火荷载下沉管隧道结构的热-力耦合分析

以上海外环线越江沉管隧道为背景,用有限元程序模拟火荷载作用下沉管隧道结构温度场及应力场,并将计算结果与试验数据对比分析,从而确定最佳的分析模型和边界条件,为该领域的研究提供参考依据。根据沉管隧道的结构形式及其特点建立有限元分析模型;参考隧道火灾的试验资料和研究成果确定模型边界条件;通过分析选取合理的混凝土和周围土体的本构模型;分析时还考虑到混凝土热工参数随温度的变化。通过对火灾时沉管隧道不同温度量级的稳态温度场和瞬态温度场分析,得出温度随空间和时间的变化规律,并把分析结果与试验结果进行对比分析。分别进行常温下和火灾时沉管隧道的热-力耦合分析,从而更直观地了解温度场对应力场的影响,得出沉管隧道各个部位在火灾发生时的应力分布情况以及随着不同温度量级的变化规律,以便更有效地为优化设计和防火救灾提供理论指导。最后根据计算结果,结合大量的隧道火灾资料总结火灾时隧道内部的温度场及应力场的危险区域。     

某金融中心巨型桩混凝土温度场现场试验与温控研究

混凝土热学参数的准确与否直接影响其温度场和应力场仿真计算的精度与成败。为了获得能真实反映施工现场混凝土相关特性的参数,水工大体积混凝土研究中已广泛应用反分析方法,通过实测数据分析获得所需参数。本文通过桩基混凝土现场温度检测值,进行反演分析,对比分析计算结果的合理性,并得到混凝土的真实热学特性参数。然后利用这些参数,通过三维有限元法仿真模拟方法对施工现场的巨型桩基进行反馈分析,确定合理的温控防裂措施,便于指导后续施工,保证工程质量。分析结果对今后类似土木工程的建设也有借鉴意义。     

港珠澳大桥沉管隧道1/4足尺节段浇筑试验分析

港珠澳大桥沉管隧道是我国首次采取工厂化预制沉管管节,混凝土沉管管节在预制过程中的裂缝控制是工程中要解决的难题之一,必须在沉管预制施工前进行足尺节段浇筑试验,验证混凝土原材料、配合比、施工工艺以及裂缝控制措施的可行性及可靠性.在试浇块试验、数值模拟研究和局部块体试验的基础上,开展沉管1/4足尺节段浇筑试验,进一步调整配合比,优化施工工艺,发现各施工工艺存在的问题,最后通过温度、应变监测得到了沉管节段温度场和应变场的发展规律,为管节正式预制提供指导.     

沉埋隧道管段的连接形成

介绍了水下沉管隧道的施工工艺、对沉管隧道的连接进行了力学分析．从干舷、抗浮安全系数、沉管的结构高度、预制运输管段等方面，探讨了管段浮运问题，论述了管段的连接及防水处理，以推广该技术。     

磁悬浮轨道梁日照下的温度场及变形

为计算磁悬浮轨道异形截面箱梁在日大气环境下的微挠度,运用ANSYS对轨道梁进行24h瞬态分析。基于热学理论和边界条件的确定,考虑轨道梁不同走向的影响,采用热瞬态分析的技术,实现任意时刻箱梁结构温度场的仿真。以上海磁悬浮轨道梁为例,进行了预应力异形温度场的数值仿真,验证梁是否满足温度变形限值,提出梁设计建议,并以最不利时刻的温度场为依据,提出了此种截面箱梁的温度梯度分布模式。     

清水浦大桥索塔承台大体积砼施工温度控制

本文针对宁波市绕城高速公路清水浦大桥索塔承台的特点，根据砼的热学和物理学特性，通过对索塔承台施工期间内部温度场的分析及仿真应力场的计算，制定了避免温度裂缝产生的温控标准和相应的温控措施。     

大体积混凝土冷却水管温度场仿真分析

针对大体积混凝土预埋冷却水管温度场三维仿真具有一定的难度和复杂性,文中以热流法有限元计算原理为理论基础,基于有限元程序ANSYS通用平台,通过参数设计语言(APDL)以及ANSYS的多种内部函数,编制了模拟混凝土冷却水管温度场的仿真分析程序,成功实现了分析工程的参数化。算例表明,该程序对于含有冷却水管混凝土结构的温度场仿真分析是可行和有效的。     

节段预制箱梁后浇横隔墙的水化热效应分析

结合某实桥工程背景,对节段预制箱梁进行后浇横隔墙施工过程的水化热效应进行了研究,使用有限元软件ANSYS建模,根据三维瞬态温度场理论,进行了水化热效应的仿真模拟,分析了箱体温度场和应力场的分布及随时间变化情况,揭示了水化热温度应力使预制箱体腹板外表面受拉、内侧受压的规律及峰值拉应力区域,指出容易开裂的位置;分析了水泥品种、混合材料用量、入模温度3个参数对应力场的影响规律及影响程度.结果表明:水泥品种对水化热效应的影响最大,其次是混合材料用量的影响,入模温度对水化热效应的影响最小.     

基于单纯形加速理论混凝土瞬态温度场热学参数的动态反演研究

基于单纯形加速理论,对混凝土瞬态温度场热学参数进行了反演研究。基于Bayes理论,推导了混凝土瞬态温度场热学参数的动态误差函数。利用单纯形加速理论优化动态误差函数,研究了热学参数的反演方法,编制了相应的计算程序。从理论推导和典型算例分析可知,利用单纯形加速理论反演混凝土瞬态温度场热学参数时,只需利用若干点温度观测值即可同时进行多个热学参数的反演分析,且无需计算误差函数对待估参数的偏导数,大大提高了计算效率。计算结果表明,单纯形加速理论用于温度场热学参数的动态反演是适合的,具有良好的计算精度和数值稳定性。     

沥青路面动态黏弹反演研究

对沥青路面结构进行动态黏弹反演, 正向分析采用谱单元法,采用典型路面结构分析验证了谱单元法动态黏弹分析的正确性;采用实测和计算得到的路表弯沉整体时程曲线的均方误差作为反演误差控制方程,以序列二次规划算法作为优化算法,对路面结构层力学参数进行优化。对半刚性基层和复合式基层两种沥青路面结构动态进行黏弹反演,结果表明：利用谱单元法对沥青路面进行动态黏弹响应分析,可以极大地提高计算效率,动态反演可充分利用弯沉时程曲线的数据信息,反演得到的动态模量、相位角数主曲线组成完整的黏弹力学参数,可以更全面地描述沥青层的力学特性以及荷载作用频率和温度场的影响。动态黏弹反演方法可以弥补传统反演结果无法得到的力学参数主曲线的缺陷,为沥青路面分析及质量评定提供了有效的方法。     

Instationäres 3D Thermo‐mechanisches Modell für Beton

Transient 3D thermo‐mechanical Model for Concrete In the present paper a transient three‐dimensional thermo‐mechanical model for concrete is presented. For a given boundary conditions, temperature distribution is calculated by employing a three‐dimensional transient thermal finite element analysis. The thermal properties of concrete are assumed to be constant and independent of the stress‐strain distribution. In the thermo‐mechanical model for concrete the total strain tensor is decomposed into pure mechanical strain, free thermal strain and load induced thermal strain. The mechanical strain is calculated by using temperature dependent microplane model for concrete [1]. The model is implemented into a three‐dimensional FE code. The performance of headed stud anchors exposed to fire was studied. For a given geometry of a concrete member and for a constant concrete properties a three‐dimensional transient thermal FE analysis was carried out for three embedment depths and for four thermal load histories. The analysis shows that the resistance of anchors can be significantly reduced if they are exposed to fire. The largest reduction of the load capacity was obtained for anchors with relatively small embedment depth. The numerical results agree well with the available experiments.     

基于并联假设的混凝土高温损伤本构模型

假设混凝土由一系列几何属性相同的结构微元并联而成,利用结构微元的随机断裂和高温软化模拟混凝土在力学荷载和温度荷载作用下的损伤机制,建立混凝土高温损伤本构模型;采用Mazars等效应变作为描述结构微元断裂破坏的强度判据,建立力学损伤演化方程;采用弹性模量随温度的变化反映高温作用下结构微元性能劣化的程度,建立热损伤演化方程;通过单轴压缩应力应变试验曲线和弹性模量随温度的变化曲线,给出了损伤演化方程中参数的求解方法。最后通过数值计算,得到了不同温度和围压作用下的应力应变关系。     

基于渗透非线性的黏土岩热–水–力耦合效应研究

在多孔介质的热–水–力耦合分析中,孔隙率和孔隙水的黏滞性是影响渗透性的主要因素。通过研究孔隙率和孔隙水黏滞性的改变规律,在数值分析时,引入了孔隙率随应力改变和孔隙水黏滞性随温度改变的渗透非线性分析方法。同时研究了数值分析中温度荷载作用下应力边界条件和位移边界条件对温度应力的影响。研究结果表明:温度荷载作用下,数值分析时采用应力约束边界比位移约束边界更合理;考虑渗透非线性情况下得到的孔隙压力计算值与实测值更接近。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

热应力作用下的岩石破裂过程分析

热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA^2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。     

不连续应力边界土压力的严密解法

基于上下限定理的推论,分析了不连续应力边界下土体中不连续应力场和速度场特征。根据应力不连续线和速度不连续的性质,在考虑有重土、土和墙体摩擦情况下,通过数值计算,解三类边值问题。求得墙后土体在表面受不连续荷载时,挡土墙绕基底转动下土体的静力场,同时对对应的机动场进行分析,找出了满足所有速度边界条件和静力边界条件的应力场,得到绕墙基转动下挡土墙土压力的严密解。算例表明:文中求解极限平衡问题真解的算法是可行的。     

基于DSCM-FEMU的岩石力学参数反演研究

将数字散斑相关方法(DSCM)与有限元模型修正方法(FEMU)相结合,建立了岩石力学参数反演流程。首先,通过数字散斑相关方法,获取实验中岩石试件受载条件下的应变场;其次,利用有限元模拟方法,获取数值模型中的应力场;最后,构建最小二乘目标函数,并且通过不断更新有限元模型中给定的力学参数进行优化计算。当目标函数收敛时,得到与实验结果最匹配的力学参数。研究结果表明:(1)数字散斑相关方法与有限元模型修正法相结合,可以实现材料的力学参数反演;(2)得到以实验应变场、有限元应力场、材料弹性模量和泊松比组成的参数优化目标函数;(3)以三点弯曲实验为例,反演得到花岗岩的弹性模量和泊松比。     

混凝土火灾损伤本构模型研究

混凝土材料在高温作用下的力学性能研究对混凝土结构防火设计和火灾损伤评估具有重要意义。构建了混凝土火灾损伤本构模型,引入热损伤反映温度对混凝土弹性模量、抗拉强度、抗压强度等力学参数的影响,考虑到混凝土受拉和受压状态下的不同的损伤特性,将混凝土材料的损伤分为受压损伤、受拉损伤和热损伤三种。建立了损伤演化、塑性流动以及内变量演化方程,通过塑性-损伤耦合,描述了不同温度和应力状态下混凝土的应力-应变特性,证明了模型严格符合热力学定律。利用所建立的本构模型对不同温度下的混凝土单轴拉伸、压缩试验进行了模拟计算,计算结果与试验结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。     

A coupled thermal-hydraulic-mechanical application for assessment of slope stability

The stability of a slope is subjected to thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) loadings and their coupling effects. Modeling the coupled THM processes that occur in the slope is important for reliably assessing and predicting the slope performance and stability. Therefore, a numerical model, which can consider the full coupling among the thermal (temperature variation), hydraulic (pore water pressure), and mechanical (stress and displacement) processes, is developed in this study. The developed model is employed to analyze slope stability, and the simulated results are seen to coincide well with the results obtained by traditional limit equilibrium calculation. A comparison of the results verifies the validity of the developed model for slope stability analyses under THM coupled effects. Furthermore, the capability of the developed THM model for predicting the slope performance is validated through comparisons of three case studies in terms of both laboratory experiments and numerical simulations. A favorable agreement between the modeling results and the compared data confirms the capability of the developed model to accurately describe the behavior of a slope affected by THM coupled processes. The modeling results can also contribute to a better understanding of slope failure induced by the THM couplings.     

Validation of a numerical model for curtain walls with MVHS during free burning

Glass breakage of curtain wall coverings during a fire can promote the spread of a fire in high-rise buildings. Prior to the development of sprinklers to prevent and delay glass breakage, it is necessary to identify the breakage mechanism of curtain wall glass panes and to establish a numerical model to simulate various fire situations using sprinklers to design effective sprinkler systems. The present study was conducted to establish a numerical model and analysis procedures to simulate fire situations. First, curtain wall was installed on one side of a testing chamber that was 3 m (L) × 3.2 m (W) × 2.4 m (H), and a free burning experiment was conducted using heptane. The same experimental conditions were simulated using a numerical model employing the modified volume heat source (MVHS) model. To analyze the validity of the numerical model, the air temperature inside the room and the surface temperatures of the curtain wall Al frame and glass panes calculated by numerical analysis were compared with experimental values, and the location and timing of the initial crack were compared. Thermocouples were installed on the Al frame and the glass surface to measure the surface temperature of the curtain wall during the fire for approximately 100 s after the onset of the fire. Additional thermocouples were installed to measure the air temperature inside the room to verify the results of the numerical analysis. A numerical model using the MVHS model was established to analyze the overall temperature distribution and the behavior of thermal stress on the curtain wall caused by the fire. MVHS calculations were based on measured fuel consumption, and the numerical analysis results were compared with the experimental values. We confirmed that the temperature calculated using computational fluid dynamics (CFD) was in good agreement with the temperature measured in the experiment. The temperature distribution and thermal stress of the curtain wall up to the point of glass breakage were reviewed using a thermal stress structural analysis that employed the results of the CFD analysis with MVHS. The time required to reach the temperature required for glass to break in the numerical analysis and the time required for the first crack to occur in the experiment were identical. The crack positions obtained from the numerical model and experiments were also the same. Overall, our results showed that the numerical model using the MVHS model is suitable for predicting curtain wall breakage and temperature distributions inside a space during the fire.