的拓扑连接关系与构件组成信息,无需外部标签数据即可实现对任意杆系结构体系的弹性内力分析,且计算结果具有理论正确性。总结了结构体系层次的特点,理论分析了常规神经网络的不可行性,进而采用了基于非欧图数据的图神经网络架构,能够有效刻画结构体系的非序列性与非平移不变性。考虑到体系层次数据严重匮乏以及常规智能计算方法忽视力学意义的问题,通过将三大力学方程与深度学习推理过程相结合,提出了适用于体系内力分析的理论驱动模式,实现了不依赖于外部标签数据的智能求解方案。数值试验表明:StructGNN-E模型能够高精度完成杆系结构体系的弹性内力分析,且在大规模框架结构计算中计算效率提升可达36%。通过具体的对比试验,证明了常规深度学习模型与数据驱动模式在体系层次的不适用性,进一步阐释了StructGNN-E模型的有效性与合理性。

关键词：结构体系图神经网络理论驱动深度学习结构分析

基于蒙特卡罗法的不均匀锈蚀钢筋力学性能评估

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吉林大学学报（工学版） 2024年第4期54卷 1007-1015页

作者：刘一凡缪志伟申晨耿祥东东南大学土木工程学院南京211189

本文基于符合锈蚀钢筋形貌特征的截面积概率分布函数,并考虑锈坑处相邻截面的相关性,建立了不均匀锈蚀钢筋的三维有限元模型,通过蒙特卡罗模拟批量开展数值拉伸试验,定量研究不同锈蚀率下钢筋力学性能的退化情况。与已有的试验结论对比... 详细信息

本文基于符合锈蚀钢筋形貌特征的截面积概率分布函数,并考虑锈坑处相邻截面的相关性,建立了不均匀锈蚀钢筋的三维有限元模型,通过蒙特卡罗模拟批量开展数值拉伸试验,定量研究不同锈蚀率下钢筋力学性能的退化情况。与已有的试验结论对比显示,该方法能较好地估计锈蚀钢筋的力学性能,尤其是钢筋的变形能力。本文研究了锈蚀钢筋不同本构和标距长度对力学性能的影响,结果表明:钢筋的强屈比是影响其变形能力的主要因素,不同的标距长度将会显著影响锈蚀钢筋极限应变的计算结果。

关键词：结构工程蒙特卡罗法不均匀锈蚀有限元模型力学性能

增效转动摩擦阻尼器的工作机理及力学性能分析

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工程力学 2024年第S1期41卷 171-178页

作者：林子健张超于天昊刘婧宜巫卓楷广州大学土木工程学院广州510006

该文提出了一种新型增效转动摩擦阻尼器(ERFD),由杠杆原理放大其转动角度,进而提高其耗能能力,适用于梁柱节点。为验证ERFD工作机理的可行性,采用ABAQUS软件建立其有限元数值模型,以相同摩擦工况的扇形摩擦阻尼器(SFD)和未放大的转动摩... 详细信息

该文提出了一种新型增效转动摩擦阻尼器(ERFD),由杠杆原理放大其转动角度,进而提高其耗能能力,适用于梁柱节点。为验证ERFD工作机理的可行性,采用ABAQUS软件建立其有限元数值模型,以相同摩擦工况的扇形摩擦阻尼器(SFD)和未放大的转动摩擦阻尼器(RFD)作为对照模型进行力学性能分析,进而探究ERFD耗能增效机制。研究结果表明:ERFD的承载力、刚度和耗能均得到明显提高,较于SFD分别增大了17.63%、12.54%、14.53%;其他三个改变摩擦片布置方式的试件的刚度和耗能比ERFD分别减少29.38%、58.67%、70.76%和29.55%、58.96%、70.58%;ERFD的承载能力和耗能能力相较于RFD放大了92.38%、85.49%。这说明ERFD耗能能力良好,且三个点均布置摩擦面的整体力学性能较好,且增效效果显著。

关键词：增效机制转动摩擦阻尼器梁柱节点力学性能工作机理

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基于改进特征筛选的随机森林算法对锂渣混凝土强度的预测研究

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材料导报 2024年第9期38卷 156-161页

作者：魏令港黄靓曾令宏湖南大学土木工程学院长沙410082

本工作提出了特征变量筛选结合特征变量相关性的方法,对构建的锂渣混凝土28 d抗压强度数据库进行优化,分别建立了随机森林模型和深度神经网络模型用于测试数据库,并以相关系数(R)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MAE)三个指标对模型... 详细信息

本工作提出了特征变量筛选结合特征变量相关性的方法,对构建的锂渣混凝土28 d抗压强度数据库进行优化,分别建立了随机森林模型和深度神经网络模型用于测试数据库,并以相关系数(R)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MAE)三个指标对模型的预测结果进行对比分析。结果表明,预测锂渣混凝土的28 d抗压强度时,采取改进的特征变量筛选方法能够有效提高模型的预测效果,此外,特征变量筛选的前后随机森林(RF)模型的预测效果明显优于深度神经网络(DNN)模型。

关键词：随机森林(RF) 深度神经网络(DNN) 特征变量筛选锂渣混凝土抗压强度

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基于动作捕捉与深度学习的跳跃荷载重构方法

振动与冲击 2024年第5期43卷 231-238页

作者：王浩祺于秉仟陈隽同济大学土木工程学院上海200092

通过学科交叉,采用医学和运动生物力学中的动作捕捉技术开展了27人次的跳跃荷载试验,总计获得9 985条单次跳跃的反力时程曲线及其对应的人体特征点运动轨迹。利用卷积神经网络技术,以特征点轨迹作为网络输入,分别以地反力三参数模型和... 详细信息

通过学科交叉,采用医学和运动生物力学中的动作捕捉技术开展了27人次的跳跃荷载试验,总计获得9 985条单次跳跃的反力时程曲线及其对应的人体特征点运动轨迹。利用卷积神经网络技术,以特征点轨迹作为网络输入,分别以地反力三参数模型和多参数模型的目标参数作为输出,训练获得轨迹与地反力之间的高维非线性关系,实现了跳跃荷载重构。与实测荷载的对比表明,跳跃荷载三参数模型能较好地重构单次跳跃曲线的幅值,而多参数模型能更好地反映荷载的时频域特征,适用于不同的使用场合。该方法可作为一种新型的跳跃荷载间接测量手段,结合计算机视觉技术开展服役工程结构的人致荷载监测。

关键词：跳跃荷载动作捕捉卷积神经网络(CNN) 荷载重构振动舒适度

配置SMA的预应力自复位混合钢框架抗震性能研究

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建筑结构学报 2024年第8期45卷 34-43页

作者：张还阳周绪红柯珂贺修樟重庆大学土木工程学院重庆400045

为提升钢框架结构的抗震性能,将配置形状记忆合金(SMA)的预应力自复位混合节点引入钢框架结构。基于已有试验数据,采用有限元分析软件OpenSees建立能准确模拟节点滞回性能的简化模型。在此基础上,进一步建立考虑预应力索和SMA螺栓断裂... 详细信息

为提升钢框架结构的抗震性能,将配置形状记忆合金(SMA)的预应力自复位混合节点引入钢框架结构。基于已有试验数据,采用有限元分析软件OpenSees建立能准确模拟节点滞回性能的简化模型。在此基础上,进一步建立考虑预应力索和SMA螺栓断裂失效的钢框架模型。通过静力推覆分析、非线性时程分析和易损性分析对配置SMA的预应力自复位混合钢框架的抗震性能进行评估。分析结果表明:混合钢框架结构呈现出三折线旗帜形滞回特征,并具有优良的自复位性能;相较于仅配置预应力索的自复位钢框架结构,混合钢框架结构具有更好的抗倒塌性能和自复位性能,其倒塌裕度比提高50%,损伤裕度比最大提高55%。基于等效单自由度体系进行非线性谱分析,证实了在结构中同时利用SMA螺栓和预应力索形成互补,可有效降低结构的非线性地震需求,从材料-结构一体化的视角揭示了混合钢框架的抗震机理。

关键词：自复位混合钢框架形状记忆合金材料-结构一体化易损性分析非线性谱分析抗震性能

山区大跨度混合梁独塔斜拉桥的合理横向减震体系

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应用基础与工程科学学报 2024年第1期32卷 258-272页

作者：张世春管仲国同济大学土木工程学院上海200092

针对适合山区河谷地形的典型大跨度混合梁独塔斜拉桥的合理横向减震体系,以金沙江特大桥为工程背景,分析了结构的显著非对称特征、动力特性及地震响应规律.提出了基于影响矩阵的减震体系阻尼器合理参数的计算方法,并以三角形钢阻尼器为... 详细信息

针对适合山区河谷地形的典型大跨度混合梁独塔斜拉桥的合理横向减震体系,以金沙江特大桥为工程背景,分析了结构的显著非对称特征、动力特性及地震响应规律.提出了基于影响矩阵的减震体系阻尼器合理参数的计算方法,并以三角形钢阻尼器为例,探讨了其收敛性及影响因素.结果显示:大跨度混合梁独塔斜拉桥横向减震体系下各位置处的阻尼器合理屈服力与相应横向固定体系的支座剪力之间存在着明显的相关性,采用合适的阻尼器初始屈服力和影响矩阵可以有效地提高迭代计算的速度和稳定性.基于辅助墩与边墩的刚度比,探究了不同河谷地形下斜拉桥各墩/塔位置处的阻尼器合理屈服力.当边跨所处河谷边坡较陡峭时,宜在各墩/塔位置处均设置阻尼器,可以较好地控制辅助墩的墩-梁相对位移,并对各墩/塔进行有效减震,而当边跨所处河谷边坡较平缓时,可仅在主塔和过渡墩位置处设置阻尼器,能达到与各墩/塔位置处均设置阻尼器时相似的减震效果.

关键词：独塔斜拉桥显著非对称性横向减震体系影响矩阵法阻尼器合理参数地形影响