锈蚀损伤混凝土管桩水平承载性状时变分析

为研究锈蚀损伤混凝土管桩的水平承载性状,依据Fick第二定律,建立了氯离子在混凝土管桩中的扩散方程,并结合初始和边界条件,得到扩散方程的解析解.依据厚壁圆筒模型,推导了钢筋混凝土管桩保护层锈胀开裂时的钢筋临界锈蚀深度.基于Faraday定律,对钢筋混凝土管桩保护层锈胀开裂时间进行了预测.并在此基础上,通过引入桩身抗弯刚度折减系数对海洋环境下锈蚀损伤钢筋混凝土管桩的桩身抗弯刚度的衰减规律进行了探讨,进而对海洋环境下锈蚀损伤钢筋混凝土管桩的水平承载性状的时变特性进行了分析.结果表明:海洋环境中氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀对钢筋混凝土管桩的水平承载性状有明显影响.随着暴露时间的延长,桩身抗弯刚度呈非线性衰减,桩身水平位移和桩身负剪力最大值逐渐增大,桩身弯矩逐渐减小.     

环境温度对混凝土管桩氯离子扩散性能的影响

基于Fick第二扩散定律,建立混凝土管桩中考虑环境温度和氯离子结合能力的氯离子扩散模型。针对环境温度对混凝土管桩中氯离子扩散性能的影响开展试验研究,将不同水灰比（0.30、0.45和0.55）混凝土管桩置于不同温度（21、30、50℃）的5%氯化钠盐雾中,开展为期32 d的浸泡试验。依据试验结果和氯离子扩散模型,得到不同温度条件下、不同水灰比混凝土管桩中的自由氯离子浓度分布、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数、活化能和氯离子结合能力值。试验结果表明：随着环境温度的升高,自由氯离子浓度、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数增大。随着环境温度从21℃升高到30℃,氯离子结合能力显著增加,但随着环境温度从30℃升高到50℃,氯离子结合能力却略有减小。由于表观氯离子扩散系数的对数与环境绝对温度的倒数呈线性变化规律,因此,可推断氯离子在混凝土管桩中的扩散符合Arrhenius理论。     

粘贴加固混凝土氯离子扩散的理论模型和数值模拟

基于物质非稳态扩散理论,采用现有研究对Fick第二定律的修正方法,并将粘贴加固考虑为对氯离子扩散方程边界条件的调整,提出可用于粘贴加固混凝土的氯离子扩散理论模型。利用ABAQUS、MATLAB PDE tool、MATLAB自编程3种方法均可对粘贴加固混凝土梁的氯离子扩散过程进行数值模拟。对比未加固与加固构件的氯离子扩散规律,发现粘贴加固可降低钢筋表面的氯离子浓度值,延缓氯离子浓度到达临界锈蚀浓度的时间,增加材料使用寿命,并且加固时间越早,增加寿命越长。     

基于轮胎非线性模型的汽车操纵系统的动力学分析

基于一种轮胎非线性侧偏特性模型,利用近似解析方法研究了汽车的操纵动力学问题,给出了表征汽车稳态响应的横摆角速度增益、转向半径之比、前后轮侧偏角之差的近似解析解.结果表明,当前轮输入角较大时,稳态横摆角速度增益会迅速增加;而当车辆高速行驶时,即使前轮输入角很小,转向半径之比也会很大.与线性轮胎侧偏特性模型相比,考虑轮胎侧偏特性的非线性时,转向不足的区域明显减小.     

盐雾环境下氯离子在混凝土中的扩散

通过模拟滨海盐雾环境,采用不同配合比的混凝土试样,进行盐雾环境下的腐蚀试验,研究盐雾氯离子在混凝土中的扩散模型.研究发现,盐雾氯离子在混凝土中的扩散与Fick第二定律的解析解存在一定差距.实验引入环境系数概念,提出经修正的Fick第二定律,推导出修正后的解析解.实验结果显示,实测数据和修正的Fick第二定律符合很好.在实际滨海环境下,选取两处有代表性的钢筋混凝土结构,在典型部位抽取芯样,考察了实际盐雾氯离子对混凝土结构的作用,结合当地环境特征,通过拟合数据点,确定环境系数,验证了环境系数在实际混凝土结构中的应用及其评价意义.     

多孔建筑材料水蒸气扩散系数的瞬态测试方法

为了缩短多孔建筑材料水蒸气扩散系数的测试时间,提出基于求解瞬态一维质扩散反问题的瞬态测试方法.以典型的多孔建筑材料B04型加气混凝土为例,采用电容式相对湿度传感器对试样内部的相对湿度分布进行动态监测,以实现该瞬态测试方法,由瞬态一维质扩散反问题的解得到加气混凝土试样的水蒸气扩散系数.结果表明,瞬态测量值与通过稳态法测试得到的相同相对湿度下的值吻合度较高,最大偏差在30%以内.与耗时长达2个月以上的稳态法相比,该瞬态测试方法耗时仅需数天,可以仅由一次测试获得水蒸气扩散系数随相对湿度的变化规律曲线,极大地提高了测试效率.     

海洋环境混凝土中氯离子浓度预测的多系数扩散方程

综合考虑了影响氯离子扩散系数的时间效应、混凝土的氯离子结合能力、温度、劣化效应、应力与开裂状态、环境条件等因素,对基于Fick第二定律的扩散方程进行修正,得到了预测混凝土中氯离子浓度分布的多系数扩散方程,给出了解析解.通过浸泡试验和暴露试验对预测模型进行验证,发现预测值与实测值吻合较好,证明了预测方程的有效性.     

孔隙分形修正的混凝土中氯离子扩散系数

在已有的氯离子扩散理论和孔隙分形理论的基础上,提出小孔的孔轴线分形维数表征氯离子扩散的曲折度、大孔的孔表面分形维数修正孔隙率,并推导得到基于孔隙分形修正的氯离子扩散系数模型。通过分析龄期为14 d和28 d不同配比混凝土的基于孔隙分形的氯离子扩散系数模型的计算结果和快速氯离子扩散试验(ASTM C1202)电通量,发现两者之间有良好的线性关系。采用基于孔隙分形修正的氯离子扩散系数代入Fick第二定律的解析解,对试验后各组混凝土中不同扩散深度的氯离子浓度进行拟合,计算结果与实测值吻合情况较好。     

混凝土中氯离子扩散数值研究

针对混凝土氯离子扩散系数以及表面氯离子浓度受时间效应的影响,采用COMSLOL有限元软件对氯离子扩散过程进行数值模拟,将预测结果与实测试验结果相比较,验证该方法是一种有效的氯离子扩散分析方法.考虑实际环境中氯离子扩散受时间因素及不同氯侵蚀环境因素影响,分别对不同水灰比及不同龄期下的混凝土氯离子扩散进行模拟,为分析近海和除冰盐环境下结构混凝土中氯离子浓度分布提出了一种新的预测方法.     

多因素作用下钢筋混凝土构件氯离子扩散系数模型

通过对钢筋混凝土氯离子侵蚀机理的分析,在Fick第二扩散定律基础上,建立了综合考虑水灰比、湿度、时间、温度、混凝土材料对氯离子结合作用等多因素作用下的氯离子侵蚀模型,并给出了考虑边界条件的侵蚀模型数学解。通过对长期现场暴露试验数据分析,验证了该侵蚀模型的有效性和可靠性。与传统的Fick第二扩散定律模型对比并分析得：该模型不仅能反映结构实际受氯盐侵蚀的发展趋势和混凝土不同深度处的氯离子浓度,而且能预测不同时期钢筋处的氯离子含量和钢筋开始锈蚀时间。     

Vertical vibration of a large diameter pipe pile considering transverse inertia effect of pile

Considering the transverse inertia effect of pile, the vertical dynamic response of a large diameter pipe pile in viscoelastic soil layer is studied. The wave propagations in the outer and inner soil are simulated by three-dimensional elastodynamic theory and those in the pile are simulated by Rayleigh-Love rod theory. The vertical and radial displacements of the outer and inner soil are obtained by utilizing Laplace transform technique and differentiation on the governing equations of soils. Then, based on the continuous conditions between the pile and soils, the displacements of the pile are derived. The frequency domain velocity admittance and time domain velocity response of the pile top are also presented. The solution is compared to a classical rod model solution to verify the validity. The influences of the radii and Poisson ratio of pile on the transverse inertia effect of pile are analyzed. The parametric study shows that Poisson ratio and outer radius of pile have significant influence on the transverse inertia effect of large diameter pipe piles, while the inner radius has little effect.     

考虑桩-土相互作用的粘弹性土中管桩的纵向动力阻抗分析

在考虑三维波动的条件下,利用分离变量法求解了管桩桩周和桩芯粘弹性土层的竖向振动,对粘弹性土层中弹性端承摩擦管桩与土层的耦合振动问题进行了研究,得到了粘弹性土层中管桩的复刚度和桩顶导纳.讨论了桩周土和桩芯土剪切模量比、粘滞阻尼系数比和管桩内外半径比对管桩竖向动力阻抗的影响.     

径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

为分析施工扰动对管桩纵向振动特性的影响,发展建立了基于复刚度传递径向多圈层平面应变模型黏性阻尼土中管桩-土体纵向耦合振动模型.利用拉普拉斯变换和径向复刚度传递,得到桩芯土与桩身界面处的复刚度,并利用桩土界面上位移连续、力平衡条件推导得出桩顶动力阻抗的解析解,通过进一步参数化分析分别探讨桩长径比、桩内外径比、桩身弹性模量、土体黏性阻尼系数、桩周土施工扰动程度和扰动范围对桩顶纵向振动特性的影响规律.结果表明:管桩桩长增加使得桩顶动力阻抗曲线振幅和共振频率降低;桩芯土体对桩体可以起到减震作用;桩顶动刚度和动阻尼曲线振幅随施工引起桩周土软(硬)化程度增加而减小(增大);管桩桩顶动力阻抗振幅水平随施工扰动引起桩周土体软(硬)范围增加而增大(减小),此种影响仅在近桩小范围内较为明显,超出该范围即大幅衰减至稳定;当施工扰动较明显时,在管桩纵向振动特性分析中宜考虑此种桩周土体径向非均质性的影响.     

腐蚀环境中混凝土桩基耐久性研究进展

腐蚀环境中地下混凝土结构的耐久性问题一直是国内外研究的热点问题之一.针对海洋和近海氯盐侵蚀环境与内陆盐湖和盐碱地硫酸盐侵蚀环境中地下混凝土结构的耐久性问题,分别从混凝土侵蚀机理、侵蚀性离子扩散机制、钢筋锈蚀机理、混凝土强度和刚度损伤等几个方面总结和归纳了当前国内外的研究现状,探讨了氯盐侵蚀环境和硫酸盐侵蚀环境中地下混凝土结构的损伤特性和劣化机制.在此基础上,考虑PHC预制管桩和现浇钻孔灌注桩的制作养护工艺,分别论述了海工环境中水平受荷PHC管桩和盐渍土环境中竖向受荷钻孔灌注桩的侵蚀劣化机理,进而结合海工环境中水平受荷PHC管桩和盐渍土环境中竖向受荷钻孔灌注桩的承载机制,探讨了各自承载特性的退化规律,总结了海工环境中水平受荷PHC管桩和盐渍土环境中竖向受荷钻孔灌注桩寿命的预测方法.最后,基于当前腐蚀环境中钢筋混凝土桩基耐久性研究现状,笔者根据自己的见解提出了今后的研究思路和方向,以期为腐蚀环境中和复杂应力条件下钢筋混凝土桩基的耐久性研究以及今后相应规范的制定提供一定参考.     

黏性土中开口与闭口模型管桩受力性状试验研究

为研究开口和闭口试桩在黏性土体静力沉桩过程中荷载传递规律及承载性能的差异性,采用桩身开槽预埋增敏微型光纤光栅传感器的方法,针对黏性地基土,开展两组不同桩端形式模型试桩承载性能对比试验,测得沉桩过程中压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力及桩身轴力发展变化规律。结果表明：光纤光栅传感器可实时监测沉桩过程中桩身受力状态;开口和闭口模型管桩的压桩力、桩端阻力等荷载均随着沉桩深度的增加呈增长趋势,而不同贯入深度下的桩身轴力却逐渐递减;黏性土中的静力压桩、开口管桩和闭口管桩的桩端阻力占比均超过50%;在桩侧摩阻力发挥上,双壁开口模型管桩外管是内管的3倍。当开口管桩贯入深度达到最大值90 cm时,土塞高度稳定在33 cm,此时,桩侧单位侧摩阻力的分布呈下大上小的形式。     

基于径向不变假定的变阻抗现浇大直径管桩瞬态动测响应频域解

为了分析低应变检测时有缺陷的现浇混凝土大直径管桩在瞬态集中荷载作用下的动力响应问题,基于径向不变假定建立了任意段变阻抗大直径管桩的计算模型和波动方程,采用Laplace变换法求得了波动方程的频域解析解,采用Fourier逆变换求得了时域响应.将计算结果与3维有限元、1维波动理论和3维解析解的结果进行了对比分析.研究结果表明:本文解析方法的计算结果和3维有限元结果较为接近;在90°测点,3维有限元、本文解析解和1维波动理论的速度响应差别不大.通过桩顶不同点的动力响应分析可知,入射波峰到达的时间随测点与激振点夹角不同而变化,夹角越小,到达时间越早;深度较浅缺陷反射波峰到达的时间随测点与激振点夹角而异,但达到一定深度后,缺陷反射波峰到达时间差别较小;高频干扰最小的点在夹角90°的点;对工程实测曲线的较好拟合表明该频域解析解具有一定的工程实用价值.     

变截面管桩水平承载性状模型试验研究

在室内基坑中对1根等截面管桩和2根变截面管桩进行单桩水平静载荷模型试验,对比研究两类管桩单桩水平承载性能方面的差异。试验结果表明:等截面模型管桩与变径比为0.57与0.71的变截面模型管桩的单桩水平的临界荷载依次为1.2,1.6,1.2 kN;单位体积水平承载力特征值依次为95,147,115 kN/m3。变径比为0.57与0.71的变截面管桩的单位水平承载能力比等截面管桩分别提高了55.1%和21.6%;变截面管桩变径比越小,单位水平承载能力越大;材料的利用率也越高。     

混凝土灌注桩中混含硫酸盐的时变分布规律

硫酸盐环境下,为模拟混凝土灌注桩施工时混入的硫酸盐在桩中的时变分布行为,基于Fick第二定律并结合初始条件与边界条件,应用分离变量法,建立硫酸盐在桩中的时变分布模型。通过算例将本文解与传统解进行比较,并进一步探讨了硫酸盐扩散分布的影响因素和影响规律。结果表明,传统解用于分析混凝土灌注桩桩中硫酸盐扩散有局限性,而本文解相对于传统解具有一定的优势。混凝土灌注桩半径越小,应用传统解分析灌注桩中硫酸盐时变分布误差较大,同时,误差随时间增大。硫酸盐在混凝土灌注桩中的时变分布呈沙漏形,沿半径方向x=0处和桩表面处扩散行为明显,在x=0处附近区域,初始第一年扩散速率较快,在后续的50 a内扩散速率显著减小,但每10 a的平均速率基本相同。扩散系数和初始浓度梯度对硫酸盐在混凝土灌注桩中的时变分布影响较大。     

填芯管桩在基坑支护工程中水平承载性状分析

为研究混凝土管桩在基坑支护中的承载性能,通过对2组不同内径的6根混凝土管桩进行填芯或不填芯处理,并进行室内水平承载性能模型试验,分析基坑开挖后混凝土管桩在不同内径和相同内径条件下不同填芯强度对混凝土管桩的水平承载性能的影响。试验结果表明:通过填芯可以有效提高混凝土管桩的基坑支护性能,且外径相同的条件下,内径越大桩身受基坑开挖影响越大;通过填芯加固处理可以有效提升管桩支护的安全性。     

双向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动特性

管桩施工会使土体产生扰动,从而引起桩周土体沿桩基径向的不均匀性,为同时考虑桩周土体此种径向非均质效应和纵向成层特性对管桩纵向振动动力阻抗的影响规律,提出基于土体黏性阻尼的多圈层平面应变模型,建立双向非均质土中管桩纵向振动简化分析模型,利用拉普拉斯变换和阻抗函数的传递性,推导得出管桩桩顶动力阻抗解析解答,计算结果表明,纵向软硬夹层对一定低频区间内动力阻抗曲线振幅水平影响显著,夹层越软（硬）,共振频率处对应的动力阻抗曲线振幅水平越高（低）.施工扰动引起桩周土径向非均匀性对管桩桩顶复刚度曲线影响显著,在对管桩进行纵向振动特性分析时宜采用双向非均质黏性阻尼土-管桩相互作用模型推导所得解析解答更为合理.