不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

相比传统钻孔埋管换热器地热采集技术,不断优化的能源桩技术在建筑节能工程应用中更具高效及经济优势.根据深层埋管型能源桩、桩内埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器3种不同地埋管换热器的结构特点,通过现场试验及数值模拟分析3者换热特性.结果表明,相同埋深下,深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器;相同桩长下,深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩;桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果,深层埋管型能源桩的井-桩段换热比达到1.95;深井的设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰,还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.研究表明,通过优化换热器施工工艺,降低换热管间的热干扰效应,可有效提高换热器整体换热效果.     

能量桩群桩换热效率的数值模拟与分析

开展能量桩换热过程的数值模拟研究,分析各参数对能量桩群桩换热性能和桩土温度响应影响规律,可为探索高效经济且可行的能量桩设计提供理论依据。文章通过简化能量桩运行过程,利用Abaqus软件建立考虑桩内导管桩土之间相互作用的能量桩三维数值模型,并用收集的实验数据验证模型可行性,对各桩间距下不同换热管数的能量桩群桩与不同岩土体中的能量桩群桩的换热过程进行模拟,分析了不同桩径群桩在不同换热管数和桩周土体条件下的换热量及其换热效率。结果表明:各能量桩群桩换热前期无差异,之后桩间距越大的群桩换热量越大;三U型能量桩群桩的热效率系数大于单U型和双U型的;岩石作为桩周土体的换热效率要高于黏土,砂土的最低,而且桩间距接近4.5倍桩径时,黏土中的群桩热效率系数趋近于砂土。     

制冷工况下PHC能源桩的换热性能分析

为研究不同因素对预制高强混凝土(precast high-strength concrete,PHC)能源桩换热性能的影响,建立PHC能源桩三维数值仿真分析模型,分析不同注浆回填材料导热系数、热交换管入口温度、桩体导热系数和PHC桩回填直径对PHC能源桩换热性能的影响.结果表明,PHC能源桩的换热量随注浆回填材料导热系数的增加而增大;制冷工况下,提高热交换管的入口温度有利于提升PHC能源桩的换热量;桩体导热系数的增加会提高PHC能源桩的换热性能;PHC能源桩的换热量随着PHC桩回填直径的增加而逐渐提高.通过田口法分析了不同因素对PHC能源桩换热性能的影响,热交换管入口温度的影响最大,其次是注浆回填材料导热系数和PHC桩回填直径,桩体导热系数的影响最小.研究结果可为PHC能源桩的工程设计和应用提供技术支撑和指导.     

地源热泵桩基与钻孔埋管换热器换热性能比较

相对于钻孔埋管换热器,桩基埋管换热器在换热性能和经济性方面均具有较大优势,目前越来越广泛的应用于地源热泵工程中。围绕钻孔与桩基埋管换热器的结构特点和换热机理进行对比分析,针对南京某项目桩基埋管换热器开展了换热性能实测及数值模拟分析,并采用数值模拟手段对比分析了钻孔与桩基埋管换热器的换热性能差异。研究结果进一步证明了桩基埋管换热器具有良好的换热性能。提出的传热性能数值模拟方法可较准确地计算出桩基和钻孔埋管换热器的传热效率。     

冷热循环作用下砂土地基能量桩热传递特性测试系统

能量桩是一种兼具换热和承担建筑荷载功能的新型建筑节能技术,为研究冷热循环温度影响下能量传递特性,设计了一套新型的能量桩模型实验及测试系统,较为系统地研究了砂土地基中预制单U型混凝土能量桩的传热特性。试验结果表明:在能量桩换热过程中,热量更易从桩体传递到土体;冷热循环中,桩身温度差异较小,温度沿桩身分布均匀;制热工况下能量桩在土体中的温度影响范围大于制冷工况,能量桩换热效率随着桩身与土体温度差异的减小而减小。     

可液化土中劲芯复合桩的地震响应特征

劲芯复合桩是将预制混凝土管桩插入水泥土桩中复合而成的新型桩基。通过振动台模型试验及有限差分程序FLAC3D数值模拟分析,研究可液化地基中劲芯复合桩的地震响应。利用模型试验结果验证数值模型的准确性和可靠性,进而通过参数分析讨论水泥土桩桩径、桩长、剪切模量等因素对可液化土—复合桩—上部结构地震响应的影响规律,定量评价水泥土桩加固对场地抗液化性能及桩基弯曲破坏的影响特征。结果表明：增大水泥土桩桩径和桩长可有效提高复合桩的抗震性能;增大水泥土剪切模量对复合桩抗震性能的提高有限;桩基在桩头附近或水泥土与可液化砂土交界处易产生较大的弯矩响应,该部位应采取必要的抗震构造措施。根据研究结果,提出了可液化地基中劲芯复合桩的抗震设计要点。     

纺织厂空压机排气末端换热器的设计

为了节能减排,采用有机朗肯循环(ORC)回收纺织厂空压机压缩后的高温热废气并发电,设计新型排气换热器内部流体流道结构,建立流道内流体流速、压力、湍动能以及湍流耗散率等流体数学模型.利用CFD软件进行数值模拟,分析内部流体的流动及换热情况.分析结果表明:内部流体流动湍流性能增强,换热效果明显;提高热空气流速和降低工质流速时传热性能更好;较大的翅片尺寸换热系数较小,换热效率低;排气换热器的换热效率最高可达95.3%.     

桩墩配筋率比对桥梁结构塑性区长度的影响

采用弹塑性纤维单元模型对某连续梁桥桥墩及桩基进行了考虑桩一土动力相互作用的非线性地震反应分析,分析了不同类型地震波作用下桥墩及桩基的动力响应,重点研究了不同桩墩配筋率比对结构塑性区开展程度及动力响应的影响。结果表明：随着桩墩配筋率比的改变,桥墩和桩基的反应塑性率呈现出不同的变化趋势,桩墩配筋率比的大小对桥梁结构的塑性区开展有显著影响;桥墩的配筋率大小不仅对桥墩塑性区开展有显著影响,而且对桩基的影响较大;不同类型的地震波对群桩基础桥墩结构的动力响应影响不同,长周期地震波对结构的影响最大,内陆直下型地震波次之,板块边界型地震波最小。     

桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响分析

为研究桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响,本文以实际工程为背景,建立全桥三维模型,根据现有经典理论计算背景工程的最大冲刷深度,将土对桩基的作用等效为土弹簧,采用“m”法计算冲刷线以下的桩-土相互作用刚度,从而得到不同冲刷深度下的全桥分析模型。通过对结构进行动力特性分析及地震响应时程分析,对比研究了不同桩基冲刷深度对大跨斜拉桥抗震性能的影响。研究表明:冲刷使得桥梁结构整体变柔,自振周期变长;冲刷深度越大,桩基在地震作用下的位移响应也越大;冲刷深度对桩基剪力的影响与桩长有关,桩基越长,剪力变化趋势越复杂;IDA分析显示,冲刷对桥梁的不利影响随地震动强度的增大而增大;结果表明桩基的局部冲刷会进一步加剧桥梁在地震作用下的危险性,冲刷问题在抗震设计中应予重视。     

一种新型磁涡流节能供热装置研制

风能储量大、分布区域广,是一种开发利用潜力巨大的可再生清洁能源。作者提出将风能直接就地转化成热能为建筑物供暖,聚焦提高风力磁涡流致热和换热效率研究。采用海尔贝克阵列磁极排列建立单边磁场,增大定子涡流,较表贴式磁极结构的致热功率提升28.27%;采用昆虫翅脉结构仿生流道设计发热体,增大换热面积,较传统螺旋形流道换热效率提高18.7%。在致热和换热设计性能仿真基础上,采用SolidWorks完成风力磁涡流制热装置的机械设计,并制作了一台5 kW原理样机,开展整机台架致热效果试验,结果表明平均致热效率可达55.82%。提出的新型磁涡流节能供热装置,可实现海岛、农村和边疆等电网难以达到地区建筑物绿色供暖,有着广阔的应用前景。     

软土地基中组合桩承载性状试验研究

为掌握组合桩(钢筋混凝土桩插入水泥土搅拌桩复合而成的桩)的荷载传递机理、破坏模式和竖向承载力特性,通过对3根14 m长桩的载荷试验和桩身应变的测量,分析了桩身轴力的分布和桩周的侧摩阻力分布及影响组合桩承载力因素.试验得到了组合桩的Q-S曲线、S-logt曲线、桩的极限承载力;试验表明混凝土桩的插入改变竖向荷载的传递规律,形成了从混凝土桩到水泥土再到土的传递模式,更有效地发挥了桩周的侧摩阻力;水泥土的固化效应、混凝土桩的挤土效应和混凝土桩的荷载传递是组合桩高承载力的主要来源.组合桩具有较高的单桩竖向承载力且造价低,在软土地基工程中具有广泛的应用价值.     

半埋管能源桩温度传播特性现场试验及Matlab数值模拟

依托浙江某工程路段,针对一种特殊的半埋管能源桩开展现场试验,通过对桩身及桩周土体温度等进行监测,研究了热水循环作用下能源桩的温度传播特性。发现温度荷载作用下桩体温升沿桩长方向先增大后减小,桩体埋深较深处的换热效率更显著。后通过Matlab模拟出不同桩深处距桩中心不同位置处土体温度值,桩侧临近范围内土体升温显著,因此在实际应用中需要考虑热温度循环对土体热传递特性和力学性质等物性参数的影响。结果表明:热水循环48 h,对距桩中心1 m(2.5D,D为能源桩直径)范围内土体温度有一定影响。延长模拟时间至一年有效工作时间,对土体温度场的影响范围可达2.8 m(7D)。     

既有建筑地下开挖工程中在役桩竖向承载特性分析

如何评价土体开挖条件下在役桩的竖向承载能力,是桩支承的既有建筑地下开挖工程中亟待解决的关键问题,围绕上述问题,明确土体开挖条件下土体应力状态改变、回弹等因素对桩侧和桩端承载特性的影响,建立考虑土体开挖效应影响的桩侧荷载传递双曲线模型和桩端荷载传递双折线模型,考虑开挖卸荷效应引起的土体超固结状态提出土体开挖条件下桩侧极限摩阻力的计算方法,基于有限差分法和荷载传递法形成既有建筑地下开挖条件下在役桩基竖向承载特性的计算方法。通过与现有试验结果比对分析,验证计算方法的合理性。结果表明,对地下增层开挖条件下单桩进行分析时,应考虑开挖引起的土体回弹、桩周土超固结状态等因素对桩侧和桩端承载特性的影响,当计算的归一化土体回弹量较小时(<1),沉降分析中可不考虑回弹效应。     

仿生牙根桩承载性能透明土模型试验研究

基于仿生学原理并结合哺乳动物下颌磨牙承载力高的特点,提出一种模仿哺乳动物下颌磨牙的仿生牙根桩,仿生牙根桩的承载性能和沉桩时的挤土效应不同于传统底部截面为圆形的锥形或平底桩。结合数值方法和模型试验研究其承载特性及沉桩过程中的桩—土作用,采用DEM离散元方法进行数值模拟研究,发现仿生牙根桩能大幅提高桩底承载力,但易引起土体应力集中。基于数值模拟结果进行模型试验,采用基于透明土模型试验的粒子图像测速技术（PIV）,利用沉桩加载仪和CCD高速工业相机连续拍摄沉桩加载过程中桩周土体在线性激光器下产生的散斑场,得到整个土体的位移场。结果表明：仿生牙根桩对竖向荷载的承载能力超过普通锥形桩1倍左右,引发的桩身拖曳效应与桩底部竖向土体位移更加显著,且在桩中心内凹不太大时,其引发的土体横向位移较小。     

嵌岩桩竖向荷载-沉降特性的有限元分析

嵌岩桩因单桩承载力高在工程上得到广泛应用.迄今为止,嵌岩桩的荷载传递机理尚不完全清楚,单桩沉降的影响因素又十分复杂.以ABAQUS为平台,对嵌岩桩的荷载沉降特性进行了全面的有限元分析,探讨了嵌岩桩受竖向荷载作用下影响单桩承载力及沉降的各种因素.分析结果表明,嵌岩深度、桩身弹性模量、嵌入岩石弹性模量、沉渣厚度是影响单桩承载力及沉降的主要因素.     

Uplift behavior and load transfer mechanism of prestressed high-strength concrete piles

Prestressed high-strength-concrete (PHC) tube-shaped pile is one of the recently used foundations for soft soil. The research on uplift resistance of PHC pile is helpful to the design of pile foundations. A field-scale test program was conducted to study the uplift behavior and load transfer mechanism of PHC piles in soft soil. The pullout load tests were divided into two groups with different diameters, and there were three piles in each group. A detailed discussion of the axial load transfer and pile skin resistance distribution was also included. It is found from the tests that the uplift capacity increases with increasing the diameter of pile. When the diameter of piles increases from 500 to 600 mm, the uplift load is increased by 51.2%. According to the load-displacement (Q-S) curves, all the piles do not reach the ultimate state at the maximum load. The experimental results show that the piles still have uplift bearing capacity.     

水泥土群桩承载力特性的原位试验研究

通过现场足尺试验,研究了软土中水泥土群桩的承载力特性.利用埋设的土压力盒等测试元件,针对单桩、四桩、九桩复合地基情况,分别测试了承台土反力、桩身轴力及复合地基变形等参数.从影响水泥土桩复合地基承载力的三大控制要素着手,根据系统的原位试验结果,定量分析了桩长、桩间距、桩数等对水泥土群桩复合地基承载力特性的影响.结果发现,发挥承载力的临界桩长为12倍桩直径,增大置换率能显著提高复合地基承载力,群桩复合地基承载力约为单桩复合地基承载力的80%.     

配置钢桁架的型钢砼承台受力性能的试验研究

通过对1块配着钢桁架的型钢砼6桩承台与3块相同尺寸、相同砼强度、相同布桩形式但不同配筋形式的6桩承台的对比试验，分析了这种型钢砼承台的受力性能，初步揭示出其传力模式是空间桁架，证明了这种型钢砼承台具有承载力高、延性好，进而能降低板厚，节约工程造价的优良性能。