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几种自适应有限元方法的对比分析

工程力学 2025年

作者：杨帅袁驷清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的四种相类似的... 详细信息

新近提出的降阶单元的自适应有限元法，已在一系列初值问题和边值问题中取得成功，但尚缺乏与其他类似的自适应有限元法较为详细全面的对比分析。该文以一维非自伴随边值问题为模型问题，在最大模的度量下，同时考察现有的四种相类似的一维自适应有限元算法，进行对比计算和分析，总结参比方法的优劣。本文的对比分析表明：作为自适应有限元分析方法，特别是从局部加密功能和性能来看，降阶单元原理简明、算法简单，在可靠、通用和计算效率等方面，均优于其他方法。

关键词：降阶单元边值问题最大模一维问题自适应有限元

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时空降阶单元及其自适应分析初探

工程力学 2025年第1期42卷 10-19页

作者：袁驷袁全清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

基于初值问题和边值问题中降阶单元的成功实现,进一步提出时空降阶单元,以弹性弦振动方程(波动方程)为例,构造了自适应有限元分析算法。时空降阶单元继承了初值和边值问题中降阶单元的所有优点,可以给出按最大模度量满足误差限的降阶单... 详细信息

基于初值问题和边值问题中降阶单元的成功实现,进一步提出时空降阶单元,以弹性弦振动方程(波动方程)为例,构造了自适应有限元分析算法。时空降阶单元继承了初值和边值问题中降阶单元的所有优点,可以给出按最大模度量满足误差限的降阶单元的解答。该文对这一研究进展做一简要介绍,并给出包括若干强迫振动以及移动荷载反应的典型算例以展示本法的可行性、有效性和可靠性。

关键词：时空有限元弦振动方程降阶单元最大模自适应有限元法

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深中通道最终接头预制推出工法力学分析

清华大学学报(自然科学版) 2025年

作者：冯楚乔刘入瑞宋神友金文良刘宇飞樊健生清华大学土木工程系深中通道管理中心清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室

深中通道海底隧道全长6 845 m,其中沉管段长5 035 m,采用钢壳混凝土结构。由于施工海域工况和选址条件复杂,因此最终接头的设计和施工是该项目的重难点之一。深中通道项目采用最终接头预制推出工法,显著提高了施工效率。该文详细分析了... 详细信息

深中通道海底隧道全长6 845 m,其中沉管段长5 035 m,采用钢壳混凝土结构。由于施工海域工况和选址条件复杂,因此最终接头的设计和施工是该项目的重难点之一。深中通道项目采用最终接头预制推出工法,显著提高了施工效率。该文详细分析了深中通道最终接头预制推出工法各施工工序的力学特征。首先,阐述了深中通道最终接头预制推出工法的施工过程,明确了研究对象;其次,计算模拟了最终接头的各施工工况,结果表明,最终接头预制推出工法相关结构设计可靠,安全裕度充足;最后,针对最终接头水下推出过程中钢拉杆的特殊受力情况,进行了理论推导和有限元模型验证,结果表明,水下推出工序会出现钢拉杆内力分布不均情况。该文研究结果可为复杂条件下大型沉管隧道最终接头施工提供参考。

关键词：深中通道最终接头预制推出工法有限元分析

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考虑流固耦合作用的拱式渡槽隔震分析

东南大学学报(自然科学版) 2025年第1期55卷 194-202页

作者：韩钟骐张兴凯王海深辜文兰曾显志苏宇坤潘鹏清华大学土木工程系北京100084 云南省滇中引水二期工程有限公司昆明650000 云南省滇中引水工程有限公司昆明650000 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

拱式渡槽是引水工程中的重要输水结构形式,确保其地震安全是保障引水工程正常工作的关键,但目前对于拱式渡槽的抗震及减隔震性能研究较少。本文采用大型通用有限元软件ABAQUS,通过内置非线性单元与用户子程序单元准确模拟拱式渡槽结构... 详细信息

拱式渡槽是引水工程中的重要输水结构形式,确保其地震安全是保障引水工程正常工作的关键,但目前对于拱式渡槽的抗震及减隔震性能研究较少。本文采用大型通用有限元软件ABAQUS,通过内置非线性单元与用户子程序单元准确模拟拱式渡槽结构中的流固耦合作用,考虑支座、止水带和钢筋混凝土的非线性行为,对比分析了拱式渡槽抗震及减隔震效果。针对盆式支座抗震渡槽(S1)、摩擦摆支座隔震渡槽(S2)、仅端跨布置黏滞阻尼器的摩擦摆隔震渡槽(S3)和全跨设置黏滞阻尼器的摩擦摆隔震渡槽(S4)四个方案,开展了地震弹塑性时程分析,对比了不同方案与不同水深情况下下部结构内力与止水带变形的差异。分析结果表明:S1方案下部结构在地震作用下易发生屈服,隔震方案(S2~S4)均未发生屈服,其横槽向拱座基底反力比S1小50%以上,顺槽向小13%以上。S1方案止水带顺槽向变形较大,槽身碰撞最严重,通过布置摩擦摆支座可减轻槽身碰撞,配置黏滞阻尼器可进一步控制支座及止水带变形。S4方案结构内力与止水带变形均较小,隔震性能最佳。

关键词：渡槽有限元模拟隔震流固耦合

从基于模拟到基于人工智能的建筑结构设计方法研究进展

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工程力学 2025年第3期42卷 1-17页

作者：陆新征廖文杰顾栋炼许镇郑哲清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 北京科技大学土木与资源工程学院城镇化与城市安全研究院北京100083

建筑结构设计随着计算机技术进步迈入新的发展阶段,基于模拟与基于人工智能的设计为两个重要发展方向。基于模拟的设计为超出设计规范的特殊结构或特殊工况设计提供了关键手段,其关键难题是发展可以准确、高效模拟结构在地震、火、风等... 详细信息

建筑结构设计随着计算机技术进步迈入新的发展阶段,基于模拟与基于人工智能的设计为两个重要发展方向。基于模拟的设计为超出设计规范的特殊结构或特殊工况设计提供了关键手段,其关键难题是发展可以准确、高效模拟结构在地震、火、风等灾害作用下受力行为的模拟方法。基于人工智能的设计则是通过学习既有设计案例,从而高效生成满足工程经验和设计规范要求的结构设计图,可以有效提升结构设计效率,其关键难题在于对工程经验和结构特征的学习和表达。该文介绍了作者团队开展的基于模拟的抗震、防火、抗风设计的典型案例,以及基于生成对抗网络和图神经网络的人工智能结构设计方法,提出了L0~L5不同层级结构智能设计的划分建议,并展望了未来将基于模拟的设计和基于人工智能的设计相融合的发展方向。

关键词：建筑结构设计结构模拟方法基于模拟的设计生成式网络模型结构智能设计

矩形管翼缘曲线组合梁弹塑性弯扭屈曲性能试验研究

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土木工程学报 2025年

作者：朱经纬刘曜华庄亮东王春生毛一波山东建筑大学交通工程学院清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室长安大学公路学院

矩形管翼缘组合梁因具有较大的抗弯刚度和抵抗弯扭变形能力，尤其适用于曲线梁桥的建设需求。然而，作为一种新型组合梁，矩形管翼缘曲线组合梁的弹塑性弯扭屈曲性能尚未系统探究。为研究矩形管翼缘曲线组合梁弯扭屈曲性能并对比与传统... 详细信息

矩形管翼缘组合梁因具有较大的抗弯刚度和抵抗弯扭变形能力，尤其适用于曲线梁桥的建设需求。然而，作为一种新型组合梁，矩形管翼缘曲线组合梁的弹塑性弯扭屈曲性能尚未系统探究。为研究矩形管翼缘曲线组合梁弯扭屈曲性能并对比与传统工字形曲线钢梁的性能差异，设计了加载及支承装置，开展了3根曲率半径分别为10、15、20m的矩形管翼缘曲线组合梁和1根曲率半径为15m的工字形曲线钢梁在跨中集中荷载作用下的弯扭屈曲试验，获得了试验梁破坏模式及空间弯扭变形规律；考虑约束混凝土本构关系建立了数值模型，分析了翼缘几何尺寸和材料强度对弯扭屈曲性能的影响；在推导了弹性临界弯矩和塑性弯矩理论公式的基础上，结合试验及数值成果建立了矩形管翼缘曲线组合梁弯扭屈曲极限承载力计算公式。研究表明：矩形管翼缘曲线组合梁表现出典型的弹塑性弯扭屈曲破坏特征，最终破坏时钢管内填混凝土发生了压溃破坏；对比于相同曲率半径的工字形曲线钢梁，矩形管翼缘曲线组合梁具有显著更高的承载能力和更好的稳定性，初始屈服、极限承载力分别提高了66.9%，66.6%，极限状态下侧向位移降低了53.1%；增大上翼缘钢管宽度和高度可以在增加较小用钢量的同时显著提高矩形管翼缘曲线组合梁承载能力；所建公式计算结果与试验及有限元结果吻合良好，可用于矩形管翼缘曲线组合梁弯扭屈曲极限承载力计算分析。

关键词：矩形管翼缘组合梁曲率半径弯扭屈曲承载力有限元模型

考虑时域和频域特征的图片时序数据解析方法——以地震动数据为例

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防灾减灾工程学报 2025年第1期45卷 110-118页

作者：程庆乐任昊天田源陆新征李爱群北京建筑大学土木与交通工程学院北京100044 北京科技大学城镇化与城市安全研究院北京100083 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室北京100084

时序数据对于理解和应对地震等自然灾害具有重要意义,但由于保密、获取途径的限制等原因,需要从时域、频域数据的图片中获取时序数据。传统方式下通过直接对图片中时序数据数字化得到的时序数据在时域和频域上均存在较大误差。针对该问... 详细信息

时序数据对于理解和应对地震等自然灾害具有重要意义,但由于保密、获取途径的限制等原因,需要从时域、频域数据的图片中获取时序数据。传统方式下通过直接对图片中时序数据数字化得到的时序数据在时域和频域上均存在较大误差。针对该问题,提出了考虑时域和频域特征的图片时序数据解析方法。该方法首先从图片中通过数字化方法获取时域和频域数据,以识别得到的较为准确的频域数据曲线作为目标频域数据,采用连续小波变换修正从图片中直接识别得到的时序数据,从而提高图片时序数据的解析精度。以地震动这一典型时序数据为例对所提出的方法进行了展示与说明,并与传统直接从图片识别的数字化地震动方法和基于反应谱匹配的频域方法进行了对比。进一步将该方法应用于2022年台湾省台东县6.5级地震的破坏力评估中。主要结论有:提出的图片时序数据解析方法能够兼顾图片中时域和频域的信息,从而能够解析得到更为准确的时域数据,用于后续工程防灾分析时的误差也更小,为从时序数据图片中识别数据提供了重要方法。

关键词：强震动记录图片时序数据解析连续小波变换反应谱时频域

预制拼装桥面板湿接缝构造形式及其性能研究进展

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中国公路学报 2025年第02期 147-163页

作者：胡梦涵贾振雷韩强杜修力惠斌北京建筑大学土木与交通工程学院清华大学土木工程系北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室北京市市政工程设计研究总院有限公司

预制拼装桥面板以施工速度快，低碳环保，对既有交通和周围环境干扰小等优势逐渐成为桥梁工程领域的研究热点之一。预制拼装桥面板的施工速度、整体性和耐久性主要取决于接缝形式、构造与材料等。湿接缝以其现场浇筑量小，施工容差大，... 详细信息

预制拼装桥面板以施工速度快，低碳环保，对既有交通和周围环境干扰小等优势逐渐成为桥梁工程领域的研究热点之一。预制拼装桥面板的施工速度、整体性和耐久性主要取决于接缝形式、构造与材料等。湿接缝以其现场浇筑量小，施工容差大，整体性能好等优势逐渐成为预制拼装桥面板普遍采用的接缝形式。对预制拼装桥面板湿接缝的研究进行了较为系统的梳理和总结。首先介绍了常见湿接缝的类型和性能，并阐述了基于高性能材料湿接缝的构造形式和力学性能，重点探讨了预埋钢筋湿接缝和预应力湿接缝的抗弯、抗剪和抗拉承载力预测模型与计算方法；在此基础上，通过实际工程应用与实践阐明了预制拼装桥面板湿接缝的工程应用价值；指出了预制拼装桥面板湿接缝的发展趋势和进一步需要开展的研究工作。结果表明：基于高性能材料，研发性能优越、构造简单、施工便捷且兼顾经济性的湿接缝连接构造仍然是前提，创新性的湿接缝在弯矩、剪力和疲劳等作用下的工作机制、失效机理和力学性能预测模型及计算公式等是基础，预制拼装桥面板湿接缝面向工程的实用设计方法等是关键。

关键词：桥梁工程预制拼装桥面板湿接缝综述高性能土木工程材料力学性能分析模型

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混凝土全寿命周期固碳技术研究进展

材料导报 2025年第2期39卷 75-82页

作者：杨海涛练鑫晟柳苗孙国文王伟石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院石家庄050043

混凝土制备产生的碳排放占建筑业碳排放的28%,固碳技术成为实现“双碳”目标的关键。混凝土固碳技术是指利用CO_(2)与混凝土孔溶液中碱金属离子(如Ca^(2+)和Mg^(2+))或水化产物的碳化反应生成稳定的碳酸盐来实现CO_(2)的封存。碳化反应... 详细信息

混凝土制备产生的碳排放占建筑业碳排放的28%,固碳技术成为实现“双碳”目标的关键。混凝土固碳技术是指利用CO_(2)与混凝土孔溶液中碱金属离子(如Ca^(2+)和Mg^(2+))或水化产物的碳化反应生成稳定的碳酸盐来实现CO_(2)的封存。碳化反应会影响孔溶液、孔结构和水化产物的特性,进而影响混凝土的力学和耐久性能。本文围绕混凝土全寿命周期(拌合、养护、服役、二次利用),对混凝土固碳技术进行总结,对不同固碳技术的碳化机理、技术特点和固碳潜力进行了论述。拌合阶段注入CO_(2)可促使混凝土主动碳化,但会消耗能量并产生新的碳排放。碳化养护可提高混凝土早期强度,但致密的碳化产物限制了碳化的进一步发展。服役阶段的碳化无需人为干预,固碳潜力大,但其碳化速率较低。二次利用阶段的碳化不仅可实现CO_(2)封存,还可改善再生骨料的品质。对现有技术进行优化、引入新材料和新结构形式有助于提升全寿命周期混凝土的CO_(2)封存效率。

关键词：混凝土全寿命周期固碳碳化机理碳化养护 “双碳”