严寒地区碾压混凝土坝越冬层面温控防裂研究

进行严寒地区碾压混凝土坝越冬层面温控防裂研究,为越冬层面温控防裂设计提供理论依据。针对严寒地区某碾压混凝土重力坝,考虑碾压混凝土热力学参数随龄期的变化、碾压混凝土浇筑进度对温度应力的影响,对碾压混凝土重力坝施工期和运行期全过程进行三维有限元仿真计算分析,着重分析越冬层面应力分布特征。结果表明:约束区和非约束区的越冬层面温度应力分布特征相似,但约束区越冬层面温度应力较大;未采取温控措施时,越冬层面上、下游侧铅直方向温度应力较大,致使越冬层面上、下游侧易出现水平裂缝;越冬层面中部顺水流方向温度应力也较大,因此中部易出现沿坝轴线方向裂缝。提出了采取表面保温、升温水管、微膨胀混凝土、设置水平人工短缝四种措施改善越冬层面的温度应力。采用表面保温和微膨胀混凝土可有效减小越冬层面上、下游侧和中部各个方向的温度应力;采用升温水管和设置水平人工短缝可有效减小越冬层面上、下游侧铅直方向应力。     

掺合料混凝土早期碳化的微观分析

为探明掺合料混凝土早期碳化过程中微观性能的变化,通过测试pH值研究了掺合料混凝土早期碳化后内部pH值沿试件深度的分布规律;对比pH值和酚酞试剂测试结果的差异,探讨了酚酞试剂测试早期碳化测试方法的适用性;通过化学成分分析研究了早期碳化过程中物质成分的变化规律。研究表明:从表面向内部方向,混凝土试块pH值不断增大并稳定于一定值;随着掺合料掺量的增加,混凝土孔隙液的pH值沿着试件的深度方向减小,掺合料混凝土的碱性减弱,砂浆试件可碳化的Ca(OH)2含量减小;混凝土孔隙液的pH值随着养护时间的延长而逐渐增大,且其增大量随着试件深度的增加而减小;随着试验龄期的延长,表层混凝土孔隙液pH值逐渐减小,而混凝土内部孔隙液的pH值随试验龄期的延长变化不大;酚酞溶液测得的碳化深度约为pH值法测得的完全未碳化深度的0.53倍;沿砂浆试件表层向内部方向,CaCO3含量逐渐减小而Ca(OH)2含量逐渐增大,二者最终都趋于定值。     

爆破冲击对早龄期混凝土强度影响的实验研究

以某大型全碎石填方机场工程为背景,针对早龄期混凝土受爆破振动损伤开展了实验研究。通过室内实验模拟场地爆破振动作用于早龄期混凝土试块,测量了不同龄期混凝土受振损伤后的强度。并将实验结果与有限元数值计算和现场爆破场地测试数据相结合,分析了早龄期混凝土损伤后的强度增长规律,建立了场地爆破与混凝土结构浇筑平行施工的安全技术指标。     

碾压混凝土浇筑层温度场计算模型研究

碾压混凝土浇筑层的初始温度和绝热温升是碾压混凝土坝设计中的常见问题之一,直接关系到温度场仿真计算的精度和计算量问题。本文考虑各碾压层混凝土浇筑时间和水化热散发时间的不同,应用Laplace变换法和叠加原理求出了多层板状结构体的一维温度场理论解答。然后以此解析解为基础,合并多个碾压层为一个浇筑层,建立了温度场等效模型,并给出了复合浇筑层的等效初始温度和等效绝热温升的计算方法。本文的方法能够较好地模拟碾压混凝土分层碾压的施工过程,便于温度场有限元计算,计算结果表明,该方法具有较高的精度。     

覆盖薄弹性层钢辊的接触分析

本文研究覆盖在一个钢辊上薄弹性层的厚度、材料性质对辊柱间接触面的应力分布和微小滑移的影响。基于弹性理论,以试凑法求解一组接触面间位移的协调方程。并用FORTRAN语言编写了计算程序,计算表明在无滑移的自由辊压条件下,法向应力沿接触长度与中心对称,而切应力呈反对称。随着厚度和弹性性质的变化,切应力不仅大小而且方向也发生变化。在有微小滑移的自由辊压和受拖动辊压时,沿接触长度存在三个滑移区,并随拖动力的增加而变化。     

中、低放核废料贮存容器失效的概率评判

为了评判混杂纤维混凝土核废料贮存容器的耐久性,依据试验优选掺加聚丙烯纤维(用量为0.9kg/m3)、长度为20mm的玄武岩纤维(用量为2.5 kg/m3)的混杂纤维混凝土(抗压强度为67.8MPa,抗拉强度为6.32MPa)作为贮存容器材料.采用ANSYS分析贮存容器在300年服役期内时变衰变热-力耦合作用下,沿容器壁厚方向的应力分布规律,模拟结果表明:径向应力较小,轴向应力均为压应力,环向最大拉应力为抗拉强度的57%.运用蒙特卡洛分析法求得核废料衰变热引起的温差在容器内产生的拉应力频率均值和标准差,考虑贮存容器抗力随时间的折减,得到容器300年服役期内的失效概率曲线,结果表明:曲线呈上升趋势,150年内增加幅度平缓,150年至300年内增长速度加快,300年时失效概率达到0.176.本文研究为评判中、低放核废料贮存容器的耐久性提供了定量依据.     

基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

B炸药慢速烤燃过程的流变特性

为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况，以B炸药为研究对象，完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证，观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明:升温速率为1 ℃/min时，B炸药相变后逐渐开始流动，内部的温度场分布也随之改变，炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部；升温速率为0.055 ℃/min时，炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点，当炸药出现自热反应后，才逐渐开始流动，温度场也逐渐转变为典型的液相温度场，炸药最终响应点在弹体上部，但最早出现自热反应的区域在弹体中心。     

现场实测结构温度对半刚性沥青路面性能的影响

针对中国特色的半刚性基层沥青路面,在广韶高速公路瓮城段进行为期一个月高温期的现场温度观测。运用三维有限元方法,结合现场实测温度,分析了半刚性沥青路面结构的最大拉应力、最大剪应力和最大路表弯沉在荷载和荷载耦合作用下的变化情况。结果表明,随着路面深度增加,温度波动的幅度逐渐减小;路面内的最高温度相对大气和路表温度滞后约1小时;沥青路面内部温度高于表面温度;大气、路表和路面内部温度变化基本同步,温度波峰与波谷的出现频率相同;在温度和荷载综合作用下,路表以下2cm深度范围内易出现因拉应力不足造成的开裂破坏;路表以下10cm深度范围内,较易出现剪切破坏;高温温度场的存在虽不会明显增大路面结构各层的拉应力与剪应力,但会明显增大路表弯沉,故易产生车辙破坏。     

三河口碾压混凝土拱坝温控仿真研究

针对三河口碾压混凝土拱坝温度控制问题,综合考虑外界气温和混凝土热、力学性质随时间变化的影响,采用施工全过程仿真分析方法,动态模拟大坝碾压混凝土入仓温度、分层铺筑方式、通水冷却、后期养护等施工参数;分析了坝体温度场和温度应力场,提出了大坝温度、应力控制标准;根据计算结果及时进行温控方案的动态比较和调整,制定了具体的温控防裂要求和措施;在施工中对比实测监测数据。结果表明:坝体温度、应变的数值基本符合坝体温度控制的设计要求,证明温控措施有效。     

水平旋转空腔环流的壁面应力

通过对典型的水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的试验观测，研究了其壁面应力的变化规律。空腔环流的壁面压强在水平洞的起始段壁面压强急剧减小然后回升，具有过渡段的性质，沿程波状减小，符合对数变化规律，但不同的流态，对数律的参数的变化是不同的：内界面相对压强Po/Pwz。在淹沿流流态时，随(H-h)/h的变化率显著不同，在吸允流流态时却基本相同；壁面切应力沿z的变化规律为先急剧减小，随后缓慢减小至零，主要与环流特性有密切的关系。     

地下坑道对其临界震塌爆距处钻地武器爆炸载荷的动力响应

利用非线性显式动力有限元程序,采用多物质流固耦合计算方法,就GBU-28钻地弹在地下坑道临界震塌爆距处爆炸时,对地下直墙拱坑道的动力响应进行数值模拟。根据围岩动力稳定性和混凝土动态强度判据,结合模拟结果,分析衬砌结构与围岩的相互作用。钻地弹在直墙圆拱断面的坑道临界震塌爆距处爆炸时:围岩处于临界破坏状态,但混凝土衬砌结构处于稳定状态;拱顶的应力峰值明显,且柱状装药情况下,爆炸近区的应力较集团装药情况下的大;拱肩位置出现应力集中;围岩与衬砌结构特征位置处的相互作用载荷与对应质点的振动速度相互耦合,基本成对应的关系。     

混凝土砌块墙体裂缝的力学机理探讨

从混凝土砌块墙体裂缝的工程调查出发，分析裂缝的成因和表现形式，指出温度裂缝和干缩裂缝混凝土砌块墙体裂缝的两种主要形式．根据实测的墙体温差，计算了温度裂缝应力；根据Kelvin方程，阐述了干缩裂缝的机理，并估算了干缩裂缝应力，解释了产生混凝土砌块墙体的裂缝原因。     

大体积混凝土拆模后表层温度的Fourier震荡

将大体积混凝土拆模后很快予以保护的过程简化为大气温度的线性脉冲。研究了脉冲时间对Fourier震荡的影响。成果可以解释混凝土温度在边界层的不合理现象,指出了修正Fourier震荡的途径。     

导电混凝土传感器的热变形与机敏性研究

摘要 本文设计了具有不同灵敏度的水泥基传感器。测试了传感器的热变形特征与机敏性规律。验证了传感器埋入混凝土进行结构变形检测的可行性。热膨胀系数测定实验发现：与传统认为的受热膨胀不同,添加了碳纳米管的传感器具有热胀-热缩特性。通过对比传感器单独加载与埋入混凝土中加载,发现了大掺量的碳纳米管传感器的压阻效应更易受到混凝土干缩应力的影响。在荷载作用下,传感器的压阻效应会发生变化：压缩应变导致导电填料间距减小致使传感器电阻率减小;微损伤的产生导致导电填料间距增大而致使传感器电阻率增大。两者的竞争机制形成了水泥基传感器压阻效应的非线性特征。本文根据实验结果和电子跃迁的隧道效应理论,建立了水泥基传感器的压阻模型。     

既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

爆破荷载作用下，既有隧道衬砌的振动安全振速控制标准制定，大多以既有隧道完好为前提条件，不考虑病害因子对结构动力响应的影响，与实际不相符。为此，以既有新岭隧道旁拟建新隧道为工程背景，基于既有隧道衬砌裂缝和背后空洞的实际分布特征与规律，建立带裂缝与空洞的二维、三维结构模型，分析裂缝、空洞对衬砌动力响应的影响，提出以振速为指标的标准管理体系。结果表明:裂缝的最不利分布位置为迎爆侧边墙处，裂缝的存在增强了既有衬砌对S₁应力(拉应力)的响应，振速控制标准的制定应以S₁应力和裂缝径向深度为控制指标；当裂缝径向深度为(0～1/8)h、(1/8～1/2)h和＞(1/2)h（h为衬砌厚度）时，控制标准分别为12、10和8 cm/s。空洞的最不利分布位置为拱顶，空洞的存在增强了既有衬砌对S₁应力和振速的双重响应，以增强振速响应为主，振速控制标准的制定应以振速、空洞面积及纵向长度为控制指标，空洞工况下，控制标准为12 cm/s；空洞沿隧道纵向长度小于7 m时，监控范围为3～4倍纵长；空洞沿隧道纵向长度大于7 m时，监控范围为1～1.5倍纵长；纵向长度小时，倍数取大值。     

点火条件对密闭管道内预混氢气/空气燃爆特性的影响

基于流体动力学软件Fluent,开展数值模拟,研究点火位置（距管左端壁面100、200和500 mm）、点火温度（1 000、1 500和2 000 K）和点火面积（管左端壁面处半径为50、35和20 mm的点火域）等点火条件对1 000 mm密闭管道中预混氢气/空气（H₂/air）燃爆特性的影响。研究表明:点火位置距管左端壁面越远,中间节点处温度越高,温升越快;不同点火温度下管内最高温升速率基本同步,且提高点火温度,使得燃烧反应更剧烈,能提高管内气体温升速率,但却降低管内的压力峰值;点火面积越小,预混H₂/air燃烧前期温升越快。当采用半径为35 mm的点火域和点火位置距管左端壁面100 mm的点火方式时,预混H₂/air燃爆的各项参数相对较高。不同点火条件对密闭管内气体的动能和内能的影响规律类似于其对管内气体的流速和温度的影响规律,而对涡量的影响不明显。     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

Temperature and pressure field visualizations in a porous medium dried in superheated steam

This work focuses on heat and mass transfers with phase change in porous media. The experimental analysis was carried out in an aerodynamic return-flow wind tunnel, with very small cylinders of cellular concrete. For the local analysis, the samples were fitted with thermocouples and pressure sensors. A method of temperature and pressure field visualization is developed to highlight the dynamics of transport phenomena. We show two specific phenomena: (1) liquid outflow generated by the overpressure and (2) vaporization of the water inside a two-phase zone that progressively pervades the sample.