温度荷载作用下灌注型能量桩热力响应原位试验研究

能量桩是一种利用浅层地热的建筑节能技术,具有比传统地源热泵系统更高的换热效率以及节约占地等优点。对能量桩试验基地的1#、2#足尺灌注型能量桩进行加热试验,测试桩身温度、应变、附加应力和侧摩阻力等分布规律,分析夏季工况仅温度荷载作用下(温升10 ℃)能量桩的热力响应。试验结果表明:沿桩壁对称布设多组U型换热管的灌注桩,其桩身温度分布较均匀,桩身应变呈现为两端大中间小,最大附加应力位于桩中部;随着温度荷载的增加,桩体桩侧摩阻力表现为上负下正,桩中部正负交界处的侧摩阻力增长要明显快于桩两端,温升达到7.5℃之后,其增长趋势减弱;本试验条件下,通过对桩体附加应力变化规律的拟合得出其值可能超过1.66 MPa,在设计时必须考虑温度荷载对桩承载力的影响。     

注浆微型钢管桩体轴向承载特性的试验研究∗

针对注浆微型钢管桩用于桩基工程时的承载与变形性能的研究相对较少,借助室内试验研究钢管直径d和壁厚t、桩体长H、浆体水灰比、钢管表面布孔直径r和间距s等因素对微型钢管桩轴向承载、变形和破坏模式的影响.结果 表明:钢管直径和壁厚是影响微型钢管桩轴向极限荷载的主要因素,随着钢管直径和壁厚增加,极限荷载近似呈线性增加,破坏模式由脆性破坏向延性破坏发展;增加桩长或注浆体水灰比,极限荷载呈减少趋势;当钢管直径与桩径之比增至0.59≤d/D≤0.72时,试验桩长、注浆水灰比和钢管表面布孔形式对轴向极限荷载的影响较小;进而基于桩体轴向承载特性及钢管受力与应变分析,提出了合理桩径比值为0.59≤d/D≤0.72,并提出了微型钢管桩轴向极限荷载计算公式.     

桩顶约束下桥梁大直径能量桩热力响应现场试验北大核心CSCD

能量桩是一种绿色新技术,符合工程建设节能减排与绿色发展理念。为了研究大直径能量桩的热力学特性及结构响应,依托河南省三门峡灵宝市国道310底董桥台2×2群桩基础,在大直径灌注桩内埋设换热管形成能量桩。开展了无荷载夏季工况能量桩热响应现场试验,实测能量桩运行期间出、入水口温度、应力、回温后残余温度、温度变化量-热致应力/轴力关系、桩顶位移等变化规律。试验结果表明:三组不同流速试验下,流速增大,桩身温度、应力有小幅增大;停止试验后回温5 d后残余温度仍有16%~28%,7 d后回温残余温度约11%~17%;桩身最大应力约为3.5 MPa;能量桩桩顶累积变形-0.98 mm(约仅为桩径的0.81‰);桩顶在单桩无荷载、无荷载承台群桩约束、单桩逐级加载、恒载承台群桩约束的不同条件下,K值分别为28.6%、37.8%、43.2%和71.4%;试验流速为0.6、0.8 m/s,每平米桩-土接触面积换热量q分别是0.4 m/s流速下q的53%和128%。     

基于热力荷载传递原理的能量桩长期响应研究

为研究能量桩的长期工作特性,通过引入Masing准则来建立桩-土荷载传递循环加卸载曲线,进而基于热力荷载传递原理来模拟循环温变荷载作用下能量桩的响应,然后基于现场原位试验,验证模型的可行性,最后研究不同冷热循环方式和桩顶荷载水平对能量桩长期响应的影响。研究结果表明:①循环温变荷载作用会使能量桩桩顶沉降和桩顶轴力不断增大,并最终趋于稳定;②相较于只提供制冷需求的能量桩循环方式,同时提供制冷制热需求的能量桩更容易引起桩顶残余沉降和残余温度应力的持续积累;③相较于桩顶轴力增量,建筑荷载的增大更容易引起桩顶残余沉降的积累。     

应力反射波在注浆微型钢管桩中的波速研究∗

基于三维波动理论,考虑对长细比较大的注浆微型钢管桩(GMSP桩)满足一维弹性杆件条件,对应力反射波运动方程进行简化分析;利用材料对强冲荷载的动态响应研究成果,结合物质运动学LOVE方程及弹性力学ST.Venant原理,推导出低应变法反射波在GMSP桩注浆体与钢管共同组成的复合胶结体中的传播波速理论计算模型;设计及开展了三个不同地质条件场地的9条试桩低应变反射波试验;并对现场试验与理论模型计算波速进行对比与分析,得出以下结论:GMSP桩完整性可采用低应变动测检测;文中提出的理论模型计算波速与现场实测波速吻合度高,相对可靠性、准确性。建议在GMSP桩工程桩进行低应变应力反射波检测时,可结合提出的理论计算模型,先对其低应变波速进行计算,以此对桩长、缺陷位置以及完整性进行判定。     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

不封底PCC能量桩与传统能量桩换热效率对比研究

PCC能量桩是一种基于PCC桩的新型能量桩技术,目前针对PCC能量桩在制冷和供热过程中的换热效率及热传导特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度作用下不封底PCC能量桩、传统能量桩的温度响应测试,实测获得桩身、桩周土热响应变化规律;继而,结合数值模拟方法,对比分析进/出水温度等因素对不封底PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的热响应略大于传统能量桩,而冬季供热模式下差异不大;相同条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的换热效率较传统能量桩高出24%,而冬季供热模式下仅高7%。     

间歇或连续运行下能源管廊热力响应特性现场试验∗

能源管廊作为能源地下结构的重要形式之一,不仅可以经济高效地提取浅层地温能,而且可以调控地下综合管廊温度、降低运维成本。依托南京雨花台区软件谷杆线迁移地下综合管廊工程,在管廊的底板、侧板及顶板内埋设换热管形成能源管廊,实测换热系统进/出口水温、底板温度及热致应力等变化规律,探讨间歇或连续运行模式下,能源管廊系统运行过程中的换热效率及管廊结构热力响应性能。研究结果表明,与连续运行模式相比,间歇(12 h)运行模式下能源管廊换热效率基本不变、管廊结构热致应力可以减少约 50%;间歇(12 h)或连续运行模式下,换热效率分别为 83.6和 82.5 W/m2 ,底板热致应力分别为 0.63和 1.17 MPa;邻近管廊段产生 0.22 MPa的压应力。     

浆固碎石桩荷载传递特性试验与数值分析

通过室内模型试验,对浆固碎石桩这一新型桩基技术的承载性状、荷载传递特性进行了探讨。试验结果显示,浆固碎石桩极限承载力明显大于桩底注浆桩和素混凝土桩的极限承载力,说明浆固碎石桩中水泥砂浆胶结桩侧泥皮和桩底沉渣改善了桩侧摩阻和端阻能力。通过对模型桩P—S关系、桩端阻力Q_p—P关系的分析,初步了解了浆固碎石桩在竖向荷载作用下的承载性状,同时给出了浆固碎石桩的端阻力及侧摩阻力的提高系数。在此基础上,利用Flac~(3D)三维有限差分软件对模型试验进行计算分析,进一步研究浆固碎石柱的承载性状,揭示了模型桩受荷后的荷载传递规律。     

高喷插芯组合群桩竖向承载特性的数值分析

高喷插芯组合桩(简称JPP)是一种新型的复合材料桩,具有承载力高、造价低等优点。利用岩土工程专业软件FLAC3D对JPP群桩竖向承载特性进行了数值模拟分析,讨论了桩数、桩间距、桩长、不同组合形式、不同水泥土弹性模量等对竖向承载特性的影响。结果表明:承载力随着桩数的增加而减小,但16根群桩与25根群桩的承载力相差不多,16根群桩承载力可以代表16根以上群桩的承载力;桩间距越大,承载力越小,桩间距宜采用3倍的JPP组合桩径或4倍的芯桩桩径;承载力随着桩长的增加而增加;分段组合形式承载力效果较好,实际工程施工中宜采用之;水泥土弹性模量对竖向位移没有影响,但水泥土弹性模量越大,芯桩轴力越小。     

地震荷载作用下埋地玻璃钢夹砂管的动力响应分析

玻璃钢夹砂管在土木水利工程领域得到了愈来愈广泛的应用,但现有的埋地管道地震响应分析模型大多不考虑管-土动力相互作用,且多针对均质材料管道,无法应用于具有明显层状复合材料结构特征的玻璃钢夹砂管。基于玻璃钢夹砂管的层状复合材料结构特征,建立了完整的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型,在数值分析模型中,考虑了管-土间复杂的动力相互作用,以及地震散射波从有限域向无限域的传播。算例分析表明,所建立的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型可合理地分析埋地玻璃钢夹砂管在地震荷载作用下的动力响应。     

受火钢框架的落锤冲击响应数值模拟

运用有限元程序ABAQUS进行数值模拟,研究不同温度下受撞击载荷钢框架结构的动力响应和梁柱连接性能,重点考察了三种梁-柱连接形式:即全焊接连接、平齐式端板连接、外伸式端板连接等对钢框架抗冲击性能的影响。对于受火和自重作用的钢框架,比较了梁的跨中挠度和梁柱交点处沿梁方向的位移,以及结构在不同环境温度下的温度场;进而采用温度加载和落锤冲击共同作用,得出结构的梁柱节点破坏模式和钢梁的临界屈曲温度,以及落锤撞击过程中跨中挠度和撞击力的发展。模拟结果表明,外伸式连接框架高温作用下的抗落锤冲击性能最好。     

水泥土桩复合地基场地地震效应分析

将复合地基加固区视为均质体,采用课题组提出的基于Davidenkov骨架曲线的土体动弹塑性模型描述复合地基加固区和非加固区土体的动应力-应变关系,基于大型有限元软件ABAQUS的操作平台,开发了土体动粘弹塑性模型的子程序。选择南京某典型软弱场地为研究对象,采用ABAQUS软件进行了复合地基二维弹塑性地震反应分析,研究了输入地震动强度和频谱特性、水泥土桩加固宽度和深度、复合地基模量对复合地基场地地震效应的影响。结果表明:输入地震动强度和频谱特性对复合地基地震效应影响较大;复合地基加固区地表的峰值加速度反应较自由场的反应明显减小,而加固体区外侧地表的峰值加速度反应较之自由场的反应可能增大;复合地基地表的峰值加速度反应随着水泥土桩加固深度和复合模量的增加而减小,而与加固宽度无关。     

变频规则波输入下直斜群桩动力响应对比试验研究

通过对2×2直斜群桩结构进行振动台模型相似比设计,围绕不同频率正弦波输入下的非液化砂土与饱和砂土中群桩-承台-上部结构体系开展横向动力响应特性试验研究。结果表明:①在输入相同频率正弦波情况下,无论是直桩群还是斜桩群,其位于饱和砂土中的动力响应放大倍数均大于相应非液化砂土工况下的放大系数,且直群桩的横向动力响应比斜群桩动力响应更显著;②随着输入波频率的增加,各试验工况的承台结构动力反应系数均有所增长,直桩群和斜桩群在饱和砂土工况中的加速度和位移的放大倍数增长较非液化砂土工况明显,直群桩比斜群桩增长显著。     

基于数值模拟的多高层钢结构火灾反应规律与破坏机理

为了分析火灾下多高层钢结构的破坏机理,考察多高层钢结构在火灾下的反应规律,基于ABAQUS建立了整体钢结构的火灾反应数值模型,对不同层数的钢结构以及相同结构不同火场位置的钢结构进行了数值模拟分析,计算了局部火灾条件下钢结构的变形与破坏过程,分析了钢结构在火灾和荷载共同作用下的破坏机理,探讨了局部火灾对整体结构的影响范围与因素,给出了钢结构在高度和荷载变化时的破坏规律并分析了引起这种破坏规律的原因。     

扩底桩抗拔承载特性数值分析

基于通用软件ABAQU S,建立了扩底抗拔桩三维弹塑性有限元模型,通过对模型的计算与分析,探讨了扩底桩的抗拔承载特性。为验证数值模型的可靠性,将数值计算得到的荷载—位移关系曲线与试桩资料进行比较,两者吻合较好,表明本文所建立的模型可较好地模拟扩底抗拔桩的工作性状。通过计算与分析,探讨了扩底抗拔桩的轴力、侧摩阻力分布特征,桩身和扩大头周围土体变形与塑性应变的发展规律,以及扩大头的挤压作用对扩大头周围土体竖向应力的影响。同时,通过变动参数研究了扩大头的形状、土体的性质对扩底桩抗拔承载力的影响,结果表明,扩大头直径和扩大头周围土体的性质对抗拔承载力的影响较大,而扩底高度的影响相对较小。     

软土地基⁃浅基础体系地震反应数值分析∗

软土场地中的天然地基浅基础在强震作用下易产生失稳及震陷等破坏,在设计过程中充分考虑并利用其土结相互作用的影响,可以有效提高体系的抗震性能.基于OpenSees有限元计算平台,建立包含土结接触面的软土地基-浅基础二维平面应变模型,计算分析了不同地震动输入和基础上部荷载对体系地震动、基础震陷量和基底反力分布的影响,结果表明:强震作用下软土场地对地震动的放大作用减弱,但会产生大变形,因此抗震设计的重点应着眼于地基基础的大变形;上覆荷载大小对最终震陷值和震陷范围影响显著,而未改变震陷曲线间的相对形态;地震动能量的累积时间及累积速率影响软土地基-浅基础体系震陷的发展,抗震分析中应考虑场地设计地震动的有效持时和阿里亚斯强度;采用碎石桩等加固措施可改变基底压力分布形态,从而有效的提高体系的抗震性能.     

爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应及破坏机理

方钢管混凝土柱是被广泛采用的组合构件之一.爆炸发生时产生的爆炸冲击波可能会对框架结构内部的方钢管混凝土拄造成严重破坏,然而目前对其动力响应及破坏机理的研究成果相对较少.本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应和破坏机理进行了研究分析.建立了方钢管混凝土拄实体有限元模型,其...     

圆形和直墙拱形地下隧道地震反应数值模拟对比分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,将地基土—地铁区间隧道结构体系视为平面应变问题,建立了土—地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,对圆形和直墙拱形隧道的地震反应进行了数值模拟;分析了在相同的埋深和场地条件的情况下不同隧道结构形式在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性。结果表明:圆形隧道结构的应力和相对水平位移反应明显小于直墙拱形隧道。从抗震设计角度考虑,选择隧道形状时应优先采用圆形隧道。     

冷成型薄壁C型钢构件压弯滞回性能的数值分析

应用大型有限元软件ABAQU S,采用考虑几何和材料非线性的S4R 5壳单元和线性随动强化模型,考虑角部冷成型强化效应的影响,建立了常轴力、循环弯矩荷载作用下的C型钢构件有限元模型,分析了构件宽厚比和轴压比对冷成型薄壁C型钢构件滞回性能的影响。分析结果表明:宽厚比和轴压比对构件滞回性能影响显著,随着宽厚比的增加,构件承载、转动以及塑性变形能力降低;随着轴压比增加,构件的最大承载力降低,承载力退化。