Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2020 Vol.21 No.7 P.509-608

Cover:

<827>

Contents:

<828>

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on the Key Technology of Sea-crossing Bridges

Guest Editors-in-Chief: Shen-you SONG, Jian GUO

Guest Editors: Gao LIU, Lin ZHAO

Editorial

Editorial: Technical challenges in the construction of bridge-tunnel sea-crossing projects in China

Shen-you Song, Jian Guo, Quan-ke Su, Gao Liu

DOI: 10.1631/jzus.A20CSBE1 Downloaded: 2243 Clicked: 3315 Cited: 0 Commented: 0(p.509-513) <Full Text>

Chinese summary <120> 中(zhōng)國橋隧一(yī)體(tǐ)化跨海工(gōng)程建設的技術挑戰

概要:近年來,跨海大(dà)橋的建設越來越受到重視. 杭州灣跨海大(dà)橋、舟山跨海大(dà)橋和港珠澳大(dà)橋等跨海工(gōng)程已在中(zhōng)國成功建成; 作爲目前世界上難度最大(dà)的橋隧一(yī)體(tǐ)化跨海工(gōng)程,深中(zhōng)通道工(gōng)程正在施工(gōng). 中(zhōng)國已經在跨海大(dà)橋設計和施工(gōng)領域取得了顯著成績,特别是在橋隧一(yī)體(tǐ)化跨海工(gōng)程技術創新中(zhōng)實現了高水平的技術跨越. 本專輯收集了相關科研人員(yuán)和工(gōng)程管理人員(yuán)在設計理論、施工(gōng)工(gōng)藝、新材料應用、養護管理技術等方面取得的一(yī)批核心技術成果,包括大(dà)跨度跨海橋梁抗風抗震性能、大(dà)型沉管隧道結構體(tǐ)系的受力機理及防災設計、船舶碰撞跨海橋梁的緻災風險識别及安全防護等突出問題. 這些寶貴經驗對未來的甬舟鐵路、渤海海峽通道和瓊州海峽跨海通道等大(dà)型跨海工(gōng)程具有重要的參考價值.

關鍵詞組：跨海工(gōng)程; 橋隧一(yī)體(tǐ)化; 深中(zhōng)通道; 港珠澳大(dà)橋; 舟山跨海大(dà)橋; 技術創新

Articles

Experimental study on the mechanical behavior and deformation characteristics of gravel cushion in an immersed tube tunnel

Wei-le Chen, Chao Guo, Xiao He, Bai-yong Fu, Jian Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1900408 Downloaded: 2136 Clicked: 3331 Cited: 0 Commented: 0(p.514-524) <Full Text> <PPT> 1609

Chinese summary <112> 沉管隧道碎石墊層力學行爲與變形特性試驗研究

目的:目前國内外(wài)尚無采用二片石+碎石作爲沉管隧道先鋪法墊層的先例,且二片石+碎石組合墊層的力學變形特性尚不明确. 本文旨在通過室内物(wù)理力學模型試驗,定量分(fēn)析二片石及碎石墊層鋪設厚度、級配、落管預壓荷載量等因素的影響,提出碎石墊層構造方案以及相應的變形模量和承載力等力學指标,以合理确定墊層厚度及可行的施工(gōng)工(gōng)藝、準确評估地基剛度偏差、降低淤泥對碎石墊層承載性能的影響以及保證沉管結構的受力安全.
創新點:1. 提出二片石+碎石組合墊層的力學變形特性; 2. 提出落管預壓荷載的作用以及對墊層性質的影響.
方法:1. 分(fēn)别開(kāi)展二片石和碎石的室内物(wù)理力學模型試驗,研究二片石與碎石接觸面的平整度、顆粒級配、落管預壓荷載以及墊層厚度對墊層的物(wù)理力學性質的影響,并在此基礎上開(kāi)展二片石+碎石組合墊層的室内模型試驗; 2. 提出碎石墊層構造方案以及相應的變形模量和承載力等力學指标,以提高沉管結構的受力安全.
結論:1. 在設計荷載作用下(xià),二片石墊層的荷載-位移曲線呈現越壓越密的非線性受力特點,而碎石墊層和碎石+二片石墊層的荷載-位移曲線呈現兩階段線性變化; 2. 二片石墊層頂部的平整密實度對其沉降和壓縮模量有很大(dà)的影響,因此在施工(gōng)時需保證二片石墊層頂部的平整密實度; 3. 級配和厚度對墊層的壓縮性影響不明顯,而落管預壓荷載對提高墊層初始剛度以及降低初期沉降和總體(tǐ)沉降有明顯作用; 4. 對于預壓荷載爲30 kPa的0.7 m二片石+1.0 m碎石組合墊層,壓縮模量的取值在0~30 kPa段爲48.89 MPa,在30~110 kPa段爲10.47 MPa.

關鍵詞組：沉管隧道; 碎石墊層; 模型試驗; 變形特性

Dynamic response analysis of ship-bridge collisions experiment

Jian Guo, Jing-xuan He

DOI: 10.1631/jzus.A1900382 Downloaded: 2042 Clicked: 3234 Cited: 0 Commented: 0(p.525-534) <Full Text> <PPT> 1701

Chinese summary <24> 船撞橋墩動力響應的試驗研究

目的:1. 研究船撞橋過程中(zhōng)撞擊力的大(dà)小(xiǎo); 2. 在船撞作用下(xià),研究橋梁各結構的動力響應與脆弱部位; 3. 研究橋梁結構動力響應的頻(pín)帶特征以及能量分(fēn)布.
創新點:1. 通過縮尺試驗和高分(fēn)辨率的有限元模型,探究船撞橋墩的碰撞機理; 2. 通過小(xiǎo)波包分(fēn)析方法,對縮尺試驗的敏感部位的響應進行分(fēn)析,探明其頻(pín)帶特性和能量分(fēn)布.
方法:1. 通過試驗分(fēn)析和有限元模拟,找出橋墩的易損部位,并研究速度與船艏剛度對撞擊力大(dà)小(xiǎo)的影響; 2. 通過精細化的有限元模型,驗證試驗的準确性; 3. 在船撞作用下(xià),探究敏感部位的動力響應; 4. 通過小(xiǎo)波包分(fēn)析,分(fēn)解縮尺模型敏感部位的響應信号,并研究其頻(pín)帶特性和能量分(fēn)布.
結論:1. 通過對不同撞擊速度的船舶在碰撞時的沖擊力和橋墩動力響應的研究表明,撞擊力可由上升段和塑性段兩個階段來解釋. 2. 當橋梁下(xià)部結構受到船舶撞擊時,支座與梁體(tǐ)會産生(shēng)滑移; 因此,在橋梁設計中(zhōng)應考慮船舶撞擊引起落梁的可能. 3. 在船撞過程中(zhōng),大(dà)部分(fēn)能量被船艏的變形所吸收; 對于橋梁結構來說,大(dà)部分(fēn)能量集中(zhōng)在樁基與支座. 4. 通過小(xiǎo)波包分(fēn)析可知(zhī),橋梁結構吸收的能量主要集中(zhōng)在低頻(pín)段.

關鍵詞組：縮尺模型試驗; 船撞橋墩; 沖擊荷載; 小(xiǎo)波包分(fēn)析; 能量分(fēn)布

Revisiting aerodynamic admittance functions of bridge decks

Lin Zhao, Xi Xie, Teng Wu, Shao-peng Li, Zhi-peng Li, Yao-jun Ge, Ahsan Kareem

DOI: 10.1631/jzus.A1900353 Downloaded: 2156 Clicked: 2812 Cited: 0 Commented: 0(p.535-552) <Full Text> <PPT> 1585

Chinese summary <27> 回顧與讨論氣動導納函數

目的:提出一(yī)種識别橋面氣動導納函數的理論框架并驗證其合理性.
方法:1. 提出一(yī)種考慮來流脈動風和氣動力全部交叉分(fēn)量貢獻的全分(fēn)量導納函數的識别算法. 2. 利用風洞試驗與數值分(fēn)析結合的方法,對一(yī)組流線型和鈍體(tǐ)斷面的氣動導納進行驗證. 3. 對一(yī)橋梁斷面進行抖振響應分(fēn)析,驗證其等效氣動導納.
結論:1.通過數值計算,系統地驗證了本文所提出的等效氣動導納函數具有較高的保真度. 2.風洞中(zhōng)流線型斷面的等效氣動導納函數的辨識結果與随機子空間辨識方法的結果吻合良好. 3.通過對一(yī)組流線型和鈍體(tǐ)斷面進行氣動導納識别表明,某些斷面的氣動導納高于基于準定常理論的所得值. 4.根據準定常理論下(xià)的氣動導納函數、Sears函數和實驗驗證的函數計算抖振響應并與風洞試驗結果進行比較發現,對于流線型斷面,采用Sears函數或等效氣動導納函數都是合理的,而用準定常理論得到的抖振響應則過于保守. 5.靈敏度分(fēn)析表明,抖振響應對平均風速、氣動導納函數、靜風力系數及其導數和顫振導數等參數非常敏感.

關鍵詞組：氣動導納函數; 橋梁斷面; 抖振分(fēn)析; 風洞試驗; 靈敏度分(fēn)析

Bayesian operational modal analysis of a long-span cable-stayed sea-crossing bridge

Yan-long Xie, Binbin Li, Jian Guo

DOI: 10.1631/jzus.A1900511 Downloaded: 2287 Clicked: 3494 Cited: 0 Commented: 0(p.553-564) <Full Text> <PPT> 1754

Chinese summary <23> 期望最大(dà)化貝葉斯模态識别算法在跨海斜拉橋運營模态分(fēn)析中(zhōng)的應用

目的:由于地理位置特殊,跨海大(dà)橋周圍的環境非常複雜(zá),進而導緻跨海橋梁的模态特征複雜(zá)多變. 本文旨在應用期望最大(dà)化貝葉斯快速傅裏葉變換(FFT)算法對跨海斜拉橋進行運營模态分(fēn)析.
創新點:1. 通過使用期望最大(dà)化貝葉斯FFT算法,使得基于貝葉斯的運營模态分(fēn)析速度更快且收斂性更高; 2. 成功識别了2.5 Hz以内的19階模态的自然頻(pín)率、阻尼比以及振型,同時得到了識别參數的不确定性大(dà)小(xiǎo).
方法:通過應用貝葉斯模态識别算法對某跨海斜拉橋的運營模态數據進行分(fēn)析,并研究模态參數及其不确定性.
結論:應用期望最大(dà)化貝葉斯FFT算法能夠高效地識别2.5 Hz以内的19階模态的自然頻(pín)率、阻尼比和結構振型,并能得出參數識别的不确定性大(dà)小(xiǎo).

關鍵詞組：跨海斜拉橋; 運營模态分(fēn)析; 期望最大(dà)化貝葉斯FFT算法

Dynamic behavior of laterally loaded caisson foundations based on different cushion types: an experimental and theoretical study

Wen-bo Tu, Mao-song Huang, Xiao-qiang Gu

DOI: 10.1631/jzus.A1900381 Downloaded: 2362 Clicked: 5296 Cited: 0 Commented: 0(p.565-579) <Full Text> <PPT> 1893

Chinese summary <22> 不同墊層型式沉箱基礎的水平振動特性研究

目的:沉箱底部墊層型式對基礎的水平振動特性有重要影響. 本文旨在探讨不同墊層型式(砂墊層或碎石墊層)對沉箱基礎水平動力響應的影響規律,并提出簡化的沉箱墊層基礎水平動力的非線性分(fēn)析計算方法.
創新點:1. 針對不同墊層下(xià)的沉箱基礎開(kāi)展室内水平穩态振動模型的試驗研究; 2. 建立沉箱墊層基礎的非線性分(fēn)析計算模型; 3. 建立沉箱墊層基礎模型的動力特性與原型沉箱墊層基礎動力特性之間的關系.
方法:1. 通過室内水平穩态振動模型試驗研究,得出不同墊層型式對沉箱基礎動力特性的影響規律(圖11和12); 2. 通過理論推導,構建激振力大(dà)小(xiǎo)與基礎振動位移幅值及共振頻(pín)率之間的關系,并建立相應分(fēn)析模型(公式(3)和(12)); 3. 通過相似理論,分(fēn)析模型基礎與原型基礎之間的動力特性關系(表5).
結論:1. 靜荷載作用下(xià),基礎水平荷載-位移曲線近似于剛塑性發展過程,且基礎置于砂墊層時的極限荷載比置于碎石墊層的更大(dà); 2. 沉箱置于砂墊層或碎石墊層上時,随着激振力幅值的增大(dà),由于土體(tǐ)非線性特性的産生(shēng),基礎振動響應幅值明顯增大(dà),且基礎的共振頻(pín)率呈衰減趨勢; 3. 相對于砂墊層,碎石墊層在動力荷載作用下(xià)更易産生(shēng)塑性變形,從而消耗并阻隔部分(fēn)能量的傳遞,進而表現出比砂墊層更好的隔震效應.

關鍵詞組：非線性動力響應; 沉箱基礎; 穩态激振試驗; 碎石墊層; 砂墊層

Temperature-induced structural static responses of a long-span steel box girder suspension bridge

Lin-ren Zhou, Lan Chen, Yong Xia, Ki Young Koo

DOI: 10.1631/jzus.A1900490 Downloaded: 1913 Clicked: 3505 Cited: 0 Commented: 0(p.580-592) <Full Text> <PPT> 1617

Chinese summary <25> 大(dà)跨度鋼箱梁懸索橋溫度所緻結構靜力響應

目的:溫度對大(dà)跨度橋梁的力學性能影響顯著. 針對大(dà)跨度鋼箱梁懸索橋,本文采用數值方法分(fēn)析日溫度變化引起的結構靜力響應,對比設計車(chē)荷載,以評估溫度靜力效應的影響.
創新點:1. 基于數值方法對比大(dà)跨度懸索橋溫度靜力效應與設計車(chē)荷載效應,評估溫度效應的影響; 2. 闡明懸索橋主要構件溫度效應對總體(tǐ)溫度效應的貢獻及相互之間的影響.
方法:1. 建立現場環境和結構響應的結構健康監測系統,并進行長期監測; 2. 通過精細化有限元分(fēn)析方法實現橋梁溫度荷載和溫度效應的精準數值計算.
結論:1. 溫度對大(dà)跨度懸索橋跨中(zhōng)位移的影響明顯,其一(yī)天的變化約是設計車(chē)荷載位移的10%; 箱型主梁橫向溫差是導緻橋面橫向傾斜的主要因素. 2. 箱梁溫度應力顯著大(dà)于車(chē)荷載引起的應力; 部分(fēn)次要構件的溫度應力成爲主要荷載效應. 3. 主纜豎向傾角越大(dà),溫度應力越大(dà); 吊杆溫度效應主要受其長度和兩端相對變形的影響. 4. 橋塔溫度效應不僅受其自身溫度的影響,也會受到來自主纜溫度響應的較大(dà)影響. 5. 本文結論是基于一(yī)天溫度變化的影響,而溫度效應在更大(dà)時間尺度上的影響會更爲嚴重.

關鍵詞組：大(dà)跨度懸索橋; 溫度效應; 靜态響應; 車(chē)荷載; 現場監測

A novel forced motion apparatus with potential applications in structural engineering

Lin Zhao, Xi Xie, Yan-yan Zhan, Wei Cui, Yao-jun Ge, Zheng-chun Xia, Sheng-qiao Xu, Min Zeng

DOI: 10.1631/jzus.A1900400 Downloaded: 2021 Clicked: 2797 Cited: 0 Commented: 0(p.593-608) <Full Text> <PPT> 1574

Chinese summary <25> 一(yī)種在結構工(gōng)程中(zhōng)具有潛在應用前景的新型強迫運動裝置

目的:探究新型強迫振動裝置在風工(gōng)程領域的發展與應用.
創新點:1. 提出一(yī)種強迫振動裝置,以實現多自由度耦合效應的非線性非平穩氣運動,并探讨該裝置的應用前景. 2. 該裝置對運動形式無限制,且振幅及頻(pín)率均可連續變化,因此所需最大(dà)驅動力不超過電機限值即可; 不同運動形式在每個自由度上均可實現; 對三個自由度之間的組合沒有限制,單自由度、任意兩自由度耦合和三自由度耦合均可.
方法:1. 爲模拟不同形式的風振,基于比例-積分(fēn)-微分(fēn)(PID)控制算法開(kāi)發一(yī)種強迫振動裝置(FMA),并采用自主研發的強迫振動裝置實現多自由度耦合的多種強迫振動運動方式. 2. 爲滿足氣動建模的要求,采用強迫振動時域法對箱梁截面的顫振導數進行識别,包括單自由度、二自由度和三自由度等多種耦合形式,并與已有的研究結果進行比較,驗證該強迫振動裝置的準确性和可行性. 3. 根據強迫振動裝置的特點分(fēn)析其在風工(gōng)程領域的應用以及未來的發展應用前景.
結論:1. 該強迫運動裝置實現了各種運動類型,并通過試驗驗證了其運行精度; 通過對箱梁截面顫振導數的識别和比較,驗證了其在風工(gōng)程領域應用的合理性. 2. 該裝置還可用于處理其他結構工(gōng)程領域的問題,如大(dà)跨橋梁的風-車(chē)-橋耦合問題、輸電線塔的塔-線耦合振動問題、飛行物(wù)在特定旋轉軌迹下(xià)的氣動力問題和結構風緻振動引起的樁-土共同作用等.

關鍵詞組：強迫運動裝置; 耦合振動; 随機振動模拟; 氣動力; 倍頻(pín)效應; 記憶效應; 風工(gōng)程; 潛在應用