2024年, 第57卷, 第09期　
刊出日期：2024-09-15

  

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  基于视觉与加速度测量的结构动态位移融合估计

  熊春宝, 孙长保, 牛彦波

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 891-901.

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  结构动态位移测量与精准估计对于结构安全运营和性态评估具有重要意义．基于计算机视觉的位移监测方法具有精度高、非接触式、成本低、设备安装简便等优点，在实际复杂工程环境中，设备难以架设，视觉测量方法较传统接触式位移监测方法具有明显的优势．图像分辨率和拍摄帧率等因素在一定程度上限制了视觉方法的使用．针对视觉位移测量技术高频振动识别精度低的问题，提出了一种基于视觉与加速度测量的结构动态位移重构方法，通过融合视觉低频与加速度高频振动响应信号，实现结构动态位移精准识别．首先，利用光流法从结构振动视频数据中提取结构位移响应，引入前后向误差与离群值过滤机制，提升特征点追踪精度，避免漂移问题．然后，利用逐次变分模态分解方法分别从视觉位移与加速度二次积分得到的位移信号中提取相应的本征模态函数(intrinsic modefunction,IMF)分量．最后，基于互相关函数筛选机制，确定融合模态分量，融合基于视觉测量的低阶IMF与基于加速度测量的高阶IMF，重构结构位移响应．通过一个钢筋混凝土框架结构振动台试验，对提出的位移融合估计方法进行了试验验证．结果表明：与单一视觉测量方法相比，所提出的方法能够更为准确地估计结构动态位移，并且通过引入加速度测量中的动态位移分量，融合后的位移比基于视觉测量的结果具有更宽的频率范围．
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  免拆纤维板底模钢筋桁架叠合板受弯性能试验

  张锡治, 黄俊伟, 马相, 张磊, 陶宏斌

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 902-911.

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  免拆纤维板底模钢筋桁架叠合板适用于民用建筑和工业建筑，具有较好的经济性与施工便利性.为研究底模与混凝土的协同受力情况，对12块足尺纤维板底模钢筋桁架叠合板进行静力试验，分别研究桁架间距和跨度对免拆底模叠合板力学性能的影响及免拆底模对叠合板的抗裂性能和破坏模式的影响，测得了相应的荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线、裂缝开展及分布状况、破坏形式及相应的破坏荷载等.结果表明：免拆纤维板底模钢筋桁架叠合板破坏模式均为受弯破坏，但由于纤维板的材料特性，其破坏模式与混凝土底板存在差异，水泥基纤维板开裂无明显前兆，开裂突然，表现为纤维板整体性拉断，且多为半贯通、贯通裂缝；纤维板底模与后浇混凝土的协同受力性能良好，叠合面未出现滑移现象，所采用的自攻螺丝连接方式可满足叠合面的抗剪需求；减小桁架间距会提升叠合板的极限承载力，桁架间距对屈服荷载影响较小；下弦与上弦钢筋应变均得到了充分的发展，桁架腹杆应变较为复杂，在整个受力过程均保持弹性状态，各部位应变随着纤维底板的开裂也产生一定波动；采用截面换算法，提出纤维板底模钢筋桁架叠合板底板开裂应力近似计算公式，计算结果表明纤维底板的开裂应力较混凝土底板有较大程度提升，即采用纤维底板可提升叠合板的抗裂性能.
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  永定河流域生态补水绩效分析及生态调度方案评估

  杜勇, 冯平, 袁红琳, 李建柱, 刘兴旺, 周娜

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 912-921.

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  为分析生态补水对河道内生态需水量的满足程度，以永定河流域三家店以上流域为研究区域，利用流量历时曲线法计算了不同需求条件下的河道内生态需水量，明确了现状水文条件下的河道生态缺水程度，评估了2019年和2020年生态补水过程中河道主要断面收水率及沿途损耗的空间分布规律，定量评估了生态补水对官厅水库入库流量的贡献，构建了生态水量调度模拟模型，通过对不同生态补水情景河道生态水量调度过程模拟分析，推荐了合理的生态补水调度方案．结果表明：现状永定河山区主要控制断面生态水量处于较为严重的亏缺状态，尤其是山区总控制站三家店缺水率达97%，沿途输水损耗率变化范围为(0.94%～5.38%)/10 km，且呈现上游至下游河段依次减少的规律，收水率与上游补水量呈正相关关系，构建的生态水量调度模型在两个断面率定期和验证期纳什效率系数为0.67～0.96，能够反映永定河河道生态补水过程的水流运动．根据不同情景河道生态水量调度过程模拟结果，为达到低生态流量需求目标，可采用生态补水情景方案4；为达到高生态流量需求目标，可采用生态补水情景方案5．研究成果对认识跨流域调水影响下中国北方季节性河道的生态流量恢复过程具有重要的科学意义，可为面向生态水量恢复目标的永定河跨流域调水与流域内生态补水方案制定等提供科技支撑．
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  变摩擦装配式自复位复合墙抗震性能研究

  黄炜, 范珍辉, 苗欣蔚, 张家瑞, 孙玉娇, 刘慷

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 922-934.

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  针对自复位墙体耗能不足及大位移角时损伤严重的问题，介绍了一种变摩擦装配式自复位复合墙．墙体由变摩擦阻尼器、钢脚、预应力筋和复合墙构成：变摩擦阻尼器的摩擦力随滑移量的增加而增加，具有良好的耗能能力；钢脚提高了墙角抗压强度并提供了变摩擦阻尼器安装空间；预应力筋为墙体提供了自复位能力和部分承载能力；复合墙具有轻质、高强、绿色环保的特点．为进一步研究该墙体的抗震性能，对3块自复位复合墙进行了低周往复试验，分析不同初始预应力、碟簧组合形式对试件破坏形态、滞回特征、承载力、刚度退化、自复位能力和耗能能力的影响．研究结果表明：试件仅在墙底部出现少量混凝土表皮剥落，表现出良好的低损伤特点；试件在1.0%位移角时最大残余位移角为0.85%，表现出自复位特点；各试件的单圈耗能随着位移角的增加而迅速增加，表现出良好的耗能能力；初始预应力提高至1.9倍，导致承载力增加至1.3倍，而残余位移角降低至60%；阻尼器碟簧组合的并联数量增加至2倍，导致墙体的承载力增加至1.5倍，耗能能力增加至2倍，残余位移角增加至4.6倍．此外，建立了自复位复合墙数值分析模型，数值模型分析结果与试验结果较为吻合．随后进行了参数分析，发现预应力筋根数、螺栓初始预紧力和钢脚宽度对墙体的承载能力或耗能能力具有较大影响．
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  可更换波折钢板剪切耗能型柱脚节点的滞回性能分析

  窦超, 杜彦珂, 杨潇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 935-946.

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  针对传统钢框架在地震作用下底层柱脚容易产生塑性损伤的问题，为实现震后结构功能的快速恢复，提出一种可更换波折钢板剪切耗能型柱脚节点．采用经试验验证的有限元数值计算方法，建立新型柱脚节点的有限元模型．通过对此柱脚节点进行往复加载分析，研究了其滞回性能、应力发展及塑性损伤分布规律，考察了波折钢板宽高比b_c/h_c、高厚比h_c/t_c、波形比C_a/C_l及钢柱轴压比n等参数对节点滞回性能的影响规律，给出了关键参数的选取建议，并基于简化受力模型提出了节点承载力计算公式．研究发现：柱脚节点的滞回曲线较为饱满，表现出良好的耗能能力；在往复加载过程中，塑性变形集中在波折钢板上，其他部件均未发生屈服，震后只需更换受损伤的剪切耗能装置即可实现柱脚节点功能的快速恢复．参数分析表明：波折钢板宽高比b_c/h_c、高厚比h_c/t_c对柱脚节点承载力和滞回性能影响较大，在初步设计时建议采用0.5≤b_c/h_c<1.0、h_c/t_c≤90的波折钢板，同时需控制钢板提供的极限承载力不超过框架柱的边缘屈服承载力，以保证钢柱不发生屈服；钢柱轴压比的增大会加剧P-Δ效应的影响，使得节点承载力显著下降，因此要合理控制轴压比，建议轴压比取值n≤0.4；波折钢板波形比在合理取值下对节点的滞回性能影响不大，推荐取0.1≤C_a/C_l≤0.2．总之，波折钢板剪切耗能型柱脚节点具有承载力高、耗能能力强、损伤控制等特点，在合理设计下可达到减小结构损伤、实现震后可快速修复的目的.
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  钻石型轮辐结构构型与受力性能研究

  范重, 吴浩, 王泽强, 张爱林, 张艳霞, 刘云博

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 947-957.

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  本文给出了钻石型轮辐结构的构型规则，并对其预应力态和张拉成形方法进行了探讨．通过1∶15缩尺模型试验，考察钻石型轮辐结构施工张拉成型的可行性，检验屋盖结构的受力性能，验证数值模拟方法与试验结果的一致性．研究钻石型轮辐结构成形态的动力特性以及在活荷载、风荷载和温度作用下的结构变形和构件内力以及断索对结构性能的影响，重点考察中间撑杆高度变化对结构受力性能的影响．缩尺模型试验结果表明，提升下径索所需张拉设备数量较少，施工方便；对于结构的成形态和静力加载工况，实测与数值模拟得到的内环节点标高、索力、结构变形具有较好的一致性．有限元分析结果表明，中间撑杆高度对结构动力特性、构件内力和结构变形的影响较为显著．在结构的成形态，随着中间撑杆高度增大，上径索索力随之加大，内环撑杆由受压变为受拉，中间撑杆的压力迅速增大．大跨度轮辐结构刚度较小，设置中间撑杆后，有利于提高结构的竖向刚度，减小在竖向荷载、特别是在风荷载作用下的变形．此外，半跨荷载作用下结构的竖向变形大于满跨荷载，而正、负温差对结构的内力与变形均不起控制作用．断索引起紧邻径索索力突然增大，次邻径索与环索索力的变化幅度则很小．对于钻石型轮辐结构，中间撑杆高度不宜大于内环撑杆高度．
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  改性钨酸铋纳米材料用于六价铬与环丙沙星光催化共降解研究

  于涛, 赵瑞暄, 聂瑀, 谭欣

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 958-966.

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  抗生素与重金属离子常在废水中共存，提高了废水处理难度，因此亟需高效的处理方法实现二者的共降解．在此，通过一种简单的溶剂热法合成了具有氧空位和3D中空结构钨酸铋光催化材料，实现了六价铬和环丙沙星的高效光催化共降解，光催化反应40 min后可将二者降解99%．实验及表征结果表明，氧空位的引入促进了光生载流子的分离与迁移，使得更多的电子和空穴参与氧化还原反应，进而显著提高了光催化共降解效率．同时，结合降解转化产物检测结果，分析了降解机理与路径．本工作为抗生素/重金属共存废水的处理提出了一种可行的高效方法．
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  TC4钛合金激光深熔焊等离子体羽流喷发过程研究

  杨立军, 谢燕, 贾晨鹏, 赵圣斌, 黄一鸣

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 967-973.

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  在激光深熔焊过程中，等离子体羽流的喷发过程作为等离子体振荡的关键阶段，与熔池小孔行为密切相关，而小孔的行为又决定着焊缝成形及焊接质量.由于等离子体喷发过程具有很强的随机性，通过检测该过程的热力学基础参数，可以更好地监测焊接过程.本文利用无源双探针检测装置与高速摄像组成的多源光电信号同步检测系统，对钛合金在激光焊接过程中的等离子体羽流喷发行为进行分析.结果表明：等离子体喷发过程分为初期、中期和后期3个阶段；在喷发初期，激光功率在1 200～1 500 W时，等离子体喷发速度最高超过100 m/s，最低小于10 m/s，随功率增加喷发速度分布范围呈减小趋势，概率最大的喷发速度也随之减小；在喷发中期，根据等离子体喷发经过双探针时间差之比的k值来衡量喷发过程中温度变化程度，发现两探针检测等离子体相同温度的时间差是初始阶段等离子体流经两探针时间差的3倍及以上；在喷发后期，两探针电信号波形到达极小值点时间差值的正负可用来判断等离子体喷发的剧烈程度，差值为负时等离子体喷发剧烈，反之等离子喷发较弱.
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  亚微米银焊膏的低温无压烧结性能研究

  李欣, 汪智威

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 974-981.

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  烧结银焊膏具备高导热、高导电、低弹性模量和高可靠性等优异性能，可以最大程度地发挥出SiC和GaN器件的潜能，因此具有广阔的应用前景．为了降低银焊膏的制备成本，同时改善银焊膏的烧结性能，使用球形和片状两种亚微米银颗粒制备了3种烧结银焊膏，通过分析银焊膏在200～250℃低温无压烧结后的电阻率、剪切强度和微观形貌，研究了不同形貌亚微米银颗粒及混合颗粒的低温无压烧结性能．研究表明：球形银颗粒制备的银焊膏在250℃烧结后，具有52.4 MPa的高剪切强度，同时其电阻率仅为6.28×10^-8?·m；银片制备的银焊膏烧结后的剪切强度始终较低且电阻率始终较大，在250℃烧结后，剪切强度为21.5 MPa，电阻率为15.54×10^-8?·m，这归因于银片的径向尺寸较大、振实密度较低和银片层层堆叠的烧结结构；混合颗粒的银焊膏展现出了在更低温度下烧结的潜力，在200℃烧结后，剪切强度为28.2 MPa，电阻率为7.77×10^-8?·m，这得益于银片可促进所选有机组分更早地去除和混合颗粒具有更高的初始堆积密度.本文研究成果有助于亚微米银颗粒焊膏的成熟稳定制备，也为低温无压烧结的高性能银焊膏的研发提供了新的思路．
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  集中供热系统水力热力耦合特性辨识方法研究

  王娜, 田栩, 肖木森, 张新光, 王雅然, 由世俊

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 982-991.

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  集中供热系统的运行能效主要受其水力热力特性的影响，换热站作为连接热源、热网和热用户的枢纽，是分析系统水力热力特性的关键，站内设备的长期运行性能衰减会导致供热系统整体能耗升高、能效下降，因此有必要对站内设备的运行性能进行诊断．基于换热站实测运行数据，分别采用最小二乘法和梯度下降对站内主要设备包括换热器、循环泵和调节阀的性能曲线进行了辨识，从而构建了集中供热系统的水力热力特性计算方法，全面分析了某典型换热站主要设备性能衰减情况和能耗水平，对主要设备运行性能进行了评估，并对设备维护的经济性和碳减排效果进行了计算．结果表明：换热站内主要设备性能存在不同程度衰减，其中换热器传热系数由1.00 k W/（m²·K）下降至0.64 k W/（m²·K），循环泵标况扬程由22.4 m下降至17.3 m，调节阀流通能力由183.0 t/h下降至82.4 t/h，且阀门整体开度较低，以上问题导致了系统整体能耗的增加；为消除气候变化对集中供热系统能耗分析的影响，结合度日数和实际供热面积，对系统能耗进行评价，与标准年相比，测试年采暖季同期平均热耗和电耗分别增加了0.86 GJ/（10～4m²·℃·d）和2.38 k W·h/（10～4m²·℃·d）；对主要设备进行清洗和更换后，集中供热系统采暖季诊断时间内的同期累计电耗可降低16.3%，全生命周期内CO₂排放量可减少128.5 t.
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  U型液氢科里奥利质量流量计理论与数值分析

  裴祥翔, 陈强峰, 宋玉彩, 张小斌

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(09): 992-1000.

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  科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)因其精度高、结构简单且流阻小的优点广泛用于流体测量．本文基于计算流体动力学和结构动力学相耦合的数值算法，探究了用于液氢测量的U型科氏流量计流固耦合振动特性．首先搭建水流量标定实验平台对建立的流致振动理论模型和流固耦合数值仿真框架进行结果验证，实验中的标准流量基于称量法获得，科氏流量计测量管两臂的相位差基于自行设计研制的控制电路进行采集计算．验证结果表明，建立的流固耦合仿真框架(偏差为-2.51%)相比于采用欧拉梁理论建立的理论模型(偏差为-12.89%)具有更好的预测性能．基于验证的数值框架和理论模型对单U型液氢科氏流量计质量流量和测量管壁上传感器位置对测量时滞及测量振幅的影响规律进行分析揭示，并对比分析水和液氢两种工质对科氏流量计模态特性的影响．结果表明，流体的附加质量对测量管模态特性影响显著，由于液氢的低密度特性，采用结构的干模态频率进行激振仍可以获得较高的激振效率，其测量管振幅约为水工质对应测量管振幅的17.75倍．而液氢的低密度及低温特性则显著降低其时滞，对于液氢质量流量的高精度测量是不利的．理论和数值结果的对比表明，传感器位置对测量时滞的影响也会受流体质量流量的影响．结果对液氢科氏流量计的优化设计有指导意义．