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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

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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

开槽型混凝土叠合板受力性能有限元分析与承载力计算

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建筑结构学报 2024年第4期45卷 216-225页

作者：聂鑫周心怡庄亮东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

开槽型混凝土叠合板采用板端开槽放置附加钢筋的形式取代胡子筋,可以提高施工效率,在工程中已得到广泛应用。为进一步研究开槽型叠合板的受力性能和关键设计参数,采用有限元软件ABAQUS进行建模分析。针对槽口附加钢筋滑移模拟和新旧混... 详细信息

开槽型混凝土叠合板采用板端开槽放置附加钢筋的形式取代胡子筋,可以提高施工效率,在工程中已得到广泛应用。为进一步研究开槽型叠合板的受力性能和关键设计参数,采用有限元软件ABAQUS进行建模分析。针对槽口附加钢筋滑移模拟和新旧混凝土界面模拟方法开展研究,并与试验结果对比,验证了有限元建模的合理性。进一步通过该有限元模型开展参数分析。结果表明,附加钢筋直径过大或过小于预制板纵筋直径都会损伤受力性能,槽口保护层厚度由40 mm减小至20 mm时,叠合板承载力提高18.3%,槽口长度由100 mm增加至300 mm时,叠合板的承载力提高176%。同时,对开槽型叠合板承载力的设计公式进行了理论推导,并与有限元分析结果对比,误差基本小于10%,两者吻合较好。

关键词：叠合板槽口有限元分析设计方法受弯承载力

降阶单元的新进展:内置了最大模误差估计器的自适应有限元法初探

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工程力学 2024年第3期41卷 1-8页

作者：袁驷杨帅袁全王亦平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

该文基于初值问题中降阶单元的成功实践,进一步对一般边值问题提出无需超收敛计算、无需结构化网格、无需结点位移修正的降阶单元;进而提出以降阶单元作为最终解,且内置了最大模误差估计器的自适应有限元算法。该文对这一研究进展做简... 详细信息

该文基于初值问题中降阶单元的成功实践,进一步对一般边值问题提出无需超收敛计算、无需结构化网格、无需结点位移修正的降阶单元;进而提出以降阶单元作为最终解,且内置了最大模误差估计器的自适应有限元算法。该文对这一研究进展做简要介绍,并给出一维和二维边值问题的初步算例,以展示本法的可行性、有效性和可靠性。

关键词：有限元法边值问题降阶单元最大模自适应有限元法

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连梁可更换的Y型偏心支撑组合框架力学性能试验研究

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工程力学 2024年第3期41卷 173-186页

作者：吴桢灏庄亮东黄远湖南大学土木工程学院长沙410082 清华大学土木工程系清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

为研究连梁可更换的Y型偏心支撑组合框架(简称“Y型V-EBCF”)的力学性能,设计制作了一榀Y型V-EBCF试件,其中可更换式连梁由低屈服点钢加工并通过高强螺栓与周边构件相连。对Y型V-ECBF试件和拆卸了连梁后的试件分别进行了拟静力试验,分... 详细信息

为研究连梁可更换的Y型偏心支撑组合框架(简称“Y型V-EBCF”)的力学性能,设计制作了一榀Y型V-EBCF试件,其中可更换式连梁由低屈服点钢加工并通过高强螺栓与周边构件相连。对Y型V-ECBF试件和拆卸了连梁后的试件分别进行了拟静力试验,分析了试件的失效模式、荷载-位移曲线和残余位移角,试验结果表明:在连梁失效前,结构具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;当拆卸失效连梁后,结构在组合框架的不平衡内力下恢复至原位,残余变形角为0.002 rad,小于规范限值(0.005 rad)及最大可更换残余位移角限值(0.0023 rad),且余下试件再加载时的滞回曲线依旧饱满稳定,表明Y型V-ECBF体系具有良好的震后恢复能力;采用现行AISC360-16规范相关公式可以准确计算低屈服点钢连梁的承载力,但超强系数建议取3.0以防止周边构件的破坏;Y型V-ECBF体系的刚度和承载力等于偏心支撑中连梁和组合框架的刚度与承载力之和。此外,Y型V-EBCF中的连梁会引起框架梁跨中承担额外的弯矩,导致跨中混凝土板的开裂,该文给出了计算跨中混凝土板裂缝宽度的公式。

关键词： Y型偏心支撑组合框架可更换连梁低屈服点钢试验研究力学性能设计建议

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双向受力的开槽混凝土叠合板力学性能试验研究

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 251-259页

作者：聂鑫庄亮东李易凡杨悦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 北京航空航天大学土木工程系北京100191

为了解决双向受力的叠合板拼缝处外伸的胡子筋容易与其他部件产生冲突从而影响施工的问题,采用了一种双向受力的开槽混凝土叠合板,在板件拼缝位置预留槽口,并在槽口处放置附加钢筋进行预制板之间的连接,共设置了3个试件对其力学性能进... 详细信息

为了解决双向受力的叠合板拼缝处外伸的胡子筋容易与其他部件产生冲突从而影响施工的问题,采用了一种双向受力的开槽混凝土叠合板,在板件拼缝位置预留槽口,并在槽口处放置附加钢筋进行预制板之间的连接,共设置了3个试件对其力学性能进行试验研究.试验结果表明,双向受力的开槽混凝土叠合板与现浇混凝土板的承载力、刚度比分别达到0.99和1.08,延性系数达到9.59,且二者破坏形态一致,增加槽口数量对试件弹性刚度、开裂荷载、极限承载力的影响有限,但是可以提升叠合板的延性.双向受力的开槽混凝土叠合板可以实现拼缝处的有效传力,具有与现浇混凝土板一致的力学性能,在应用于实际工程时,可以提高施工效率、降低钢筋用量、提升经济效益,具有广阔的应用前景.

关键词：装配整体式结构开槽混凝土叠合板双向板力学性能设计方法

内置了最大模误差估计器的自适应有限元法——研究进展与展望

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土木工程学报 2024年第6期57卷 43-58页

作者：袁驷袁全杨帅王亦平刘海阳清华大学土木水利学院北京100084 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084

新近提出的降阶单元,将常规单元解答的最高次项视为误差项,当作内置的最大模误差估计器;将降低一次的解作为有限元最终解,从而一举实现了按最大模控制误差的自适应有限元算法。降阶单元最初针对结构时程分析的自适应步长算法提出,同时... 详细信息

新近提出的降阶单元,将常规单元解答的最高次项视为误差项,当作内置的最大模误差估计器;将降低一次的解作为有限元最终解,从而一举实现了按最大模控制误差的自适应有限元算法。降阶单元最初针对结构时程分析的自适应步长算法提出,同时将其推广到一般的一维初值问题和边值问题。其后,将其推广到二维边值问题,构造了任意四边形和三角形降阶单元,已成功求解弹性薄膜挠度、弹性力学平面问题、平面和反平面裂纹问题、中厚板弯曲问题等各类二维问题。近期,又进一步将其推广到诸如非线性初值问题、薄膜结构找形问题、最小曲面问题、薄膜与地基接触、弹塑性扭转问题等非线性问题。该文对这一系列研究进展做了综述性介绍和展望,并给出各类问题的代表性数值算例以展示本法的有效性、灵活性、通用性和可靠性。

关键词：自适应有限元法降阶单元初值问题边值问题最大模

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带竖向连梁的偏心支撑组合框架理论研究

土木工程学报 2024年第1期57卷 56-64页

作者：李易凡王雨伦赵继之庄亮东吴桢灏清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 清华大学土木水利学院北京100084

带竖向连梁的偏心支撑组合框架具有良好的力学性能,是一种高效的耗能减震结构体系,但由于试验研究的数量有限,仅从单个构件试验并不能完全证明该结构体系的优越性和适用性。该文对带竖向连梁的偏心支撑组合框架展开理论研究,详细分析了... 详细信息

带竖向连梁的偏心支撑组合框架具有良好的力学性能,是一种高效的耗能减震结构体系,但由于试验研究的数量有限,仅从单个构件试验并不能完全证明该结构体系的优越性和适用性。该文对带竖向连梁的偏心支撑组合框架展开理论研究,详细分析了各设计参数对结构抗震性能的影响。首先,该文建立该结构体系的结构力学理论模型,推导侧向荷载作用下结构的内力分布结果与变形分布结果,并提出该结构的理论骨架曲线,给出理论骨架曲线关键点的计算方法,与试验结果吻合良好。根据该文建立的理论模型,可计算出在不同侧向荷载作用下,结构的内力分布与变形模式。此外,理论模型分析的结果显示,在引入偏心支撑构件后,原组合框架的梁端和柱端的内力增加,跨中框架梁内力增加,混凝土板的损伤增加,结构的侧向刚度明显提升,与试验结果分析得到的结论完全一致,进一步验证理论模型的准确性。

关键词：偏心支撑组合框架剪切连梁理论力学模型骨架线参数分析

考虑SSI及地形效应的整体渡槽隔震性能分析

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第7期64卷 1090-1099页

作者：韩钟骐敖选年蒋继彬王海深潘鹏清华大学土木工程系北京100084 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

该文以滇中引水工程松林渡槽为例,分析了桩土相互作用(soil-structure interaction,SSI)及地形效应(主要为V形河谷效应)对隔震渡槽结构地震响应的影响。采用大型通用有限元软件ABAQUS建模,通过m法及等效刚度桩考虑SSI,采用简化弹簧质量... 详细信息

该文以滇中引水工程松林渡槽为例,分析了桩土相互作用(soil-structure interaction,SSI)及地形效应(主要为V形河谷效应)对隔震渡槽结构地震响应的影响。采用大型通用有限元软件ABAQUS建模,通过m法及等效刚度桩考虑SSI,采用简化弹簧质量模型考虑流固耦合作用。结果表明:考虑SSI后,槽墩变形、槽段间相对位移及支座变形有所增大,其中支座变形接近设计限值,有破坏风险。考虑在V形河谷效应下水平偏振横波相对于水平面不同入射角的工况中,渡槽结构响应的大小依次为:水平入射、45°斜入射、一致输入、垂直入射,其中45°斜入射与一致输入相近;段间相对位移及支座顺槽向显著变形,为设计关注重点。

关键词：渡槽桩土相互作用地形效应有限元模拟隔震