2024年, 第57卷, 第01期　
刊出日期：2024-01-15

  

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  单板焊接空心球节点受拉承载性能研究

  陈志华, 蔡汝锐, 刘红波, 温锁林

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 1-10.

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  单板焊接空心球节点常用做弦支穹顶上部结构连接拉杆或拉索的节点，单板主要承受拉力并传递至焊接空心球，为了满足工程设计的要求，需对其受拉承载性能进行研究．通过试验，研究了不同参数的单板焊接空心球节点轴拉状态下的受力性能和破坏机理，建立有限元模型并进行验证，该模型能较好地反映单板焊接空心球节点轴拉性能，通过有限元模型参数化分析揭示了节点尺寸、加劲肋、单板尺寸等参数对其力学性能的影响规律，并提出单板焊接空心球轴拉承载力计算公式．研究结果表明：单板焊接空心球在轴拉作用下为应力集中导致的剪切强度破坏，破坏发生在单板端部与空心球连接处，表现为焊接空心球被撕裂；有限元应力云图得出破坏时沿着单板平面内拉力方向的剪应力起主要作用；单板焊接空心球节点的受拉承载力随单板宽度及空心球壁厚的增大而明显增大，空心球直径的增大会使承载力略有降低，单板的厚度增加使节点承载力略有提高，单板的高度对节点承载力的影响较小，空心球内设置加劲肋能使承载力提高至少20%；基于参数化提出的单板焊接空心球节点的受拉承载力计算公式能简便地计算出单板焊接空心球节点的承载力，相对误差在±15%以内，满足工程设计误差要求．研究工作可为今后外接单板的焊接空心球节点分析设计提供参考．
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  氯盐环境下UHPC-NC界面黏结性能试验研究

  谢剑, 杨云涛, 陈玉洁, 杨荣伟

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 11-20.

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  氯盐环境作为一种较为常见的化学侵蚀环境，研究其对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)和普通混凝土(normal concrete,NC)界面耐久性能的影响对于UHPC加固混凝土结构和UHPC-NC组合结构的工程应用均具有重大的现实意义．基于此，通过在常规环境以及氯盐环境下的推出试验，获得了干湿循环次数(0次、25次、50次)、氯盐浸泡天数(0 d、50 d、100 d)及界面处理方式(钢丝刷刷毛、高压水射流冲毛、表面缓凝处理)对UHPC-NC界面黏结强度、界面黏结刚度及界面黏结滑移曲线的影响．结果表明：在100 d试验周期内，干湿循环及氯盐浸泡作用造成的界面黏结强度损失率不超过20%；氯盐环境作用时长的增加会导致界面黏结刚度的降低；随着界面粗糙度的增加，UHPC-NC试件的界面黏结强度以及界面黏结刚度均会增加；界面粗糙度的提高有助于界面抗氯盐侵蚀能力的提升．受到界面处理方法的影响，UHPC-NC试件经历干湿循环及氯盐浸泡后，荷载滑移曲线呈现2种不同的形式，分别对应光滑界面(钢丝刷刷毛界面)和其他界面(高压水射流冲毛界面和缓凝剂处理界面)．各组试件的黏结滑移曲线在荷载到达峰值前趋于一致；荷载到达峰值后，前者存在荷载骤降段及持荷段，后者则随着滑移量的增加荷载不断降低．根据UHPC-NC黏结滑移曲线特征，提出了黏结滑移建议模型．
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  丁字及十字交叉管廊纵向地震响应分析

  李东桥, 严晓威, 梁建文, 赵华

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 21-30.

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  提出了丁字及十字交叉管廊纵向地震响应分析的一个改进广义反应位移法．该方法采用壳单元模拟管廊结构，以体现管廊横断面非对称形式的影响和地震作用下管廊交叉节点处的局部变形；采用非线性弹簧单元模拟预制企口接头，可反映管廊接头断面的非对称形式以及预制接头的力学行为．在ABAQUS有限元平台构建了典型交叉管廊的三维壳-弹簧计算模型，采用直接刚度法求解场地地震动响应，研究了在设计地震动幅值和地震波入射角度等因素影响下，丁字及十字交叉管廊的内力及变形响应特征，并以直线形管廊的地震响应为基准，给出了两类交叉节点的影响范围及内力放大情况．结果表明，相较于直线形管廊，管廊交叉节点处的内力及变形响应均出现明显的增高，其中丁字交叉管廊的地震响应略大于十字交叉管廊．安评波小震作用下，丁字及十字交叉管廊的接头基本处于功能完好状态，中震和大震作用下超出规范限值，其中大震下达到8 mm左右，约为直线形管廊的8～9倍；两类交叉管廊的内力放大系数范围约为2～6．工程抗震设计中，可根据该结果对交叉管廊的地震响应进行初步评估．不同设计地震动幅值和地震波入射角度下，两类交叉节点对管廊地震响应的影响范围约为20～35倍预制管节段长度，在实际工程中应引起重视．相关研究结果可为交叉管廊工程的抗震设计提供参考．
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  斜拉桥全寿命周期碳排放计算模型

  马佳星, 蒋建男, 谢含军, 周朝阳, 李忠献

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 31-41.

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  为助力建筑业实现“双碳”目标，对斜拉桥的碳排放量化模型展开研究．将斜拉桥的全寿命周期划分为设计规划、建材准备、施工、运营维护以及拆除报废5个阶段，界定其碳排放边界，梳理碳排放源．采用碳排放因子法逐一建立各个阶段的碳排放计算模型，并对宁波杭州湾新区杭州湾大道跨十一塘江斜拉桥进行定量分析．计算结果表明，案例斜拉桥全寿命周期碳排放量为185 900.41 t，主要在运营维护阶段和建材准备阶段产生．各阶段碳排放占比分别为0.04%、45.34%、0.58%、50.75%和3.29%．就综合质量碳排放量而言，案例斜拉桥建设期上部结构最大，为0.78 t(CO_2e)/t；附属设施次之，为0.34 t(CO_2e)/t；下部结构最小，为0.23 t(CO_2e)/t．通过不同桥型间的碳排放对比(设计规划阶段除外)可知，案例斜拉桥与其他3种桥型的全寿命周期碳排放规律略有不同，占比最大的是运营维护阶段，占比最小的是施工阶段．就桥面单位面积碳排放而言，悬索桥最大，为11.22 t(CO_2e)/m~2；混凝土梁桥为6.48 t(CO_2e)/m~2；斜拉桥为4.96 t(CO_2e)/m~2；钢混组合梁桥最小，为4.45 t(CO_2e)/m~2．本文建立的碳排放计算模型可用于指导桥梁选型、运维策略，同时为后续相关标准的出台提供了科学依据．
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  钢-UHPC轻型组合结构短栓钉抗剪性能试验研究

  邓宗才, 黄松, 薛会青

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 42-52.

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  通过6个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)轻型组合结构短栓钉推出试验，对其抗剪承载力、破坏形态、栓钉应变及荷载-滑移曲线进行了研究，探讨了栓钉直径、长度、数量以及界面黏结对短栓钉抗剪性能的影响规律．结果表明：所有试件均为栓钉根部剪切破坏，UHPC板除栓钉根部沿承压方向部分UHPC压碎外，其余部分保持完好，UHPC可以抵抗栓钉传递的高压应力；栓钉根部截面屈服后应力强化阶段明显，栓钉发生剪切破坏时，栓钉根部上侧应变超过3 500με；长径比为2.0的短栓钉在UHPC中也能发挥全部强度；所有试件的荷载-滑移曲线分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段，所有短栓钉的最大滑移量均小于4 mm，工程应用时应按照弹性剪力连接件进行设计；栓钉直径对栓钉抗剪性能提高最显著，直径16 mm的栓钉比直径13 mm的栓钉的抗剪承载力和极限滑移分别提高了46.4%和11%，弹性刚度和塑性刚度分别提高了35.8%和59.1%，增加栓钉长度和界面黏结能有效提高栓钉的剪切刚度，长径比为3.0的栓钉比长径比为2.5的栓钉的弹性刚度提高了12.3%，界面有黏结试件比界面无黏结试件的弹性刚度提高了17.4%；相同间距内，合理增加更多栓钉有利于提高整体抗剪强度，但会降低延性变形能力．最后，结合实验数据和国内外UHPC中栓钉推出试验结果，建立了UHPC中栓钉荷载-滑移曲线和抗剪承载力预测表达式，计算值与试验值吻合良好．
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  装配式双拼槽钢-混凝土开孔组合梁试验研究

  周凌宇, Naqi Lessani, 戴超虎, 李分规, 石敬州, 刘晓春

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 53-63.

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  装配式建筑行业渗透率不断提升，针对装配式工业化的需求，提出了一种新型装配式双拼槽钢-混凝土开孔组合梁(DCCP)，由高强螺栓连接装配模块形成，实现完全干式连接，兼具节省钢材、便于敷设管道及增大建筑使用空间等优点．对具有腹板圆形开孔的DCCP和4根不同腹板圆角矩形开孔长度的DCCP进行了静力弯曲试验，探究了腹板开孔长度对组合梁受弯性能的影响，分析了试验梁的破坏模式，跨中挠度、应变、平面外位移、界面滑移随荷载变化规律，提出了DCCP极限承载力的理论计算模型．结果表明：腹板开孔长度对组合梁的力学性能有显著的影响，腹板开圆孔的组合梁表现为槽钢翼缘屈服失效，混凝土板在跨中压碎即弯曲破坏，而腹板开长圆角矩形孔的组合梁因腹板开孔处四角产生塑性铰和开孔处高弯矩端对应位置的混凝土板压溃而发生空腹破坏(Vierendeel mechanism failure)；腹板开孔长度由150 mm增加到900 mm时，组合梁的承载力和延性分别降低了20%和23%；具有腹板开孔的DCCP平均延性系数值为8；高强螺栓约束下的装配模块间分离微乎其微，整体协同工作性能良好．钢梁与混凝土板间最大滑移为0.34 mm，新型组合梁采用的钢板连接件可有效传递钢梁和混凝土板间的纵向剪力，实现完全抗剪连接件．用本文理论模型计算的极限承载力与试验结果吻合良好，误差小于5%.
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  基于变速GTAW焊接温度场解析模型的熔深预测研究

  武少杰, 曲皇屹, 程方杰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 64-72.

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  焊接热过程解析模型是一种能够直观反映焊接过程中工件内部的热行为、明确焊接工艺参数与熔池形貌间的物理关系、快速计算得到熔深的方法．目前常用的焊接温度场解析模型通常将电弧近似为一个功率恒定的匀速运动热源进行计算，而非参考实际焊接过程，即通过实时调整焊接热输入(焊接电流或焊接速度)来保证熔透．因此，目前的焊接温度场解析模型并不适用于焊接熔透控制．为了使解析模型能够计算时变速度下的熔深，本文针对钨极氩弧焊(GTAW)工艺建立了适用于计算时变焊接速度的焊接温度场解析模型．首先以匀速移动点热源的温度场解析模型为基础，推导出了时变焊接速度移动点热源在热源作用时间内引起的温度变化公式，通过连续性证明验证了公式的连续可积性并进一步推导出了适用于时变焊接速度运动单椭球热源的焊接温度场解析模型．为了提高计算速度，减少计算量，采用坐标变化方法实现了热源及其附近温度场的快速求解．基于数值积分法得到了解析模型求解方法，实现了熔池温度场的准确计算，并通过提取等温线实现了熔深和熔宽的预测．最后，通过工艺试验验证了解析模型的精度．结果表明：在0～4 s阶段，计算熔深基本与实际测得的熔深相同，误差控制在6%以内；在速度发生改变的4～16 s阶段，由于热源系数不再适用，计算误差增大，但熔深计算误差仍控制在17%以内，熔宽计算误差在12%以内．因此，建立的焊接温度场解析模型基本可以满足时变速度下的熔深预测．
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  X80管道环焊缝拉伸应变容量预测模型对比研究

  龚宝明, 万潇彬, 戴联双, 邓彩艳, 李梓溦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 73-78.

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  针对管线钢拉伸应变容量(TSC)预测，提出了一种基于拘束修正的阻力曲线计算方法．在相同的条件下以X80管道环焊缝为例，与ExxonMobil公司提出的两类模型进行了拉伸应变容量预测的对比分析．结果表明：基于拘束修正方法的预估结果与ExxonMobil第1类模型中的水平3预估结果最为接近，与第2类模型在裂纹长度为2c/t=2时最接近，随着裂纹长度继续增加，两种方法的预测差值增加；但ExxonMobil第1类模型的水平1和水平2的评估过程将部分重要参数固定为常数，导致预测结果过于保守．
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  恒静载降K法测定焊缝疲劳裂纹扩展门槛值研究

  刘秀国, 邓冲, 邓彩艳, 梁行, 张涛, 牛得田

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 79-86.

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  焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能，因此，焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值，本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用，进而逐级降低裂尖应力强度因子范围(ΔK)测得焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的方法，即恒静载降K法.通过与ASTME647-15等标准推荐测试方法所得结果对比，探究了恒静载降K法测量值适用性；通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等手段观察，对比分析了不同测量方法近门槛值载荷下的裂尖材料疲劳断口和变形行为.结果表明：采用恒静载降K法测量焊缝疲劳裂纹扩展门槛值最低，采用恒最大应力强度因子(Kmax)降载法的测量值次之，采用恒应力比(R)降载法的测量值最高.对比不同裂纹尖端Kmax设定对门槛值测量的影响，发现随着Kmax增大，门槛值测量值先快速下降，随后趋于平稳；采用恒静载降K法测定过程中Kmax呈逐渐上升趋势，相应的门槛值测量值最低.疲劳断口显示，随着外加平均载荷增大，在近门槛值阶段断口形貌由疲劳辉纹转变为微区解理断裂；基于EBSD表征计算的裂尖材料几何必需位错密度表明，随着近门槛值外载的平均载荷增大，裂纹尖端位错密度增加.
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  基于概率信息与协作学习的鲁棒T-S模糊建模方法

  江敏, 吴鸿云, 柏昀旭, 陆新江, 陈秉正

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 87-94.

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  T-S模糊建模方法在非线性系统建模中取得了大量的应用．然而，T-S模型在参数辨识过程中忽略了结构风险项，同时没有考虑各个规则之间的联系，因此在数据受到非高斯噪声和异常点的影响时，模型容易失效．针对以上不足，提出了基于概率信息与协作学习的模糊建模方法．该方法建立了规则之间协作学习机制以保证模型的连续性、平滑性与鲁棒性，并进一步构建了包含正则化项、误差项、规则概率信息及规则之间协作关系项的目标函数，用于提高模型的泛化能力和建模性能．除此之外，建立了空间投影机制，将数据低维特征空间的非线性关系转换为高维投影空间的线性关系，以增强规则之间的协作性．针对该模型，建立了基于最小二乘的求解方法，获得了可靠的模型参数．数学算例仿真和实际锻压实验表明：所提出的方法在面对噪声以及强非线性影响时，依然能在规则数较低的情况下保持优秀的建模性能．对比其他优秀的模糊建模方法，该模型有着更强的抗干扰能力，且建模均方根误差(RMSE)远低于其他建模方法．综上所述，所提出的方法对传统方法和建模理论进行了改进，即使面对强非线性系统拥有较强的泛化能力、鲁棒性以及优秀的建模能力，并且能够以较少的模糊规则对工程当中非线性、不确定性系统建模．
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  移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

  刘腾, 代吉, 张建军, 刘承磊, 郭士杰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 95-104.

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  为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联，研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系，揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群，提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法．从被护理人的肌肉激活程度入手，对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析．首先，介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析，在此基础上搭建了舒适性测试试验系统，基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹，并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息．然后，以试验数据为边界条件构建了基于Any Body的背抱运动人体生物力学模型，依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度，并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性．最后，结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征，明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群．结果表明：影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个，且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关．可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征，为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据．
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  基于SAC算法的多交叉口交通信号控制研究

  钱立军, 宣亮, 陈健, 陈晨

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(01): 105-111.

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  针对深度Q网络(deep Q-learning network,DQN)算法在解决多交叉口交通信号配时方案由于外部环境变化和内部参数波动导致效果不佳的问题，提出了基于柔性“行动器-评判器”(softactor-critic,SAC)的交叉口交通信号控制方法，并设计了相应的系统采样策略和回报函数．与原采样策略相比，新采样策略将相邻智能体的策略信息加入到系统状态中，使当前智能体能够得到更多的交叉口交通分布和合作策略信息．与原回报函数相比，新回报函数中引入空间折扣因子，缩小了相邻智能体的观察和回报值，使当前智能体更加关注和改善当前交通状况．随后在此基础上分别应用DQN和SAC算法设计交通信号控制方法．Webster配时法是利用相位流量数据开发的一种基于周期的固定相位长度交通信号方法，与DQN和SAC算法相比，其优化目标是降低交叉口延迟时间，不考虑交叉口排队长度．在城市交通模拟软件(simulation of urban mobility,SUMO)中构建一个时变交通流交通网络，并在其中分别对基于DQN、SAC和Webster配时法的信号配时控制方法进行仿真测试．仿真结果表明：基于SAC算法的交通信号控制方法与基于DQN算法和Webster配时法的交通信号控制方法相比，能够显著减少交叉口排队长度和平均延迟时间，具体来说，车辆平均排队长度分别减少了17.8%和28.2%，平均延迟分别减少了26.8%和36.3%，说明所提出的方法具有更好的控制效果．