基于系统动力学模型的郑州市水资源承载力动态模拟

水资源问题制约着缺水城市的可持续发展,近年来郑州市社会经济高速发展,其水资源有限的现状与用水需求快速增长之间的矛盾愈加凸显。为科学研究郑州市水资源承载力远期发展情况,根据郑州市经济社会现状的水资源供需和发展状况,采用多系统综合的系统动力学方法(System Dynamics,SD),结合水资源、生态、经济社会、水利工程四个子系统,构建郑州市水资源承载力研究的SD模型。将2010-2019年的历史数据与SD方法的模拟数据进行比较,平均误差均小于10%,具有较高的可信度,可用来预测郑州市未来的水资源承载力发展情况。在此基础上,通过设定现状延续、控污节流、开源控污和开源节流4种不同方案,对2020-2030年水资源承载力系数进行动态模拟预测。结果表明:2030年4种方案下的水资源承载力系数分别为1.24、1.18、1.00、0.89,现状延续和控污节流方案下的郑州市水资源承载力随着时间的推移呈现严重超载状态,无法承载郑州市经济社会的快速发展;开源控污方案在预测期内的水资源承载力超载状态会对经济社会发展产生较大阻力。故开源节流方案为最佳方案,水资源承载力系数小于1,在研究期内未出现超载状态,可有利缓解郑州市的缺水状况,促进经济社会的发展。结合4种方案的优点,提出有利于郑州市水资源可持续发展的建议与对策。

高陡岩质临坡地基承载力试验研究与数值模拟

针对高陡岩质临坡地基开展了不同坡角、坡距下承载力试验。结合深废矿坑工程采用数值模拟对高陡岩质临坡地基承载力影响因素进行了模拟计算与分析。研究结果表明:(1)承载力系数(η)随坡角(β)的增大而逐渐减小,随坡距(B)的增大呈非线性增长,当B超过一定距离时,η几乎不再增长且接近1.0;(2)相较β,地质强度指标(GSI)对η的影响更大,二者呈非线性同步增长;(3)锚索可提高η,设置4道锚索对η的提升效果较好,继续增加锚索数量对η的影响较小。

局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀,导致其钢结构承载力降低,严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。首先,采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷,然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率,下同)为试验参数,对45根局部锈蚀圆CFST短柱试件进行轴压承载力试验;其次,分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响,揭示锈蚀CFST试件破坏机理和承载力退化机制;最后,针对局部锈蚀圆CFST短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。研究结果表明:各试件具有类似的破坏特征,主要呈明显的腰鼓状破坏,且发生在锈蚀区;随着锈蚀钢管体积损失率增大,锈蚀CFST柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低;在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下,就局部锈蚀位置影响而言,中部影响最大;就锈蚀程度表征参数影响而言,锈蚀钢管体积损失率影响最大,面积损失率次之,壁厚损失率最小;本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

预制装配式型钢混凝土梁抗剪承载力的智能模型研究

通过建立计算预制装配式型钢混凝土(PSRC)梁抗剪承载力的智能模型,在一定程度上提高了计算精度与适用性。基于BP人工神经网络算法,通过对影响PSRC梁抗剪承载力的相关参数进行梳理,选取14个主要影响参数作为输入层,以试算法确定隐含层节点数为5,初步构建了3层结构人工神经网络系统;以收集的76组试验数据作为学习样本,对构建的神经网络系统进行训练,建立了对PSRC梁及SRC梁抗剪承载力计算的N14-5-1智能模型。使用智能模型对6个PSRC梁构件及6个SRC梁构件进行抗剪承载力计算,并通过与规范公式计算结果、试验结果的对比分析,证明了智能模型具有良好的计算精度及较好的泛化能力,具有一定的工程参考意义。运用Garson算法对输入参数进行敏感性分析,结果表明箍筋间距、型钢屈服强度、箍筋屈服强度、型钢腹板含钢率对抗剪承载力影响较大。随着研究试验的开展,在收集更多具有代表性的试验数据以扩充学习样本后,可对智能模型进一步优化。

基于PLUS模型的2030年滹沱河流域山区段生态承载力时空格局多情景预测

为探讨滹沱河流域山区段当前及未来不同发展情景下生态承载力的时空变化,应用植被净初级生产力改进的生态足迹模型测算分析了流域2015—2020年生态承载力的时空格局变化,并借助经过精度验证的PLUS模型对2030年区域自然发展、经济发展及生态保护三种发展情景下的生态承载力时空格局进行预测。结果表明:2015—2030年滹沱河流域山区段单位面积生态承载力整体格局变化不大,但内部空间分异明显,整体呈东南及西北区域单位面积生态承载力高,而东北、西南部区域单位面积生态承载力低的特点。2015—2020年区域生态承载力总量由1.0780×10^(6)bhm^(2)增加到1.0796×10^(6)bhm^(2),呈上升趋势;2030年自然发展和经济发展情景下区域生态承载力总量分别为1.0783×10^(6)、1.0782×10^(6)bhm^(2),与2020年相比呈下降趋势,草地向耕地的转移、林地向建设用地的转移是生态承载力下降的主要原因;2030年生态保护情景下生态承载力总量为1.0802×10^(6)bhm^(2),与2020年相比呈上升趋势,耕地向林地、草地转移是区域生态承载力增加的主要原因。各类用地的生态承载力总量由高到低依次为草地>耕地>林地>建设用地>水域,生态保护情景有益于林地、草地生态承载力总量的增加,经济发展情景有益于耕地和建设用地生态承载力总量的增加,水域生态承载力总量在各种发展情景下变化较小。生态保护情景更有利于未来生态承载力的增加,符合区域未来发展方向。严格控制草地向耕地的转变以及林地向建设用地的转变,继续实施退耕还林、还草生态工程,加强区域废弃矿山生态复垦的力度,将会提高区域未来生态承载力,实现区域生态安全及经济、社会、生态的可持续发展。

高强钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力性能试验研究

为研究高强钢管内填超高性能混凝土(UHPC)的钢管混凝土短柱轴压性能,该文设计22根高强钢管UHPC短柱进行轴压试验,从破坏模式、荷载-纵向应变关系对试件的轴压性能进行对比分析,旨在通过径厚比、混凝土强度、截面类型等变化来探究高强钢管UHPC短柱的实际承载力性能差异.试验结果表明:高强钢管UHPC短柱的轴压性能受径厚比、混凝土强度影响较大;试件承载力随钢管壁厚增加而增加,但相同钢管直径和不同钢管直径增幅呈现不同规律.该文从延性、核心混凝土强度提高程度两个角度进行分析并提出高强钢管混凝土试件的相关参数设计建议.最后,将高强钢管UHPC短柱的轴压试验承载力结果与国内外规范GB 50936—2014、AIJ计算承载力结果进行对比,并基于极限平衡理论推导出高强圆钢管UHPC试件的轴压承载力计算公式,同时结合该文试验数据对其进行验证,证明了公式的准确性.

端钩型钢纤维混凝土简支梁受弯承载力试验

为改善普通钢筋混凝土梁自重大、易开裂、承载力低等缺点,在混凝土中常加入钢纤维,端钩型钢纤维,作为常见的一种高性能钢纤维得到广泛关注,中外学者针对端钩型钢纤维混凝土的基本力学性能开展了较多研究,而对端钩型钢纤维混凝土受弯构件的正截面受力性能有待深入研究。为研究端钩型钢纤维混凝土简支梁受弯性能,制作4根端钩型钢纤维混凝土梁及1根普通混凝土梁,对其进行受弯性能试验,根据试验得到的破坏形态、承载力、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线,分析端钩型钢纤维体积掺量对试件受弯承载力及破坏形态的影响。结果表明:端钩型钢纤维混凝土简支梁与一般混凝土简支梁受弯过程类似,均经历了弹性、开裂、带裂缝工作、破坏4个阶段;端钩型钢纤维混凝土简支梁与一般混凝土简支梁受弯过程均基本符合“平截面假定”;端钩型钢纤维限制了裂缝的产生和发展,使得纤维混凝土梁变形能力增强;与一般混凝土梁相比,端钩型钢纤维混凝土梁抗裂性及极限承载力得到提高,且构件承载力与钢纤维体积掺量基本呈现正相关;基于试验数据,对现行规范中开裂弯矩及极限承载力计算公式进行优化,开裂弯矩方面考虑对截面抵抗矩塑性影响系数进行修正,极限承载力方面引入纤维混凝土正截面承载力影响系数ζ,经修正计算值可较好吻合试验值。

含引气剂海工混凝土的抗冻性能及其梁受弯承载力

为了研究引气剂对海工混凝土抗冻性能及其梁受弯承载力的影响,对2种配合比6根海工混凝土梁及相应的冻损试件进行总计100次快速冻融试验;采用质量损失率、动弹性模量损伤度和抗压强度损失率对混凝土冻融损伤程度进行有效评价;考虑混凝土抗压强度退化以及等效矩形应力图系数的变化,提出了冻融作用下海工混凝土梁正截面受弯承载力计算公式。结果表明:加入引气剂可以增强海工混凝土的抗冻性能,降低梁的开裂弯矩退化速率,但会降低混凝土强度和梁的极限弯矩;在150次冻融循环内,提出的模型能够较好地预测冻融作用下海工混凝土梁的正截面受弯承载力。

黑龙江省奶牛粪污土地承载力时空分布特征分析

为了探究黑龙江省奶牛粪污对土壤造成的潜在污染风险,本研究选取2015—2022年黑龙江省奶牛养殖和农作物产量等数据,量化分析奶牛粪污养分供给量和农作物粪污养分需求量,测算黑龙江省各市(地区)奶牛粪污土地承载力及其指数。结果表明:黑龙江省奶牛粪污氮、磷养分供给量和奶牛粪污土地承载力大体呈下降趋势,农作物粪污氮、磷养分需求量大体呈上升趋势;全省奶牛粪污污染风险主要集中在大庆市,齐齐哈尔市奶牛粪污土地承载力一直处于较高水平,鸡西市、鹤岗市、双鸭山市、佳木斯市、黑河市和大兴安岭地区奶牛粪污氮、磷供给量远低于农作物粪污氮、磷养分需求量。整体上,黑龙江省内土地消纳奶牛粪污量未超过环境容量,奶牛养殖仍具有一定的发展潜力。因此,建议从调整优化奶牛养殖区域布局、搭建有机肥供需平台、提升有机肥使用积极性和技术指导三个层面推动黑龙江省奶牛养殖业高质量发展。

基于CRITIC-VIKOR法的哈尔滨市水资源承载力综合评价

为了解哈尔滨市水资源承载能力,以及该市的水资源和社会经济发展协调状况,基于2016—2021年水资源数据,结合水资源现状,采用CRITIC-VIKOR法对市2016—2021年的水资源承载力进行评价。研究结果表明,水资源承载力在2016—2021年波动幅度明显。可以分成两个阶段,第一阶段2016—2018年,该阶段利益比率R值均大于0.5,水资源承载力表现较弱;第二阶段2019—2021年,该阶段利益比率R值均小于0.2,水资源承载力较强。第一阶段的末年R值相比第二阶段初年减幅77.5%。总体上看水资源承载力,处于上升趋势。此次研究对哈尔滨市的水资源开发与利用以及可持续发展提供参考意见。

钢管输电塔挂线节点足尺模型失效模式与承载力提升分析

针对特高压钢管输电塔挂线位置节点在极端荷载下的安全性,提出了挂线节点双侧挂线板协同受力的构造改进措施,并对比研究两种挂线节点的极限承载力与失效模式。通过足尺挂线节点处的承载力试验与有限元分析,比较挂线节点在单侧板受力、双侧板受力情况下的应力分布与承载能力,分析传力螺母与挂线板之间的合理初始间距。结果表明:双侧受力时两侧挂线板均发生弯曲破坏,受力形式更加合理,节点板应力分布更加均匀,挂线点的屈服承载力可以提升一倍以上,传力螺母与挂线板之间的合理初始间隙为2~4 mm。

基于滑移线法的黏土海床中浅基础固结承载力分析

为评估海底浅基础服役过程的承载力时变规律,推导了预载作用下黏土海床完全固结后的不排水抗剪强度分布,利用滑移线法给出了应力特征线方程并求解出浅基础固结承载力,研究了预载比、土体不均匀性、有效内摩擦角和基础尺寸对浅基础固结承载力的影响.结果表明:浅基础固结承载力的相对增长幅度和预载比近似呈线性关系,由土体不均匀因子和有效内摩擦角共同决定,不受基础尺寸的影响.通过与水土耦合有限元分析结果进行比较,对所提方法的准确性进行了严格的验证,表明了该方法的有效性.最后,根据有限元结果分析了滑移线解的误差来源,发现孔压计算差异是导致固结承载力预测结果产生误差的主要原因.该滑移线解可快速准确地预估浅基础固结承载力的增长规律,为海底浅基础的优化设计提供重要参考.

间断焊接包管加固圆钢管构件轴压极限承载力研究

为研究间断焊接包管加固杆件的轴心受压性能,设计了13组试件进行单调加载静力试验。对试件极限承载力、破坏模式、荷载-位移曲线和截面应变发展规律进行分析,对比了负载加固与非负载加固对试件极限承载力的影响。结果表明:包管构件的破坏模式可分为整体失稳破坏和内管外伸段强度破坏;包管构件内外管协同工作、共同受力,内管和外管都在屈服后发生整体失稳破坏;负载加固与非负载加固试件的极限承载力基本一致,相差2.2%,非负载加固试件与未加固试件相比,极限承载力最大提高了479.9%。根据试验结果对包管构件的ABAQUS有限元模型进行修正,并用该模型分析了各主要影响因素对包管构件极限承载力的影响规律。提出了包管构件极限承载力经验计算公式,且公式计算结果与试验结果吻合较好。

锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括:单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。

GFRP筋再生混凝土梁受弯承载力研究

为研究GFRP筋再生混凝土梁(GFRP-RAC)的受弯承载力,完成了5根配GFRP筋、1根配BFRP筋和1根配钢筋的再生混凝土梁抗弯试验,分析了不同再生骨料取代率、纵筋类型以及纵筋配筋率等因素对各试验梁开裂荷载和极限承载力的影响。结果表明:再生骨料取代率对开裂荷载的影响较大,而纵筋类型及纵筋配筋率对其影响不明显;当再生骨料取代率由0增加至50%和100%时,试验梁开裂荷载分别减小了7.9%和17.3%;极限承载力受再生骨料取代率影响较小而受纵筋配筋率影响较大,当GFRP-RAC梁纵筋配筋率由0.38%提高至0.6%和1.17%时,极限荷载分别提升了17.9%和52.5%。另外,结合国内外规范对GFRP-RAC梁的受弯承载力进行对比分析,并基于试验数据和相关试验结果的回归分析,得到开裂荷载修正系数αcr,开裂荷载修正后的计算值与试验值吻合较好。

卷积神经网络与随机场分析桩梁基础承载力

岩土体的参数在空间上随机分布,为能更好地反应实际工程地质条件,在桩基础承载力研究中考虑土体的不确定性,并建立具有重要工程价值的承载力预测模型,将基于随机场理论的岩土参数空间变异性引入桩梁基础的研究中,采用数值方法建立桩梁基础与群桩基础的二维随机有限元模型分析承载能力,并与模型试验结果验证。随后通过卷积神经网络建立土体参数随机场图像与基础极限承载力之间的模型进行承载力预测,并基于预测模型研究不同参数的影响。结果表明:考虑土体空间变异性的基础承载力与试验结果基本吻合,随机结果均高于确定性分析;随机场下桩梁基础与群桩基础的承载力均为正态分布;采用卷积神经网络建立的基础承载力预测模型精度较高,且可以用于参数分析,基础承载力随着土体参数的增加而增加,随变异系数的增加而下降。随机条件下,桩梁基础的承载力高于群桩基础,可以充分发挥土体强度并抵御参数不确定性带来的承载力损失。

基于陆海统筹的资源环境承载力评价方法探讨

海洋、海岸带蕴含的资源丰富,与人类生存发展息息相关。近年来,随着海洋经济的迅速增长,自然岸线和滨海湿地面积减少、生物多样性降低、典型生态系统受损、近岸海域灾害频发、渔业资源减少等问题日益显现。如何从战略高度提升海洋经济,开发和保护并举,确保海岸带、海洋资源取用合理是新时代的重要课题。陆地和海洋是生态系统不可分割的组成部分,开展陆海统筹的资源环境承载力评价是衡量区域经济发展与生态环境是否协调可持续发展的有效途径。文章系统地梳理了承载力概念的发展历程,对比了常用的海洋资源环境承载力评价方法,初步构建了陆海统筹的资源环境承载力评价指标体系,并提出使用熵值法来确定指标权重,采用状态空间评价模型或TOPSIS模型进行承载力综合评价,可以体现陆地和海洋相互影响、相互制约的关系,并具有较强的可操作性,评价结果可以反映区域资源环境承载力的空间差异或随时间变化情况,能够为海洋和海岸带保护利用提供有效借鉴。

非对称破坏模式下临坡地基的Meyerhof承载力新解

利用统一强度理论的平面应变强度方程,综合考虑中间主应力、基础至坡肩的水平距离、边坡高度和基底粗糙情况等因素,提出临坡地基坡面非对称破坏模式和坡底非对称破坏模式,继而建立条形基础下临坡地基新的Meyerhof承载力解答,给出具体应用步骤并开展理论退化分析与对比验证。研究表明:考虑坡后土体强度贡献所提出的非对称破坏模式更符合临坡地基的实际破坏形态;所得临坡地基Meyerhof承载力解答与文献模型试验和数值模拟均吻合良好;中间主应力可明显提高临坡地基的承载力;临坡地基承载力随边坡高度增加先减小后恒定。研究结果合理反映了土体强度的中间主应力效应、破坏模式的非对称性以及基础旁侧土体强度等工程实际情况,对临坡地基优化设计具有一定的理论指导意义。

“双曲线”型煤样承载力学特性试验研究

煤炭地下气化结束后,两气化炉间形成类“双曲线”形煤柱,支撑覆岩,保障气化区域安全稳定。为研究类“双曲线”形煤柱承载力学特性,基于声发射监测系统和XTDIC三维全场应变测量系统,开展了不同侧向拱高(h=0,3,7,10,13,17 mm)的6组“双曲线”形煤样单轴压缩试验,分析了h对煤样峰值载荷、变形破坏及声发射特征的影响,揭示了其承载破坏机制。结果表明:①“双曲线”形煤样可分为矩形结构(主要承载体)和侧向拱结构,其承载破坏机制与其受力形式、侧向拱结构有关;随着h增大,煤样承载能力降低,与h=0煤样相比,峰值载荷分别降低了7.66%,13.56%,26.83%,35.28%,62.75%。②随着h增大,煤样整体受力形式由以受压为主向受压–受弯曲转变,中部区域产生应力集中而形成薄弱区,对应的水平位移场向中部迁移,最终汇集于中部边缘处;而垂直位移场由水平条带状向倾斜条带状转变,最终集中于煤样侧向拱结构上端。③在轴向载荷作用下,煤样侧向拱结构对其矩形结构中部区域产生等效作用力,加之煤样非均质性影响,加剧了薄弱区损伤程度,该作用随着h增大而增强,煤样承受载荷未超过其抗拉强度即产生剪切破坏,其破坏模式由拉–剪混合破坏向剪切破坏转变,均伴随着不同程度的剥落和局部弹射破坏。④煤样声发射累计计数–时间曲线演化可分为3种类型,当h为0和3 mm时,分为“上凸”式增长、相对快速增长、快速增长、“突变”式增长4个阶段,其演化特征与常规煤岩试样一致;当h为7 mm和10 mm时,分为相对快速增长、快速增长、“突变”式增长3个阶段;当h为13 mm和17 mm时,分为快速增长和“突变”式增长2个阶段;峰后阶段均呈“突变”式增长,而峰前阶段增长形式不一致是由煤样裂纹稳定扩展和中部区域持续损伤共同导致的。