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关键词： 流固耦合   风沙荷载   应力分析   风蚀损伤  

摘要： 强沙尘暴是一种危害性极高的灾害性天气,我国的西北和华北许多地区为沙尘暴高发区域,严峻的自然条件使得该地区的公路、桥梁和房屋等混凝土结构长期遭受沙尘暴的侵害,据统计内蒙古地区修建的桥梁约有九成以上受到不同程度的风沙冲蚀磨损破坏。风蚀(风沙对混凝土的侵蚀作用,以下简称风蚀)作用虽然不会造成结构破坏,但风沙荷载的长期循环作用会使混凝土表面的水泥砂浆产生微裂纹,发生材料剥落,这些损伤与干湿循环、冻融循环、碳化等复杂多变的外部环境形成耦合作用,加速混凝土耐久性损伤,降低服役寿命导致结构的安全性降低。因此有必要深入研究混凝土模型在风沙荷载作用下的应力状态,并对全寿命期间由风蚀导致的材料损伤情况进行评估,为多沙尘暴地区混凝土结构的设计计算提供参考依据。本论文主要研究内容如下:(1)建立混凝土风蚀的数值模型,验证参数设置的正确性,并降低计算结果对于网格尺寸的依赖性。数值模拟计算所得平均风沙压力值与已有风蚀试验数据的吻合较好,验证了双欧拉流体模型计算风沙二相流的合理性;对比不同网格尺寸计算所得风沙压力值,分析得到:流体域网格尺寸对于数值计算结果的影响较小,流体域与固体域接触面的网格尺寸对于计算结果的影响较大。(2)采用流固耦合方法研究不同风沙流速、不同含沙率、不同沙粒粒径时的风沙流场,得到风沙压力随风沙流参数的变化规律;分析不同风沙荷载作用下混凝土模型的主应力变化规律,给出了不同风沙流速下混凝土模型最大拉应力计算公式,对于确定风沙荷载作用下混凝土单元的主应力具有一定实际意义。分析得到风沙流参数变化下,混凝土模型迎风面风沙压力分布规律相同,由中间区域向四周边缘减小;不同风沙荷载作用下混凝土模型迎风面第一主应力分布规律也相同,由中间区域向四周边缘增大。(3)从接触力学等理论和数值模拟两个方面计算混凝土风蚀临界风沙压力值,及临界风沙压力作用下混凝土的应力状态。文献47基于接触力学等理论给出风沙压力的计算公式,其计算结果与数值计算的结果相差较大,故分析风沙环境中结构受力时有必要考虑最大风沙压力;临界风沙压力作用下,沿混凝土模型迎风面到背风面,混凝土单元依次处于拉-拉-压、拉-压-压和压-压-压三向应力状态。(4)研究风沙流速、含沙率、沙粒粒径等不同风沙流参数的风沙荷载作用下,混凝土模型迎风面的损伤情况,并评估设计使用年限内混凝土材料性能退化程度。不同风沙荷载作用下混凝土模型迎风面风蚀变化规律相同,与风沙压力分布规律对应;在建筑结构使用期内,C40混凝土材料的弹性模量、抗拉强度、抗压强度均具有一定程度的衰减,应在结构设计计算时考虑风沙荷载导致的疲劳损伤。

关键词： 绝热温升   碾压混凝土   粉煤灰   温度场   应力场  

摘要： 对于大体积混凝土水工建筑物,高水化热造成内外温差加大,继而会出现温度应力,温度应力过高会导致建筑物产生裂缝,而温度裂缝又严重影响着水工建筑物的安全和稳定运行,目前,研究大体积水工建筑物的温控防裂是非常重要且必要的。为了降低大体积混凝土内部的温度应力,往往在混凝土配合比设计时掺入一定量的粉煤灰,由于粉煤灰水化基本不放热,所以混凝土的水化热温升也会大大降低,这样就可以有效地降低大体积混凝土内部的温度应力,防止裂缝的出现,保证建筑物安全和稳定。本文通过进行不同粉煤灰掺量的碾压混凝土绝热温升试验,研究粉煤灰掺量对碾压混凝土绝热温升值的影响,分析碾压混凝土绝热温升随粉煤灰掺量改变而变化的规律,并使用试验测得绝热温升结果对某碾压混凝土重力坝的温度场应力场进行仿真计算,通过对计算结果的对比分析,给实际工程一定的参考。混凝土的绝热温升值作为温控仿真计算的一个重要热学参数,现根据实验规范配比进行10%、20%、30%、40%、50%粉煤灰掺量的碾压混凝土及掺量0%的常态混凝土对照组绝热温升试验,粉煤灰掺量为0%、10%、20%、30%、40%、50%时,试验实测绝热温升值分别为 34.653℃、31.108℃、27.8115℃、24.115℃、20.334℃、16.456℃,根据试验实测绝热温升结果,发现粉煤灰掺量和绝热温升之间的基本成线性负相关关系。根据实测数据绘制出6种粉煤灰掺量的绝热温升曲线,对粉煤灰和绝热温升之间的关系加以分析,使用双曲线型和指数型绝热温升公式对温升数据进行拟合,根据拟合出的结果,双曲线型公式的拟合结果相对较差,拟合度较小,指数型公式拟合结果较好,拟合度较高。随着粉煤灰掺量的升高,试验测得绝热温升曲线越来越平缓,混凝土放热高峰推迟。根据试验测得6组不同粉煤灰掺量的绝热温升数据以及各项工程资料,分别进行碾压混凝土重力坝施工期和运行期的温度场应力场有限元仿真计算,根据仿真计算得出的结果进行对比分析,随着粉煤灰掺量的减小,坝体的最高温度越来越高,最大应力越来越大,温度和应力历时曲线的峰值越高。经过比较分析,当粉煤灰掺量达到50%,同时坝体采取冷却通水措施时,其温度场和应力场方能满足温度和应力控制标准,所以认为该碾压混凝土坝选用粉煤灰掺量50%的配合比较为合适,同时坝体在施工期应进行坝体冷却通水措施,以保证坝体安全可靠。

关键词： 盾构隧道   断层   位移   应力   有限元分析  

摘要： 断层破碎带是隧道修建过程中常遇到的不良工程地质条件,其风化程度高、强度低、承载能力差、易变形,使隧道施工很容易发生大变形、坍塌、突水等施工灾害。虽然我国在隧道方面积累了较多的经验,但由于断层破碎带的不确定性较多,导致在开挖时对断层的实际控制不足,因此还需对断层作用下隧道的位移、应力变化做进一步的研究和补充。本文以大连某地铁工程为研究对象,应用ANSYS软件建立三维有限元模型,对穿越不同弹性模量断层、不同宽度断层、不同倾角断层、不同数量断层的盾构隧道进行分析,提取相应部位的应力值和位移值,并绘制出对应的位移、应力变化曲线,从而得出盾构隧道的位移、应力变化规律及断层对隧道的影响范围。研究结果表明,随着断层倾角的增大,位于断层部分隧道和整条隧道的拱顶下沉最大值一直在增大,拱底隆起最大值先增大后减小,位于断层部分隧道的第一、第三主应力最大值先增大后减小。断层的宽度和倾角不同时,断层对隧道的位移、应力影响范围基本一致,当隧道距离断层2.5倍的隧道内径时,拱顶下沉最大值开始趋于稳定;当隧道距离断层3倍的隧道内径时,拱底隆起最大值开始趋于稳定;当隧道距离断层2倍的隧道内径时,第一主应力最大值开始趋于稳定;当隧道距离断层2.5倍的隧道内径时,第三主应力最大值开始趋于稳定。与穿越一条断层相比,穿越两条断层时隧道的位移最大值、应力最大值均会变大。

关键词： 复合材料夹芯板   螺栓连接   渐进失效   准静态法   应力分析   试验研究   极限承载力  

摘要： 螺栓连接具有可靠性高、可重复拆卸、受环境影响较小等突出优点,是一种高效的连接形式,在复合材料结构的连接中应用广泛。然而,由于这种连接方式需要在复合材料结构上开孔,从而导致纤维发生断裂不再连续,并且由于复合材料的各向异性,使得连接问题变得十分复杂。连接部位作为复合材料装配结构的关键部位,直接影响了结构的安全性和可靠性。因此,对螺栓连接部位进行力学特性分析,深入了解接头的失效机制、孔周应力状态以及准确预测接头的强度对充分发挥螺栓连接以及复合材料结构的优势具有重要的工程实际应用价值。本文针对复合材料夹芯板螺栓连接结构进行了如下研究:(1)采用“预制泡沫芯和蒙皮法”自制了复合材料PVC泡沫夹芯板,其中蒙皮采用手糊成型法自制得到,PVC泡沫夹芯是由戴柏新材料有限公司生产的成品;同时,对自制的层合板进行了静态拉伸、压缩和三点弯曲试验,以获取其基本的材料属性和强度参数,并将测试得到的层合板力学参数用于本文的有限元计算中。(2)对不同W/D(板宽-孔径比)和E/D(孔端距-孔径比)的夹芯板单钉单搭接螺栓连接试件进行了静态拉伸试验。在保持孔径D不变的情况下,设置了不同W/D(W/D=2、3、4、5)和E/D(E/D=2、3、4、5)的试件,并对各组试件的极限承载力和失效模式进行了试验研究。研究表明:随着W/D和E/D的增大,接头的极限承载力增大,接头的失效模式由拉伸失效向挤压失效过渡,当W/D=4,E/D=4时,接头的极限承载力最大;且通过对比各组试验数据得到了使接头承载能力达到峰值的最优尺度比,即当W/D=4时,接头的综合承载能力最高。(3)基于渐进失效理论对夹芯板螺栓连接静态拉伸试验进行了有限元仿真,预测了接头的载荷-位移曲线,并与试验值进行了对比,以验证本文数值计算方法的准确性与可靠性,同时,揭示了拉伸载荷下带孔夹芯板的损伤发展过程及特点;对螺栓孔孔周的应力状态进行了分析,并研究了不同夹芯板坡度角和夹芯厚度对接头极限承载力的影响。研究表明:采用准静态法计算得到的载荷-位移曲线与试验值吻合良好;螺栓孔挤压面处的径向应力和周向应力的峰值出现在与各铺层的纤维方向相同的角度处;此外,夹芯板的坡度角对接头的极限承载力影响小,不同夹芯板坡度的接头极限承载力变化不超过4.9%;另外,通过改变试件的夹芯厚度确定了接头最大承载力对应的最优夹芯厚度,当h=16mm时,接头的极限承载力最强。(4)针对工程实际应用中更为常见的多钉连接结构,采用数值方法对不同连接形式(单搭接、双搭接、斜削双搭接)的夹芯板多钉连接结构极限承载力、破坏模式以及渐进失效过程进行了研究和对比,分析了螺栓预紧力、螺栓排距和列距对单搭接、双搭接以及斜削双搭接三种多钉连接结构的影响。研究表明,对于多钉连接结构,靠近加载端的螺栓承载较高;三种连接形式中,双搭接连接结构的承载能力最好,单搭接连接结构受附加弯矩的作用,使得承载能力减小,连接效率下降;此外,一定的预紧力能提高复合材料夹芯板多钉接头的承载能力,但过大的预紧力会造成接头局部失效,承载能力降低;螺栓排距和列距是影响多钉接头极限承载力的重要因素,增大列距和排距可以提高接头的极限承载力,过小的列距会使接头发生拉伸和挤压混合失效,承载能力明显下降。

关键词： 连续梁   悬臂浇筑   施工监控   0号块   温度场   应力场  

摘要： 伴随着近几十年来我国交通事业不断发展,对桥梁发展也提出了更高的要求,因此大跨径预应力混凝土连续梁桥也就应运而生。在这类连续梁的施工过程中,往往存在跨径较大、施工过程复杂等问题。本文对廊涿城际铁路(72+128+72)m连续梁展开研究,对其施工控制进行了模拟分析,目的是在施工过程中建立施工控制系统用来保证梁体的几何线形及内力状态以符合设计要求,使连续梁可以顺利合龙。主要内容如下所述:(1)针对廊涿城际铁路(72+128+72)m连续梁的施工过程,在考虑材料参数和预应力荷载等一系列施工条件的基础上,使用软件Midas Civil建立全桥模型。通过有限元分析,得到关键截面在不同施工阶段下的计算应力值以及连续梁各号块在不同施工阶段下的计算挠度值。(2)介绍了连续梁应力测点以及高程测点的布置方案。通过对比现场得到的应力实测数据以及高程实测数据与Midas Civil有限元模型得出的计算数据进行分析,找出误差存在的原因,得到指导施工的有效调整量,从而保证梁体线形平顺,增加梁体的耐久性和安全性。(3)使用有限元软件Midas FEA建立了0号块的水化热模型,定义固定边界、对流边界等条件,模拟了0号块在整体浇筑下温度场和应力场随着时间的变化规律,接着又模拟了加入冷却管之后的0号块的温度场和应力场的变化规律,并通过软件分析优化0号块浇筑时温度控制方案。(4)使用有限元软件Midas FEA建立了0号块应力场分析模型,对0号块最大悬臂状态和成桥状态的应力场进行了分析,具体包括0号块顶板、腹板、底板、横隔板的纵桥向应力场分析以及横桥向应力场分析。

关键词： 沥青   加筋RAP   应力   温度   蠕变特性   蠕变本构模型  

摘要： 固体废弃物的工程应用是当前环境岩土工程领域研究的重点和热点之一,符合我国对固废资源化的战略需求。针对我国废旧沥青路面体量庞大,利用率低和利用面窄的现状,本文通过将废旧沥青路面材料铣刨、筛分,获得可回收沥青路面材料(Recycled Asphalt Pavement,简称RAP),代替砂石作为加筋挡墙填料使用,以促进废旧沥青路面材料多元化、精细化、高效化的再生利用。但由于RAP材料中含有沥青成分,易使其强度、蠕变特性受应力和环境温度等因素影响,设计中若考虑不足将会造成一定的安全隐患。为此,开展一系列考虑应力、温度等因素的室内试验,包含加筋RAP挡墙填料的界面直剪和直剪蠕变试验,探讨应力和试验温度因素对加筋RAP挡墙填料强度、蠕变特性的影响规律和作用机制,并基于试验结果和理论分析建立了考虑温度影响的加筋RAP挡墙填料的蠕变本构模型,为加筋RAP填料的相关挡墙工程提供理论依据和设计参考。主要研究工作与结论总结如下:(1)开展不同试验温度等因素影响的未加筋和加筋RAP试样界面直剪试验,结果表明:添加土工格栅能有效地限制RAP试样的变形,提升其界面抗剪强度;试验温度越低,加筋RAP试样的最大抗剪强度Tmax越大;加筋RAP试样的黏聚力c和内摩擦角φ均会随试验温度的升高而减小;对比传统加筋砂石填料的内摩擦角φ,发现加筋RAP填料亦满足岩土工程应用中作为建筑材料的抗剪强度要求,强度上完全可以替代传统砂石填料用作加筋挡墙填料施工。(2)采用改进的温控应力控制式直剪蠕变仪开展加筋RAP试样在不同应力和试验温度下的直剪蠕变试验,探究剪应力水平D对加筋RAP填料蠕变特性的影响规律和作用机制。试验结果表明:在相同工况下,加筋RAP试样同一蠕变时刻的剪应变ε和剪应变率ε均会随剪应力水平D的增加而增加。无论处于何种试验温度,当剪应力水平D≤0.8时,加筋RAP试样均未发生蠕变破坏,因此,考虑加筋RAP挡墙填料的蠕变特性,安全起见,建议在实际工程的设计计算中将加筋RAP挡墙填料的强度折减20%,以减小发生蠕变破坏的可能性。(3)通过开展不同试验温度下加筋RAP试样的直剪蠕变试验,探讨试验温度变化对加筋RAP挡墙填料蠕变特性的影响规律及作用机理。试验结果表明:在相同的应力条件下,随着试验温度的升高,加筋RAP试样在同一时刻的剪应变ε和剪应变率ε会随之增大,亦越容易发生蠕变破坏。因此,建议在实际工程中选定温度较高的时节(比如夏季)进行加筋RAP挡墙填料的施工,以期减小运营前期潜在的蠕变变形。(4)通过开展加筋RAP填料的直剪蠕变试验,获得的lgε-lgt曲线呈现良好的线性关系,符合经典的Singh&Mitchell三参数蠕变模型,探讨了试验温度对模型参数A、α和m的影响。结果表明:随着试验温度的升高,模型参数A、α和m均逐步增加并可定量表示,依此建立了考虑温度影响的加筋RAP挡墙填料蠕变本构模型。通过对比模型计算值与实测值,验证了该模型预测的有效性。

关键词： 海洋风电塔筒卷板机   工作辊   机架   变形   应力   结构分析与优化  

摘要： 随着传统能源的日益减少以及其对气候造成的污染,世界能源结构正在进行调整,传统能源将逐渐被风电、核电等新兴能源所取代。风电行业的兴起推动了风电装备的发展。风电塔筒的尺寸需求逐渐增大,国内常规卷板机无法有效满足风电行业的需求。单台风机需要筒体大于30节,卷板机卷制工作量大,提高卷制效率对风电设备制造进度和降低成本意义重大。国内对海洋风电塔筒卷板机的研究还处于起步阶段,大多都侧重于传统常用卷板机的分析。本文以泰安华鲁锻压机床有限公司生产的海洋风电塔筒卷板机为例,在借鉴大量学者的研究基础上结合生产实际,主要针对影响海洋风电塔筒卷板机卷制精度的因素进行讨论并提出合理的改进方案。根据泰安华鲁锻压机床有限公司提供的海洋风电塔筒卷板机的参数资料,对该三辊卷板机的工艺流程进行分析,计算出受载情况。利用Solid Works软件建立海洋风电塔筒卷板机工作辊、机架以及整机的三维模型,并导入ANSYS软件中进行模拟,得到变形、应变、应力云图,并对结果进行分析。通过以上的计算和分析,得到了该卷板机在结构设计上存在的问题。通过对卷板机结构做出改进,达到减小变形及应力、提高卷制精度的目的。最后对改进方案进行验证,验证方案的合理性。

关键词： 元胞自动机   钝化膜   点蚀   应力  

摘要： 本文在前人利用元胞自动机模型等数值方法模拟金属腐蚀的基础上,建立了不锈钢应力腐蚀过程的模拟模型,模型分为点蚀孕育期间的钝化膜形成与破裂过程的模拟以及应力作用下点蚀生长过程的模拟两个部分。在不锈钢表面钝化膜形成与破裂过程的元胞自动机模拟中,利用点缺陷模型对金属基体的溶解以及钝化膜的溶解概率进行计算,并在模型中加入代表点缺陷的金属离子在钝化膜中的扩散过程。统计钝化膜生长时的电流密度,得到符合经验结论的结果,并在不同模拟电位下对模型中的点缺陷浓度以及钝化膜厚度进行统计,最终得到了与理论以及前人实验吻合的模拟结果。在该模型中加入钝化膜破裂规则后,得到了不同电位下的钝化膜破裂时间,也与实验结果吻合。在模拟不锈钢在应力作用下的点蚀生长过程中,将元胞自动机方法与相场微弹性模型相结合,利用元胞自动机方法模拟腐蚀过程,利用相场微弹性模型计算应力作用。探讨了不同应力对点蚀生长的影响,分析了弹性应变以及塑性应变对点蚀的不同影响,并结合应力与应变分布图分析点蚀坑周围的弹性与塑性应变分布区域。

关键词： 燃料电池   电催化氧还原   OMS-2   掺杂   应力   石墨烯气凝胶  

摘要： 燃料电池因其燃料清洁,不污染环境且电池电堆能量转换效率高的优点,被认为是最有前途的新能源电池装置。商业铂碳作为最优异的氧还原催化剂其成本和耐久性仍然是最大的挑战,所以亟需研发低成本高耐久性的氧还原电催化剂。过渡金属氧化物中锰氧化物由于地壳含量高,价格低廉具有很高的氧还原催化潜力,但较低的氧吸附能力与自身的半导体特性限制了其氧还原的活性。本文针对氧还原的机理,以典型的锰氧化物为研究对象,通过不同的调控手段,对锰氧化物的氧还原性能的提升机理作出一系列探索。首先,将过渡金属钴离子比例连续可调地掺入到隐钾锰矿型氧化锰八面体分子筛(OMS-2)隧道中,通过引入新的电子转移路径来实现对OMS-2氧还原性能的调控。结果表明钴离子显著调节了电导率和电化学活性。一方面,钴离子调节Mn/Mn电对的数量,优化了材料的结构,增强了活性物质的稳定性和氧的吸附能力;另一方面,隧道中的钴离子作为电子有效传输的桥梁,加速了OMS-2锰氧八面体之间的电子转移,有效降低了禁带宽度,提高了OMS-2的本征电导率。其次,对离子掺入OMS-2引起应力变化的机制做了详细探究,并对应力值差异导致的性能差异性做了详细的解释,研究表明电负性较强的金属离子与Mn O八面体结合能力更强,导致隧道离子的偏中心迁移和应力产生。此外,性能与微观应力大小存在明显的相关性。应力越大材料的氧还原性能越好,主要是因为较高的应力导致了较强的共价性,较强的共价性又赋予Mn更强的拖拽电子到O上的能力,增加了O/OH在催化剂表面交换的驱动力,从而加速了氧气的吸附与解离。最后,为了提高锰氧化物的导电能力,通过水热自组装与冷冻干燥相结合的方法成功地制备出了3DNG与MnO复合的氧还原催化剂。研究发现MnO/3DNG在碱性介质中具有较高的氧还原性能,这得益于良好的结构。3DNG作为电子的供给体源源不断地给MnO输送电子,为氧气还原提供必要条件;坚固的三维多孔网络避免了石墨烯的重新堆积,不仅暴露了大量的锰氧化物与碳材料的接触界面,最大限度地提高复合物的催化活性,而且还允许电解质的高扩散速率。此外,3DNG有效地抑制催化剂颗粒的聚集、脱附,从而提高MnO/3DNG复合催化剂的稳定性。

关键词： 基坑   位移   应力   自动化监测  

摘要： 基坑监测是基坑施工质量、施工过程安全控制的重要手段,在保证基坑工程安全、稳定方面发挥着重要作用。本文首先对当前基坑工程各主要监测技术的优缺点进行总结,指出监测设备革新、理论与数据处理方法改进等是决定新技术能否实际应用于基坑监测工作的关键要素。最后,提出自动化监测技术结合云平台构建基坑智能监测系统,是未来基坑监测技术的重要发展方向。