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Engineering Mechanics
（月刊，1984年创刊）
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国力学学会
主 编：陆新征
编辑出版：《kb88凯时集团官网》杂志社
ISSN 1000-4750 CN 11-2595/O3
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2023, 40(9): 1-12.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0032
摘要:
该文分析、开发、验证和总结了单个或多个矩形孔对四边简支板在弯曲、压缩、剪切单独受力以及弯剪复合受力时的临界弹性屈曲应力的影响以及其近似闭合形式表达式。表达式的形式基于经典板稳定理论近似，并通过采用ABAQUS壳体有限元的参数研究得到开发和验证。表达式可作为壳体有限元特征屈曲分析的一种方便的替代方法。有限元参数研究表明，孔会产生独特的屈曲模式，孔间距改变会减少或增加板的临界弹性屈曲应力，且间隔足够大时多孔板屈曲应力可用单孔板计算公式代替。经验证的闭合形式表达式及其相关限制旨在足够通用，以适应工程实践中常见的孔尺寸和间距范围。
该文分析、开发、验证和总结了单个或多个矩形孔对四边简支板在弯曲、压缩、剪切单独受力以及弯剪复合受力时的临界弹性屈曲应力的影响以及其近似闭合形式表达式。表达式的形式基于经典板稳定理论近似，并通过采用ABAQUS壳体有限元的参数研究得到开发和验证。表达式可作为壳体有限元特征屈曲分析的一种方便的替代方法。有限元参数研究表明，孔会产生独特的屈曲模式，孔间距改变会减少或增加板的临界弹性屈曲应力，且间隔足够大时多孔板屈曲应力可用单孔板计算公式代替。经验证的闭合形式表达式及其相关限制旨在足够通用，以适应工程实践中常见的孔尺寸和间距范围。
2023, 40(9): 13-19.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0005
摘要:
流场特性的研究是结构风工程的核心问题，而高分辨率的流场数据对解决风致振动问题、探索流固耦合机理具有着重要意义。受测量方法、计算效率等因素限制，高空间分辨率的流场时程数据的直接获取仍有一定困难。该文基于流场时程数据的表征模型，提出了桥面非定常流动时程重构的深度学习方法。基于一维卷积方法建立了非定常桥面绕流场的表征模型，得到了物理空间与表征模型的编码空间之间的映射关系，最后利用表征模型的解码器生成未知测点处的流场时程数据。对较低雷诺数桥梁主梁的非定常绕流流场进行了研究与验证，实现了桥面绕流的时程数据重构，验证了方法的准确性与可行性。该文所提方法基于流场的时程数据进行表征与重构，可广泛应用于工程中基于一点的传感器数据处理，是一种桥面流场数据分析的新方法。
流场特性的研究是结构风工程的核心问题，而高分辨率的流场数据对解决风致振动问题、探索流固耦合机理具有着重要意义。受测量方法、计算效率等因素限制，高空间分辨率的流场时程数据的直接获取仍有一定困难。该文基于流场时程数据的表征模型，提出了桥面非定常流动时程重构的深度学习方法。基于一维卷积方法建立了非定常桥面绕流场的表征模型，得到了物理空间与表征模型的编码空间之间的映射关系，最后利用表征模型的解码器生成未知测点处的流场时程数据。对较低雷诺数桥梁主梁的非定常绕流流场进行了研究与验证，实现了桥面绕流的时程数据重构，验证了方法的准确性与可行性。该文所提方法基于流场的时程数据进行表征与重构，可广泛应用于工程中基于一点的传感器数据处理，是一种桥面流场数据分析的新方法。
2023, 40(9): 20-28.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0022
摘要:
海洋结构在服役期间，不可避免地受到复杂的环境载荷和操作载荷的作用。对于金属材料的海洋结构，断裂是其失效的主要形式，所以，及时、准确地监测裂纹的萌生和扩展是很有必要的。而应力强度因子(SIF)是判断裂纹失稳扩展的一个重要指标。该文在现有研究的基础上，将基于单应变片(SSG)和最大张口位移(CMOD)的SIF的确定方法相结合，提出了一种基于数据融合的SIF的估计方法。对该方法进行了数值模拟和实验验证，结果表明，该方法适用于多种配置的裂纹试件，且与基于单应变片和最大张口位移的方法相比，所提方法可以获得更精确的结果，相对误差(RE)不超过1.2%。
海洋结构在服役期间，不可避免地受到复杂的环境载荷和操作载荷的作用。对于金属材料的海洋结构，断裂是其失效的主要形式，所以，及时、准确地监测裂纹的萌生和扩展是很有必要的。而应力强度因子(SIF)是判断裂纹失稳扩展的一个重要指标。该文在现有研究的基础上，将基于单应变片(SSG)和最大张口位移(CMOD)的SIF的确定方法相结合，提出了一种基于数据融合的SIF的估计方法。对该方法进行了数值模拟和实验验证，结果表明，该方法适用于多种配置的裂纹试件，且与基于单应变片和最大张口位移的方法相比，所提方法可以获得更精确的结果，相对误差(RE)不超过1.2%。
2023, 40(9): 29-36.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.1012
摘要:
该文提出了一种引入经典弹塑性力学理论知识作为辅助驱动的小样本深度学习算法，适用于土木工程任意材料弹塑性本构关系，能够有效缓解大规模深度学习模型实际应用时常见的数据量匮乏瓶颈。该文简要概述了通用的经典弹塑性力学框架；在此基础上详细阐释了将弹塑性力学方程引入到常规深度学习模型中的方法与流程，该过程无需关心底层理论本构模型的具体形式与传统的复杂数值实现，保留了数据驱动技术简单、直接、高效的优点；为缓解优化目标复杂化所导致的训练不收敛问题，提出了一种与理论辅助驱动相适应的训练策略“过拟合-修正法”，能够稳定并加速收敛过程；基于结构钢材精细弹塑性本构模型开展了数值试验，验证了理论辅助的小样本学习算法的有效性，能够实现大规模深度学习模型在少量训练样本情形下获得优异的泛化性，相较纯粹数据驱动模型准确性提升38.9%。该文采用的理论辅助思想具有可借鉴性，后续可应用于结构层次的深度学习代理模型研究，促进未来更为先进、大型的智能算法落地土木工程计算领域。
该文提出了一种引入经典弹塑性力学理论知识作为辅助驱动的小样本深度学习算法，适用于土木工程任意材料弹塑性本构关系，能够有效缓解大规模深度学习模型实际应用时常见的数据量匮乏瓶颈。该文简要概述了通用的经典弹塑性力学框架；在此基础上详细阐释了将弹塑性力学方程引入到常规深度学习模型中的方法与流程，该过程无需关心底层理论本构模型的具体形式与传统的复杂数值实现，保留了数据驱动技术简单、直接、高效的优点；为缓解优化目标复杂化所导致的训练不收敛问题，提出了一种与理论辅助驱动相适应的训练策略“过拟合-修正法”，能够稳定并加速收敛过程；基于结构钢材精细弹塑性本构模型开展了数值试验，验证了理论辅助的小样本学习算法的有效性，能够实现大规模深度学习模型在少量训练样本情形下获得优异的泛化性，相较纯粹数据驱动模型准确性提升38.9%。该文采用的理论辅助思想具有可借鉴性，后续可应用于结构层次的深度学习代理模型研究，促进未来更为先进、大型的智能算法落地土木工程计算领域。
2023, 40(9): 37-47.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.1017
摘要:
高海拔寒冷地区具有海拔高、气温低、昼夜温差大等特点。在冻融循环作用下，高海拔寒冷地区混凝土结构容易发生损伤而影响建筑物使用年限，当损伤严重时甚至威胁建筑物的安全。为了研究高海拔寒冷地区混凝土的工作性能、力学性能、抗冻耐久性以及冻融损伤机理，在某高海拔寒冷地区桥梁施工项目制作了4种不同混凝土试件，开展了混凝土冻融循环试验，并对不同冻融循环次数下的高寒混凝土试件进行了核磁共振试验。结果表明：从宏观力学性能来看，高寒引气减水混凝土的抗冻耐久性表现最佳。同时，4种高寒混凝土试件的抗冻耐久性与混凝土内部的小孔(<0.01 μm)和中孔(0.01 μm~0.05 μm)所占比例密切相关，即高寒混凝土内部的小孔和中孔所占比例越大，混凝土抗冻耐久性越好。
高海拔寒冷地区具有海拔高、气温低、昼夜温差大等特点。在冻融循环作用下，高海拔寒冷地区混凝土结构容易发生损伤而影响建筑物使用年限，当损伤严重时甚至威胁建筑物的安全。为了研究高海拔寒冷地区混凝土的工作性能、力学性能、抗冻耐久性以及冻融损伤机理，在某高海拔寒冷地区桥梁施工项目制作了4种不同混凝土试件，开展了混凝土冻融循环试验，并对不同冻融循环次数下的高寒混凝土试件进行了核磁共振试验。结果表明：从宏观力学性能来看，高寒引气减水混凝土的抗冻耐久性表现最佳。同时，4种高寒混凝土试件的抗冻耐久性与混凝土内部的小孔(<0.01 μm)和中孔(0.01 μm~0.05 μm)所占比例密切相关，即高寒混凝土内部的小孔和中孔所占比例越大，混凝土抗冻耐久性越好。
2023, 40(9): 48-60.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0018
摘要:
为研究钢-混组合梁经历高温后的抗剪性能，以受热温度和冷却方式为试验参数，分别开展了普通混凝土、钢材高温后材料性能试验和钢-混组合梁高温后静力试验。对高温冷却后混凝土和钢材的基本力学性能进行了试验研究，并采用扫描电镜观察了高温后混凝土的微观结构；按“强弯弱剪”设计了7片钢-混组合梁，测定了升降温过程中截面温度场分布，开展了常温和经历高温冷却后组合梁加载破坏试验，对组合梁常温和高温后的极限承载力、跨中挠度和应变变化进行对比分析，研究了受热温度和冷却方式对组合梁受力性能的影响，并探讨了高温后组合梁极限抗剪承载力计算方法。结果表明：高温后混凝土内部水泥复合物疏松和水泥与骨料包裹界面出现裂纹是混凝土宏观力学性能劣化的主要原因；常温和高温冷却后钢-混组合梁的破坏形态均为混凝土板出现贯穿的斜裂缝；随着温度的升高，组合梁的承载力、刚度和延性均降低；低于400℃时冷却方式对承载力影响较小，600℃时喷水冷却后组合梁承载力大于自然冷却；与自然冷却试件相比，喷水冷却下试件的刚度较大，极限挠度较小；基于试验数据和回归分析建立了混凝土抗压强度、钢材屈服强度与受热温度之间的计算公式；修正后的AS/NZS 2327规范公式计算值与试验值吻合良好。
为研究钢-混组合梁经历高温后的抗剪性能，以受热温度和冷却方式为试验参数，分别开展了普通混凝土、钢材高温后材料性能试验和钢-混组合梁高温后静力试验。对高温冷却后混凝土和钢材的基本力学性能进行了试验研究，并采用扫描电镜观察了高温后混凝土的微观结构；按“强弯弱剪”设计了7片钢-混组合梁，测定了升降温过程中截面温度场分布，开展了常温和经历高温冷却后组合梁加载破坏试验，对组合梁常温和高温后的极限承载力、跨中挠度和应变变化进行对比分析，研究了受热温度和冷却方式对组合梁受力性能的影响，并探讨了高温后组合梁极限抗剪承载力计算方法。结果表明：高温后混凝土内部水泥复合物疏松和水泥与骨料包裹界面出现裂纹是混凝土宏观力学性能劣化的主要原因；常温和高温冷却后钢-混组合梁的破坏形态均为混凝土板出现贯穿的斜裂缝；随着温度的升高，组合梁的承载力、刚度和延性均降低；低于400℃时冷却方式对承载力影响较小，600℃时喷水冷却后组合梁承载力大于自然冷却；与自然冷却试件相比，喷水冷却下试件的刚度较大，极限挠度较小；基于试验数据和回归分析建立了混凝土抗压强度、钢材屈服强度与受热温度之间的计算公式；修正后的AS/NZS 2327规范公式计算值与试验值吻合良好。
2023, 40(9): 61-73.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0019
摘要:
钢管混凝土(CFST)构件可充分发挥钢管与核心混凝土优点，在桥梁墩柱中已得到应用，抗撞设计是其在墩柱中推广应用的关键问题。因此，该文基于LS-DYNA有限元软件建立了56个车辆撞击双柱CFST桥墩分析模型并进行抗撞机理与参数分析。基于前期落锤撞击结果与实车撞击试验验证了模型可靠性；对典型工况下撞击力和桥墩塑性应变发展、内力分布和能量转换进行研究并重点分析了含钢率、轴压比、货物刚度、车辆质量和速度对CFST桥墩撞击力和侧向位移分布的影响规律；采用等效静力法计算得到25 ms等效车辆撞击力(ESF25)并对AASHTO规程建议值进行评估，提出车撞CFST桥墩撞击力预测公式。结果表明：车辆撞击下CFST桥墩钢管与核心混凝土协同工作，钢管是主要耗能部件；由于上部结构和桥墩惯性作用，不同撞击时刻桥墩内力分布具有显著差异；车辆质量与速度对撞击力发展影响显著，含钢率与轴压比影响较小，货物弹性模量在2000 MPa内变化时影响较大；建议的撞击力公式可较好预测考虑上部质量影响的CFST桥墩撞击力。
钢管混凝土(CFST)构件可充分发挥钢管与核心混凝土优点，在桥梁墩柱中已得到应用，抗撞设计是其在墩柱中推广应用的关键问题。因此，该文基于LS-DYNA有限元软件建立了56个车辆撞击双柱CFST桥墩分析模型并进行抗撞机理与参数分析。基于前期落锤撞击结果与实车撞击试验验证了模型可靠性；对典型工况下撞击力和桥墩塑性应变发展、内力分布和能量转换进行研究并重点分析了含钢率、轴压比、货物刚度、车辆质量和速度对CFST桥墩撞击力和侧向位移分布的影响规律；采用等效静力法计算得到25 ms等效车辆撞击力(ESF25)并对AASHTO规程建议值进行评估，提出车撞CFST桥墩撞击力预测公式。结果表明：车辆撞击下CFST桥墩钢管与核心混凝土协同工作，钢管是主要耗能部件；由于上部结构和桥墩惯性作用，不同撞击时刻桥墩内力分布具有显著差异；车辆质量与速度对撞击力发展影响显著，含钢率与轴压比影响较小，货物弹性模量在2000 MPa内变化时影响较大；建议的撞击力公式可较好预测考虑上部质量影响的CFST桥墩撞击力。
2023, 40(9): 74-80.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0021
摘要:
基于理论分析提出了一种功能梯度混凝土受弯构件，通过梯级FRP筋+钢筋混合配筋，构建同地震弯矩分布梯度相适应的构件抗弯承载能力分布梯度，使多个功能梯度段进入塑性状态，以更充分利用构件的抗震能力。功能梯度可以有效控制构件塑性的分布和发展程度，确保发生延性的破坏模式，并实现较好的损伤自恢复性。功能梯度混凝土受弯构件的变形能力大幅提高，侧向承载力增大，极限刚度降低，抗震性能显著增强。模型试验证明了功能梯度混凝土受弯构件理念的可行性及其力学效果，也验证了所提功能梯度构建方案的有效性和工程实用性。
基于理论分析提出了一种功能梯度混凝土受弯构件，通过梯级FRP筋+钢筋混合配筋，构建同地震弯矩分布梯度相适应的构件抗弯承载能力分布梯度，使多个功能梯度段进入塑性状态，以更充分利用构件的抗震能力。功能梯度可以有效控制构件塑性的分布和发展程度，确保发生延性的破坏模式，并实现较好的损伤自恢复性。功能梯度混凝土受弯构件的变形能力大幅提高，侧向承载力增大，极限刚度降低，抗震性能显著增强。模型试验证明了功能梯度混凝土受弯构件理念的可行性及其力学效果，也验证了所提功能梯度构建方案的有效性和工程实用性。
2023, 40(9): 81-97.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0024
摘要:
为揭示竖向地震荷载作用下桩土系统的耦合动力特性，首先将基桩视为具有径向和竖向变形的三维轴对称杆件，采用Hamilton变分原理建立其运动方程，而桩周土体视为充满流体的三维多孔连续介质，采用Boer多孔弹性介质模型描述其动力学行为。在不引入势函数的情况下，先将土骨架的体积应变和孔隙流体压力作为中间变量处理土体运动方程，然后采用分离变量法求解土体和基桩的运动方程，进而结合桩-土系统的边界和连续条件，推导得到桩顶的运动放大系数和运动响应因子解析解。通过与相应有限元模型数值计算结果及已有解的比较，验证所提出解的正确性。最后分析桩土主要参数对桩土耦合系统动力特性的影响，得到了一些有意义的结论，可为相关工程实践提供参考。研究结果表明：当桩长径比较小时，基桩的径向变形对饱和土-桩系统的动力响应存在显著影响，忽略基桩的径向变形，将高估桩土系统的共振行为；对于单相土而言，在低频阶段，桩顶响应相对于自由场表面响应偏小，在高频阶段，其随着桩长径比的增大而偏大。桩土系统的共振行为发生于激振频率接近于土体自由场的自振频率。随着桩长径比的增大，桩土系统对基岩运动的放大效应呈增大趋势；对于饱和土而言，饱和土层表面的响应与基岩运动基本上一致。随着桩长径比的增大，桩土系统对基岩运动的放大效应呈减小趋势。
为揭示竖向地震荷载作用下桩土系统的耦合动力特性，首先将基桩视为具有径向和竖向变形的三维轴对称杆件，采用Hamilton变分原理建立其运动方程，而桩周土体视为充满流体的三维多孔连续介质，采用Boer多孔弹性介质模型描述其动力学行为。在不引入势函数的情况下，先将土骨架的体积应变和孔隙流体压力作为中间变量处理土体运动方程，然后采用分离变量法求解土体和基桩的运动方程，进而结合桩-土系统的边界和连续条件，推导得到桩顶的运动放大系数和运动响应因子解析解。通过与相应有限元模型数值计算结果及已有解的比较，验证所提出解的正确性。最后分析桩土主要参数对桩土耦合系统动力特性的影响，得到了一些有意义的结论，可为相关工程实践提供参考。研究结果表明：当桩长径比较小时，基桩的径向变形对饱和土-桩系统的动力响应存在显著影响，忽略基桩的径向变形，将高估桩土系统的共振行为；对于单相土而言，在低频阶段，桩顶响应相对于自由场表面响应偏小，在高频阶段，其随着桩长径比的增大而偏大。桩土系统的共振行为发生于激振频率接近于土体自由场的自振频率。随着桩长径比的增大，桩土系统对基岩运动的放大效应呈增大趋势；对于饱和土而言，饱和土层表面的响应与基岩运动基本上一致。随着桩长径比的增大，桩土系统对基岩运动的放大效应呈减小趋势。
2023, 40(9): 98-107.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0037
摘要:
为对不锈钢受弯构件截面分类进行研究，借助有限元软件ABAQUS建立了不锈钢焊接工字形和箱形截面构件有限元模型，并基于试验结果验证了有限元模型的有效性。基于有限元模型开展了大量的参数分析，由此对欧洲不锈钢规范EN 1993-1-4+A2和《钢结构设计标准》(GB 50017?2017)中截面板件宽厚比分类限值的合理性和适用性进行了评价。在考虑截面组成板件的相关性基础上，提出了针对奥氏体型不锈钢受弯构件截面分类方法和不同截面板件宽厚比等级及限值。
为对不锈钢受弯构件截面分类进行研究，借助有限元软件ABAQUS建立了不锈钢焊接工字形和箱形截面构件有限元模型，并基于试验结果验证了有限元模型的有效性。基于有限元模型开展了大量的参数分析，由此对欧洲不锈钢规范EN 1993-1-4+A2和《钢结构设计标准》(GB 50017?2017)中截面板件宽厚比分类限值的合理性和适用性进行了评价。在考虑截面组成板件的相关性基础上，提出了针对奥氏体型不锈钢受弯构件截面分类方法和不同截面板件宽厚比等级及限值。
2023, 40(9): 108-116, 189.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0038
摘要:
为提高锈蚀钢筋混凝土(RC)结构抗弯承载力评估精度，该文综合考虑锈蚀RC结构几何尺寸、钢筋截面积及力学性能、混凝土强度、粘结性能等因素，提出了基于改进粒子滤波(PF)算法的抗弯承载力模型参数更新及预测方法。通过生成大量的粒子以表征承载力退化过程中模型参数的不确定性，从选择不同建议密度函数的角度改进PF算法以解决传统PF算法中粒子退化的问题，分别采用PF、扩展粒子滤波(EPF)、无迹粒子滤波(UPF)算法对模型参数进行估计与更新，实现了锈蚀RC结构抗弯承载力的有效预测。结果表明：随着钢筋锈蚀率的增加，RC结构的抗弯承载力逐渐降低。基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法因考虑了模型参数更新使得预测结果更接近试验数据。基于EKF和UKF的改进PF算法可有效抑制粒子退化，其预测精度较PF算法更高；锈蚀RC结构抗弯承载力预测精度随着训练数据及粒子数的增加而提高。
为提高锈蚀钢筋混凝土(RC)结构抗弯承载力评估精度，该文综合考虑锈蚀RC结构几何尺寸、钢筋截面积及力学性能、混凝土强度、粘结性能等因素，提出了基于改进粒子滤波(PF)算法的抗弯承载力模型参数更新及预测方法。通过生成大量的粒子以表征承载力退化过程中模型参数的不确定性，从选择不同建议密度函数的角度改进PF算法以解决传统PF算法中粒子退化的问题，分别采用PF、扩展粒子滤波(EPF)、无迹粒子滤波(UPF)算法对模型参数进行估计与更新，实现了锈蚀RC结构抗弯承载力的有效预测。结果表明：随着钢筋锈蚀率的增加，RC结构的抗弯承载力逐渐降低。基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法因考虑了模型参数更新使得预测结果更接近试验数据。基于EKF和UKF的改进PF算法可有效抑制粒子退化，其预测精度较PF算法更高；锈蚀RC结构抗弯承载力预测精度随着训练数据及粒子数的增加而提高。
2023, 40(9): 117-129.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0039
摘要:
该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型，将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段，考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下，混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化，可由初始弹性模量E反映；在进一步承受压缩荷载过程中，微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变，可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下，混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性，将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性，该文开展了混凝土单轴压缩试验，获得冻融循环次数N为0次~150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线，同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好，模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。
该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型，将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段，考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下，混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化，可由初始弹性模量E反映；在进一步承受压缩荷载过程中，微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变，可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下，混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性，将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性，该文开展了混凝土单轴压缩试验，获得冻融循环次数N为0次~150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线，同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好，模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。
2023, 40(9): 130-141.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0040
摘要:
为研究端板-螺栓连接可更换耗能梁的抗震及可更换性能，设计制作了4个可更换耗能梁试件并进行了拟静力试验，研究不同长度系数对可更换耗能梁抗震性能和可更换能力的影响。结果表明：当长度系数较小时，试件发生剪切破坏，破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂；当长度系数较大时，试件发生弯剪破坏，破坏特征包括梁端翼缘-端板焊缝撕裂和梁端翼缘屈曲；所有试件的滞回曲线非常饱满，具有优异的变形能力和耗能能力；可更换耗能梁的抗剪承载力强化明显，超强系数均值为1.9；采用端板-螺栓连接的可更换耗能梁均可实现震后可更换，当梁端残余转角为0.0020 rad~0.0046 rad时耗能梁可以实现震后更换，且更换快捷、操作简单；同时，根据耗能梁构件与带可更换构件的RCS混合框架结构体系的几何变形特征，可以将耗能梁的主要受力阶段划分为正常使用、非必要更换和必要更换3个阶段。
为研究端板-螺栓连接可更换耗能梁的抗震及可更换性能，设计制作了4个可更换耗能梁试件并进行了拟静力试验，研究不同长度系数对可更换耗能梁抗震性能和可更换能力的影响。结果表明：当长度系数较小时，试件发生剪切破坏，破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂；当长度系数较大时，试件发生弯剪破坏，破坏特征包括梁端翼缘-端板焊缝撕裂和梁端翼缘屈曲；所有试件的滞回曲线非常饱满，具有优异的变形能力和耗能能力；可更换耗能梁的抗剪承载力强化明显，超强系数均值为1.9；采用端板-螺栓连接的可更换耗能梁均可实现震后可更换，当梁端残余转角为0.0020 rad~0.0046 rad时耗能梁可以实现震后更换，且更换快捷、操作简单；同时，根据耗能梁构件与带可更换构件的RCS混合框架结构体系的几何变形特征，可以将耗能梁的主要受力阶段划分为正常使用、非必要更换和必要更换3个阶段。
2023, 40(9): 142-152.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0044
摘要:
道砟不规则形态是影响有砟道床变形特性的重要因素，对道砟形状及棱角分布等不同尺度形态特征的刻画与数值重构仍是道砟仿真研究的热点问题。该文采用形态重构方法，生成了符合真实道砟形态指标概率分布的多面体道砟试样，构建了不同围压下道砟三轴加载计算模型，并将该仿真结果与三维扫描生成、非统计随机生成的道砟试样的仿真结果及室内试验结果对比分析。结果表明：围压提高，颗粒形态对道砟力学响应的影响逐渐显著，该文方法重构数值试样的应力-应变结果与试验结果的符合度高于非统计随机生成试样；道砟试样横向变形与堆积结构调整有关，与三维扫描生成的道砟试样相比，非统计随机生成试样的颗粒调整程度与侧向鼓胀范围均偏大；形态统计特征对道砟接触力演化趋势影响不大，但是不同形态特征的道砟最大接触力水平差异近50%。
道砟不规则形态是影响有砟道床变形特性的重要因素，对道砟形状及棱角分布等不同尺度形态特征的刻画与数值重构仍是道砟仿真研究的热点问题。该文采用形态重构方法，生成了符合真实道砟形态指标概率分布的多面体道砟试样，构建了不同围压下道砟三轴加载计算模型，并将该仿真结果与三维扫描生成、非统计随机生成的道砟试样的仿真结果及室内试验结果对比分析。结果表明：围压提高，颗粒形态对道砟力学响应的影响逐渐显著，该文方法重构数值试样的应力-应变结果与试验结果的符合度高于非统计随机生成试样；道砟试样横向变形与堆积结构调整有关，与三维扫描生成的道砟试样相比，非统计随机生成试样的颗粒调整程度与侧向鼓胀范围均偏大；形态统计特征对道砟接触力演化趋势影响不大，但是不同形态特征的道砟最大接触力水平差异近50%。
2023, 40(9): 153-160.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0056
摘要:
为将新型复合材料“高强不锈钢绞线网/ECC约束素混凝土”用于实际工程结构，基于高强不锈钢绞线网/ECC约束高强混凝土(简称HSME约束高强混凝土)复合材料轴心受压试验结果，分析ECC强度、核心混凝土强度以及横向钢绞线体积配网率等对其受压性能的影响规律。试验结果表明：HSME能够有效约束核心混凝土轴心受压，破坏模式具有明显的延性性能，根据试验数据绘出HSME约束高强混凝土复合材料受压应力-应变曲线，可以分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。根据各阶段曲线的数学特征，建立HSME约束高强混凝土复合材料受压本构关系的全过程模型表达式。引入ECC特征值和横向钢绞线特征值，对本构模型的各参数进行分析，提出HSME约束高强混凝土复合材料的开裂压应变、峰值应力、峰值压应变和极限压应变等参数的表达式。将各参数代入所建立的受压本构关系绘出其应力-应变曲线，模型结果与试验所得应力-应变曲线吻合良好，开裂压应变与极限压应变的计算值与试验值对比范围分别为0.949~1.068和0.938~1.039。表明所提出的受压本构模型能够较好地反映HSME约束高强混凝土复合材料的应力-应变关系。
为将新型复合材料“高强不锈钢绞线网/ECC约束素混凝土”用于实际工程结构，基于高强不锈钢绞线网/ECC约束高强混凝土(简称HSME约束高强混凝土)复合材料轴心受压试验结果，分析ECC强度、核心混凝土强度以及横向钢绞线体积配网率等对其受压性能的影响规律。试验结果表明：HSME能够有效约束核心混凝土轴心受压，破坏模式具有明显的延性性能，根据试验数据绘出HSME约束高强混凝土复合材料受压应力-应变曲线，可以分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。根据各阶段曲线的数学特征，建立HSME约束高强混凝土复合材料受压本构关系的全过程模型表达式。引入ECC特征值和横向钢绞线特征值，对本构模型的各参数进行分析，提出HSME约束高强混凝土复合材料的开裂压应变、峰值应力、峰值压应变和极限压应变等参数的表达式。将各参数代入所建立的受压本构关系绘出其应力-应变曲线，模型结果与试验所得应力-应变曲线吻合良好，开裂压应变与极限压应变的计算值与试验值对比范围分别为0.949~1.068和0.938~1.039。表明所提出的受压本构模型能够较好地反映HSME约束高强混凝土复合材料的应力-应变关系。
2023, 40(9): 161-171.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0058
摘要:
钢管约束混凝土柱的钢管通常在柱端设缝以使其不直接承受荷载。该文主要对两种设缝模式的方钢管约束型钢混凝土柱(仅柱两端设缝、柱两端和柱中均设缝)的受力性能进行分析对比。以钢管宽厚比、荷载偏心率为主要变化参数，对柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱进行了受压力学性能试验。分析对比了各组试件的破坏模式、承载能力及钢管应力发展规律，结果表明：设缝模式对试件破坏形态无明显影响，柱中设缝试件的轴压承载力略有提高，而偏压承载力呈降低趋势。采用精细化的有限元模型进行了参数分析，依据试验及有限元结果，提出用于计算构件弯矩增大效应的刚度折减系数公式，进而建立柱中设缝构件偏压作用下的承载力计算方法。
钢管约束混凝土柱的钢管通常在柱端设缝以使其不直接承受荷载。该文主要对两种设缝模式的方钢管约束型钢混凝土柱(仅柱两端设缝、柱两端和柱中均设缝)的受力性能进行分析对比。以钢管宽厚比、荷载偏心率为主要变化参数，对柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱进行了受压力学性能试验。分析对比了各组试件的破坏模式、承载能力及钢管应力发展规律，结果表明：设缝模式对试件破坏形态无明显影响，柱中设缝试件的轴压承载力略有提高，而偏压承载力呈降低趋势。采用精细化的有限元模型进行了参数分析，依据试验及有限元结果，提出用于计算构件弯矩增大效应的刚度折减系数公式，进而建立柱中设缝构件偏压作用下的承载力计算方法。
2023, 40(9): 172-189.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.04.0291
摘要:
远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动，振动阶段后期产生多个循环的长周期类谐和加速度脉冲，易对长周期结构带来不利影响。然而，由于远场类谐和地震动实测记录有限，能直接用于结构抗震分析的地震动记录更少。为弥补这一缺陷，该文提出一种基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法并对该方法的合理性和可行性进行验证。该方法通过对远场类谐和地震动记录进行EEMD分解，得到地震动低频成分的类谐和主脉冲成分与衰减部分，并对二者的拟合重构形成类谐和主脉冲分量进行特征参数识别和简化，提出由类谐和脉冲函数和衰减函数相结合的主脉冲速度模型，最后叠加分解时剔除的高频IMF分量形成人工类谐和地震动。基于此，重新选取3条任意远场类谐和地震动记录的地震动特征参数合成人工地震动，与原始地震动反应谱进行对比分析。结果表明：采用EEMD方法可有效提取原始地震动的低频成分，基于所提类谐和主脉冲速度模型得到的主脉冲时程与原始地震动速度主脉冲时程吻合较好；利用所提的地震动合成方法合成的人工地震动可较好保留原始类谐和地震动的非平稳特性，且与原始地震动较为吻合。
远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动，振动阶段后期产生多个循环的长周期类谐和加速度脉冲，易对长周期结构带来不利影响。然而，由于远场类谐和地震动实测记录有限，能直接用于结构抗震分析的地震动记录更少。为弥补这一缺陷，该文提出一种基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法并对该方法的合理性和可行性进行验证。该方法通过对远场类谐和地震动记录进行EEMD分解，得到地震动低频成分的类谐和主脉冲成分与衰减部分，并对二者的拟合重构形成类谐和主脉冲分量进行特征参数识别和简化，提出由类谐和脉冲函数和衰减函数相结合的主脉冲速度模型，最后叠加分解时剔除的高频IMF分量形成人工类谐和地震动。基于此，重新选取3条任意远场类谐和地震动记录的地震动特征参数合成人工地震动，与原始地震动反应谱进行对比分析。结果表明：采用EEMD方法可有效提取原始地震动的低频成分，基于所提类谐和主脉冲速度模型得到的主脉冲时程与原始地震动速度主脉冲时程吻合较好；利用所提的地震动合成方法合成的人工地震动可较好保留原始类谐和地震动的非平稳特性，且与原始地震动较为吻合。
2023, 40(9): 190-202.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.0423
摘要:
该文基于ABAQUS/Implicit建立了钢管混凝土柱-H形钢梁栓焊混合节点抗连续倒塌数值模型。为提高该类节点的抗倒塌承载力，采用了波纹腹板H形钢梁和下翼缘加腋构造。分析该类节点在竖向荷载作用下的破坏特征和失效机理，并考虑波纹腹板的“折叠效应”对节点抗倒塌能力的影响。研究结果表明，钢管混凝土柱-平腹板H形钢梁节点(J-WB-O)的破坏出现在环板和钢梁连接位置，而钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁加腋节点(J-CW-AP)的破坏远离环板与钢梁连接位置，延缓了钢梁下翼缘断裂；此外，J-WB-O节点钢梁全截面提供倒塌抗力，而J-CW-AP节点在加载初期波纹腹板几乎不提供倒塌抗力，当下翼缘断裂后波纹腹板开始受力，并且随着裂缝的向上延伸波纹腹板截面依次呈现受拉状态，表现为波纹腹板波纹逐渐拉开的过程即为“折叠效应”，延缓了腹板开裂和局部屈曲。对比普通栓焊混合节点J-WB-O，波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点J-CW-AP的极限承载力与延性分别提高了67.2%和62.3%。基于抗力机制分析，给出了钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌承载力简化计算公式。
该文基于ABAQUS/Implicit建立了钢管混凝土柱-H形钢梁栓焊混合节点抗连续倒塌数值模型。为提高该类节点的抗倒塌承载力，采用了波纹腹板H形钢梁和下翼缘加腋构造。分析该类节点在竖向荷载作用下的破坏特征和失效机理，并考虑波纹腹板的“折叠效应”对节点抗倒塌能力的影响。研究结果表明，钢管混凝土柱-平腹板H形钢梁节点(J-WB-O)的破坏出现在环板和钢梁连接位置，而钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁加腋节点(J-CW-AP)的破坏远离环板与钢梁连接位置，延缓了钢梁下翼缘断裂；此外，J-WB-O节点钢梁全截面提供倒塌抗力，而J-CW-AP节点在加载初期波纹腹板几乎不提供倒塌抗力，当下翼缘断裂后波纹腹板开始受力，并且随着裂缝的向上延伸波纹腹板截面依次呈现受拉状态，表现为波纹腹板波纹逐渐拉开的过程即为“折叠效应”，延缓了腹板开裂和局部屈曲。对比普通栓焊混合节点J-WB-O，波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点J-CW-AP的极限承载力与延性分别提高了67.2%和62.3%。基于抗力机制分析，给出了钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌承载力简化计算公式。
2023, 40(9): 203-213, 256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0813
摘要:
为量化钢筋锈蚀与余震对钢筋混凝土结构抗震性能的影响，选取两栋按我国现行规范设计的中国东南沿海地区钢筋混凝土框架结构为研究对象，考虑未锈蚀和由低到高三种不同锈蚀率(5%、10%和15%)的四种工况，采用真实主余震序列作为输入，选取Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标，开展了主余震序列作用下的未锈蚀与锈蚀钢筋混凝土框架结构的地震损伤评估与易损性分析。计算结果表明：锈蚀率的提高加剧了主余震序列作用下的结构累积损伤，其增长率最大可超过50%。由钢筋锈蚀单一因素引起的结构损伤在主余震累积损伤中的占比最高可超过30%。此外，钢筋锈蚀因素会导致结构的主余震易损性曲线发生显著提升。当锈蚀率较大时，钢筋锈蚀对结构易损性的影响与余震对结构易损性的影响相接近。钢筋锈蚀和余震两个因素的耦合作用会使结构的易损性水平发生更为显著的提升。因此，十分有必要在既有钢筋混凝土结构抗主余震性能评估中考虑钢筋锈蚀因素的影响。
为量化钢筋锈蚀与余震对钢筋混凝土结构抗震性能的影响，选取两栋按我国现行规范设计的中国东南沿海地区钢筋混凝土框架结构为研究对象，考虑未锈蚀和由低到高三种不同锈蚀率(5%、10%和15%)的四种工况，采用真实主余震序列作为输入，选取Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标，开展了主余震序列作用下的未锈蚀与锈蚀钢筋混凝土框架结构的地震损伤评估与易损性分析。计算结果表明：锈蚀率的提高加剧了主余震序列作用下的结构累积损伤，其增长率最大可超过50%。由钢筋锈蚀单一因素引起的结构损伤在主余震累积损伤中的占比最高可超过30%。此外，钢筋锈蚀因素会导致结构的主余震易损性曲线发生显著提升。当锈蚀率较大时，钢筋锈蚀对结构易损性的影响与余震对结构易损性的影响相接近。钢筋锈蚀和余震两个因素的耦合作用会使结构的易损性水平发生更为显著的提升。因此，十分有必要在既有钢筋混凝土结构抗主余震性能评估中考虑钢筋锈蚀因素的影响。
2023, 40(9): 214-223.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.0010
摘要:
承压壳体发生放射性、易燃等危险气体泄漏会对环境造成重大威胁，泄漏状况评估是应急措施优化的必要前提。针对严重事故下的厚壳壁微开裂，建立了一套快速定量的泄漏率分析数值模型。基于流量守恒原理，提出了厚壁结构中多段微裂缝构成变截面通道的泄漏率计算改进模型；采用混凝土塑性损伤模型模拟极限载荷下结构的非线性破坏，通过等参函数实现几何不规则单元与规则空间之间的变换，改进了弥散型微裂缝扩展尺度的计算模型。通过数值算例对比文献中的结果，分别验证了以上两个子模型的稳定性和有效性，并由受损剪力墙的泄漏率分析进一步验证了模型的可行性。最后，将模型应用于抗高温内压损伤过程中的某预应力混凝土复杂承压壳体，结果表明：改进的模型适用于厚壁、带孔道等复杂构造承压结构的泄漏率分析，具有一定的实际工程意义。
承压壳体发生放射性、易燃等危险气体泄漏会对环境造成重大威胁，泄漏状况评估是应急措施优化的必要前提。针对严重事故下的厚壳壁微开裂，建立了一套快速定量的泄漏率分析数值模型。基于流量守恒原理，提出了厚壁结构中多段微裂缝构成变截面通道的泄漏率计算改进模型；采用混凝土塑性损伤模型模拟极限载荷下结构的非线性破坏，通过等参函数实现几何不规则单元与规则空间之间的变换，改进了弥散型微裂缝扩展尺度的计算模型。通过数值算例对比文献中的结果，分别验证了以上两个子模型的稳定性和有效性，并由受损剪力墙的泄漏率分析进一步验证了模型的可行性。最后，将模型应用于抗高温内压损伤过程中的某预应力混凝土复杂承压壳体，结果表明：改进的模型适用于厚壁、带孔道等复杂构造承压结构的泄漏率分析，具有一定的实际工程意义。
2023, 40(9): 224-237.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0015
摘要:
胶接是常见于轻量化车身制造的连接方式，胶接接头的失效行为建模是轻量化车身碰撞安全设计的重要前提。针对高韧性环氧基结构胶，该文选择了一种考虑应力状态、应变率效应和损伤累积的弹塑性本构模型表征其复杂冲击力学响应，以提高胶接接头失效模型的准确性。围绕此本构模型，开发了便于实施的模型参数识别方法和标定流程，建立了针对两种环氧基结构胶的材料模型。通过开展胶材本体、胶接接头及胶接结构等多层级冲击破坏实验与对应有限元仿真，验证了所选用的胶粘剂材料模型和胶接接头表征方法的可靠性。
胶接是常见于轻量化车身制造的连接方式，胶接接头的失效行为建模是轻量化车身碰撞安全设计的重要前提。针对高韧性环氧基结构胶，该文选择了一种考虑应力状态、应变率效应和损伤累积的弹塑性本构模型表征其复杂冲击力学响应，以提高胶接接头失效模型的准确性。围绕此本构模型，开发了便于实施的模型参数识别方法和标定流程，建立了针对两种环氧基结构胶的材料模型。通过开展胶材本体、胶接接头及胶接结构等多层级冲击破坏实验与对应有限元仿真，验证了所选用的胶粘剂材料模型和胶接接头表征方法的可靠性。
2023, 40(9): 238-246.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.12.1013
摘要:
为深入探讨内压工况下玻纤增强柔性管的损伤失效机理，该文采用三维弹性力学理论，对柔性管三维本构关系开展理论分析，通过结合三维Hashin-Yeh失效准则与非线性刚度退化模型，建立了考虑基体材料非线性力学行为的柔性管三维渐进失效模型。采用静水压爆破实验对理论模型进行验证，在此基础上进行缠绕角度及径厚比等参数敏感性分析。理论模型与实验结果对比较为吻合；缠绕角度对柔性管在内压工况下的应力分布有较为明显的影响，随着缠绕角度的增加柔性管的首层失效荷载与最终爆破荷载均呈现增长趋势；随着径厚比的增加，柔性管承压能力迅速降低，但失效模式并未发生改变。
为深入探讨内压工况下玻纤增强柔性管的损伤失效机理，该文采用三维弹性力学理论，对柔性管三维本构关系开展理论分析，通过结合三维Hashin-Yeh失效准则与非线性刚度退化模型，建立了考虑基体材料非线性力学行为的柔性管三维渐进失效模型。采用静水压爆破实验对理论模型进行验证，在此基础上进行缠绕角度及径厚比等参数敏感性分析。理论模型与实验结果对比较为吻合；缠绕角度对柔性管在内压工况下的应力分布有较为明显的影响，随着缠绕角度的增加柔性管的首层失效荷载与最终爆破荷载均呈现增长趋势；随着径厚比的增加，柔性管承压能力迅速降低，但失效模式并未发生改变。
2023, 40(9): 247-256.
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0011
摘要:
高温超导材料因其高载流能力、低交流损耗等优点而备受科学界和工程技术领域的广泛关注，然而，在实际应用中出现的一系列电磁力学问题严重阻碍了其在工程技术领域的发展。基于此，该文开展了临界电流密度的非均匀性对矩形超导薄板内电学及力学特性影响的研究。考虑临界电流密度沿超导薄板宽度方向非均匀分布，给出了薄板内感应磁场及感应电流分布的解析表述，基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应力方法，得到了超导薄板内磁通钉扎力、应力、应变及磁致伸缩的解析表达式。计算结果表明，临界电流密度的非均匀性并不改变超导薄板内的磁通钉扎力、应力及应变沿板宽度方向的分布规律。然而，非均匀分布的临界电流密度促使薄板内的磁通线穿透深度增大，超导薄板内的最大压应力值增大，且最大压应力发生的位置随传输电流的增大向薄板中心靠近。当传输电流从最大值减小时，薄板内产生的最大拉应力值减小。临界电流密度非均匀分布时，薄板内发生的最大磁致伸缩量较均匀分布情形下显著减小，磁致伸缩曲线形态发生改变。因此，临界电流密度的非均匀性是超导材料力学和电学性能的研究中不可忽视的因素。
高温超导材料因其高载流能力、低交流损耗等优点而备受科学界和工程技术领域的广泛关注，然而，在实际应用中出现的一系列电磁力学问题严重阻碍了其在工程技术领域的发展。基于此，该文开展了临界电流密度的非均匀性对矩形超导薄板内电学及力学特性影响的研究。考虑临界电流密度沿超导薄板宽度方向非均匀分布，给出了薄板内感应磁场及感应电流分布的解析表述，基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应力方法，得到了超导薄板内磁通钉扎力、应力、应变及磁致伸缩的解析表达式。计算结果表明，临界电流密度的非均匀性并不改变超导薄板内的磁通钉扎力、应力及应变沿板宽度方向的分布规律。然而，非均匀分布的临界电流密度促使薄板内的磁通线穿透深度增大，超导薄板内的最大压应力值增大，且最大压应力发生的位置随传输电流的增大向薄板中心靠近。当传输电流从最大值减小时，薄板内产生的最大拉应力值减小。临界电流密度非均匀分布时，薄板内发生的最大磁致伸缩量较均匀分布情形下显著减小，磁致伸缩曲线形态发生改变。因此，临界电流密度的非均匀性是超导材料力学和电学性能的研究中不可忽视的因素。
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