土木工程结构混凝土寿命预测的损伤演化方程

借助损伤力学的原理,通过系统实验,研究了混凝土在冻融与腐蚀条件下损伤失效过程的规律与特点.建立了具有普适意义的混凝土损伤演化方程,提出了损伤速度和损伤加速度的新概念,并提出了一套预测混凝土结构使用寿命的基本方法与理论体系,为重大土木工程结构混凝土的寿命预测提供了一种新方法.此外,通过专门设计的(35%弯曲荷载+冻融)双重因素和(35%弯曲荷载+冻融+3.5%NaCl溶液腐蚀+5%Na2SO4溶液腐蚀)多重因素等耐久性实验,重点研究了国家重点工程润扬大桥的主体结构混凝土的使用寿命预测问题.结果表明,润扬大桥的箱梁、索塔、墩身和锚碇采用高强高性能混凝土以后,其预期使用寿命均能达到100年设计要求.

土木工程专业基础工程课程设计的实践与改革探索

土木工程专业是一个实践性很强的工科专业,基础工程课是土木工程专业的一门公共平台课程,其课程设计是该课程的实践教学环节,目的是培养学生运用基础工程中所学的知识,并结合之前所学专业课程的知识,进行基础的设计和计算。本文介绍了土木工程专业基础工程课程设计的实践与改革工作,并对其实践与改革进行了总结与展望,以期更好地达到课程设计的目的,培养大土木工程专业人才的应用能力。

南京江北地区PHC桩竖向承载力可靠度分析

引入无量纲随机变量的极限状态方程,利用收集到的南京江北地区预应力管桩的试桩资料,采用"校准法"计算了现行地基规范关于桩基设计的总体可靠度水准和可靠指标,分析了总安全系数、荷载效应比和荷载组合形式对可靠指标的影响,并计算了相应的抗力分项系数。研究结果表明,可靠指标与总安全系数、荷载效应比和荷载组合形式有关,而且总安全系数对可靠指标的影响较大。荷载组合形式只对抗力分项系数产生较小的影响。

全珊瑚海水混凝土的表面自由氯离子浓度和表观氯离子扩散系数

采用不同种类水泥制备出不同强度等级的全珊瑚海水混凝土(CSC),研究其在海水浸泡环境下不同暴露时间的自由氯离子含量的分布规律,计算了CSC的表面自由氯离子含量和表观氯离子扩散系数,并探讨了暴露时间对这2个参数的影响规律.结果表明:在相同的暴露时间下,碱式硫酸镁水泥的抗Cl^-扩散渗透能力优于普通硅酸盐水泥;CSC的表面自由氯离子含量随着暴露时间的延长而呈指数型增加,且增长速率远低于普通混凝土;CSC的表观氯离子扩散系数随着暴露时间的延长而呈幂函数型递减.因此,对于实际海洋环境下的CSC结构,建议采用碱式硫酸镁水泥,从而有利于提高抗Cl^-扩散渗透能力,减缓Cl^-的侵入速度,以达到延长结构服役寿命的目的.

江浙地区抬梁和穿斗木构体系典型榫卯节点受力性能

针对江浙地区抬梁和穿斗木构体系中馒头榫、透榫、半榫及瓜柱柱脚直榫4种典型榫卯节点,通过试验研究其在低周反复荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、转角刚度、延性系数及耗能能力.结果表明:馒头榫、透榫、半榫节点的滞回曲线均呈Z形,具有明显的捏拢特性,而瓜柱柱脚直榫节点的滞回曲线呈反S形,较不饱满;这4种榫卯试件均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,耗能能力随着节点转角的增加而减小;在节点耗能能力上,按从优到劣排序分别为半榫、馒头榫、透榫、瓜柱柱脚直榫.研究结果可为抬梁和穿斗木构建筑的计算分析及保护修缮提供理论基础.

粉煤灰和矿渣对表观氯离子扩散系数的影响

采用自然扩散法测定了普通混凝土、粉煤灰混凝土和矿渣混凝土在高浓度的氯盐介质中浸泡180 d后的自由氯离子浓度分布,定量探讨了粉煤灰和矿渣掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响规律。结果表明:混凝土的氯离子扩散行为能较好地符合Fick第二扩散定律,而且粉煤灰、矿渣混凝土的表观氯离子扩散系数较普通混凝土要小。进一步分析发现,混凝土的表观氯离子扩散系数与粉煤灰、矿渣的掺量之间符合一元二次多项式关系。

基于灰色系统理论的基坑变形预测研究

由于基坑变形是多因素作用的结果,而其变形系统的实质是一个灰色系统,所以可以采用灰色系统理论对基坑变形进行预测。根据灰色系统理论,建立了基坑变形的GM(1,1)预测模型,并利用某工程的实际监测资料对未来基坑变形进行预测,结果与实测值吻合较好,证明了该预测模型具有较好的精度,对指导基坑工程的信息化施工有积极意义。

硅灰混凝土表观氯离子扩散系数影响因素的研究

通过自然扩散法测定了硅灰混凝土在高浓度氯盐介质中浸泡不同时间后自由氯离子的浓度分布,研究了硅灰混凝土表观氯离子扩散系数与硅灰掺量、养护时间、暴露时间以及溶液种类的关系。结果表明:掺加适量的硅灰可以有效减小混凝土表观氯离子扩散系数;增加养护时间将降低硅灰混凝土表观氯离子扩散系数;硅灰混凝土的表观氯离子扩散系数在3种溶液中的大小顺序为:3.5%Na Cl+5%Mg SO4溶液>3.5%Na Cl溶液>青海盐湖卤水。

纤维和膨胀剂复掺自密实混凝土的制备及工程应用

针对钢-混凝土混合梁结合段受力复杂、设计要求高且不易施工的特点,配制C60纤维增韧自密实微膨胀混凝土,测试分析了膨胀剂、减水剂与纤维对其工作性能的影响。结果表明,掺入膨胀剂后浆体的流动度经时损失有所增加;与普通型相比,保坍缓释型聚羧酸减水剂显著改善了流动度损失的问题;拌合物的自密实性能随钢纤维掺量的提高逐渐下降,微细短切钢纤维造成的影响小于普通长纤维,其适宜掺量为30 kg/m3。

考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析

为系统研究台风作用下风力机体系的气动性能与风效应特性,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式对台风"鹦鹉"进行高时空分辨率模拟.基于最小海平面气压追踪的台风中心路径与实测路径的对比结果,验证模拟的有效性.以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,结合小尺度CFD大涡模拟技术对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟.结果表明,采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076.台风下叶片和塔架的脉动和极值风压系数显著增大,最大增幅达29%.台风作用下叶片与塔架完全重合时为最不利情况,旋转至上叶片完全重合时安全余度最大.

煤渣粉掺量对再生混凝土氯离子扩散系数的影响

研究煤渣粉掺量和腐蚀时间对再生混凝土氯离子扩散系数的影响,测试了各再生混凝土在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间的自由氯离子含量,计算了再生混凝土自由氯离子扩散系数。结果表明:再生混凝土的氯离子扩散系数(D_t)随着腐蚀时间的延长而降低。D_t、28 d再生混凝土氯离子扩散系数(D_0)和n均随着煤渣粉掺量的增加先降低后增加,且掺量为30%时其达到最小值。D_t与腐蚀时间成幂函数关系,D_0或n与煤渣粉掺量均呈二次多项式关系。建立了煤渣粉掺量、腐蚀时间与D_t的关系式,该公式可用来预测海洋环境下掺煤渣粉再生混凝土的氯离子扩散系数。

矿渣混凝土在海洋环境中的氯离子扩散系数演变规律

本文根据自然扩散法的原理,在模拟海水环境中研究了普通矿渣混凝土（SGC）的氯离子扩散特性。探讨了暴露时间,养护龄期,矿渣掺量与混凝土氯离子扩散系数的关系。实验表明了混凝土试件的氯离子扩散系数同暴露时间之间呈幂级数衰减规律,随养护龄期的延长而减小,且随着暴露时间的延长而增加,并逐渐趋于稳定,且扩散系数与养护时间及矿渣掺量有关;当养护龄期达到100~150 d,扩散系数趋于平稳;矿渣掺量达到30%时,混凝土的表观氯离子扩散系数随暴露时间的降低速度最快。因此,适当延长养护龄期及掺入矿渣,有助于延长混凝土结构在海洋环境的服役寿命。

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水–饱和海床、海水–弹性基岩、海水–饱和海床–弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.

大型风力机塔架-叶片体系风振与地震作用对比研究

为研究风荷载和地震作用对大型风力机不同部件的影响程度,建立某3 MW水平轴风力机塔架-叶片一体化有限元模型,通过CFD数值模拟获得风力机表面风压系数并作为风荷载输入参数,同时进行7度地震烈度作用下的反应谱分析。对比研究表明:叶片受风荷载控制,其在风荷载作用下的叶尖位移和叶根弯矩均明显大于地震作用下的数值;塔架由风荷载和地震作用共同控制,风荷载作用下弯矩值均沿高度方向逐渐增加,地震作用下径向与环向弯矩最大值出现在接近塔顶高度处;风荷载作用下塔底环向弯矩及径向与环向轴力均明显大于地震作用,但地震作用下塔底径向和竖向弯矩及剪力稍大于风荷载作用下的数值。

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。

建筑物滑移基础隔震结构的基本体系分解法

提出了滑移隔震结构基本体系的概念,根据振型分解法将上部结构解耦为互相独立的单质点体系.如果隔震层质量合理分配到上述单质点体系,则结构有可能进一步解耦,形成与上部结构模态数目相同的隔震基本体系.上部结构的反应可由基本体系的相应反应通过振型叠加得到,隔震层的反应与任一基本体系的相应反应量相同.工程算例表明,该方法完全满足工程精度要求,对该类非线性系统进行降维解耦的思路具有较高的可行性.

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。

考虑叶片桨距角和干扰效应的大型风力机体系风致效应研究

以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°~50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。

内外压分别作用下冷却塔风振系数对比研究

现有冷却塔规范和文献中关于风振系数的研究和取值建议均针对外表面风荷载作用,并认为内压作用下风振系数与外压作用下的数值一致,这无法真实反映冷却塔内压引起的风振效应。为对比研究内、外压分别作用下超大型冷却塔结构的风振特性及风振系数,以国内某在建超规范限值高210m间接空冷塔为研究对象,首先,进行刚体同步测压风洞试验获取内、外表面平均和脉动风荷载;其次,建立塔筒-支柱-环基一体化有限元模型,采用完全瞬态法对超大型冷却塔在内、外压分别作用下的塔筒风振响应和风振系数进行了精细化计算分析,探讨了以塔筒径向位移、子午向轴力、Von Mises应力和环向弯矩4种典型目标响应下的风振系数取值标准,提炼出超大型冷却塔内、外压作用下的一维、二维和三维风振系数分布规律;最后,分别给出了此类超大型冷却塔内、外压作用下风振系数的取值建议和二维拟合公式。主要结论可为此类超大型冷却塔风振系数的精细化取值提供科学依据。

超大型冷却塔施工全过程风振响应及风振系数演化规律研究

现有冷却塔规范仅给出了成塔单一风振系数取值,完全忽略了施工过程中混凝土材料和结构性能的实时演化。以国内某在建210 m世界最高超大型冷却塔为对象,综合考虑工程进度与计算精度建立八个冷却塔施工全过程三维实体模型,基于大涡模拟(LES)技术获得了施工全过程冷却塔三维气动力时程,将成塔表面风压与规范及国内外现有实测曲线对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,采用完全瞬态时域方法对比分析了冷却塔施工全过程塔顶位移、子午向轴力及环向弯矩等典型响应风振实时变化特性,并基于三种典型目标和五种取值方法系统探讨了超大型冷却塔施工全过程风振系数沿高度和环向角度的演化规律,最终首次拟合给出了超大型冷却塔施工全过程随高度变化的风振系数计算公式。研究结论可为进一步理解施工全过程冷却塔风振响应的演化规律和风振系数差异化取值提供科学参考。