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  • 2023年, 44卷, 第2期
    刊出日期：2023-06-25
      
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  • 隧道工程解析方法及解析模型研究进展
    王华宁, 宋飞, 曾广尚
    2023, 44(2): 227-257. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.001
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    封闭或解析形式解答可以实现隧道工程的快速初步设计、获得参数影响的函数形式，并为数值方法提供正确性验证手段，与其共同完成工程问题的可靠预测．本文针对各类静动力问题，从经典方法以及近十年来的最新进展入手，阐述了隧道工程常用的解析方法和求解思路，全面综述了可解问题、解答和最新研究进展，并展望了解析研究发展方向．本文内容涵盖了隧道解析研究的重要领域，涉及弹性、弹塑性、各向异性、流变岩体中的隧道问题、衬砌和锚杆支护以及多物理场相关的问题．通过系统介绍以上成果，可以深入了解隧道问题解析研究思路和解答，推动更具价值的解析解的发展．
  • 温度梯度与缺陷共同作用下的双壁碳纳米管持续驱动器件
    傅晗昕, 冷建涛, 张田忠
    2023, 44(2): 258-268. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.002
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    纳尺度驱动因其在能量转换、物质输送等众多领域的潜在应用得到广泛关注，但实现长程持续驱动依然在原理上面临重大挑战．本文借助双壁碳纳米管的层间范德华相互作用，以热梯度力为基本动力，利用外管缺陷对层间热梯度力的调控作用，提出了一种新型的纳尺度可控持续驱动原理．其基本机理是：外管在周期性缺陷和温度场共同作用下形成周期性的非对称温度梯度，在内管上产生周期性的非对称热梯度力，使得每个周期（驱动单元）上都存在净驱动力，从而推动内管实现长程持续运动．同时，内管的运动方向或速度可通过外管上的控温区域或温差控制．
  • 三维修正高精度广义胞元法及其在复合材料宏细观弹塑性力学分析中的应用
    洪乔, 王明路, 胡延东, 冯淼林
    2023, 44(2): 269-280. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.003
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    高精度广义胞元法(HFGMC)是模拟分析多尺度复合材料的有效技术方法．修正高精度广义胞元法(M-HFGMC)的提出，在高精度广义胞元法位移插值函数基础上引入了二次耦合项，改善了剪切场计算精度不足的问题．本文提出了三维修正高精度广义胞元法理论，通过引入由局部坐标的高阶勒让德多项式表示的非弹性应变场和高阶的应力场，建立了三维复合材料弹塑性宏观应力应变关系式．通过对三维复合材料的宏观力学性能和细观应力场的预测，与有限元方法结果进行了对比验证．三维修正高精度广义胞元法结合局部坐标下塑性应变场，在不引入其他变量的情况下，不仅能够预测复合材料弹塑性应力应变响应，还能有效预测复合材料的细观剪切应力分布．
  • 多移动机械臂动力学建模及基于零空间的协作
    王朗亭, 张舒
    2023, 44(2): 281-292. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.004
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    当前机械臂需要完成的任务日益复杂，单个固定机械臂或者是移动机械臂已经不能满足需求，而多移动机械臂系统结合了移动基座的灵活性和多机械臂合作的高效性，引起了学术界的广泛关注．本文研究了在多个移动机械臂抬起目标物体后，移动平台因避障而改变移动轨迹导致与机械臂末端执行器产生相对位移时，如何利用零空间概念设计保持目标物体姿态稳定的控制方法．为验证该控制方法能适用于多移动机械臂系统，对其动力学进行建模，得到了与单机械臂系统形式一致的动力学方程．最后根据该控制方法，设计了多个移动机械臂协同搬运物体时保持物体稳定的控制律并进行了数值验证．
  • 开孔复合材料层合板强度不确定性分析
    李姝, 李宴, 韩飞
    2023, 44(2): 293-305. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.005
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    以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象，采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法，研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关，但敏感性排序与孔径无关．同时，单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关，层合板各向异性比越大，开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大，而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关，与横向弹性模量呈负相关，与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．
  • 冲击载荷下不同荷电状态结构化锂离子电池负极响应分析
    刘思奇, 郑百林, 张锴, 张卓
    2023, 44(2): 306-315. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.006
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    传统的锂离子电池研究多注重本身相关机理以及储能能力的提高，而结构化电池不仅能够储能，且可以作为结构本身承受一定载荷．本文设计了一种新型结构化电池石墨负极板，通过修正准静态下石墨的力学指标得到对应高应变率下的压缩应力-应变曲线、失效应变，采用数值分析方法对石墨负极板的承载能力进行了分析．同时，由于荷电状态(State of charge, SOC)会影响石墨的弹性模量、失效应变、厚度以及压缩应力-应变曲线等力学性能，因此在石墨的本构方程中考虑并修正了SOC产生的影响．通过有限元模拟了不同SOC下石墨负极板受到冲击后的响应，结果表明随着应变率或SOC增大，石墨负极板承载高速冲击的能力也随之降低．本文的研究成果可以为结构化电池负极的结构设计提供参考．
  • 渐变型流道燃料电池热-电-力-化多场耦合数值模拟
    徐琪, 缪馥星, 官万兵
    2023, 44(2): 316-328. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.007
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    本文设计了一种渐变型气体流道的平管型固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell, SOFC)，并建立了热-电-力-化学多物理场耦合三维模型，模拟并对比分析了渐变型和蛇形两种不同流道结构在平管型固体氧化物燃料电池不同电压下的气体流速、温度、电流密度和热应力大小．结果表明，当电压高于0.7 V时，渐变型流道气摩尔分数相比蛇形流道情形增加了1.9 %．在相同电压下，渐变型流道结构的电流密度增加了0.72 %，渐变型流道情形的气体出口处流速增加了148 %，且渐变型流道SOFC的温度场和热应力相比蛇形流道情形分别降低了8.7 %和61.5 %．
  • 倒立摆模型的三种时滞反馈控制的比较
    梅梓宋, 王在华
    2023, 44(2): 329-342. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.008
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    带有时滞的比例-微分(Proportional-derivative, PD)反馈控制、比例-积分-微分(Proportional-integral-derivative, PID)反馈控制和比例-导数-二阶导数(Proportional-derivative-acceleration, PDA)反馈控制的倒立摆控制模型是人体平衡控制问题的常用理论模型，此闭环系统的快速稳定等方面的研究成果对理解和提升具有明显反应时滞的老年人的人体平衡能力具有重要意义．本文首先考察时滞PID反馈控制作用下的倒立摆系统的稳定性，利用重特征根条件得到了闭环系统的最优增益解析表达式、最优衰减因子及相应的临界时滞，然后分别比较了三种时滞反馈作用下的倒立摆控制系统的最优指数衰减因子、临界时滞以及控制效果．结果表明，在相同参数条件下，时滞PDA反馈控制作用下的闭环系统具有比其他两种时滞反馈控制系统更快的衰减速率和更大的临界时滞，因此从快速稳定的角度看，时滞PDA反馈控制策略在人体平衡问题中比另外两种控制策略更有优势．
  • 间隙环流作用下的泰勒涡演化及环流速度分布特性研究
    陈明明, 薛亚波
    2023, 44(2): 343-352. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.009
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    屏蔽电机运转过程中由于粘性旋转流体所受到的离心力作用，间隙内部出现泰勒涡结构，使得间隙环流有着复杂的速度分布特性．这种速度分布特性不仅对屏蔽电机水力损耗及散热特性具有重要影响，而且也是屏蔽电机转子动力学所关注的基础科学问题．本文借助间隙环流流动性能实验平台，采用高速摄像机拍摄观测了湍流核心区泰勒涡的演化过程，面向工程应用阐明了间隙环流湍流核心区流动对边界层速度的影响规律，可为设计屏蔽电机间隙流道的尺度提供理论依据．采用计算流体动力学软件建立间隙环流仿真模型，研究了定间隙条件下泰勒涡的演化过程与环流速度分布特性，初步探讨了变间隙比对间隙环流速度结构的影响规律．研究结果表明，泰勒涡随间隙比及转子转速演化的仿真计算结果与实验测试结果的变化趋势较吻合．泰勒涡在径向与轴向方向上的速度分布具有显着差异，间隙环流涡的流动方向会改变流动边界的速度结构．当转速增大时，间隙环流由层流转变为湍流，速度形状不再沿间隙径向线性分布，而是产生畸变，呈现出壁面周围速度快速减小，中间速度渐趋平稳的轮廓．
  • 基于非标准Lagrange函数下非完整系统的广义Chaplygin方程
    金世欣, 李彦敏
    2023, 44(2): 353-361. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.010
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    本文提出并研究基于非标准Lagrange指数函数和非标准Lagrange幂函数下非完整系统的广义Chaplygin方程．给出基于非标准Lagrange函数下非完整系统动力学的微分变分原理，建立相应非标准Lagrange函数下动力学系统受线性非完整约束和非线性非完整约束下的广义Chaplygin方程．并举例说明结果的应用．
  • 地铁车站中柱减震效果的概率密度演化分析
    刘逸坤, 陈清军
    2023, 44(2): 362-374. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.011
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    本文旨在采用概率密度演化方法，对考虑土体随机性的地铁车站中柱减震效果进行概率密度演化分析．以一典型地铁车站地下工程为背景，基于土体剪切模量的对数正态分布模型，采用谱表现方法确定具有空间变异性的土体随机场分布，分别建立考虑土体随机性的土-地铁车站原型结构相互作用模型和土-地铁车站减震结构相互作用模型，进行地铁车站中柱减震效果的概率密度演化分析与对比研究．结果表明：地铁车站结构地震反应的概率密度演化过程是一种随时间变化的复杂随机过程；不同时刻下结构地震反应的概率密度函数形状有所不同，且某些时刻的概率密度函数具有双峰．在地铁车站中柱上端设置橡胶支座会降低结构中柱水平变形与截面内力的离散度，提高结构侧墙变形与内力的离散程度．同时，可以有效降低中柱水平变形与截面内力的地震反应值，降幅在25 %~50 %左右，而地铁车站的侧墙变形和内力有所提高．
  • 支气管堵塞对COPD肺部流场和颗粒场特征的影响
    周影, 严微微
    2023, 44(2): 375-384. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.012
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    本文首先建立了三维正常肺部和3种不同阻塞部位以及3种不同堵塞程度的慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD)肺部模型，利用LES-DPM (Large Eddy Simulation-Discrete Phase Model)方法对正常肺部和COPD肺部的流场和颗粒场特征进行了仿真研究，进一步探讨了阻塞气道对肺部的影响．仿真结果表明：支气管堵塞明显影响COPD肺部气流的流场特征，易造成COPD患者呼吸困难．堵塞气道导致了吸入颗粒在肺部分布的不均，且颗粒沉积多发生在右侧无阻塞支气管以及各级支气管的分叉区域．随着阻塞程度和颗粒粒径的增加，颗粒在肺部的总沉积率明显增大，表明COPD患者更易受有害颗粒物对肺部的伤害．研究结果有助于为诊断和治疗COPD提供更多的理论依据和参考价值．
  • 多关节机械臂系统非线性动力学分析
    常海洋, 蒋扇英
    2023, 44(2): 385-394. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.013
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    针对工程机械臂的非线性振动，研究了系统因周期运动失稳而产生Hopf 分岔问题．工程机械臂在建模时往往忽略非线性因素，然而在特殊场合下非线性的影响不可忽略，本文利用拉格朗日法建立了新的非线性两关节机械臂系统的两自由度动力学方程，采用多尺度法对机械臂系统模型进行了求解，对系统发生主共振时的动力学行为进行了分析讨论．结果表明所求得的近似解析解与数值解具有较好的吻合性，同时由于系统方程中非线性项的影响，随着激励幅值与激励频率的变化，系统的振幅会发生跳跃，出现动态分岔现象．本研究为实际工程应用提供了一些理论依据和指导．
  • 基于CEL有限元法的大管径钢管桩贯入海基过程的承载力分析
    张开云, 夏晓舟, 易大可, 张家升
    2023, 44(2): 395-406. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.014
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    鉴于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)有限元方法在计算分析接触大变形问题时的优势，建立了大管径钢管桩贯入海基的CEL有限元模型，即在被贯入的海基层采用欧拉有限元法建模，其它层采用拉格朗日有限元法建模，两者之间通过罚函数的接触算法进行耦合．在欧拉有限元模型中，采用算子分裂技术．为兼顾计算模型的精度和效率，本文先对模型的网格密度和贯入速度进行稳定性分析，以此确定合适的网格模型和适宜的贯入速度，同时验证CEL方法在贯入模拟中的可行性．随后针对不同土体类型和不同土体参数变化，探究土体贯入阻力随贯入深度的变化规律．计算结果表明砂土的贯入阻力最大，粉砂土次之，粘土的贯入阻力最小；且贯入阻力对土体内摩擦角的变化最为敏感，对土体粘聚力的变化比较敏感，而对土体模量的变化不敏感．
  • 干湿循环导致粉砂质泥岩力学特性变化规律研究
    赖增伟, 玉达变, 刘先林, 吕玺琳, 任中俊, 庞磊
    2023, 44(2): 407-417. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.015
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    受亲水矿物成分影响，水侵作用下粉砂质泥岩力学特性易劣化．开展多种干湿条件下粉砂质泥岩的单/三轴压缩试验，研究试样在饱水作用下的强度和刚度弱化，分析干湿循环对试样力学特性的影响规律．试验结果表明，粉砂质泥岩强度和刚度均随饱和度增加而明显降低，在中期变形阶段刚度下降程度明显大于早期变形阶段．粉砂质泥岩强度随围压增大而线性提高，其强度特性可采用Drucker-Prager准则描述，且试样开裂角符合剪切滑移破坏特征．干湿循环试验结果表明，粉砂质泥岩单轴抗压强度和割线模量随循环次数增大而近似线性衰减，并且其刚度衰减快于强度衰减．
  • 振型节线角度对舵面颤振稳定性的影响
    史晓鸣, 侯凯宇, 沈奕哲, 夏鹏, 李海东
    2023, 44(2): 418-426. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.016
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    针对舵机支撑刚度支持下的舵面结构，建立了广义气动力与舵面前两阶局部刚化模态振型节线角度关系的表达式，分析广义气动力随振型节线角度的变化规律，根据Routh-Hurwitz稳定性判据研究振型节线角度对颤振临界动压的影响．研究结果表明：舵面前两阶局部刚化模态振型节线处于相对“横平竖直”的状态时，前两阶模态经由广义非定常气动载荷引起的耦合较弱，舵面的颤振临界动压较高．
  • 剪切可变形多孔梯度梁屈曲的解析解
    朱作权, 万京
    2023, 44(2): 427-434. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.017
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    多孔梯度梁具有优异的力学性能，受到研究者的广泛关注．然而，同时考虑轴线可伸长和剪切可变形效应的多孔梁屈曲问题尚未得到充分重视．基于屈曲控制方程和泰勒级数展开方法，推导出四种典型边界约束条件下多孔梁屈曲临界载荷的解析表达式．然后，定义轴线可伸长和剪切可变形作用的影响系数，并分别考虑影响系数，孔隙率和孔隙分布对屈曲临界载荷的影响．结果表明，影响系数会降低梁的屈曲临界载荷；孔隙率越大，临界屈曲载荷越小．此外，合理设计孔隙分布有助于提高多孔梁的稳定性．
  • 输电塔⁃线体系脉动风振耦合分析
    杨荆秋, 朱全军, 冉启鹏, 张成, 郭力
    2023, 44(2): 435-443. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.018
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    为了研究脉动风引起的结构风致响应，以一塔二线输电塔-线体系为对象，模拟了不同风向角下风荷载导致的结构时程响应．以Davenport风速谱为验算目标来模拟脉动风场，在平均风速的基础上施加脉动风动力时程荷载，分析风向角分别为0°、90°和45°时输电塔-线体系的风振时程响应．依据三种工况下结构中的位移及内力分布情况，分析了主要构件的强度及稳定性，并与基于规范得到的结果进行比较．结果表明，当输电塔层数小于6时，按规范方法计算的强度应力均比按单向流固耦合(Fluid-Solid Interaction, FSI)方法计算的强度应力大；当层数大于6时，按规范方法计算的强度应力与按FSI方法计算的强度应力相当；在45°和90°风向角工况下，按规范方法计算的部分层数的强度应力略小于按FSI方法计算的强度应力．考虑到脉动风的随机性大，建议适当增加风振荷载系数，以确保输电塔-线结构体系的强度安全性．
  • 电半渗透边界条件下一维六方压电准晶纳米弯折裂纹反平面问题研究
    卢绍楠, 赵雪芬, 马园园
    2023, 44(2): 444-455. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.019
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    利用复变函数方法及G-M(Gurtin-Murdoch)表/界面理论，研究了电半渗透条件下一维六方压电准晶纳米弯折裂纹反平面问题．引入弯折裂纹的保角映射，得到电半渗透条件下场强度因子以及能量释放率的解析解．数值分析了纳米弯折裂纹的介电常数、弯折角度、外载荷对无量纲场强度因子以及能量释放率的影响．结果表明：介电常数对相位子场无量纲应力强度因子以及电位移无量纲强度因子影响较为显著; 场强度因子均随着裂纹与坐标轴夹角的增大而减小; 随着外载荷的增加，场强度因子以及能量释放率有显著的变化且变化趋势具有差异性．本文可以为准晶及其复合材料的断裂行为的进一步研究奠定基础，也可以为纳米准晶材料的制备及应用提供一定的理论依据．
  • 轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟
    王公志, 王江, 许斌
    2023, 44(2): 456-468. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.020
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    为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响，本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量，借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型，通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明，在相同试件尺寸下，轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响，受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现，轻骨料混凝土尺寸效应明显，单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小，且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外，细观数值模拟结果表明Bažant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．
  • 考虑塔梁影响的斜拉索随机激励参数振动分析
    汪峰, 周华华, 刘章军
    2023, 44(2): 469-481. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.021
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    为了揭示随机激励下斜拉索参数振动特性，考虑塔、梁协同振动的影响，建立了高斯白噪声激励下斜拉索-桥塔-桥面梁耦合振动微分方程，推导了耦合体系的伊藤状态方程组，采用Milstein-Platen法构造了斜拉索振动时程求解迭代格式，研究了斜拉索振动的时程、统计和频域特性，分析了桥塔侧向扶正作用、激励强度和索塔梁初始位移对拉索振幅产生的影响．结果表明：随机激励下斜拉索振动呈现出双“拍”振现象，“拍”幅值和周期具有随机性；拉索随机位移均值、均方差在振动初期具有长时间的非平稳特性；拉索响应幅值对应的频率和拉索功率峰值对应的频率基本一致，但随机激励下的拉索幅值和功率峰值更大；拉索振动概率密度曲线满足高斯分布和马尔科夫性质；桥塔侧向扶正作用越强，拉索振幅越小；激励强度越小，拉索振幅越小；各结构初始位移越大，拉索振幅越大，且对桥面梁初始位移越敏感．
  • 圆钢管约束橡胶集料混凝土的受压本构行为研究
    申茂宇, 黄维, 肖翔, 周知
    2023, 44(2): 482-490. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.02.022
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    为研究钢管约束橡胶集料混凝土的套箍效应和受压本构行为，进行了12根钢管约束橡胶集料混凝土短柱的轴压试验，研究了钢管侧向约束作用下橡胶集料混凝土在轴向荷载作用下的受力行为．研究结果表明：钢管约束橡胶集料混凝土的峰值应力随着橡胶集料替换率的增加而降低；而套箍系数的增大可显著提高橡胶集料混凝土峰值应力与应变，与普通混凝土相比，其峰值点后的荷载-位移曲线更易出现强化段．随后，采用常规三轴受压混凝土的峰值应力经验公式拟合得到钢管约束橡胶集料混凝土抗压强度计算公式，并提出了钢管约束橡胶集料混凝土受压本构模型，计算结果与实测值吻合良好．