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  • 2018年, 39卷, 第4期
    刊出日期：2018-12-29
      
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    薄壁管状吸能结构的吸能性能及变形模式的 理论研究进展
    杨帆，王鹏，范华林，仲政
    2018, 39(4): 663-680. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.001
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    薄壁管件作为最常见的防撞吸能结构广泛用于车辆、交通、航空航天等领域，其吸能有效性和可靠性关系着人员和货物的安全．对薄管结构的已有研究主要采用实验和模拟手段，理论模型较少，尤其对于锥形管、充填管和倾斜加载等情况的理论研究还很不充分．本文针对这一现状，从理论建模的角度对各类薄壁管件的吸能机理和变形模式进行了综述．指出了衡量吸能效果的指标，阐述了吸能变形中的能量转换，将各类管按材料分为金属管和复合材料管，按构型分为圆管、多边形管、锥形管、填充管等，按加载方式分为轴向加载和倾斜加载，逐次加以介绍，对各类管的压缩力和变形模式进行了分析预测．最后对薄管吸能领域的理论工作进行了总结和展望．
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    基于Herglotz型微分变分原理研究 相空间中非保守系统的守恒律
    张毅
    2018, 39(4): 681-688. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.002
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    为了进一步探究非保守系统的Herglotz变分问题与其守恒律之间的关系，该文提出并研究基于Herglotz型微分变分原理构建相空间中非保守力学系统的守恒律．首先，基于相空间中非保守系统的Herglotz变分问题，建立该系统的Herglotz型微分变分原理；其次，利用广义变分与经典等时变分之间的关系，给出微分变分原理不变性条件的变换，并建立非保守系统的守恒定理，得到了该系统基于Herglotz变分问题的守恒量及其存在条件；再次，导出守恒定理的逆定理，由相空间中非保守系统的已知守恒量可找到无限小变换的空间和时间的生成元．文末举例说明结果的应用．
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    考虑惯性效应的渗流方程及相关阻力标度律
    刘军文，刘志帆，王晓宏，刘志峰
    2018, 39(4): 689-697. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.003
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    本文基于体积平均法推导得到了多孔介质中考虑惯性效应时的局部线化宏观流动方程，由此可以递推得到较大雷诺数Re 时Navier-Stokes 方程的解，从而避免了直接求解Navier-Stokes 方程所带来的计算成本高和计算稳定性差的问题．针对正方形周期排列模型的算例表明，平均速度方向与宏观压力梯度方向并不总是一致，一般情况下，随着Re 增大，二者差异也会增大．当固定平均速度方向v ? 时，压差阻力在较大的Re 范围内存在标度律，标度指数约为3．该标度指数与弱惯性区域标度指数一致，但弱惯性区域Re 范围仅为0<Re<1，而本文发现的标度律区域可宽达100．
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    柔性作动器驱动的非线性系统随机振动的最优有界控制
    陈辉强，王永，黄志龙
    2018, 39(4): 698-708. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.004
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    柔性作动器具有低刚度、大变形等特征，这一方面使主结构具备了强的环境适应性，另一方面也使主结构易受外界微扰影响，从而降低其操作精度．本文以介电弹性体作动器驱动的单自由度非线性系统为研究对象，通过即时微调电压，抑制系统在平衡位置附近的随机振动．通过随机平均法降低系统维数，将原系统的控制问题转化为关于慢变过程的控制问题；结合随机动态规划原理及控制约束导出最优有界控制策略．该策略具干摩擦形式，具有能量耗散本质，在抑制系统振动的同时提高了系统的稳定性．数值研究表明：最优有界控制策略具有良好的控制效果、控制效率及较高的鲁棒性．
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    含椭圆孔的变角度复合材料层合板的屈曲性能研究
    桑川，聂国隽，王洋
    2018, 39(4): 709-718. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.005
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    本文利用变角度复合材料的纤维方向角可沿平面位置任意连续变化的特点，提出在孔附近采用与孔同心的椭圆曲线作为纤维铺设路径的层合板铺层方案，以改善含椭圆孔的层合板的孔边应力集中，进而提高层合板的抗屈曲性能．主要研究内容有：利用ABAQUS软件分析本文提出的孔边特殊铺层方式下变角度复合材料层合板的面内应力分布及屈曲性能，通过与传统直线铺层方式以及线性变角度铺层方式进行比较，说明了本文提出的新铺层方式的优越性，并详细分析了椭圆孔的离心率、开孔尺寸及开孔方位对层合板的屈曲临界荷载的影响．研究结果可为含椭圆孔的变角度复合材料层合板的结构设计和优化提供一定的参考．
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    轴对称自由振动功能梯度材料微圆板中的热弹性阻尼
    陈顺，李世荣
    2018, 39(4): 719-730. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.006
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    基于经典弹性薄板理论和单向耦合热传导理论，研究了材料性质沿厚度连续变化的功能梯度微圆板的热弹性阻尼特性．首先，考虑热力耦合效应,建立了功能梯度微圆板轴对称横向自由振动微分方程．然后，忽略温度梯度在面内的变化，建立了单向耦合变系数一维热传导方程．采用分层均匀化近似方法，将变系数热传导方程转化为一系列常系数的微分方程，利用上下表面的热边界条件和层间连续性条件获得了微圆板温度场解析解．将所得温度场代入微圆板的自由振动微分方程，得到了包含热弹性阻尼的复频率，从而获得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子．最后，针对材料性质沿板厚按幂函数变化的陶瓷-金属功能梯度微圆板，定量地分析材料梯度指数、几何尺寸、边界条件、温度环境等对微圆板热弹性阻尼的影响．
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    超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究
    张泽南，苏祥龙，陈文
    2018, 39(4): 731-741. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.007
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    采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料，在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验，得出松弛应力与时间成非线性关系，且温度越高、应变率越大、初始应变越小，则最终稳定的应力值越小的结论．采用时间分数阶粘弹性模型，结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数，并与实验数据最小二乘拟合．结果表明，时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为．
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    焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究
    郭素娟，崔元元，黄毓晖，轩福贞
    2018, 39(4): 742-749. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.008
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    基于纳米压痕技术，对转子钢焊接接头不同区域（母材、焊缝和热影响区）开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究．首先，通过压入位移控制的单向压痕实验，采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征，同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析；其次，对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验，比较其压入深度随循环周次的演化特征．结果表明，焊接接头不同区域力学性能差异较大，热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高，焊缝次之，母材最弱；三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征，且母材演化速度高于焊缝，高于热影响区．研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义．
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    饱和多孔介质化学-热-弹性模型及应用
    陈丽，何录武
    2018, 39(4): 750-761. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.009
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    本文基于热局部非平衡(LTNE)条件和加权平均温度概念，并假设孔隙流体由溶质和溶剂两组元组成，对页岩（饱和多孔介质），推导给出了一种LTNE条件下的化学-热-弹性模型，同时讨论了耦合方程组的解耦求解问题．作为模型的应用，考虑无限大平面含一圆形孔的情况，研究了冷/热对流以及溶质摩尔分数突变边界条件下圆孔附近的孔隙压力和化-热应力问题，用Laplace变换得到了平面轴对称情况下有关力学变量的表达式．数值分析了圆孔边界上冷/热对流的Biot数和溶质摩尔分数改变量对圆孔附近孔隙压力和化-热应力的影响．结果表明：在Biot数为中等值(1~5)范围内，LTNE效应是非常明显的；化学作用对孔隙压力和固相应力的影响不可忽视．
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    电动汽车电驱动系统振动特性分析
    郭跃，方明霞，卢鹏
    2018, 39(4): 762-770. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.010
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    论文以某电动汽车为研究对象，采用理论与数值相结合的方法对电动汽车电驱动系统的振动特性进行研究．首先将整车模型划分为转子、定子、副车架、车身子结构及多个连接子结构；然后给出了电驱动系统电磁转矩和电磁径向力的解析表达式，采用模态综合法建立整车的非线性动力学模型，并对其响应特性进行分析．为了验证模型的正确性，论文还采用有限元法对系统的动力学特性进行仿真，仿真结果与理论结果具有较好的一致性；最后采用该模型分析了极弧系数和气隙长度对电驱动系统振动特性的影响以及电机悬置对车身振动的影响．论文研究对认识电动汽车电驱动系统的振动特性具有重要的促进作用．
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    判定非自治Birkhoff系统稳定性的广义组合梯度方法
    章婷婷，陈向炜
    2018, 39(4): 771-777. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.011
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    研究判定非自治Birkhoff系统稳定性的广义组合梯度方法．首先，给出非自治Birkhoff系统和非自治广义Birkhoff系统的运动微分方程；其次，给出一类将广义梯度系统和广义斜梯度系统组合而成的广义组合梯度系统，并讨论广义组合梯度系统的一些性质；最后，将非自治Birkhoff系统和非自治广义Birkhoff系统在一定条件下表示成广义组合梯度系统，并用广义组合梯度系统的性质研究了这两类Birkhoff系统的稳定性．举例说明结果的应用．
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    多尺度法在时滞弹性关节机械臂非线性振动问题中的应用
    吴雨，蒋扇英
    2018, 39(4): 778-784. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.012
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    针对非线性弹性关节机械臂，研究传动过程中的时滞效应对机械臂系统周期振动的影响．本文改进了具有弹性关节的非线性机械臂动力学模型，引入时滞参数，应用多尺度法，得到系统的近似解析解，考察了时滞对机械臂系统周期运动的影响规律．数值软件计算结果表明解析解与数值解具有较好的吻合度．从而验证了本文多尺度方法的有效性和正确性．
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    功能梯度板条的热弹性力学解
    杨博，陈鼎，梅靖，杨云芳
    2018, 39(4): 785-791. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.013
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    本文利用推广后的Mian 和Spencer 功能梯度板理论，研究了功能梯度板条在非均布温度场作用下的热弹性问题．采用该理论中的位移展开公式，在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场，材料常数沿板厚方向可以任意连续变化，从而得到了基于弹性理论的功能梯度板条在温度场作用下的解析解．通过数值算例分析，验证了本文理论的正确性并讨论了边界条件和梯度变化程度对功能梯度板条热弹性响应的影响．
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    分数导数粘弹性模型描述的土中管桩竖向振动的频域解
    王士革，牛洁楠，刘林超
    2018, 39(4): 792-803. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.014
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    在分数导数粘弹性本构模型的基础上综合考虑桩周土和桩芯土的平衡方程和几何方程建立了桩周土和桩芯土的竖向运动的控制方程．在频率域内利用分离变量法和分数导数的性质求解了桩周土和桩芯土竖向振动控制方程．考虑管桩与桩周土、管桩与桩芯土的边界连续性条件以及三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性模型描述的土中管桩的竖向振动，通过数值分析研究了管桩和土体模型参数和几何参数对管桩的桩顶复刚度的影响规律．结果显示：桩芯土本构模型的分数导数的阶数对管桩竖向振动的影响较桩周土本构模型的阶数要小，且与频率有一定关系；桩芯土与桩周土的模型参数比τ1 和τ2 对等效阻尼的影响较对刚度因子的影响要大；管桩桩周和桩芯的直径比d 越小，管桩复刚度的实部和虚部就越大；土体力学性能对管桩竖向振动的影响要比管桩桩身力学性能的影响小．
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    半圆柱壳挠曲问题解析解精确性的研究
    吴国伟，王方
    2018, 39(4): 804-811. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.015
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    壳体力学已于上世纪由多位专家发展成熟，其中简支柱壳挠曲问题采用改进莱维解法的三角级数法解出，但是其解法复杂，手算难以完成．为讨论其结果的精确性，通过编写运行基于MATLAB的运算程序导出实例化解析解，与基于力学基本理论的推想假设对比，再引入有限元计算结果进行比较研究．最终发现，理论解析解应力和位移具有分布形式大致准确性，但仍存在不容忽视的细节与局部性问题．研究表明，理论解法工程意义有限，结果尚需改进．
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    三维冲击荷载弹塑性弯曲裂纹张开位移
    杨大鹏，周超，段峰，晋玉霞，杨新华
    2018, 39(4): 812-820. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.016
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    主要研究冲击载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移问题．综合考虑了冲击作用应力，三维塑性区域边界上正应力与剪应力，利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移．用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移，作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系．三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移随着三维裂纹体厚度的增大而减小，随着三维裂纹体厚度的均匀增大，三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸不断减小，减小的幅度越来越小，最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸．当三维裂纹体几何尺寸相同时，三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随外部冲击载荷的不断增大而逐渐增大，三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随动荷系数的增大而迅速增大，建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹尖端动态张开位移的崭新理论模型．
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    U形切口的有限断裂准则
    刘小妹，卞永明，梁拥成
    2018, 39(4): 821-828. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.017
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    有限断裂力学准则综合了应力和能量参数，假设裂纹或切口端部有限裂纹长度的增长．特别地，该有限裂纹的长度不是材料的基本常数，而是与构件的结构有关．基于U形切口两种形式：点方式和线方式有限断裂准则，对文献中的铝合金U形切口三点弯曲断裂实验进行了分析验证．一方面基于材料的断裂韧度和抗拉强度，预测切口件断裂载荷；另一方面根据几组不同的切口根部半径及其对应的临界切口应力强度因子，同时估算材料的断裂参数：断裂韧度和抗拉强度．将点方式和线方式两种不同形式有限断裂准则的预测结果，与平均周向应力准则、最大周向应力准则以及文献中相关结果进行了比较得出：无论是预测断裂载荷还是估算材料断裂参数，线方式有限断裂准则，与文献中相关结果比较吻合，尤其是估算的断裂韧度精度较高．
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    高强钢及软钢断裂失效行为表征与仿真预测
    刘淼，吕植强，王光耀
    2018, 39(4): 829-836. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.018
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    针对汽车碰撞、结构强度等分析中无法准确模拟高强钢及软钢的断裂失效，研究了高强钢及软钢的断裂失效特性以及其仿真预测方法．以宝钢高强钢HC340/590DP及软钢DC05为研究对象，首先通过不同应变率的拉伸试验和不同应力状态的断裂失效试验，来表征两种钢材的弹塑性及断裂失效行为．并从试验数据中得到LS-DYNA中的Damage Initiation and Evolution Criteria (DIEC)失效模型所需参数，建立失效模型，通过子系统试验及仿真计算对DIEC失效模型进行验证．结果表明基于准确的材料试验数据，正向建立的DIEC失效模型可以准确预测HC340/590D及DC05的断裂失效行为．本研究方法可推广到其他高强钢和软钢的断裂失效仿真预测中．
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    基于正交设计的冲击荷载下型钢混凝土梁动力性能有限元分析
    巩玉发，段劲松
    2018, 39(4): 837-846. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.019
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    为研究冲击荷载下型钢混凝土梁的动力性能，取试验结果验证模型有效性后，使用有限元软件ABAQUS建立了型钢混凝土梁落锤冲击模型．在对比了型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的动力性能后，分析了落锤速度对型钢混凝土梁的冲击位移、冲击力、冲击力位移曲线、惯性效应、塑性耗能等性能的影响，然后基于正交设计，研究了落锤质量、落锤速度、混凝土强度等参数对型钢混凝土梁动力性能的影响．研究结果表明：型钢混凝土梁的抗冲击性能较好；落锤速度是影响构件动力性能的主要参数，落锤质量对动力性能的影响较大，提高混凝土强度有助于增强构件的抗冲击性能．
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    基于DEM的推土机铲刀曲面参数化设计分析
    张恒宇，蒋垚，刘春飞，于明江，李艳洁
    2018, 39(4): 847-853. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.020
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    为合理地选择推土机铲刀曲面参数，本文利用基于离散单元法(DEM)的EDEM软件模拟铲运过程．模拟中选用三种形状的石块混合物料作为被铲运介质，对三种曲率半径的圆弧面铲刀和两种形式的直线-圆弧复合式铲刀在水平铲运工作时所受的工作阻力进行了对比分析，发现不同曲面参数的铲刀在水平铲运时的工作阻力主要来自于水平前进方向，圆弧面铲刀的水平阻力随曲率半径的减小而增大，而竖直向阻力会随着曲率半径增大而由向上逐渐转变为向下；直线在上-圆弧在下复合式铲刀所受的水平阻力始终大于直线在下-圆弧在上复合式铲刀所受的水平阻力，铲刀曲面几乎不受侧向力．
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    民机翼型跨音速风洞颤振模型的模态分析
    陈千一，孙亚军，张婷婷，张苏华，窦忠谦
    2018, 39(4): 854-858. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.021
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    民用飞机在跨音速区的颤振特性是其设计的关键限制之一，与飞机的安全性息息相关．跨音速颤振的计算会遇到激波、流动分离等高度非线性的气动问题，因此在计算跨音速颤振问题时往往把注意力放在气动力的计算精度上．但是，如果模态分析的计算精度不够，同样无法获得可靠的颤振计算结果．本文采用HyperMesh软件进行有限元建模，主要结构件均保留了原始结构的几何信息，通过设置材料密度模拟结构的质量分布．由NASTRAN软件的Lanczos求解器完成模态分析并给出主要关注的四阶模态，经过简单的有限元模型修正，使四阶模态的计算频率与试验频率一致，计算和试验的固有振型一致，为后续的跨音速颤振分析打下基础．
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    特大型桥梁钢套箱防撞性能研究及碰撞过程推理
    冯清海
    2018, 39(4): 859-865. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.022
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    以优化特大型桥梁防撞钢套箱防撞效果为目标，对防撞钢套箱的设计构造、尺寸、钢板厚度等进行参数分析，探讨了钢套箱构造及钢板厚度等对防撞效果的影响规律，并对钢套箱与船舶碰撞过程进行推理．结果表明：合理地选取钢套箱的结构形式及尺寸，并使其刚度与碰撞船艏相匹配，可有效地减少对基础的局部破坏，使防撞钢套箱发挥更大的防撞效果．
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    中柱失效时组合框架压拱效应力学模型分析
    高山，王社良，彭震，王鹏飞
    2018, 39(4): 866-874. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.023
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    钢-混凝土组合梁在正弯矩下的转动中心通常要高于其在负弯矩作用下的转动中心，因此在中柱失效工况下，组合框架中存在压拱效应．针对两榀分别采用了焊接连接和平齐式端板连接的钢-混凝土组合框架进行了拆除中柱的试验研究，记录并详细分析了压拱效应．分析结果表明，无论采取何种梁柱节点形式，组合框架中均存在压拱效应；常规压杆模型无法准确描述压拱效应的效果．提出了一种考虑钢梁下翼缘及部分腹板受拉的桁架弹簧模型，并对该模型的竖向荷载-位移公式和水平位移-竖向位移公式进行了推导，公式结果与试验结果吻合良好．本文提出的桁架弹簧模型及相应变形公式可以很好地预测压拱效应对于整体结构承载力和变形的贡献，为抗连续倒塌工况下组合框架的设计提供了参考．
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    水下不分散混凝土试验与抗裂性能分析
    冯海暴，张社荣，祝善鹏，王庆海，马燕峰
    2018, 39(4): 875-885. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.024
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    针对目前混凝土在水下浇筑过程中出现的分散严重、无法达到预定强度、浇筑完成后电通量高的问题，对影响混凝土抗分散性、强度的因素进行了试验研究及理论分析．首先采用了调整外加剂、增加掺和料的方式，对使用2种类型的外加剂制作的6组配合比的混凝土试件进行了试验研究，找出了影响混凝土电通量与氯离子渗透性的关键影响因素，并对混凝土内含裂纹初始起裂角随裂纹倾角的变化规律进行了研究，找出了影响混凝土抗裂强度的因素，并将混凝土水下悬浊物含量降低至预定范围之内；通过对陆上和水下工程的验证性应用成功研制了水下不分散混凝土，并对其性能作进一步深化研究．所推荐的不分散混凝土配合比，已经成功得到工程应用的验证，可借鉴和推广应用到类似的水下浇筑、修复等工程的施工中．