最新刊期
      2023 年 第 55 卷 5 期

        工程结构减震与隔震

      • 戴靠山,吴小宾,吴体,朱松晔,王斌
        2023, 55(5): 1. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300657
          
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        发布时间：2024-01-10
      • 王斌,张展宏,陈鹏,朱松晔,戴靠山
        2023, 55(5): 5-13. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300062
        摘要：隔震结构由于隔震层的刚度较小，结构的变形绝大多数集中在隔震层。在强震作用下，隔震装置虽然能够很好地满足大变形的需求，但是变形结束后，在某些地震作用下隔震装置很难自动复位到初始状态。隔震层明显的残余变形可能会导致主体结构正常使用功能的中断，难以保证隔震装置在多次余震或未来地震中继续发挥作用，并且在震后难以修复到初始位置。基于此，本文对比分析当前设计规范中对隔震支座复位能力的规定；以超弹性形状记忆合金（SMA）良好的变形自恢复能力为基础，结合铅芯橡胶隔震支座（LRB），提出自复位隔震支座（SMA–LRB）；通过压剪往复加载试验，对比传统LRB与SMA–LRB的力学行为；对基于不同规范限值的LRB及SMA–LRB的单自由度体系进行非线性时程分析。结果表明：SMA–LRB具有良好的自复位能力；在满足规范设计的情况下，LRB隔震体系在震后仍可能出现较大的残余变形；残余变形值与隔震层的最大变形值无直接关系，在中等地震作用下（如设防烈度地震）可能更容易出现残余变形；SMA–LRB隔震体系增强了隔震结构震后的复位能力，能有效减小震后残余变形。  
        关键词：隔震结构;铅芯橡胶支座;自复位;形状记忆合金;残余变形;正常使用功能   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张瑞甫,张璐琦,潘超,陈清军
        2023, 55(5): 14-22. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201248
        摘要：惯容系统能够对结构进行多指标减震控制，然而，既有惯容减震结构设计方法主要针对结构单一性能指标展开。针对建筑结构在地震作用下的安全性和正常使用的功能需求，考虑工程中常用的非线性黏滞阻尼器，提出一种结合非线性黏滞阻尼的惯容减震结构多目标性能控制策略，以实现对建筑结构的层间位移角和楼面绝对加速度等关键性能指标的有效控制。通过采用主自由度方法和复合靶向控制策略，以惯容系统安装位置的相对变形为主自由度，以靶向控制模态的振型为结构变形形状，将复杂的多自由度原结构解耦为多个附加惯容的主自由度系统，对惯容减震系统的参数和安装位置进行设计，并以一个标准模型为例进行适用性验证。在设计中，非线性黏滞阻尼元件作为关键组成部分，惯容系统提高了阻尼元件的耗能能力，为实现多目标性能控制提供了支撑。研究结果表明，所提出的方法能够有效地降低建筑结构在地震作用下的位移和加速度响应，能够满足建筑的安全性和正常使用的功能要求，同时遵循规范和标准，这种多目标性能控制策略有望为实际工程结构设计提供有力指导。  
        关键词：惯容;复合靶向控制;多目标控制;正常使用功能   
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        发布时间：2024-01-10
      • 孙祚帅,贾良玖,张宏泰,万佳,项平
        2023, 55(5): 23-30. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300047
        摘要：中国传统楼阁式木构由柱基层、柱架层、铺作层和屋架层组成，地震作用下各结构层间出现的非线性响应表明了楼阁式木构是一个高度非线性的结构体系，其中蕴含了丰富的减隔震机理，而整体楼阁式木架的抗震机理复杂且各结构层协调工作机制、动力及耗能性能尚未被完全揭示。为了探究楼阁式木架的动力及耗能性能，对1/16缩尺的观音阁单层木架简化模型进行振动台试验。将3条地震波缩尺并输入调整后地震动峰值加速度（PGA），分析木架在单向地震激励下的动力响应。结果表明：当输入地震动加速度较小时，3条地震波作用下木架响应都较小；当输入地震动加速度较大时，3条地震波作用下木架均会出现柱摇摆、柱脚滑移和柱脚提离等结构响应；木架层间位移角主要由柱架层提供，且随着PGA增大，铺作层层间位移占比减小，柱架层层间位移占比增大。基于试件位移响应和加速度响应，分析木架表现出的滞回特性，结果表明，在柱摇摆前滞回曲线呈现较大初始刚度，在柱摇摆后滞回曲线呈现2阶刚度，在柱脚提离后滞回曲线呈现负刚度。对不同地震激励下的木架累积耗能及耗能占比进行分析，结果表明：随PGA增大，柱脚摩擦滑移耗能占比越大；且PGA越大，柱架层摇摆耗能占比越大，铺作层耗能占比越小。  
        关键词：楼阁式木架;振动台试验;柱脚提离;滞回曲线;累积耗能   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张毅,李海洋,刘江涛,尚庆学,李吉超,王涛
        2023, 55(5): 31-40. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300124
        摘要：浮放文物在地震中往往会遭受严重破坏，采用隔震技术保护文物安全是行之有效的手段。本文提出了一种模块式金属隔震支座，通过浮放花瓶振动台试验验证了隔震装置的可行性。隔震支座由金属板、直线导轨、滑块、弹簧和摩擦阻尼器组成，采用双层双向布置，可实现水平地震作用解耦。导轨和滑块用于限制隔震支座的运动方向并防止支座发生倾覆；弹簧用于调节隔震支座的水平刚度，通过施加预紧力提供自复位能力；摩擦阻尼器用于控制隔震支座的水平变形，使耗能能力可调节。隔震支座具有模块化特征，可根据设计需要调整弹簧、摩擦阻尼器的数量和布置位置。结果表明：隔震支座具有良好的隔震效果，隔震支座顶部加速度响应为振动台台面加速度响应的28.10%～78.01%；隔震支座的隔震效果与峰值地面加速度（PGA）有关，减震率随着PGA增大而降低，隔震效率提高；隔震支座的实际残余位移在不同地震动类型、地震动强度下均小于参考残余位移，通过调节摩擦阻尼器和弹簧的参数，残余位移可控；文物滑动、倾覆现象与计算结果相符，隔震支座可防止文物在地震作用下产生倾覆，必要时仍需要采取传统抗震措施辅助；设计用于小型文物的隔震支座时应充分考虑减震率、隔震位移需求、支座变形能力限制和自复位能力，多个目标有时难以同时满足，需要取舍。  
        关键词：浮放文物;模块式金属隔震支座;振动台试验;倾覆;滑移;自复位   
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      • 吴克川,陶忠,潘文,戴必辉,兰香,余文正,张龙飞
        2023, 55(5): 41-49. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300270
        摘要：防屈曲支撑（BRB）外伸连接段的稳定控制是保证其正常发挥耗能作用的关键。基于已有试验中出现的BRB外伸段破坏形式及特征，分析BRB外伸连接段的失稳破坏过程及破坏失效机理，研究不同失效模式下外伸连接段失稳破坏的影响因素，进而提出改善外伸连接段稳定性能的端部构造形式。基于理论分析推导不同失效模式下相应外围约束单元与外伸连接段控制截面上的轴力与弯矩计算公式，建立不同失效模式下外伸连接段的稳定分析模型，并通过拟静力试验验证所提出端部构造形式的合理性及稳定分析模型的有效性。结果表明：BRB外伸连接段的失稳破坏为约束单元或外伸段控制截面上的压弯作用效应超过其极限承载力；外伸段的稳定性与支撑端部转角变形的大小密切相关，且BRB耗能单元的高阶多波屈曲变形是引起支撑端部转动变形的直接原因；满足稳定设计准则条件下，减小外伸段长度及耗能单元与约束单元间的间隙值，增加约束过渡段长度，可进一步提高外伸段工作性能的稳定性；符合外伸段稳定条件及端部构造形式的3根BRB在试验过程中未出现外伸段的失稳破坏，其外伸段控制截面上的压弯作用效应均处于弹性范围内。研究为BRB外伸连接段的稳定设计及相应的稳定控制提供理论参考。  
        关键词：防屈曲支撑;外伸连接段;失稳破坏;拟静力试验   
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        土木工程

      • 江巍,闫金洲,欧阳晔,刘立鹏,郑宏
        2023, 55(5): 50-60. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200185
        摘要：根据岩土体力学指标标定颗粒细观参数是应用颗粒离散元解决岩土工程问题的一项基础工作。利用颗粒离散元法执行边坡稳定性强度折减法分析时，岩土体抗剪强度随折减系数变化不断调整，使用试算法标定颗粒细观参数效率严重不足。为解决此问题，采用国产颗粒离散元软件MatDEM，以颗粒细观参数为输入，以岩土体抗剪强度指标为输出，构建超定BP神经网络，开发双轴压缩数值模型并行试验技术，加速神经网络样本数据的获取过程，重复执行“逆向标定—精度检查—样本修正”以实现颗粒细观参数的逆向迭代修正标定。结果表明：该策略的精度明显优于直接以抗剪强度指标为输入、以颗粒细观参数为输出的欠定BP神经网络，标定的颗粒细观参数与抗剪强度目标高度匹配，数值试验结果与目标值相比误差可控制在不超过1%的范围内。采用澳大利亚计算机应用协会（ACADS）的均质土质边坡和堆石坝等两个边坡稳定性分析经典考题，以模型平均位移突变为极限状态判据执行强度折减法分析，检验该策略的应用效果。结果显示：该策略的标定能力可满足抗剪强度不断调整时颗粒细观参数重新设定的需要，安全系数计算结果与ACADS推荐解具有良好可比性。该策略可为MatDEM及其他颗粒离散元程序执行边坡稳定性强度折减法分析时颗粒细观参数标定提供可靠途径。  
        关键词：颗粒离散元法;强度折减法;细观参数;BP神经网络;MatDEM   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王勇,王功臣,韩冠旭,张宝明,钟波,陈振兴
        2023, 55(5): 61-74. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200359
        摘要：为了研究混凝土楼盖火灾后承载性能和破坏模式，对3块灾后楼盖和2块常温楼盖开展力学性能试验，获得了混凝土楼盖裂缝、破坏模式、变形、混凝土和钢筋应变等发展规律。基于塑性铰线理论，考虑梁刚度和变形对楼盖极限承载力的影响，建立了灾后楼盖剩余承载力和破坏模式计算方法，并与试验结果进行对比。结果表明：不同承载机制致使灾后和常温楼盖破坏模式略有不同，灾后楼盖表现为板先破坏模式，常温楼盖表现为梁先破坏模式；受火楼盖中板格易发生灾后爆裂，致使其保护层脱落、有效厚度减少，以及钢筋与混凝土间黏结性能降低，进而倾向于发生弯曲破坏和冲切破坏；相比配筋方式，配筋率对楼盖极限承载力有更为重要的影响，随着板格配筋率提高，极限承载力增加，但发生脆性破坏的可能性增加，特别是采用双层双向配筋方式的板格；传统简支板和固支板屈服线理论，倾向于低估或高估楼盖承载力。本文方法考虑边梁刚度和竖向变形的影响，其所得楼盖极限承载力计算结果较为合理，可用于确定结构中楼盖火灾后破坏模式和制定合理的灾后加固及修复措施。  
        关键词：混凝土楼盖;破坏模式;剩余承载力;抗弯刚度;抗扭刚度   
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        发布时间：2024-01-10
      • 高焌栋,袁焕鑫,杜新喜,钱辉,蔡黎明,高树才
        2023, 55(5): 75-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200295
        摘要：为了探究不锈钢弱轴节点的静力性能和抗震性能，设计并加工了4个端板连接不锈钢梁柱弱轴节点试件，包括奥氏体型和双相型两种不锈钢牌号试件各两个，且均设置了箱形节点域进行加强。对节点试件分别开展单调静力和低周反复加载试验，得到了节点的整体受力性能和局部受力特征，包括节点在单调静力和低周反复荷载作用下的失效破坏形态、荷载–位移曲线和螺栓力发展过程，以及节点在低周反复荷载作用下的刚度、强度退化和耗能能力。结果表明：在静力和循环荷载作用下，节点的最终破坏形态为柱子蒙皮板与柱翼缘的对接焊缝出现断裂，奥氏体型不锈钢节点的初始刚度约为双相型不锈钢节点的90%，塑性承载力约为双相型不锈钢节点的60%～70%；节点在循环荷载作用下，滞回曲线较为饱满，无明显捏拢现象，出现了刚度和强度退化，奥氏体型不锈钢节点的累积耗能约为双相型不锈钢节点的3倍。设置箱形节点域之后，弱轴端板连接节点受力性能对焊缝质量要求更高，焊缝的提前断裂导致不锈钢材的优良延性未能充分发挥。采用有限元软件ABAQUS建立了精细数值模型对试验节点的受力性能进行模拟，并基于试验结果验证了所建立模型的准确性。得到的试验结果和建立的有限元模型可为后续箱形节点域不锈钢弱轴节点受力性能研究提供参考。  
        关键词：不锈钢;梁柱弱轴节点;端板连接;箱形节点域   
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      • 杨晓宇,董建华,吴晓磊
        2023, 55(5): 85-98. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200258
        摘要：有效电势衰减导致电渗后期效果较差，而经典电渗固结理论无法考虑有效电势变化带来的影响。针对该问题，在矩形排布形式中以点状电极单元为研究模型，围绕有效电势衰减与中间变量引入时的限制条件之间的矛盾关系，引入黎曼求和形式对有效电势衰减进行多态分割，保证了黎曼状态段内中间变量方程的成立；考虑有效电势衰减与电渗固结在时间维度上的统一性，采用初始条件继承策略进行非稳态的迭代计算，将全时间域上的非稳态求解转化为状态段之间初始条件的更新迭代，并基于Galerkin法给出了方法的有限元形式，且利用Python进行了编程实现。此外，进行了电渗模型试验以验证理论方法的可靠性。研究表明：1）非对称点状电极单元在电渗过程中，阳极处有效电势的变化受到渗流路径长短的影响，较远处阳极有效电势增加，其余两处处于衰减状态；2）多态算法下的结果能够反映有效电势对孔压分布的影响，与经典结果相比变化主要集中在单元中部；3）初始条件继承带来的孔压幅值突变现象会随着状态段数的增加而减小，在孔压曲线较为平滑后，继续增加状态段数量对于计算精度的提升有限。该方法实现思路简洁、清晰，更加符合真实情况。  
        关键词：2维电渗固结理论;有效电势衰减;点状电极单元;Python科学计算   
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        发布时间：2024-01-10
      • 程树范,曾亚武,叶阳,高睿,李涵
        2023, 55(5): 99-108. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200347
        摘要：随着含水率（湿度）的增加，红层黏土（岩）会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征，这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响，本文在湿度应力理论的基础上，对含水率归一化处理，提出基于相对湿度的变模量本构，建立岩土膨胀分析模型；以固结黏土和红层黏土岩为研究对象，开展膨胀和吸水软化试验。结果表明：膨胀试验中，黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205，膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa，黏土岩具有更强的膨胀能力；固结土吸水效率更高，能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中，干燥状态下黏土岩的压缩模量较大，但吸水过程中模量的衰减也较快，饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据，对本文模型的稳态参数进行反演，并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟，一方面，验证本文方法在稳态分析时的适用性；另一方面，给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例，进行了稳态理论计算和瞬态数值计算，以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得，数值模拟结果准确性高，可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。  
        关键词：红层黏土岩;湿度应力场;膨胀本构模型;遇水软化;数值模拟;相对湿度扩散率   
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        发布时间：2024-01-10
      • 乔彤,周建,张天骄,蒋熠诚
        2023, 55(5): 109-117. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200176
        摘要：矩形、直墙曲拱形等非圆形断面隧道在工程建设中越来越常见，自然界土体受地质运动和自身重力作用多为渗透各向异性介质。现有关于水下隧道渗流场的解析研究理论常将隧道截面形状假设为圆形，以使水下隧道渗流场的计算得到简化，少数关于非圆形断面隧道的解析研究也未能考虑隧道周围介质渗透各向异性对隧道渗流场的影响。基于此，以2个相互垂直的渗透系数表示隧道洞周土的渗透各向异性，基于地下水渗流理论、坐标变换、保角映射、最优化技术，将水下非圆形隧道渗流域分区域映射为同心圆环，在此基础上分别求解稳定渗流连续方程，再按照渗流连续性原则进行联立求解，推导出在渗透各向异性半无限多孔介质中水下非圆形隧道渗流量及水头的解析式。以某椭圆形水下隧道为依托，通过数值模拟验证了该解析解的正确性，且与等效周长法和等效面积法对比发现本文方法更符合数值模拟结果。研究发现：不考虑洞周土渗透各向异性将会低估隧道渗流量和衬砌外水头，给隧道支护结构设计带来安全隐患，在隧道工程建设中适当考虑洞周土渗透各向异性的影响符合实际情况。本文提供的方法适用于考虑渗透各向异性下的任意形状水下隧道渗流场的解析研究，为非圆形断面隧道渗流量、支护结构外水压力的快速、准确预测提供支撑。  
        关键词：非圆形隧道;保角映射;渗透各向异性;衬砌;解析解   
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        发布时间：2024-01-10
      • 刘成禹,林炜,张向向,石俊杰,罗洪林,真嘉捷
        2023, 55(5): 118-128. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200362
        摘要：为了定量分析电磁辐射参数与围岩变形破裂的关系，提高变形预测的准确性，基于丽香铁路中义隧道的219组现场实测数据，采用相关分析方法对电磁辐射参数与隧道变形量、变形速率的相关性进行研究；选用电磁辐射强度、脉冲、能量指标中与隧道变形量、变形速率最相关的参数，基于偏最小二乘法（PLSR）建立了隧道变形量和变形速率的多参数模型；通过实测数据检验了模型的有效性，并利用该模型对开挖后隧道断面的变形演化规律进行了预测。结果表明：1）电磁辐射强度极大峰值事件数占比、脉冲数、超过平均能量的峰值事件数及三者的波动速率占比分别是电磁辐射强度、脉冲、能量指标中与隧道变形量、变形速率最相关的参数；2）采用偏最小二乘法建立了隧道变形量和变形速率的三参数PLSR模型，两者计算值与实测值的相关系数分别为0.838和0.927，验证了该模型的有效性；3）现场预测结果显示，三参数PLSR模型的预测值比一元回归模型更接近实测值，且预测可靠性更稳定。实际工程中，应综合电磁辐射强度、脉冲和能量3类指标，建立隧道变形的多参数预测模型，以便更准确地反映隧道的实际变形规律，提高电磁辐射技术在工程实际中的现场应用水平。  
        关键词：隧道变形;电磁辐射;变形速率;偏最小二乘法   
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      • 陈舞,孙海清,王浩,吴秋波,马灿,茶增云
        2023, 55(5): 129-140. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200247
        摘要：针对山岭隧道坍塌风险评价的多指标性和不确定性的特点，将集对分析法与信息熵理论相结合，应用于山岭隧道坍塌风险评价。首先，综合考虑隧道坍塌的孕险环境和致险因子，选取围岩级别、地下水、不良地质、初期支护刚度、开挖方法、施工技术水平和施工管理水平等主要影响因素作为评价指标。其次，将集对分析法引入到隧道坍塌风险评价中，从同、异、反的角度分析隧道稳定–失稳的确定–不确定性问题，并构建评价指标与分级标准的集对体系。然后，将坍塌风险评价指标划分为效益型指标和成本型指标两大类，基于集对分析法计算各指标的单指标联系度。同时，引入信息熵理论确定评价指标客观权重，并将其耦合到评价指标的单指标联系度中，构建隧道坍塌风险评价的熵权–集对综合联系度评价模型。最后，利用置信度识别准则判定最终坍塌风险等级。以宾房2号隧道为例，对右幅隧道K31+500～K31+660浅埋段进行了重点分析，评估结果与现场实际情况较吻合。结果表明：基于集对分析法建立隧道稳定–失稳的确定–不确定性关系，较好地解决了山岭隧道坍塌风险等级评价中多指标性和不确定性；利用修正熵权法确定指标权重，减少了人为因素影响；引入置信度识别准则判别隧道坍塌风险，较好地弥补了最大隶属度原则取大运算造成评价结果失真的缺陷。该方法评价过程合理，结果可靠，是一种有效的坍塌风险评价方法，为山岭隧道坍塌风险评价提供一条新的研究思路。  
        关键词：山岭隧道;坍塌;风险评价;熵权法;集对分析法;置信度识别准则   
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        发布时间：2024-01-10

        水利工程

      • 邱顺添,王佳,王明娜
        2023, 55(5): 141-148. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200369
        摘要：水文数据对水资源的可持续管理与利用至关重要，但监测成本和技术的限制，给水文数据的获取和长期监测网络的搭建带来压力。公众科学是公众参与科学研究的方式，也是一种新兴且具有成本效益的数据获取手段，可有效缓解数据短缺、时空分布不均、分辨率低等数据瓶颈，在国际的水文学领域已有了一定的应用研究，但目前国内研究甚少，且未对该研究成果和未来发展前景进行汇总分析。因此，本文开展了公众科学在水文领域的应用现状和未来的综述分析。首先，从定义、公民参与的形式和涉及水文研究阶段、与水文学发展相互作用等方面对公众科学进行了概述。其次，通过文献计量和项目统计的方法分析了水文背景下公众科学的现状。研究表明：公众科学在水文学领域的研究呈上升趋势，尤其是在近5年快速发展，研究内容涉及地表水、地下水、饮用水、生态环境等方面；研究范围覆盖全球，主要集中于欧美国家发达国家，而中国仍处于初步发展阶段；公众科学对水文学的贡献主要是数据的获取和补充，在公民深入参与多阶段水文科学研究方面仍具有较大的潜力。同时，回顾了公众科学在降雨、流量、水位、水质、土壤湿度等领域的应用现状，其中，传感器、物联网、新兴技术的发展有利于公众参与，进而更好地服务水文研究。最后，从水文数据市场、水文分析技术和水文知识探索3个方面探讨了公众科学在水文学应用中的前沿问题与未来展望，以期为未来公众科学在水文领域的发展指明方向。  
        关键词：公众科学;水文学;数据监测;公众参与;公众水文学   
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        发布时间：2024-01-10
      • 马玖辰,崔阿凤,吕林海,杨杰
        2023, 55(5): 149-160. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200270
        摘要：基于格子Boltzmann法（LBM）与离散单元法（DEM）的基本理论，通过对格子单松弛模型演化方程进行修正，建立LBM–DEM耦合计算模型。引入浸没移动边界方法（IMB）处理复杂的流–固边界问题，利用编程软件MATLAB开发LBM–IMB–DEM耦合求解程序，对悬浮颗粒在含水介质中的运动过程进行模拟计算。通过开展层析柱强制渗流试验，模拟DKT算例，验证了计算模型与求解方法的正确性；从孔隙尺度分析地下水动力、颗粒形貌和尺寸效应对含水层渗透性能的影响。结果表明：当进口流速为5×10–5 m/s，向含水介质注入球形硅微粉悬浮液时，含水层各区域的渗流速度均呈现下降、回升、稳定的3个连续阶段；随着渗流速度的降低，颗粒滞留率增加了47.4%，所选3个断面平均流速恢复率降低。将悬浮颗粒由球形硅微粉替换为非球形硅微粉后，所选3个断面的平均流速最大降幅分别提高了15.0%、11.4%、2.6%，恢复率依次降低了37.5%、69.6%、71.9%，含水介质的颗粒滞留率增加了47.9%。基于颗粒受力平衡分析可知，球形硅微粉转动惯量较低，易于滚动并脱离含水介质表面；同等效体积的非球形硅微粉比表面积更大，而且多絮凝成团，迁移过程中出现沉积或被孔喉捕获的机率提高，并且沉积后难以发生再释放过程。随着渗流速度的降低与含水介质计算区域的增加，悬浮颗粒形貌的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度增强。  
        关键词：颗粒运移;格子Boltzmann方法（LBM）;离散单元法（DEM）;形貌特征;尺寸效应   
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        发布时间：2024-01-10
      • 黄先北,方涛,郭嫱,陈徐睿,庞凯文,仇宝云
        2023, 55(5): 161-168. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200179
        摘要：开敞式进水池是中小型泵站中重要的水工建筑，其在结构尺寸设计不合理时易出现空气吸入涡（air-entrained vortex，简称吸气涡），严重时会发生空蚀，从而严重影响泵站安全稳定运行。在开敞式进水池中，喇叭口悬空高度C对进水池流动影响较大。本文根据泵站设计规范中给定的悬空高取值范围，采用简化的耦合水平集与流体体积方法（simple coupled level-set and volume-of-fluid method，S-CLSVOF）捕捉水气交界面，并基于分叉模型（bifurcation model，BM）进行数值模拟，分析了吸气涡随喇叭口悬空高度的变化规律，并从喇叭口处涡量及涡拟能的角度，分析了产生该规律的机理。结果表明：吸气涡的大小和进水管内相对吸气率β呈正相关，且平均相对吸气率在3×10–4～7×10–4之间；平均相对吸气率基本随悬空高度的增加呈下降趋势，但在C = 0.35D（D为喇叭口直径）处出现突降的情况；每个方案涡量随时间的变化规律表明涡量可定量体现吸气涡的强度；通过对涡拟能输运方程中的分析，发现漩涡受到的拉伸作用决定了平均相对吸气率的变化规律，且与吸气率的变化规律一致，揭示了吸气率突降的机理。同时，分析研究结果发现，在设计进水池时，考虑到吸气涡程度与泵的安装，C = 0.35D的悬空高度为最优选择。本文结论对进水池的设计具有指导意义。  
        关键词：进水池;吸气涡;悬空高度;简化的耦合水平集与流体体积方法;吸气率   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王力,陈玙珊,王世梅,张伦,郭飞
        2023, 55(5): 169-180. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200158
        摘要：波浪对三峡库区土质岸坡的侵蚀极大影响了库区生态与地质环境安全，预测波浪对岸坡的侵蚀范围是库区防灾减灾工作的重要措施，然而现有的侵蚀预测主要是以经验方法为主，难以获得准确的结果。为此，采用能量守恒理论，考虑波浪上爬过程中的层厚及流速变化，分别构建波浪上爬势能方程与摩擦耗能方程，最终联立建立波浪作用土质岸坡侵蚀范围预测方程。为获取预测方程的关键参数，开展波浪上爬岸坡模型试验，研究波浪上爬岸坡时的流速、层厚及爬高变化规律。结果表明：岸坡坡度越大，波浪爬高越大，爬坡水流厚度也随之增大，但爬坡水流流速随之减小；根据试验结果获取了水流厚度参数与流速参数的分布区间，构建了水流厚度参数、流速参数与岸坡坡度间的关系方程。为验证侵蚀范围预测方程的可靠性，开展波浪侵蚀岸坡模型试验，获取土质岸坡侵蚀演化进程。结果表明：土体干密度越大，岸坡的抗侵蚀能力越强，且岸坡达到最终稳态所需的时间越长；由于碎石护面作用使得岸坡侵蚀稳定的时间缩短，碎石含量越多，岸坡的抗侵蚀能力越强。将岸坡侵蚀稳定终态结果与预测方程结果进行了对比，验证了本文提出的侵蚀范围预测方程的可靠性。本文提出的波浪侵蚀范围预测方程可广泛应用于国内外水库土质岸坡的侵蚀灾害防治工作。  
        关键词：能量守恒;波浪侵蚀;三峡库区;模型试验   
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        发布时间：2024-01-10
      • 彭程,王昊,张华庆,陈汉宝,赵旭
        2023, 55(5): 181-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200449
        摘要：为探究高透空性新型人工块体TB–CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性，利用基于光滑粒子方法（smoothed particle hydrodynamics，SPH）的DualSPHysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB–CUBE数值模拟研究，探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。结果表明：数学模型模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内，可较好地刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型，分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性，综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素，得到最优消浪效果所对应TB–CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径 R2与块体边长h的关系。在此基础上，以优化后的TB–CUBE块体为对象，分析其爬高和越浪的过程，揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用，且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能，可以相应地减少波浪的爬高。此外，研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响，得到TB–CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大，而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响，拟合得出TB–CUBE块体的爬高经验公式，公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981，能够真实反映该块体的爬高情况，为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。  
        关键词：光滑粒子方法;新型人工块体;TB–CUBE块体;波浪爬高;越浪;经验公式   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 张静,陈延峥,许文轩,王旭飞,刘荣强,寇子明
        2023, 55(5): 191-201. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200237
        摘要：薄膜因其质轻、折叠体积小及力学性能良好等优点，在航空航天领域扮演着重要的角色。但薄膜属于柔性材料，由于其厚度小、抗弯刚度小，在外部载荷较大时极易出现局部屈曲现象，从而产生褶皱。褶皱是影响空间薄膜结构性能的重要因素之一，因此研究薄膜褶皱特性及其抑制方法对薄膜结构在航空航天等领域的应用至关重要。本文主要研究薄膜的结构参数及边界条件对薄膜褶皱特性的影响。针对拉伸作用下的方形薄膜结构，采用显式动力法对该结构进行了褶皱仿真分析，并将其仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了仿真模型和分析结果的正确性。为了探究拉力作用下褶皱特性的变化规律，以方形薄膜为研究对象，分析了薄膜长宽比、内角、夹持宽度等结构参数和边索结构对褶皱特性及变形的影响规律。结果表明：当薄膜长宽比由1.0增加至1.5时，薄膜的面外变形增大，且褶皱分布区域扩大。当薄膜中内角小于75°时，褶皱主要分布于薄膜两边夹角为锐角的角区域。此外，增大薄膜夹持宽度和增加边索结构均可有效抑制褶皱的发生。为了进一步验证分析结果，进行了不同夹持宽度下的褶皱测试，通过褶皱数量和幅值变化的趋势分析，以及与仿真结果的对比，证明了仿真模型的正确性，为薄膜结构的张拉分析提供了一定的理论依据。  
        关键词：方形薄膜;显式动力法;褶皱特性;面外变形   
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        发布时间：2024-01-10
      • 宁方华,王广浩,潘尔听,贾欣裕,李仁旺
        2023, 55(5): 202-211. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200152
        摘要：为了缓解高峰期停车难、排队等待时间长和立体车库存车效率低的问题，提出一种具有缓存功能的立体车库。首先，充分利用立体车库底层空间设计子母车缓存池存车方案，通过缓存池的连续搬运工作提高存取车效率。车库各层均布置有一辆母车，采取多层循环车位分配策略，实现车库多层母车并行存车功能，并通过分析多个存车请求下立体车库的工作时序特征计算立体车库并行存车效率。其次，基于顾客存车流程建立M/M/n多服务窗排队模型，并采用排队理论分析不同顾客到达速率下升降货梯平均利用率及不同升降货梯数量下顾客存车平均排队的时间、队长和需要等待的概率。最后，结合实际车辆参数、车库结构尺寸和子母车搬运系统的运动参数，基于占地面积合理设计存车缓存池容量，对比分析缓存池作用前后的顾客存车指标，验证了缓存池能够大幅降低顾客存车等待时间。结果表明：立体车库系统在进行5辆车并行存车状态下，比传统的堆垛机式立体车库存车效率提升39%；顾客到达速率为75 辆/h时，设置存车的子车缓存池容量为4，可节省顾客约47.8%的平均排队时间。因此，该含有缓存池的立体车库并行存车方案能显著提高存车效率，同时降低顾客等待时间，可进一步满足顾客存车需求。  
        关键词：立体车库;子母车;缓存池;并行存车;排队模型   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨洲,邓金风,蒋睿嵩,左杨杰
        2023, 55(5): 212-220. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200282
        摘要：碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymers, CFRP）在航空领域应用广泛，但极易发生铆接损伤。针对航空CFRP构件，本文通过试验研究带垫圈铆接损伤行为，评估不同宽径比和边径比下铆接构件拉伸剪切性能。结果表明：镦头径向过度膨胀和镦头轴向变形挤压共同造成CFRP孔口局部应力过大，进而引起局部铆接损伤，且镦头附近铺层挤压损伤最明显。垫圈一方面有效限制了镦头附近钉杆不均匀膨胀；另一方面通过将局部轴向挤压力向孔周表面垫圈覆盖区域分散进而降低孔周表面轴向应力水平，最终有效减小了铆接损伤程度。所有试件力–位移响应曲线特征由钛合金铆钉主导，伴随铆钉剪切失效。拉伸失效过程中，垫圈均未发生明显变形，但CFRP层板钉孔周围表层发生明显局部挤压损伤，同时拉伸过程中伴随纤维断裂声响。宽径比对试件刚度和最终失效强度均具有明显影响，但边径比影响不明显。为探究与传统铆接相比更高效的铆接方式，本文针对CFRP/CFRP复合材料铆接构件，创新性地引入了带垫圈的铆接方法，通过铆接、拉伸剪切试验验证和铆接试件微观表征，发现垫圈能够有效抑制镦头的膨胀，并分散孔周应力水平进而降低铆接损伤。铆接试件的宽径比相较于边径比对铆接试件刚度和失效强度的影响更为显著。在拉伸剪切试验中，铆接试件的失效模式均为铆钉断裂。  
        关键词：复合材料;铆接;垫圈;损伤;失效   
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        发布时间：2024-01-10
      • 马利欣,马赛赛,杨田,詹胜鹏,贾丹,章武林,金义杰,段海涛
        2023, 55(5): 221-231. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200233
        摘要：负泊松比（negative Poisson’s ratio, NPR）超构材料因其优异的性能而被广泛应用于各工程领域。本文针对负泊松比超构材料的摩擦学性能，以丙烯腈–丁二烯–苯乙烯（ABS）材料为载体，基于典型内凹六边形负泊松比结构，利用熔融沉积成型3D打印技术制备了负泊松比试样和实体试样，结合环–块摩擦磨损试验、扫描电子显微镜、白光共焦3维形貌仪及有限元静力学应力应变分析等测试手段，对比研究了不同载荷（10、30、50 N）工况下NPR试样与实体试样摩擦学性能的差异性。结果表明：1）不同载荷下，NPR试样的应力与变形大于实体试样，且随着载荷增加，NPR试样内部单元的关节处出现应力，负泊松比效应更加明显；2）相同载荷下，NPR试样的摩擦系数较小，磨损量较大，且摩擦接触界面出现犁沟，基体产生磨粒磨损，随着载荷的增加，部分磨屑黏着在NPR试样摩擦表面，磨损机理转变为黏着磨损；3）在较大载荷（本文滚动试验条件为50 N）下，NPR试样负泊松比效应增强，发挥出更好的减振抗冲击性能和能量吸收与传递作用，相比于低载荷（30 N）工况摩擦系数减小，磨损量降低，有利于提高试样的摩擦学性能。研究成果丰富和完善了负泊松比摩擦学材料的研究体系，在材料科学研究前沿进行探索性尝试，为负泊松比材料在摩擦学工程领域应用提供基础数据和技术支撑。  
        关键词：负泊松比;超构材料;摩擦学性能   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 郭永存,杨豚,王爽
        2023, 55(5): 232-241. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200019
        摘要：为解决煤矿巷道环境恶劣及人工疲劳驾驶电机车导致煤矿井下有轨电机车事故频发的问题，提出一种基于改进YOLOv4–Tiny算法的YOLOv4–Tiny–4S矿井电机车多目标实时检测方法。首先，为了提高网络模型对于小目标的检测能力，将传统YOLOv4–Tiny的两尺度预测增加至4尺度预测，并且在网络模型的颈部引入空间金字塔池化（spatial pyramid pooling，SPP）模块，以丰富特征融合信息，增大网络模型的感受野。其次，以煤矿巷道中的行人、电机车、信号灯及碎石作为检测目标，创建矿井电机车多目标检测数据集，并分别采用K–means和K–means++聚类分析算法对数据集重新聚类；对比分析结果表明，K–means++算法具有更好的聚类效果。最后，通过对传统YOLOv4–Tiny算法的消融实验，进一步展示了不同改进措施对网络模型检测性能的影响；并在电机车运行的煤矿巷道场景中，对比分析了YOLOv4–Tiny–4S算法与其他几种算法的检测性能。实验结果表明：YOLOv4–Tiny–4S算法能够准确检测并识别出图像中的各类目标，其平均精度均值（mean average precision，mAP）为95.35%，对小目标“碎石”的平均精度（average precision，AP）为86.69%，相比传统YOLOv4–Tiny算法分别提高了12.38%和41.66%；改进后算法的平均检测速度达58.7 帧/s（frames per second，FPS），模型内存仅为26.3 Mb，YOLOv4–Tiny–4S算法的检测性能优于其他算法。本文提出的基于YOLOv4–Tiny–4S矿井电机车多目标实时检测方法可为实现矿井电机车的无人驾驶提供技术支撑。  
        关键词：矿井电机车;YOLOv4–Tiny;多目标实时检测;无人驾驶   
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        发布时间：2024-01-10
      • 陈法法,董海飞,潘瑞雪,杨蕴鹏,陈保家
        2023, 55(5): 242-252. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200470
        摘要：水工机械装备（如闸门、拦污栅等）长期服役于水域环境，其结构表面会不可避免地产生锈蚀。对于重要的关键受力结构件，如果不能准确检测其锈蚀的严重程度，会导致其维修加固不及时，进而直接威胁受损结构周围人员的生命安全。目前，对水工机械装备锈蚀特征识别主要以人工目视检测为主，容易导致视觉疲劳、主观性较强、锈蚀程度的检测准确率不高等问题。为此，本文提出以VGG–16（visual geometry group，VGG）网络为基础、融合注意力机制和双线性池化的锈蚀等级评估方法。首先，利用RGB（red green and blue）和HSV（hue saturation and value）两种色彩空间中不同分量包含锈蚀图像特征不同的特点，将不同色彩空间作为不同支路网络的输入，使其能够充分利用不同色彩空间的图像特征；其次，在两个支路网络中嵌入注意力机制，通过注意力机制的可训练权重对锈蚀图像的特征进行重标定，调整权重，聚焦于最相关的特征进行学习；再次，采用双线性池化融合不同支路提取的特征，使网络聚焦于最相关的细粒度图像特征，提高网络模型对锈蚀图像细微差异特征的利用；最后，通过盐雾锈蚀实验获取锈蚀图像数据，并在数据集上对本文方法进行消融和对比分析。结果表明，相较于原模型及其他主流算法，改进后模型的分类准确率达到了0.953，精确率、召回率、F1系数等评价指标均有大幅提升，本文方法对于不规则锈蚀图像特征能够取得更好的评估效果，可以转化应用于工程实践。  
        关键词：锈蚀图像;VGG–16;注意力机制;双线性池化;锈蚀等级   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 乔亮智,周禄英,杜开峰
        2023, 55(5): 253-261. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201050
        摘要：针对在黄酮类化合物分离纯化过程中β–环糊精（β–CD）介质孔道狭窄所导致的吸附容量低和吸附速率慢的问题，提出一种表面活性剂溶胀策略构建大孔β–环糊精微球（LCDM），实现对黄酮类化合物的高容量、高速率吸附。大孔结构的构建不仅提供了宽阔的传质通道，加快了吸附速率，同时也缩短了溶液中吸附质与微球内部吸附位点之间的距离，提高了吸附位点利用率和吸附容量；超过临界胶束浓度的表面活性剂在β–CD溶液中形成胶束，其在乳化过程中，由于内部的疏水作用，吸引外部油相进入β–CD液滴内部，形成油相通道；随着β–CD被固化交联，油相通道转变为大孔结构。实验结果表明：所获大孔β–CD微球的平均孔径在20～200 nm范围内，孔径随表面活性剂用量的增加而增加；在相同流速下，LCDM形成的固定床具有比传统微孔β–CD微球（SCDM）更低的背压，最大渗透性相比SCDM增加了70.65%。以芦丁为黄酮模型代表物，比较LCDM和SCDM两种微球对芦丁的吸附性能，结果发现：LCDM的最大芦丁吸附量达到29.62 mg·mL–1，是SCDM吸附量（8.66 mg·mL–1）的3.42倍；芦丁在LCDM内的有效孔扩散系数与自由扩散系数之比（De/D0）最高达到1.29，相比于SCDM的De/D0值提高了10.75倍。  
        关键词：环糊精微球;黄酮;表面活性剂;吸附   
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        发布时间：2024-01-10

        网络空间安全

      • 张文芳,张湾湾,王小敏
        2023, 55(5): 262-271. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200077
        摘要：安全多方计算因其具有去中心化、输入隐私性、公平性等特点，对于研究数据隐私保护问题具有重要的价值，其中一个最基本的问题就是保密计算多个数据的最值。本文针对现有方案不能一次性保密计算最大值和最小值、效率低下、计算结果由特定解密密钥持有者获取等问题，提出一种无需可信第三方的可同时求解最大值、最小值的安全高效保密计算方案。本文方案首先给出一个可同时求解最大值和最小值的编码方法，其基本思想是给定一个势为l的有序数全集（l ≥参与者个数n），各参与者据其所持数据在全集中的位置编码得到长度为l的数组（数值所在位置编为随机数，其他位置编为1），各数组按位相乘后的最左和最右非1数值所在位置即为最大值和最小值在全集中的位置。在上述基础上，结合ElGamal同态加密算法保证所有参与者数据的安全性，并利用最大门限解密使得每个参与者都持有部分解密密钥，进而解决保密计算结果由唯一的指定解密密钥持有者获取的安全性瓶颈问题。接着，基于理想–现实模拟范例方法证明所提方案在半诚实模型下的安全性，结果表明所提方案可以抵抗任意参与者的合谋攻击。最后，选取同类最大（小）值方案进行效率分析和性能对比。理论分析和仿真验证表明所提协议在满足更高安全性的前提下，计算复杂度和通信复杂度较已有方案具有一定的优势。  
        关键词：安全多方计算;最大值最小值;ElGamal同态加密;门限解密;模拟范例   
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        发布时间：2024-01-10
      • 景旭,杨少坤
        2023, 55(5): 272-282. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200409
        摘要：在联盟链转帐交易中，账本对联盟参与方是透明的，交易隐私保护是面临的最大挑战之一。针对联盟链隐私保护研究中保护账户余额、交易金额存在的交易合法性验证策略不完善、基础加密算法Paillier效率较低的问题，提出了一种面向联盟链转帐隐私保护的+HomElG零知识证明协议。基于PBFT构造了一种联盟链转账隐私保护应用，论述了同态加密的零知识证明的共识交互场景；通过+HomElG算法加密交易金额及账户余额，根据Σ协议设计密文的零知识证明；通过Fiat-Shamir算法的思想，设计了非交互式零知识证明的相等性证明、范围证明中交易的金额大于零和转账方余额不小于零等过程，并在DDH安全前提下证明它们具有正确性、完备性、零知识性。基于Hyperledger Fabric构建了一个联盟链转账隐私保护原型系统，测试结果验证了该协议在非交互式零知识证明条件下能实现保护账户余额、交易金额的密文交易；当密钥长度为3 072 bit，测试数据长度为12 bit的十进制整数时，+HomElG算法的效率是150.3 ms，交易金额相等、交易金额大于零以及交易余额不小于零等零知识证明过程的效率（证据生成和验证）分别是482.3、209.3和261.3 ms。测试结果表明，与现有协议相比，该协议的+HomElG算法的效率较高，相等性证明、范围证明等交易合法性验证策略更加完善和高效，满足联盟链转账交易隐私保护需求。  
        关键词：联盟链;零知识证明;隐私保护;同态加密;+HomElG   
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