力学季刊

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论文

罗永峰, 相阳, 沈祖炎

2015, 36(1): 1. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.001

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大跨度空间结构动力特性复杂，在基于性能的空间结构抗震设计背景下，发展和完善大跨度空间结构的地震反应分析方法至关重要．在阐述大跨度空间结构动力特性的基础上，归纳了振型分解反应谱法、动力时程分析法、增量动力分析法、静力推覆分析法和随机振动分析法的研究与应用现状，分析并指出了每种方法在应用中面临的主要问题．最后，指出了大跨度空间结构地震反应分析方法研究中应注意的问题．

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论文

页岩油气高效开发中的基础理论与关键力学问题

庄茁, 柳占立, 王永亮

2015, 36(1): 11. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.002

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我国页岩油气开发刚刚起步，许多基础理论和关键科学（力学）问题亟需明确和解决．本文按页岩油气开发的全过程自然地将其分为四个相互关联的科学问题展开介绍和讨论，包括：页岩工程地质力学特征与预测理论，地质力学找到气；多重耦合下的页岩油气安全钻井完井理论，钻井完井够到气；页岩地层动态随机裂缝控制机理与新概念压裂理论，体积压裂释放气；页岩油气多尺度渗流特征与开采理论，解吸运移产出气．本文提出用水力压裂创造页岩传气能力，用气体二次压裂页岩基质来解决气源问题，实现水力压裂创造的页岩传气能力与页岩基质气体供应能力相匹配，避免“断气”现象发生，最终达到页岩气可持续性开采．解决这些关键科学（力学）问题可以为页岩油气高效开发奠定可靠的基础，具有重要的理论意义和应用前景．

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等波高双孤立波直墙爬高的数值模拟

王贺, 吴卫, 刘桦

2015, 36(1): 26. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.003

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基于RANS方程、VOF方法以及修正的Goring造波方法建立了模拟活塞式推波板运动的二维数值波浪水槽，实现了双孤立波直墙爬高的数值模拟．利用动边界技术模拟造波机推波板的运动，有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法．在验证单孤立波直墙爬高的基础上，模拟了不同相对波高、相对波峰间距的等波高双孤立波的直墙爬高过程，给出了波面、速度场及波动能量的变化规律．数值模拟结果表明：对于等波高的双孤立波，当入射波波高较大及两个波峰间距相对较小时，跟随在后孤立波的爬高放大系数小于先导孤立波的爬高放大系数；双孤立波在直墙爬高过程中，波动场的势能时间过程线呈现三峰形态，其中居中的最大势能峰值出现在第二个孤立波与经直墙反射后反向传播的第一个孤立波完全对撞的时刻．

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复合板旋转约束刚度推导及箱型结构屈曲分析

沈真惠, 乔丕忠, 祁洋

2015, 36(1): 40. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.004

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基于结构稳定性理论，推导出正交各向异性纤维树脂增强复合材料箱型结构各板连接处旋转约束刚度的近似表达式．与以往的经验公式相比，考虑了材料的正交各向异性和截面尺寸的影响．通过对箱型结构的正交各向异性比、截面属性以及纵横比对旋转约束刚度的影响进行参数研究，验证了旋转约束刚度新公式的精确性和适用范围．通过比较采用不同近似表达式得到的结果与有限元计算结果的对比，表明本文的旋转约束刚度新公式可以更精确地用来计算箱型结构的临界屈曲载荷．

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狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展分析

吴昊, 仲政, 高玉魁

2015, 36(1): 49. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.005

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根据伴随着小裂纹延展过程中不同力学参数相互作用的分析研究基础之上，我们就疲劳小裂纹的扩展特性进行了分析，根据不扩展裂纹性质对小裂纹的长度范围进行了讨论，探讨了狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展速率, 并研究了不扩展裂纹形成机理，推演出不扩展裂纹长度计算方法，发展出一种预测小裂纹扩展行为的方法，借助这种方法可以实现裂纹萌生寿命的预测，与疲劳设计相结合可以进一步提高构件安全性与可靠性．不扩展小裂纹的长度可以通过计算定量得到，它与材料的疲劳极限、裂纹门槛值及缺口尺寸等参数紧密相关．以理论数据为依据，可以设计出针对一定材料及尺寸的试样，使其在一定荷载条件下不扩展裂纹长度达到宏观可观测的范围，进而降低小裂纹测量方面的技术难度，进一步验证不扩张裂纹形成机理．

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界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

尹航, 杨国标, 池瑛斌, 李松刚, 张林春, 曾伟明

2015, 36(1): 55. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.006

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采用动态光弹性方法，对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用，采集和分析等差线条纹，计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主，对应力波的阻隔作用不明显，这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别，在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致，并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．

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刚性杆-弹簧摆模型复杂动力学特性的数值仿真

赵聪, 于洪洁

2015, 36(1): 62. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.007

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建立一种刚性杆-弹簧摆刚柔耦合强非线性动力学系统模型，给出了无量纲的动力学微分方程．该模型同时存在小幅度快速振荡和大范围慢速摆动的快、慢双时间尺度变量．针对工程中此类系统数值求解容易产生的刚性问题，采用一种三次Hermite插值精细积分法进行数值计算．将频率比、摆长比和初始摆角作为控制参数，研究刚性杆-弹簧摆刚柔耦合系统快、慢变量的复杂动力学行为．通过数值仿真分析，发现系统在不同的控制参数组合下呈现出混沌运动状态，并给出了与系统运动状态相关的控制参数范围，为复杂的刚柔耦合多体系统的设计与数值分析提供了参考．

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基于非线性本构关系的软管编织增强层等效刚度修正方法研究

胡牧原, 郑百林, 贺鹏飞, 马朋升, 张园春, 郑立新

2015, 36(1): 70. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.008

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基于Hachemi提出的金属编织层本构理论以及拉伸实验的研究方法，进行了不同尺寸金属编织软管的拉伸实验．发现金属编织层在拉伸时会出现强烈的结构非线性，而该理论不能在非线性段与实验结果相吻合．提出了对理论中编织层刚度矩阵修正方法，将金属纤维间交叠产生的接触等效地转化为“修正基体”，独立于金属纤维自身产生的刚度．同时，结合编织角在实验中呈现的变化趋势，提出管状金属编织层在等位移拉伸荷载下编织角呈线性变化的假设．这与Hachemi的假设恰好相反．Hachemi认为编织层受拉时，编织角减小到一定程度则会发生锁定现象．而实验证明了编织角并不会发生锁定．且直到编织层破坏为止，编织角变化的趋势基本呈线性．本文还提出了修正编织角变化的加速系数k，通过金属纤维间的侧向接触解释了实验与数值仿真结果中，力位移曲线与编织角变化曲线不能同时吻合的力学机理．

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基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

高超干, 胡明敏

2015, 36(1): 81. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.009

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塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化，从而引起等效宏观应力，该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的，最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化，继续加载直至宏观裂纹出现，从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等，以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证，表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命，具有良好的预测结果．

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基于纳米压痕试验的混凝土微观耐久性表征

陈仁宏, 乔丕忠

2015, 36(1): 88. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.010

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利用纳米压痕和扫描电镜研究了不同冻融循环下混凝土的微观性能，揭示了冻融循环所导致混凝土退化的机理．纳米压痕结果显示，混凝土浆体的压痕模量与硬度的相关系数很大，并且都不满足正态分布．本文利用核密度估计来计算浆体微观性能的概率密度函数．根据浆体和骨料的性能差异，用阶跃函数来拟合界面过渡区的微观力学性能，同时利用扫描电镜观察界面过渡区的形貌．采用以上两种方法研究不同冻融循环下的混凝土，发现在不同的尺度下，冻融循环对混凝土的影响不同：在纳米尺度下，由于水的参与，高密度水凝胶会进一步形成；而在微米尺度下，由于冻融循环中水结冰膨胀和材料多相性，微裂纹进一步扩展，导致断裂能量降低，混凝土表现出宏观退化．

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横观各向同性弹性半空间地基上四边自由各向异性矩形薄板弯曲解析解

王春玲, 高典, 刘俊卿

2015, 36(1): 95. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.011

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选用更具广泛性的横观各向同性弹性半空间地基模型，来分析四边自由各向异性矩形地基板的弯曲解析解．将异性薄板的弯曲控制方程，与基于横观各向同性弹性半空间地基位移解建立的板与地基变形协调方程相结合，先按对称性分解，然后用三角级数法，得出横观各向同性弹性半空间地基上四边自由各向异性矩形薄板的弯曲解析解，包括地基反力、板的挠度及内力的解析表达式．该解析解克服了数值法的弊端，取消了对地基反力的假设，板的内力及地基反力求解更切实际．算例结果与文献结果吻合良好，证明本文方法的可行性．

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凹边坡参数对边坡稳定性的影响

徐晓惠, 姚再兴

2015, 36(1): 105. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.012

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抽象出凹边坡的几何模型，采用量纲分析的方法，给出凹边坡几何参数和物理力学参数对边坡稳定系数的影响通式．在FLAC定义的边坡稳定系数意义下，经过数万次计算，采用二次回归的方法，确定了通式中的影响指数，形成经验公式．结果表明，受Mohr-Coulomb和拉应力两个强度准则控制的材料，形成的凹边坡的稳定性受无量纲粘聚力、边坡角、内摩擦角的控制．凹形边坡有利于边坡的稳定，边坡稳定性与岩土的抗拉强度关系不大．这一稳定系数公式对于形状规则均匀性好且符合Mohr-Coulomb破坏准则的凹边坡可以给出精度高的估计．对于其它边坡的稳定性评价还需要做有针对性的工作．

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聚苯颗粒混凝土复合墙板隔声性能试验研究与理论分析

朱永明, 周建民, 司远, 杨扬

2015, 36(1): 115. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.013

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聚苯颗粒混凝土复合墙板的新型结构形式和材料，不仅实现绿色建筑的预制化、工业化，还具备良好的隔声和隔热性能．通过声学试验，研究聚苯颗粒混凝土复合板墙板的隔声性能，并采用声传递法、模态分析法和有限单元法的理论结果和试验结果进行对比分析．同时对声传递法提出改进，以满足绿色建筑和既有建筑绿色化改造中设计的需要．

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预应力等效荷载的应用及非线性阶段计算方法

曾建宇, 苏小卒, 王磊

2015, 36(1): 125. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.014

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等效荷载概念在预应力结构的研究和设计中存在广泛应用．依据等效荷载的经典定义，对线性变换后预应力等效荷载是否变化进行论述，指出采用等效荷载法计算预应力混凝土受弯构件在使用阶段的预加力反拱值时，应取用净截面刚度．针对工程界提出的一些观点，用解析方法证明直线、抛物线组合线型力筋的预应力作用仍可用等效荷载法计算，以及等效荷载法并不存在与预应力筋线型相关的局限性．为回答无粘结、有粘结预应力筋应力增长后等效荷载是否变化的问题，提出实时等效荷载的概念，建立了预应力混凝土梁实时等效荷载的计算方法．推导基于实时等效荷载的承载力极限状态平衡方程，并证明其与将预应力筋完全作为抗力材料的平衡方程具有等价性．最后，介绍了实时等效荷载运用于预应力结构非线性阶段变形计算时所体现的优越性．

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论文

基于光滑节点域有限元的虚拟裂纹闭合技术

张玉华, 周立明, 田为军

2015, 36(1): 134. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.015

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为了提高求解断裂参数的效率和精度，将虚拟裂纹闭合法(Virtual Crack Closure Technique)与光滑节点域有限元方法(Node-Based Smoothed Finite Element Method)相结合，提出了SFEM-VCCT方法．基于三角形单元的光滑节点域有限元方法，对二维含中心斜裂纹受拉伸矩形板的断裂参数进行求解．通过不同的单元离散数量与FEM-VCCT做了比较．数值算例结果表明，SFEM-VCCT改善了FEM-VCCT刚度“过硬”的缺点，精度高于FEM-VCCT，并且对网格尺寸要求低、裂纹尖端单元不需要特殊处理、求解简单方便，具有广阔的应用前景．

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论文

磁场中轴向运动导电梁弯曲自由振动分析

张立保, 胡宇达

2015, 36(1): 141. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.016

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研究磁场环境下轴向运动导电梁的弯曲自由振动．首先给出系统的动能、势能以及电磁力表达式，进而应用哈密顿变分原理，推得磁场中轴向运动导电梁的磁弹性弯曲振动方程．在位移函数设定基础上，应用伽辽金积分法分别推出三种不同边界约束条件下，轴向运动梁的磁弹性自由振动微分方程和频率方程，得到固有频率表达式．通过算例，得到了弹性梁固有振动频率的变化规律曲线图，分析了轴向运动速度、磁感应强度和边界条件对固有振动频率和临界值的影响．

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喷水冷却对聚丙烯纤维混凝土高温后力学性能的影响

杜曦, 陈有亮, 王苏然, 李昱琛, 聂大祥, 黄骥

2015, 36(1): 148. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.017

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通过进行高温后不同冷却条件下（自然冷却和喷水冷却）聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土的力学试验，分析了温度和冷却方式对聚丙烯纤维混凝土的质量损失、单轴抗压强度、峰值应变、杨氏模量和显微结构等性能的影响．试验结果表明，随着温度的升高，混凝土的弹性模量与抗压强度都呈下降趋势．聚丙烯纤维混凝土在经历高温后内部纤维熔化，留下大量空隙，使得混凝土高温后的力学性能进一步恶化．通过显微镜观察到，喷水冷却下的混凝土试件中产生大量的裂缝，内部结构更加疏松．此外，通过对试验数据的统计分析，建立了在不同冷却条件下，聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度和杨氏模量随温度变化的关系式．

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论文

框填结构等效斜压杆的模型改进及其数值模拟

朱震宇, 李向民, 蒋利学, 王春江, 高润东, 许清风

2015, 36(1): 156. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.01.018

可视化

等效斜压杆理论是模拟混凝土框架填充墙的常用方法之一．为探索该理论在结构抗震动力时程分析模拟中的应用，基于有限元软件ABAQUS，针对某一多层框架砌体填充墙结构案例，建立梁杆单元模型．模型中运用改进后的等效斜压杆宽度计算公式，来定义交叉杆的截面属性，并通过子程序建立材料的非线性本构关系．通过该模型系统分析了其在地震作用下的动力时程响应，并进行了比较研究．计算结果表明，使用等效斜压杆理论对实际框架填充墙进行模拟是可靠的，可以为工程设计提供参考依据．

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