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蒋恒强应聘MS Techno过程小记

  我于七月四日得知MS Techno正在招聘结构工程师,便发送简历给招聘人员李女士。李女士发给我一份土-结构相互作用的规范附录要求我解释。我解释完之后,七月六日得到面试机会、七月七日下午三点在北京参加面试。为总结经验教训、特撰文如下。



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田村由纪夫先生在土木工程学院的讲演

  四月二十三日,日本东京工艺大学田村由纪夫教授应李惠教授邀请在土木工程学院报告厅做报告,报告分为两部分。东京地区四百米高楼考虑风荷载的结构选型研究和三月十一日日本东北地震震况简报。由于不知道这些研究成果和震害调查是否已经公开发表,为预防侵犯由纪夫先生的著作权,本文仅有报告提纲,无具体图表和研究结论。敬请各位读者谅解。



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基于随机地震作用的结构评估与设计

2011年4月1日,吕大刚教授应李惠教授邀请,在结构健康监测与控制实验室做地震工程可靠度研究现状报告。

吕教授首先梳理基于性能的抗震设计发展。他列举了美国自FEMA 373 、ATC-58规程之后,Pushover 方法和能力谱方法运用于建筑物在地震作用下的位移响应评定。而最终安全情况是绘制各级地震峰值加速度下的失效概率的离散点连线,判断结构在不同地震作用下是否安全。接着考虑地震作用和结构情况的不确定性,以峰值加速度为基本变量,讨论结构安全的条件概率,以层间位移和失效条件概率为轴绘制图形。在此基础上,PEER研究中心【1】提出了建立地震作用模型、结构损伤模型和损失模型【2】三步的结构安全评定原则。

接着吕教授将基于性能的抗震设计与评估分为如下内容,分别讲述:

  1. 结构易损性分析

           结构易损性是在地震烈度为某级别时,荷载需求大于结构能力的条件概率,表达式如下:

    April2nd1st

    方程1 .结构易损性概率指标

    其基本图形如下图所示,”Better”、”Worse”是就损伤发生中位值对应的地震烈度较小、因而比较经济而言的:

    April2nd1st
    图1 结构易损性概率累计分布示意图

    在ATC-13规程中,依据专家经验,建立了破坏概率矩阵,将结构地震作用后按照功能分为五个阶段,矩阵中元素计算方法为:

    April2nd3rd
    方程2.结构破坏概率矩阵元素计算

    易损性指数的得出方法有经验易损性、试验易损性和数值模拟易损性。

  2. 地震危险性分析

    场地危险性分析以及如何从场地的危险性过渡到结构的危险性。

    在损失危险性中,主要介绍了两个软件HAZUS-MH Process 和MAEViz。

  3. 结构损伤和倒塌的估计

    局部损伤模型,在Opensees 的Mehanny损伤模型的基础上加以改进。

    两种不同倒塌模式的区分与分别提出方法。

    1. 侧增量倒塌
    2. 竖向连续倒塌

      提出了Push Down的方法,分析倒塌过程中塑性铰的发展过程。 此外有评价倒塌安全性的指标:

    April2nd4th
    方程3.倒塌安全性评价指标

    主要的倒塌模型建立依赖于 IDA(Incremental Dynamic Analysis) 。

  4. 结构在地震作用下鲁棒性分析

    鲁棒性的定义:

    提高结构鲁棒性的做法有如下几种:

    • 事件控制法
    • 间接控制法
    • 直接设计法:特殊局部抗力法
  5. 基于风险评估的全寿命设计
  6. 基于力的抗震设计的再认识

    我国现行抗震规范讲究三阶段两水准,将小震作用下的地震作用换算成力,加入到结构设计荷载中,落实到构件的破坏荷载设计中。形成了构件的弹塑性设计和结构的弹性设计这种不对应的局面,示意图如下:

    April2nd2nd
    图2.小震设计存在的问题

    吕教授准备申请一自然科学基金面上项目,对现有规范的折算水平进行认识。



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手机用于地震损伤评估设想

  1. 问题提出

强烈地震作用后,建筑物能否正常使用或者作为避难所是救灾亟需解决的问题。如果结构安装健康监测系统,各楼层的加速度时程有明确记录,则通过结构自振频率和时程曲线,判断层间位移角之类的指标,能够对结构状态进行评估。但是健康监测系统从提出到使用仅三十余年,而且主要运用在大型桥梁、极重要建筑物(鸟巢、水立方之类)和示范性工程中。而面大量广的办公楼、高层住宅都没有安装。而正是这部分建筑,是城市防震减灾的重点。没有合理、有效的评估手段、人员不能在建筑中居住,只能露宿街头、徒增苦楚。而广播电视台、电话通信机房大楼等组织救灾的关键部门无法正常使用,对救灾不利。

现阶段建筑物的损伤快速评估依赖于经验丰富的结构工程师和常规损伤检测方法。由结构工程师领衔,进行震害调查,如果发现典型的震害现象。如填充墙出现斜交裂纹、楼梯断裂、混凝土柱端头破坏、再依据经验判断结构整体状况。讲究细致的工作携带混凝土强度仪、全站仪等,对柱脚等关键部位进行检测,判断混凝土强度;进行测量,观察整体变形。这种做法的缺点是主观任意性大。比如在汶川地震后、同是国内赫赫有名的专家对同一街区房屋进行鉴定、贴出的表征损伤情况的红、黄、绿标签完全不同。而且具有危险性。如果发生较强余震、专家的人身安全受到威胁。

提高施工质量、安装健康监测系统、对设计和施工过程进行全程BIM管理、建立城市防灾数据库,是防震减灾工作必需做的工作。但是第一没有经费,花费巨大而没有产出;第二让各家开发商上缴真实图纸(自然是抽完钢筋、降低标号之后的)极难实现;第三是没有科学价值和技术突破,不能发表SCI论文,也无法申请专利,计算绩效。人人都知道要做的事最难做。本文认为可以利用广泛普及的手机作为传感器,地震发生时,记录携带者加速度时程、数据处理后、推算结构各部位加速度时程,将数据汇总后,根据结构振动情况推算刚度矩阵和塑性变形。从而判定结构损伤状况。

  1. 现有技术条件

  • 传感器

现有手机功能强大、做工精致。随着智能手机的使用率大大提高,许多款都具有了加速度测量功能。随手一晃即可更换应用、当游戏手柄玩赛车游戏、测量使用者行走距离、这些功能都表明手机能够测量加速度。那么测量三向加速度就不困难。测量精度提高,有大量的 MEMS无线传感器专美于前,而且更好的加速度传感器一定能便于应用开发者设计出更多软件,手机制造商乐于实现。而手机固定,许多厂商都开发了防滑落技术,能够将手机固定在使用者身上,定位在地面就没有问题。

  • 信号传递

加速度时程延时两分钟、采样频率500Hz左右,数据量为十余K,3G网络传输可以胜任。虽然地震对台网、基站有很大的破坏作用,但基站的抗震等级比建筑高、而且信号传输到基站即可,不需进一步传输数据。保证加速度时程传递到基站是可以做到的。

  • 数据处理

将建设管理部门收集的结构图纸做成简易Sap模型、存储以备用;根据加速度时程曲线,推算结构损伤状况,研究成果丰富、子空间迭代之类质量高而又可靠的算法多,推算结构损伤状况理论成熟。

  1. 实施过程

    初步设想的实施步骤如图1所示:

手机用于地震对建筑物损伤评估流程图

图1 手机用于地震对建筑物损伤评估流程图

 

  1. 需要解决的技术问题
  • 信号调校

手机品种繁多、型号复杂,作为传感器使用,如何保证它们的频响函数一致?手机所接受的加速度信号如何分解到三向?使用者会把手机安放在地上吗?

  • 从手机加速度到结构节点加速度

手机直接获得的加速度不是我们所关心的结构关键部位加速度,以如下办公楼写字间为例:

办公室内人员分布示意

             图 2 办公楼写字间柱位置和人员(传感器)固定位置

橘红色所标出的是柱的位置,人型表述避难时,人待的位置,极为重要的比如西北角会议室的情况毫无信息、东南角主管办公室的又知之甚少。如何能够通过算法,确定各柱端加速度时程?

  • 损伤识别和结构评估

完整知道结构在动力作用下的响应、在实验室中需要位移计、加速度计以及须臾不可缺的应变片,仅凭借这些加速度信号如何可靠确定结构响应?

  1. 结语

本文提出了利用手机进行建筑物结构快速评估的设想、结合现有技术条件提出了实施步骤,询问需要解决的问题和发展的技术。希望对读者有所启发。日本东北地震的抗灾经验表明,信息对于救灾具有重大的意义。从手机地震预警表明,利用现代通信网络降低灾害导致的损失有极大益处。虽然这些不能取代扎实的建筑质量对人的庇护、但对于降低灾民痛苦是有帮助的。



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从伽利略到哈勃——望远镜发展四百年

6月5日下午2:00,在土木工程学院报告厅,陈建生院士简要介绍了天文望远镜的发展,报告围绕天文望远镜在最近三十年来的八项技术革新,分别简要介绍。

1. 光学望远镜尺寸的突破

衡量光学望远镜分辨率的指标为可分辨角大小θ,它的计算方法为:

公式1

其中θ-可分辨角大小;λ为工作波长;D-为望远镜口径大小。

以可见光中心波长 λ为5000艾;要是可分辨角达到0.1角秒,需要直径为1m。

传统大口径光学望远镜制作有如下的困难:

(1)变形和镜面变形、机械弯沉无法控制。

(2)厚度需要达到口径的1/10,难以保证质量。

由于Jerry Nelson先生在拼接镜面技术、Raymond Wilson先生在主动光学技术和James Angel先生在薄镜面技术上的卓越贡献[i],人们突破了Paloma天文台Hale望远镜5.5m口径的限制,制作了口径达到三十米的光学望远镜。

2. 射电望远镜

射电望远镜由于波长长,对于制作精度的要求不高,大口径的射电望远镜容易制造,根据制造误差为工作波长1/20的原则,射电望远镜与光学的对比如表格 1:

类型

工作波长

容差

射电

5cm

2.5mm

光学

5000艾

250艾

                                                      表格 1 制造容差对比

可见制作难度上射电望远镜并不高,但是要想达到相同的角分辨率,需要的口径大得多,如表格 2所示:

对比项

光学

射电

λ

5×10-7m

5×10-2m

D

1m

100公里

θ

0.1

0.1

                                                          表格 2 口径对比

科学家Martin Ryle经过研究,提出了干涉式天文测量法(interferometric astronomical measurements)[ii],研究形成了阵列式天文望远镜。例如VLA(Very Large Array)[iii],由27盏25米天线组成的射电望远镜群列和VLBI(Very Long Baseline Interferometry )[iv]

3. 从地面到天空

为了能够克服大气吸收、抖动和天光背景的影响,科学家采取了如下措施:

1. 寻找好台址,诸如夏威夷群岛和智利北部。

2. 使用自适应光学方法。使用Deformable Mirror对于光进行相位补偿,然后再观察,如图 1所示:

Adaptive Optics Scheme

1 自适应光学系统示意图[v]

3. 从地面到天空,包括哈勃望远镜、微波望远镜[vi]

4. 提高观测质量

使用CCD(charged-couple device)取代照相底片,并且研究大尺寸的CCD感光阵列,提高分析精确度

5. 分析器的进步

例如LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜),使用4000根光纤可以同时监测四千个天体。

6. 从可见光到全电磁波段

例如Riccardo Giacconi先生研制的X射线望远镜UhuruChandra X-ray Observatory。

7. 超越电磁波

例如小柴昌俊先生研究的中微子观测器;空间的激光干涉天线(Laser Interferometer Space Antenna)[vii],在地面研究引力波的LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory[viii]和天体物理学的实验设备LHC(Large Hadron Collider)[ix]

8. 望远镜与计算机

一个类似NEES计划的网络观测平台NVO(National Virtual Observatory)[x]和观测联盟International Virtual Observatory Alliance[xi]

[i]三位荣获2010年度Kavli天体物理学奖,Kavli奖颁奖通告

[ii] 与Hewish先生分获1974年诺贝尔物理学奖,维基百科对Martin Ryle先生的介绍

[iii] 归属于美国国家射电天文台,VLA的主页

[iv] http://en.wikipedia.org/wiki/Very_Long_Baseline_Interferometry

[v] http://cfao.ucolick.org/ao/how.php

[vi] 三位研究者荣获邵逸夫天文学奖,获奖通告

[vii] http://lisa.nasa.gov/

[viii] http://www.ligo.caltech.edu/

[ix] http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html

[x] http://www.us-vo.org/

[xi] http://www.ivoa.net/



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安意如书友见面会

1.1 简介

2010年5月30日晚六点半至八点,安意如先生于哈工大二校区主楼106教室进行书友见面会。本见面会由201工作室主办。安先生就书友关心的问题进行回答。问题包括:读书选择、创作、旅游、感情、成长经历、网络文学。下面将小蒋关心的一些问题,进行记载。

1.2 读书

安先生对于读书的选择观点与林语堂先生相近。讲究兴致所致、如遭雷击。安先生认为年龄的增长会使读书的兴趣自然发生转移和变化。安先生向我们介绍了古龙先生的著名作品《欢乐英雄》。现在是九零后的时代了,古龙都过时得需要人推荐了。估计以后古龙先生作品再版,腰封得写“安意如倾情推荐了。

安先生指出“腹有诗书气自华”。读书不是为了装饰,不是为了转文,是为了自己处事态度的提高。安先生推崇大气。认为李煜较李清照更有气度。(您让苏轼情何以堪)。

1.3 创作

安先生指出写作是一种谋生手段。她介绍了自己的几部作品的创作情况:《人生若只如初见》、《要定你、言承旭》、《惜春纪》。她尤为看重《惜春纪》、希望能够在小说领域在风格上有所突破,开辟相较于随笔的另一种风格。对于自己的成名技、古典诗词赏析,安先生认为这是让广大青年读者欣赏原著的手段。之所以对于杂剧采用讲故事的手法,正是让故事框架先让人了解。用朱光潜先生的话说、先把葡萄架架起来,再着繁錦。

安先生介绍自己的创作经验。诸如要有生活积累、情绪调整、积累素材。

1.4 旅游

安先生热爱自助游。足迹遍布全国各地、正在去往河西走廊和丝绸之路的路上。尤为喜爱西南秀美的山川。谈了许多背包客的体会心得。如何有经济头脑的节约、如何计划旅程、如何融入当地生活、欣赏人情之美。三毛的态度已经融入文艺女青年的灵魂。

1.5 感情

安先生谈了一些诸如恋爱的事情。诸如好聚好散之类。

1.6 成长

安先生对于自己的残疾是抱着积极乐观的态度的。她认为自己内心强大、人情洞悉、这种内在完整已远远重要与外在的缺陷了。安先生对于通过写作实现自立,既能够立足于社会、又能够自由自在的生活,摆脱自己既不喜爱又不擅长的财会工作,自豪有加。

我很惭愧,由于我与她同龄,可是人生的境界差远了。



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捐出您的头发

   墨西哥湾石油泄漏愈演愈烈。BP(British petroleum)公司的石油钻井平台爆炸后,以每天2000m3的速度泄漏。BP公司使用了穹顶罩、高分子膜容器、含清洁剂、高孔隙率的人工石块等等手段吸油,但是效果不佳。美国的劳动妇女们开始了他们的低技术——用头发做成拖把,吸油:

编织的毛发拖把

图 1 自制的吸油毛发棒

   她们依托非政府组织Matter of trust (www.matteroftrust.org)发起了Hair For Oil Spill项目(http://www.matteroftrust.org/programs/hairmat.html),有详细的行动指南。您可以注册为他们的成员,把您要换成夏天发型的剪下长发按她们的指示寄到离您所在位置最近的仓库,他们会组织人手编织。如果不放心,她们在youtube上公布他们编织拖把、用渔船把拖把浸入海中取出的视频。如果有疑问,她们在facebook上有帐号,您可以加她们为好友,时时询问。您看,这么多人寄来了:

组织者和美国各地寄来的头发

图 2 组织者和美国各地寄来的毛发

   她一中年妇女剃板寸了。据她说他丈夫剃了板寸,她两个儿子剃了光头,她们家狗都剃光了。

   不怨天尤人,痛骂石油寡头。挽起袖子,想办法解决问题。自由者的国度,勇敢者的故乡。



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参加LabView 学生活动日报告

      4月20日,在哈尔滨友谊宫宾馆,美国国家仪器公司(NI.com)举办2010年学生活动日。由NI北方部应用工程师刘宇先生介绍NI主力产品——Labview。参加活动的有哈市各高校的学生。

    许多人有很多的Labview使用经验,是“内行听门道”来的,而我由于平时不努力,这是第一次接触。装了盗版的Labview 7.0 Express之后,觉得图形化界面很漂亮,模块多。但是和Simulink比起来,似乎没有了Matlab这样的函数库后盾,不知能力有多强。

   刘宇先生通过四个PPT彻底让我叹服,相对于Simulink,好像Labview并不逊色。加上Labview自己有数据采集设备,和各种模块。低层编程的问题估计比Simulink少。

  四个PPT分别为:

  1. 图形化系统设计与Labview编程体验

       首先介绍了测量、测试与监控、控制,举例为乐高机器人,欧洲原子能中心的测试。然后介绍了它的数据处理与分析模块,其中能够做代码输入(使用Mathscript)、而且与各种文件格式兼容性良好。如HTML、EXCEL、Word等。

    2.各种行业运用

      如系统测试、电能质量测试,其中使用Labview做得结构健康监测系统,让我充分感到它确实就在我身边。举例一个高速电锯制动系统,使用电容改变、判断人的手指是否伸到电锯旁,利用FPGA进行控制,成功制动。图像处理也十分厉害。使用Labview控制6个单自由度机械臂,实现了魔方的自动拆解。

   3.不同专业的学习平台

   讲述了Labview如何运用于信号处理与控制教学中,此外介绍了NI的ELVIS(电子学教学平台)和Multism(电路仿真)产品,以及如何与Labview结合。

   本院的《结构振动控制》所使用的模型是小型振动台上的两层钢框架结构,控制器是滑轮小车,系统为Simulink,我们组没有做成功。不知换成Labview,能不能成功。推出竞赛活动,基于Labview的编程比赛,和实际论文竞赛(天下会),以及Labview操作能力认证考试CLAD

  4.Labview的发展

   与其他系统的协作:ActiveX、.NET,SilverLight,DLLs,Web Service。

   前瞻性:多核技术、FPGA,无线技术、虚拟化技术、云计算

  举了使用Windows和FPGA,多系统在一台计算机上 Windows负责用户界面、数据记录,而FPGA负责数据采集和实时控制。

   会后,许多同学与刘先生展开了讨论,我听不懂。



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4月18日

       面向对象

       ABAQUS是一个内容丰富的有限元软件。它的命令流格式自成一套。格式要求紧凑,不允许空格,必须有*Heading,*Step等完整步骤,没有实体建模格式。想要进行扩展,提供子过程模块(比如定义自定义分布荷载),使用的是Fortran语言。想要命令流建模,参数分析,要求使用Python语言,面向对象格式,一条命令五六十个字符常事。遗憾的是Script(Python格式)和Input (Keyword格式)不能粘接在一起,做参数分析就得用Python建一次模。想要提高性能、并行运算、工具栏、二次开发?C++欢迎您。实在是太丰富了。就不能像ANSYS一样用一套统一的APDL啊?不过,Python的面向对象的方法、类、对象、属性、键之类的概念得弄明白。

      MATLAB也面向对象了。打开Matlab7.9工具箱 (滤波器设计、信号处理、曲线拟合),出现的命令都是 对象名.方法名格式。输出的结果变量,都不知道怎么读值。幸好(filter, fir1, fir2, psd)这些命令都还能使用。不过要充分地把7.9用起来,面向对象少不了。

      幸运地接到National Instrument的Labview介绍会通知。虽然教研室买不起NI的信号调理设备和高频采集卡,但是对这种运用广泛的测试技术有所了解总是有好处的。Labview - Simulink——图形化的面向对象。

      谱单元法挺有前途的。普林斯顿大学和斯坦福大学都有研究者。要跟上成功者的脚步。

       题外话:

      谷歌阅读器是好软件。希望能够一直使用下去。在热门条目中有些挺好的技术文章。这周阅读到如下几篇:

  •        一位软件工程师介绍函数式编程之后的高级语言发展。他首先用Turbo编译器(320kB)编译的一段Pascal,然后指出,现在个人PC的内存与处理器都不是几大主要高级语言出现时代可比的了,怎样充分发挥这些性能呢?

       Vim工具介绍。看上去和Ultra Edit差不多,可是能编程、上网、当FTP、写博客、处理文档。联想到基于Python的NumPy,SciPy,Pythonxy。和以前接触的SCILAB。我应该多接触。随着版权保护的力量加大。盗版的WINDOWS,OFFICE, ABAQUS, Total Commander都会被取缔的。不要在正版的世界就不会用计算机了。

       Python 子过程介绍。ABAQUS提供Python编译器(Shell)和开发环境(PDE).能不能从信号的产生、模型的建立、信号的输出、参数分析,图形输出,都用Python在PDE里编完?我的工作计算机在网格画密时已经内存不够了。使用高性能计算机的机会少,不可能在Matab, Python, ABAQUS、Origin之间反复倒腾。不过我估计自己没这个能力。

     4月14日,玉树地震,学校又倒了一批。一所中学震害情况如下:

楼宇名称

建设年份

震害情况

教学楼

1989

结构完好

男生宿舍

1995

部分倒塌

女生宿舍

2002

完全倒塌

                                       

表格 1 玉树一中学震害

    弹塑性极限分析、动力时程分析、损伤识别、随机子空间、小波变换、希尔伯特-黄变换、基于分形的损伤指标、既有建筑在地震作用下的滞回性能、基于随机过程的全寿命设计、耗能减震措施、新型结构体系、大跨度桥梁结构风致动力响应、大跨结构风场分布……的确,有苏通大桥、杭州湾大桥、青马大桥、国家体育场、国家游泳馆、精细钢结构……可是为什么就不能放一张小书桌呢?

   玉树地震震害新闻和上海世博会场馆新闻对照,实在是越看越伤心。我也知道常规结构提不出科学问题,不能带动技术创新、申请不到项目、没有经费。但是起码有人命啊!据说最优秀的工程师是要解决最急迫的问题的,难道农村中小学建筑鉴定、加固、改造不是最急迫的问题吗?



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4月8日

    ABAQUS 子过程、Python代码、动力学隐式分析



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