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基于物理机制的地震-滑坡-堰塞湖洪水作用下山区建筑群抗灾性能评估

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土木工程学报 2024年

作者：李钢赵迪董志骞李宏男大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

我国西南地区地震频发，降雨充沛，高山峡谷地区易爆发大规模滑坡，滑坡体启动后迅速入江堵断河道形成堰塞坝，引发溃决洪水，造成巨大的灾害链危害，严重威胁下游居民生命财产安全及工程设施安全。为定量化解析地震-滑坡-堰塞湖-溃决... 详细信息

我国西南地区地震频发，降雨充沛，高山峡谷地区易爆发大规模滑坡，滑坡体启动后迅速入江堵断河道形成堰塞坝，引发溃决洪水，造成巨大的灾害链危害，严重威胁下游居民生命财产安全及工程设施安全。为定量化解析地震-滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链成灾过程，通过耦合Newmark刚体滑块理论、Rockfall Analyst物理模型和基于浅水波方程的溃决洪水演进物理模型构建了该灾害链过程模拟方法，进而建立了地震-滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链作用下山区临河建筑群抗多灾性能评估框架。以西南山区某临河村镇建筑群为例，分析评估了震损建筑群在溃坝洪水接续作用下的抗多灾性能，并验证了所提方法的可靠性。本研究对村镇建筑选址规划和区域综合防灾减灾体系建设提供了重要的技术手段。

关键词：地震-滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链多灾害物理机制临河建筑群损伤评估

基于隔离非线性理论的结构地震损伤高效分析方法

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工程力学 2024年

作者：郭勇余丁浩李钢大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

基于韧性的地震工程已成为建筑抗震领域的重要发展方向，在进行建筑抗震韧性评估时，对结构在地震作用下的损伤状态进行精准刻画是评估建筑功能损失及可恢复性的基础。现有研究多采用层间位移角、构件杆端转角等唯象的宏观工程需求参数... 详细信息

基于韧性的地震工程已成为建筑抗震领域的重要发展方向，在进行建筑抗震韧性评估时，对结构在地震作用下的损伤状态进行精准刻画是评估建筑功能损失及可恢复性的基础。现有研究多采用层间位移角、构件杆端转角等唯象的宏观工程需求参数评估结构或构件损伤，然而，对于复杂结构，此类指标不仅难以用来对结构损伤状态进行精细化描述，导致评估结果存在较大的不确定性，也缺乏明确的物理意义，此外，评估结构地震损伤需以非线性动力分析数据为基础，而传统方法在进行此类分析时需实时更新和分解大规模结构切向刚度矩阵，导致计算效率低。针对上述问题，本文基于隔离非线性理论提出了一种高效的结构精细化地震损伤分析方法，该方法首先将非线性材料的应变分解为线弹性、损伤和塑性三部分，并在单元内构造损伤和塑性应变场模型；随后结合虚功原理建立隔离损伤-塑性控制方程，并引入Woodbury公式进行求解，使结构动力非线性分析的主要计算量集中于小规模损伤和塑性矩阵的更新和分解，避免了大规模整体切线刚度矩阵耗时的迭代更新，显著提升计算效率；最后，基于分解出的损伤和塑性应变建立了结构中任意部位的损伤量化计算方法，由于本文方法中引入的损伤和塑性应变不仅具有明确的物理意义，且可在每个增量步的控制方程求解过程中实时获取，因而不仅能够对结构损伤状态进行精准刻画，也可用来对结构在地震作用下的损伤分布及其演化过程进行精细化描述和追踪。

关键词：材料非线性弹塑性损伤本构隔离损伤-塑性 Woodbury公式结构损伤

考虑腐蚀与疲劳耦合损伤的滨海工程结构地震风险分析

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工程力学 2024年

作者：张娇磊李钢余丁浩董志骞大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

我国滨海地区具有环境复杂多变、工程结构密集、地震危险性高等特点，导致结构长期遭受氯盐腐蚀与风致疲劳的耦合作用，提高了结构在地震作用下的倒塌、经济损失风险。以往研究表明：腐蚀、疲劳耦合会加速材料力学性能的退化，其中力学... 详细信息

我国滨海地区具有环境复杂多变、工程结构密集、地震危险性高等特点，导致结构长期遭受氯盐腐蚀与风致疲劳的耦合作用，提高了结构在地震作用下的倒塌、经济损失风险。以往研究表明：腐蚀、疲劳耦合会加速材料力学性能的退化，其中力学性能的退化可由腐蚀疲劳的耦合损伤进行量化，但以往研究耦合损伤多集中在单向耦合分析，较少关注腐蚀、疲劳二者之间的协同相互作用，使得因相互作用产生的交互耦合损伤难以定量计算，导致使用单向耦合损伤计算方法估计材料剩余力学性能时会存在较大的误差，降低了滨海结构在考虑腐蚀与疲劳交互耦合作用下的风险评估可信度。为解决上述问题，本文基于腐蚀率和疲劳损伤参数构建了腐蚀与疲劳交互耦合时的损伤计算模型并提出模型的求解方法，实现交互耦合的损伤量化和滨海结构的风险评估。为了搭建交互耦合模型，引入了数学中的多变量交互模型并将腐蚀率、疲劳损伤嵌入其中，此外为使交互模型具有氯盐腐蚀与风致疲劳随时间而加速耦合的物理意义，提出了时变加速耦合因子β(t)修正交互模型。并采用贝叶斯推理建立β(t)的概率分布进行求解。最后，以某滨海高耸结构为例展开分析，揭示了交互耦合效应会大幅提高结构风险，同时论证了本文方法的可行性和适用性。

关键词：地震风险评估氯盐腐蚀风致疲劳耦合模型贝叶斯推理

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考虑风浪-涌浪相关性的随机向量过程模拟

工程力学 2024年

作者：姜云木李钢余丁浩董志骞大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

目前，工程上在海洋工程结构进行设计计算时，常忽略涌浪这一显著的低频动力荷载，这可能为浮式海上风机、跨海桥梁等柔性结构全寿期内的正常服役带来隐患。实际环境中风浪和涌浪均具有显著的随机性，且往往同时存在、相互作用，其统计... 详细信息

目前，工程上在海洋工程结构进行设计计算时，常忽略涌浪这一显著的低频动力荷载，这可能为浮式海上风机、跨海桥梁等柔性结构全寿期内的正常服役带来隐患。实际环境中风浪和涌浪均具有显著的随机性，且往往同时存在、相互作用，其统计规律存在显著相关性，利用上述特点，本文通过将实测海面高程记录分离为风浪和涌浪，并分别研究各自的工程特性和两者功率谱的相关结构，以唯象地研究风浪-涌浪相互作用的规律，进而提出一种考虑风浪-涌浪相关性的随机过程模拟方法。首先，为实现有效的风浪-涌浪分离，本文引入了经验模态分解(EMD)方法对实测记录分解，此方法避免了传统分离方法直接对海面高程的功率谱截断所带来的能量残留问题；随后，通过识别风浪和涌浪的功率谱参数，构建了参数的相关性矩阵，结果表明风浪-涌浪之间具有显著的线性相关性；进一步采用Copula函数和拟合回归实现了考虑相关性的风浪-涌浪功率谱参数建模；最后通过引入风浪-涌浪的相干函数模型，利用本征正交分解(POD)方法实现了风浪-涌浪随机向量过程的一体化同步模拟。数值算例表明，模拟的代表性样本具有显著的波浪工程特性，并从实测记录、均值、标准差、功率谱、相干函数等层面验证了本文建议模型的正确性和工程适用性。

关键词：风浪-涌浪功率谱模型 Copula理论回归分析随机向量过程

混凝土二维毛细吸水规律研究的细观数值模拟方法

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计算力学学报 2024年

作者：王立成殷鸿杰邹凯大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

当混凝土结构表面局部区域或角部位置相邻侧面与潮湿环境接触时，水分在非饱和混凝土中将以二维毛细吸水的方式传输，呈现与一维毛细吸水过程不同的规律。本文基于非饱和流体理论，建立了混凝土二维毛细吸水规律研究的细观数值模拟方法... 详细信息

当混凝土结构表面局部区域或角部位置相邻侧面与潮湿环境接触时，水分在非饱和混凝土中将以二维毛细吸水的方式传输，呈现与一维毛细吸水过程不同的规律。本文基于非饱和流体理论，建立了混凝土二维毛细吸水规律研究的细观数值模拟方法，并开展了混凝土二维毛细吸水过程的数值仿真分析。结果发现，相同时间内，毛细吸水高度随混凝土表面与水接触区域面积的减小而减小，但单位面积的累计吸水量却表现出增加规律。粗骨料和界面过渡区（ITZ）会分别抑制和促进混凝土局部区域的二维毛细吸水过程。在数值模拟基础上，建立了混凝土一维与二维毛细吸水率之间的关系式。此外，定量分析了混凝土构件角部区域毛细吸水过程的交互效应。

关键词：混凝土二维毛细吸水细观方法数值模拟吸水率

非线性软化Cosserat连续体模型及其在土体应变局部化有限元分析中的应用

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岩土工程学报 2024年

作者：韦文成唐洪祥刘京茂邹德高大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

本文完善了Ma等[1]提出的土体非线性应变软化公式，并将其引入到Cosserat连续体DP-MC屈服准则中，推导了本构方程积分的返回映射算法和弹塑性切线模量矩阵。利用有限元软件ABAQUS提供的用户自定义单元子程序接口（UEL）对考虑非线性软化... 详细信息

本文完善了Ma等[1]提出的土体非线性应变软化公式，并将其引入到Cosserat连续体DP-MC屈服准则中，推导了本构方程积分的返回映射算法和弹塑性切线模量矩阵。利用有限元软件ABAQUS提供的用户自定义单元子程序接口（UEL）对考虑非线性软化的Cosserat连续体DP-MC本构模型进行了数值实现，并与平面应变试验进行了数值对比验证。结果表明，本文考虑非线性软化的Cossrrat连续体模型，能够有效克服经典有限元在分析土体由应变软化引起的应变局部化问题时病态的网格依赖性，同时，还能够在一定程度上反映土体剪切带内材料点旋转的细观效应。进一步地，通过对平面应变压缩算例的模拟发现软化系数ω和形状参数η均对土体强度有重要影响。

关键词：非线性软化剪切带应变局部化网格依赖性 Cosserat连续体

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箱型浮式防波堤的波浪消减性能分析研究

哈尔滨工程大学学报 2024年

作者：马玉祥田世豪董国海大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

为了综合比选现有箱型浮式防波堤、分析其截面的改进设计方向，总结了目前提出的箱型浮式防波堤的截面型式，并收集对应的物理模型试验结果对其波浪消减性能进行了分析。通过引入无量纲参数β，对各类浮堤的消波特性进行讨论，得到了不... 详细信息

为了综合比选现有箱型浮式防波堤、分析其截面的改进设计方向，总结了目前提出的箱型浮式防波堤的截面型式，并收集对应的物理模型试验结果对其波浪消减性能进行了分析。通过引入无量纲参数β，对各类浮堤的消波特性进行讨论，得到了不同截面型式浮式防波堤的消浪性能边界。结果表明，当入射波周期小于9s时，各类浮堤的透射系数可达到0.5以下；当大于9s时，浮堤的消浪能力大幅下降，透射系数集中在0.8～1.0。在此基础上，总结了3种改进浮式防波堤截面的途径，建议优选组合异形截面并添设消波模块。

关键词：浮式防波堤消波特性物理模型试验截面型式消波模块消波评价参数截面设计透射系数

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核安全壳在钢衬里锈蚀情况下的概率安全分析

哈尔滨工程大学学报 2024年

作者：李鑫波贡金鑫大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

为研究钢衬里锈蚀对核安全壳密封性的影响，本文通过数值模拟分析了安全壳在钢衬里锈蚀情况下的密封失效压力。探究安全壳的内压易损性并阐明了统计不确定性对易损性分析结果的影响，评估了不同钢衬里锈蚀程度下安全壳的安全裕度和总失... 详细信息

为研究钢衬里锈蚀对核安全壳密封性的影响，本文通过数值模拟分析了安全壳在钢衬里锈蚀情况下的密封失效压力。探究安全壳的内压易损性并阐明了统计不确定性对易损性分析结果的影响，评估了不同钢衬里锈蚀程度下安全壳的安全裕度和总失效概率。结果表明：安全壳密封失效压力随钢衬里锈蚀率的增加逐渐降低；安全壳内压易损性曲线随钢衬里锈蚀率的增加逐渐向坐标轴左侧移动；本文所用LHS样本得到的易损性结果受统计不确定性的影响比较小。总体来看，本文研究的安全壳在钢衬里局部锈蚀率为30%的情况下，可以满足安全裕度不低于2.5和总失效概率不超过0.1的性能要求。本研究可为安全壳在钢衬里锈蚀情况下的概率安全评估提供参考。

关键词：安全壳钢衬里锈蚀密封性统计不确定性易损性分析安全裕度概率安全评估

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实测畸形波的数值重构及机理分析

哈尔滨工程大学学报 2024年

作者：袁长富马玉祥台兵董国海艾丛芳大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

畸形波是海洋中破坏性强的波浪，其生成机理尚未有统一定论。为了研究畸形波的生成机理，本文基于非静压模型，利用时间反转法重构了两个现场测量的畸形波，新年波和Yura波，并与实测数据对比验证。结果表明：畸形波在传播过程中，其小... 详细信息

畸形波是海洋中破坏性强的波浪，其生成机理尚未有统一定论。为了研究畸形波的生成机理，本文基于非静压模型，利用时间反转法重构了两个现场测量的畸形波，新年波和Yura波，并与实测数据对比验证。结果表明：畸形波在传播过程中，其小波能谱的能量存在明显的聚焦-焦散变化；通过谐波分析方法，发现新年波中高阶谐波的作用最高占比为47.1%，Yura波中最高占比为30.7%；通过分析新年波和Yura波传播过程中振幅谱，发现其在演化过程中存在明显变宽现象。这说明，新年波和Yura波是在色散聚焦、高阶谐波以及三阶共振的联合作用下形成的。

关键词：畸形波非静压数值模型时间反转法波面重构机理分析