城市土木工程基础设施韧性提升理论与方法

保证城市土木工程基础设施的功能是建设韧性城市的关键。以“灾害/环境作用-结构响应-灾变控制-韧性提升”为主线,从材料、结构、系统等不同尺度,对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明:对单一灾害或单一环境作用机制、单一环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、单一灾害作用下单体结构的灾变响应与控制等方面有了清晰的认识和技术应对措施。但是,多重灾害和复杂环境作用下城市土木工程基础设施的灾变机理更加复杂、韧性提升难度更大。未来需进一步深入研究多重灾害触发及复杂环境作用机制、复杂环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、多灾害与复杂环境作用下单体结构灾变机理与控制方法以及城市土木工程基础设施系统的灾变机理与韧性提升方法。

水泥基材料热湿耦合传输性能

通过大气环境下水泥基材料热湿耦合传输试验,考察了温湿度梯度对湿传输、温湿度分布的影响。试验结果表明,湿传输随着温湿度梯度的增大而加快,且温度梯度比湿度梯度对湿传输的影响大;温度梯度比湿度梯度对温度分布的影响大;温湿度梯度对相对湿度分布的影响都比较大。因此,在水泥基材料热湿耦合传输过程中,水泥浆的湿传输比砂浆快,且应考虑热传输对湿传输的影响,但湿传输对热传输的影响可以忽略。计算结果表明,热湿耦合传输模型对水泥基材料具有较好的适用性。

碳化对混凝土微孔特征和吸水性能的影响

为研究碳化对混凝土毛细吸水性能的影响,对比开展了不同水灰比非碳化与碳化混凝土的毛细吸水试验,并通过压汞试验,定量获取了碳化前后混凝土的孔隙结构参数,通过电镜背散射图像扫描和热重分析定性观察分析了孔隙结构变化特征。结果表明,碳化后混凝土的毛细吸水能力下降20.0%~26.5%,毛细吸水系数下降30.8%~37.8%。相较未碳化混凝土,碳化混凝土的最可几孔径减小13.9~15.1 nm,最高减小幅度达41.8%,且水灰比越高降低越显著。测试观察到碳化导致氢氧化钙转化为碳酸钙,孔径减小。计算表明,碳化混凝土毛细吸水性能使用Lucas-Washburn等人提出的模型依然有效,且选取最可几孔径作为等效孔径时模型效果最佳。

强风作用下输电塔线体系连续性倒塌分析

为分析强风作用下输电塔线体系连续性倒塌的过程,将已发生破坏的输电塔作为薄弱塔,采用等效位移的方式考虑薄弱塔倒塌对挂线点空间位置的影响,计算相邻输电塔(目标塔)在薄弱塔多组倒塌特征变量组合工况下的响应和破坏特征,确定对目标塔具有最大影响的薄弱塔倒塌特征变量.结果表明:在发生连续性倒塌时,目标塔的破坏包括近薄弱塔侧的塔身破坏和塔头破坏2种形式;目标塔近薄弱塔侧背风面主材应力比最高,斜材应力比一直较低;塔身下部斜材失稳与主材应力的持续增大是目标塔整体倒塌的最直接原因;薄弱塔的倒塌过程持续时间是目标塔是否破坏的主要控制变量.

环境作用下混凝土结构性能演化与控制研究进展

以环境作用下混凝土结构的性能演化与控制为主线,对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明,经过二十余年的研究,对环境介质的侵蚀机理、锈蚀混凝土构件的受力性能、结构的时变可靠度等基本理论问题有了清晰的认识;开发了钢筋锈蚀监测和检测、混凝土结构电化学和自修复技术;明确了结构全寿命设计与维护的基本概念。但要建立完善的结构全寿命设计与维护理论,未来尚应在研究方法上以不确定性的研究为主,在研究内容上聚焦时变性,充分关注环境作用的时空变异性和材料细观层面的非匀质性。

基于图像分割与轨迹追踪的室内饰面施工进度智能评估方法

施工进度是工程项目管理的关键组成部分,传统的进度管理多依靠人工巡检,耗时费力且无法保障进度评估的时效性。为了实现施工进度的自动化、高效化监管,针对室内施工湿作业铺贴场景,提出一套智能化进度追踪与评估框架,基于改进的Mask R-CNN深度学习框架,自动提取室内墙面和地面的瓷砖铺贴进度,基于相机轨迹追踪算法,将整个施工层的大范围施工进度识别结果映射至BIM可视化模型,为施工数字孪生奠定基础。在上海市某高层建筑项目中进行实例研究,实现了施工图像的高精度分割,验证了研究框架的可行性。该框架不仅适用于室内瓷砖铺贴,也适用于抹灰、刷涂等室内装修工程。

某教学楼单跨框架结构的屈曲约束支撑加固抗震分析

某四层教学楼的钢筋混凝土框架为单跨框架结构,在不同方案比较后决定对其采用屈曲约束支撑加固。使用分析软件采用反应谱法、静力弹塑性和动力弹塑性法对加固前后的结构进行了抗震性能的计算分析。反应谱法分析可知采用支撑加固后的结构抗侧刚度增大,周期减小,层间位移减小;静力弹塑性法分析显示加固后结构中屈曲约束支撑先于梁柱构件失效,结构冗余度增加;动力弹塑性法分析显示加固后结构在罕遇地震作用下,支撑进入塑性工作状态,显示出良好的滞回性能,消耗了地震能量,结构基底剪力显著减小。

冷热循环作用下EVA对混凝土孔结构的影响

模拟中国西部地区大温差环境,研究了冷热循环作用下乙烯醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)对混凝土抗压强度及孔结构的影响,并分析了混凝土强度与孔结构之间的关系.结果表明:质量分数为8%的EVA即可降低混凝土早龄期的汞压入量和混凝土孔隙率,且孔结构更均匀;随着冷热循环次数的增加,EVA的膜结构与浆体或骨料的黏结性能发生劣化,表现为混凝土中50~200nm孔的比例增加;EVA可改善混凝土的微观结构,有效细化混凝土的孔径分布,降低混凝土内部损伤速率,使混凝土抗压强度降低速率在冷热循环作用下有所减缓.

硅酸三钙硬化浆体三维空间结构的连续切片成像研究

本文通过连续切片扫描电子显微镜(SBFSEM)对水灰比0.6、20℃恒温密闭养护7 d的硅酸三钙硬化浆体进行研究,并通过三维图像处理软件Avizo对获取的200张背散射电子(BSE)图像进行分析。结果表明,通过SBFSEM在高真空以及1 kV电压下获取的连续BSE图像经过Avizo分析处理后,获得的最小孔体积和最小未水化颗粒体积分别为3.6×10^4 nm^3和3.7×10^4 nm^3;93%的未水化硅酸三钙的体积介于3.6×10^4 nm^3和1.0×10^7 nm^3之间,88.9%的孔的体积介于3.7×10^4 nm^3和3.2×10^6 nm^3之间;三维重构所得的总孔体积占硬化浆体总体积的4.5%。

基于自校正水泵模型的空调系统冷水泵压差前馈-反馈控制方法

在空调冷水系统运行过程中,冷水泵的运行频率需要根据实时系统工况进行调节。传统本地控制器一般使用PID反馈控制算法,基于被控变量(压差/温差)与设定值之间的偏差来调整水泵的运行频率。然而该算法的控制质量受PID参数整定准确性的影响较大。为解决该问题,提出了一种基于自校正水泵模型的空调系统冷水泵压差前馈-反馈控制方法。在被控变量和设定值出现较大偏差时,该方法可利用自校正的水泵扬程曲线与相似律快速计算出水泵应被调整至多大频率。使用某地铁站空调系统的实际运行数据作为模拟输入,对该控制方法下水泵的运行情况进行了模拟。结果显示,该方法的控制精度与基于单神经元的自适应增量式PID反馈控制基本一致,但该方法可简化对参数的整定工作,减少控制质量对参数整定的依赖。

基于双池DQN的HVAC无模型优化控制方法

在HVAC控制领域,基于模型的最优控制方法得到了学者的广泛研究与验证,但是该方法高度依赖模型的准确性、大量历史数据的收集以及传感器的部署。针对上述问题,结合EnergyPlus、实际系统参数以及历史数据,构建HVAC优化控制模型,并提出一种改进的双池DQN算法,最后将其应用于HVAC系统中不同型号冷机的负荷分配、冷却塔风机频率以及冷却水泵频率的组合优化控制。基于所构建的问题模型,针对决策优化过程中存在的样本不平衡的问题,该算法在DQN的基础上,建立两个独立的经验池,分别存储负荷分配与非负荷分配样本,在训练过程中,遵循一定的比例从经验池中进行采样,以加快算法收敛。将所提出的方法与基于模型的控制方法及基线方法进行比较,实验结果表明,与基线方法相比,基于模型的HVAC控制器能够节能11.5%(最优节能效率),而基于双池DQN的HVAC控制器在第1年就能够节能7.5%,同时,随着系统运行,该控制器在第8年左右即可获得接近最优节能效率的结果。此外,与基于模型的HVAC控制器相比,该控制器不依赖于系统模型,且在在线控制过程中,所需的先验知识及传感器较少,在实际的工程应用中更具价值。

废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用

废弃混凝土的资源化及再生骨料的研究与应用已取得显著突破。然而,废弃混凝土再生微粉的相关研究仍十分有限。本文重点讨论了再生微粉的加工制备、组分表征与改性处理,厘清了再生微粉的高组分离散性与低活性指数等问题的根本原因,并构思了一种新型制备路径,即在再生微粉的传统制备工艺中引入颗粒整形与强力磁选技术,再进行碳化改性。通过以超高浆体含量的碳化再生微粉作为输出,有望解决再生微粉的上述共性难题。此外,本文还讨论了再生微粉的低碳应用场景,如再生微粉硅酸盐水泥、3D打印再生砂浆以及全再生混凝土。再生微粉的深入研究与高品质应用对提高废弃混凝土的资源化率以及促进建筑业的绿色低碳发展具有重要意义。

考虑安装误差的灌浆连接段轴向力学性能研究

[目的]随着海上风机工程逐渐向深远海区域发展,海上恶劣的施工环境极有可能导致导管架基础灌浆连接的安装产生误差进而影响连接的轴向力学性能,故需要研究安装误差对于灌浆连接段轴向力学性能的影响规律。[方法]首先开展灌浆连接段缩尺试件的轴向静力加载试验,随后采用有限元分析方法来模拟对应试件的轴向加载过程,其模拟结果与试验数据显示出较好的拟合性。[结果]研究结果表明:纵向、横向安装误差的增大会导致灌浆连接段轴向刚度的增大,并会进一步改变套管和桩管的纵向应变分布;另外,安装误差的增大也会引起轴向加载过程中灌浆料内第三主应力最大值的增大和其分布位置的变化。[结论]综上所述,安装误差对导管架基础灌浆连接段轴向力学性能的影响可能导致灌浆连接段破坏模式的改变,故需根据安装误差的影响规律来对其危害予以充分的考虑与评估。

基于BIM的高层建筑全过程交付应用

介绍BIM的发展、维度、特点及在我国的发展趋势,引入新的BIM设计理念、施工方式、管理系统及运维平台,为建筑领域智能化发展提供理论基础。根据高层建筑工程场景定义、特点及其全过程交付,探讨BIM技术在高层建筑中从局部结构到整体建筑的全过程交付应用,即局部结构方案设计、整体建筑方案论证、既有结构改造方案、结构质量智能检测,结合BIM在全过程交付各阶段的应用案例,基于BIM技术完成数字化集成交付,最后分析BIM的应用前景及发展方向。

亚热带湿热环境桥梁混凝土锚碇碳化细观研究

混凝土碳化问题是目前基础设施长期服役中最为普遍的病害问题,也是相应结构耐久性设计的重点所在.碳化作用发展与环境温湿度关系紧密,在亚热带湿热环境中碳化问题尤为显著.现有研究难以考虑真实环境参数的复杂时变影响,在描述碳化作用空间随机分布和病害涌现时机方面存在不足.因此,本研究聚焦多尺度计算效率精度瓶颈以及亚热带湿热环境时变输入的仿真难点,建立材料碳化机理与结构服役退化的高效传递模型,提出适用于复杂服役环境下大体积混凝土结构碳化分析的扩散路径映射方法.研究依托我国东南沿海地区某桥梁锚碇结构开展细观碳化分析,对长期服役过程碳化深度和钢筋锈蚀概率特征进行预测,求解效率和精度均实现大幅提升.结合具体工程养护策略,预测了防护措施对耐久性能的提升效果,也展现了该方法在大体积混凝土结构耐久性能分析方面的优势.

无源无线加速度计的系统设计与仿真

传统加速度传感器需要电缆或外置设施进行能量供应和数据传输,复杂化的线路布置增大了设备损坏风险和维修难度。本文基于带短接单元的贴片天线和调频连续波雷达原理,设计了一种无源无线加速度传感节点,设计了高频采样机制,并对传感系统的工作模式进行了理论分析和基于Matlab和高频结构仿真器的数值仿真,获得了在典型加速度激励下的传感器测试结果。该传感器加速度测试范围设计为±0.2 g,仿真结果表明:在测试设计范围内,加速度测试误差为3.24%。另外,传感器可实现简单的自我定位,定位精度为0.3 m。

CFRP补强含表面裂纹钢板受拉疲劳试验研究

对碳纤维增强复合材料(CFRP)补强含表面裂纹钢板进行系列试验,主要研究了表面裂纹深度、长度和CFRP单双面补强对疲劳寿命和裂纹扩展的影响,分析补强前后裂纹深度方向扩展速率的规律以及相关应变变化规律。试验研究结果表明,裂纹深度增加会显著降低疲劳寿命,CFRP补强可在一定程度上提高疲劳寿命并减缓裂纹扩展,最高可提升疲劳寿命至未补强试件的两倍。对于含表面裂纹钢板试件而言,双面CFRP补强效果与单面补强效果近似,两者相差不大。

地震下建筑倒塌及城市次生灾害链分析方法研究

地震会导致建筑倒塌,引发次生灾害在城市基础设施系统间传播。与建筑倒塌相关联的城市基础设施系统次生灾害链研究,是评估城市抗震韧性的重要内容。本研究的目的是发展震后灾害链“建筑群倒塌-瓦砾堵塞致道路交通系统性能退化-消防系统功能下降”的分析方法。首先,基于建筑倒塌瓦砾分布、道路交通系统通行效率与可达性、以及消防系统响应覆盖率与响应时间,建立了“建筑群-道路交通-消防”多系统灾害链量化分析方法。其中,引入有限元消失单元再现技术,预测了地震下带填充墙混凝土框架倒塌瓦砾的完整分布。其次,采用此方法分析了假想强震下上海市某区域震后的情景。最后,提出城市抗震韧性提升建议。研究表明:建立的方法可快速预测建筑倒塌瓦砾堵塞范围,评估震后道路交通系统和消防系统性能水平。按此方法得到算例区域震后路网总通行时间最多增加26%,路网节点可达性最多降低43%;消防站响应覆盖率下降可达28%,响应时间最多增加32%。

往复荷载下预应力正交胶合木剪力墙抗侧力性能研究

侧向荷载作用下,正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)剪力墙的侧向承载力往往因墙体连接区域发生破坏而骤降。为了避免该破坏特征,提出在CLT墙板中贯穿无黏结预应力钢绞线,进而构成预压于基础上表面的预应力CLT剪力墙。通过拟静力往复加载试验,共测试了3面具有不同初始张拉力的无耗能件预应力CLT剪力墙和1面装有耗能件的预应力CLT剪力墙,所有试件均为2层楼层的缩尺墙体试件,且上、下层墙板间布置有经特殊构造设计的CLT-钢组合楼板系统。基于试验数据,分析侧向荷载作用下,墙体试件的力学性能参数,水平侧移、钢绞线张拉力变化特征和墙体破坏模式,计算墙板与钢基础间的最大静摩擦系数,研究耗能件对预应力墙体耗能能力的提高效果。结果表明:预应力CLT剪力墙具有良好的抗侧力性能,且加载结束后墙体试件几乎完好;位于上、下层墙板间的CLT-钢组合楼板系统能够在有效传递层间竖向力的同时,缓解其中的CLT楼板可能发生较大横纹受压变形的问题;耗能件能够一定程度上提高预应力CLT剪力墙的耗能能力,然而,耗能件与CLT墙板的连接方式还有进一步改进的空间。

碳纤维布约束型钢混凝土矩形柱轴压承载力

为了研究碳纤维布(CFRP)约束型钢混凝土矩形柱的轴压性能,对29个构件进行静力加载试验,考虑配筋率、预载水平、截面圆角半径和高宽比、纤维布加固率和加固方式共6个参数.结果表明:所有约束柱均以核心区混凝土压碎和纤维布断裂为破坏标志;随着预载水平提高,布的有效拉应变不断减小,柱承载力降低;随着圆角半径增大和高宽比减小,纤维布环向应变更高且分布趋于均匀;随着加固率增加,柱破坏模式由弱约束转成强约束,纤维布加固效率降低;在同等用量布的加固下,当条带宽度和间距减小时,构件承载力增幅增加.基于各因素对约束应力的影响,确定了区分大尺寸柱强弱约束模式的界限值;采用叠加法建立了多参数的约束型钢柱轴压承载力计算式.