土木工程硕士论文精选十篇 2020-11-20 00:28

  本文是一篇土木工程论文,土木工程专业以培养优秀“复合型”工程技术人才为目标,着力为国内外名校的更高层次教育和国家的基本建设输送优秀毕业生。该专业现有:工程结构、土木工程材

  本文是一篇土木工程论文,土木工程专业以培养优秀“复合型”工程技术人才为目标,着力为国内外名校的更高层次教育和国家的基本建设输送优秀毕业生。该专业现有:工程结构、土木工程材料、土工、工程测量等4个专业实验室,具有结构工程硕士点,建筑与土木工程领域工程硕士招生资格。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。

  密集烤房是农业烤烟生产工作中不可或缺的特有设备,而它性能的好坏将会直接影响到烟叶的烘烤质量和烟农的种植收益[1]。密集烤房最初起源于 20 世纪 50 年代,美国北卡罗来纳州立大学约翰逊等人对密集烤房进行了实验研究,分别分析了烟叶烘烤设备、绑烟、装烟方式和烘烤的工艺,并进行了重大改革,揭开了烟叶烘烤工作的新篇章[2]。他们在先后多次实验研究中,装烟方式从最初的将烟叶直接放置在有缝隙的地板上再到将新鲜烟叶悬挂起来进行烘烤,并将热风循环方式改进为强制通风,同时对烤房的结构形式以及供热设备进行了改善。改善后,烤房建成了砖木或土木结构,装烟室长 3.05m,宽 3.65m,高为 1.95m,可以装 2 层新鲜烟叶,每层设置 2 路烟夹,烟夹尺寸为1.82m×0.41m,单个烟夹装新鲜烟叶 54.43kg。实验结果充分证明了使用密集烤房烘烤的烟叶质量明显要比普通烤房高,燃料燃烧的热效率有了很大提升,节省了劳动力,缩短了烘烤周期。20 世纪 60 年代中期以后,在日本、美国等国外烟草专家的研究与探索下,密集烤房供热设备所使用的燃料、烤房结构设计、烟叶夹挂设备以及烘烤工艺等方面又有了不断的改善和进步。燃料从开始的煤气改进为石油、天然气,进风管在烤房下端,回风管在烤房的上端,凭借风机运转提供动力实现热风的强制循环,通过烟叶层散热后经回风管返回,再经热源加热后送入装烟室,如此反复循环。1969 年,在日本鹿儿岛烟草试验场试验中,通过将湿球温度控制在 38℃,再根据工艺要求升球温度,实现了烟叶烘烤的自动控制,相比普通烘烤,不仅节约了成本,减少了劳动力,而且提高了烟叶的烘烤质量[3]。密集烤房相比普通烤房存在着很大的优势,因此在密集烤房诞生以后,很快便得到了广泛的应用和推广,20 世纪 60 年代初美国已经建造了 250 座密集烤房,到 1974年仅北卡罗来纳州就有了 3 万多座密集烘烤设备,此后密集烤房得到了更加广泛的应用,1983 年 Weybrew[4]提出了去主脉烘烤,有很好的节能效果。

  我国具有丰富的太阳能资源,而太阳能是世界上最丰富的永久性能源,有 60%以上的地区每年太阳辐照量超过 5000MJ/m2,年日照小时数 2200h 以上[8]。在中国太阳能资源区划中,吉林省处于太阳能资源一般区,水平面上年太阳辐照量5000~5400MJ/(m2a),年日照小时数为 2200~3000h,具有较丰富的太阳能资源。 太阳能热利用是选用合适的太阳能集热器,将太阳辐射能收集起来,通过物质间的相互作用转换成热能并加以利用,太阳能集热器主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器以及聚焦型集热器 4 种[9]。太阳能热利用可分为低温(80℃以下)、中温(80~350℃)和高温(350℃以上)3 种。进入 21 世纪以来,太阳能热利用已经逐步成为一种比较成熟的可再生能源利用方式,它在可再生能源技术领域商业化程度最高,推广应用最普遍。太阳能可以分别转化为热能、电能、化学能,目前太阳能热利用的范围很广泛,包括太阳能制冷空调系统、太阳能工业加热系统、太阳能干燥系统、太阳能热发电系统、太阳能海水淡化系统以及被动式太阳房等。太阳能热利用工程市场之所以发展步伐如此之快,主要源于住宅建筑热水需求的增长、公共建筑热水系统的积极安装以及太阳能热水惠农政策和工农业对热量的需求,运用太阳能热技术将阳光聚合,凭借其能量产生热水、蒸汽和电力[10]。 太阳能资源用之不尽、取之不竭,21 世纪以来,太阳能热利用技术日趋成熟,尤其是太阳能热水器的发展[11],因此太阳能的开发和利用也正在融入人们的日常生活和工业生产中,各国都十分注重太阳能资源的开发利用,而我国有着丰富的太阳能资源,因此充分利用新能源是实现资源可持续发展的必由之路。

  吉林省烟草公司白城市公司位于吉林省白城市,北纬 4538,东经 12250,居北半球中纬度北温带,根据中国太阳能资源的规划,该地区水平面上年太阳辐照量 5000~5400MJ/(m2a),拥有 2200~3000h 的年日照小时数,如表 2-1 所示。随后,对白城市近三年 7、8、9 三个月份时期的气象参数进行了测试,最后统计出白城市烟叶烘烤期间的平均气象资料:室外平均干球温度 20.5℃,室外平均相对湿度 69.3%(即湿球温度 16.8℃)。

  近几年我国烟叶烘烤工作中集中供热烘烤模式发展还比较慢,其主要形式是选用单台或几台供热设备(例如选择常压热水锅炉、承压热水锅炉、蒸汽锅炉或有机热载体锅炉等)向一个烟叶园区内多座连体密集烤房群集中供热,锅炉燃烧燃料放出热量传递给热载体,热载体通过有序调控经保温管道流入各个烤房加热间预先安装好的散热器内部,由于此时热载体与送入烤房的冷空气存在温度差,因此可以加热烤房中的循环空气,并且能够集中控制输入烤房散热器中的热载体温度。我国主要以热水锅炉和蒸汽锅炉为主,但是热水锅炉热载体为水,气化温度 100℃,而烤房烟叶处于干筋阶段时,烤房干球温度最高需要达到 70℃左右,因此送入烤房的热空气干球温度不得低于 70℃,冷热流体之间换热温差小,势必会影响传热效果,降低锅炉的热效率,造成大量煤的燃烧,污染大气,同时又不能够满足大面积烘烤烟叶的需要;蒸汽锅炉虽然锅炉出口处热载体温度要比热水锅炉高,可以克服换热温差小的问题,但蒸汽的循环供热系统的要求很大,而且蒸汽在管道里的循环不稳定,会产生超压以及汽水共腾现象,热能又很难实现自动精确化控制,也很容易对系统造成危害。 吉林省烟草公司白城市公司从 2009 年开始使用以导热油为热载体的集中供热式烟叶烘烤系统,具有严格的安全管理要求,但不泄露条件下安全性高于水和蒸汽系统,系统整体运行示意如图 2-1 所示。该系统以煤为燃料,导热油为循环介质来传递热量,运行时凭借循环油泵提供动力,使该高温加热系统在较低的压力环境下工作,安全稳定;常压条件下,导热油可以获得更高的操作温度,最高可达300℃以上,且省略了水处理过程,减少了初投资;热媒吸热快,散热迅速,可以在更广的温度范围内满足加热、冷却工艺,能够达到烟叶在不同烘烤阶段对热量的要求;能够通过控制进入散热器的导热油流量进而控制散入密集烤房的热量,实现智能化烘烤。

  封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统设计完成后,为验证太阳能辅助烘烤烟叶系统的集热效果,在学校实验楼阳光照射充足处搭建了太阳能空气集热系统模型,由于实际空间因素,模型中烤房与烟叶园区实际密集烤房大小按照 1:2 的比例搭建,即烤房长 4m,宽 1.4m,高 1.8m,烤房设备(风机、集中供热热源等)均按需求重新配置。烟叶烘烤中,烤房的密封性需良好,以尽量减少热量的散失,密集烤房模型采用 100mm 的彩钢板搭建,保温性能良好,同时为保证试验台的稳固,搭建之前首先建一个 100mm 的地基,将烤房模型固定到地基上,模型建成后用密封胶填充间隙,增强烤房模型的密封性,同时也可保护烤房模型不被雨水渗漏而破坏,试验系统模型如图 5-1 至 5-8 所示。吉林省烟草公司白城市公司烟叶园区中密集烤房集中供热烘烤热源为导热油锅炉,试验烤房中无法实现此热源,且密集烤房模拟试验台与实际装烟容量不相同,太阳能为间歇性能源,夜间不能够提供热量,另外若试验中出现阴雨天,也同样无法提供热量,因此根据试验地点的太阳能资源和烟叶烘烤各阶段的热量需求,需重新确定试验台合适的供热热源,根据密集烤房模型运行时循环风机的风量选择合适的循环风机型号。常用的热源中,电加热能量转换率高,并且初投资少、无污染,比较容易控制,因此试验中选用电加热代替导热油锅炉来作为烟叶烘烤主要热源。

  本文主要研究了以太阳能作为辅助热源给烟叶烘烤提供热量的太阳能辅助烘烤烟叶系统,分别设计了封闭式和敞开式两种太阳能辅助烘烤烟叶系统及其自动精确化控制方案,进行了太阳能集热装置各个构成部分的选型,搭建了系统各自的试验台并试验测试以及烟叶园区现场烘烤,整理分析了烘烤试验数据,研究了系统各自吸收的热量及其节能效果,获得了适用于集中供热烟叶烘烤的太阳能辅助烘烤烟叶系统。 经过试验测试以及烟叶园区烘烤试验,所设计太阳能集热装置均能够吸收一定的太阳能热量并将其传递给循环空气,送给烤房烟叶,有助于减少散热器内流过的导热油流量,节省一定的锅炉燃煤量,且控制系统均以 PLC 可编程为主,其可靠性高,自动控制系统能够保证太阳能集热系统安全、稳定的运行,提高了系统的效率。初期投入与节能效果方面,封闭式太阳能辅助烘烤烟叶系统和敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统相比较,因封闭式系统施工相对复杂,且其经过太阳能集热器的回风风量与回加热间风量不易准确控制,较难实现太阳能集热装置中空气的稳定流动,进而会影响集热效率,经试验数据的分析,其节能效果远没有敞开式太阳能辅助烘烤烟叶系统高,此外,敞开式系统控制较简单,容易实现且能准确控制,因此适用于集中供热式烟叶烘烤。

  混凝土作为当前国内建筑物的主要使用材料,随着我国经济的发展和沿海城市建设的加速以及城市污水处理的日渐重视,混凝土工作环境的复杂多变,使其在沿海及具有腐蚀性土壤中的应用受到一定的限制,海内外广大学者对混凝土在耐久性方面的研究越来越广泛。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymers,简称 FRP)因其具有耐腐蚀性好、高温下工作性能变化小、纤维束抗拉强度高、重量小、弹性模量小、热膨胀系数低等特点[1],将 FRP 与混凝土组合起来不仅能够解决混凝土耐久性不好的问题,还能够增加对混凝土的约束作用,提高混凝土构件的极限承载力和延性,从而降低了维护混凝土不受侵蚀的成本,为 PVC 管混凝土在配筋情况下的应用提供更多可以参考的理论依据。 钢管混凝土是指在成型的钢管内浇灌混凝土的新型组合形式,具有承载力高、塑性和韧性好、浇筑过程简单等特点,与钢管相比耐火性和耐腐蚀性都有很大的改善,并且具有节约材料、增大建筑物使用空间等优点,被广泛应用于厂房立柱、各种支架、術架压杆、高层与超高层建筑、拱桥及组合梁桥结构[2-5]。然而随着对钢管混凝土在实际工程中的应用和分析发现,在钢管内的混凝土存在塑性收缩、自收缩、徐变收缩等重要问题,使得混凝土与钢管壁之间出现空隙,降低钢管对内部混凝土的环向约束,使得混凝土受拉,钢管受压,降低了混凝土和钢管的弹性模量,而且钢管在潮湿环境中还有易腐蚀老化的现象[6,7]。 自密实再生混凝土[8]是指利用建筑垃圾经粉碎清洗后产生的再生骨料代替天然石子而配置的新型自密实混凝土。已有的研究表明再生混凝土虽然在同水灰条件下强度稍低于普通混凝土,但配合比的不断调整是可以满足结构要求的,而且再生混凝土还具有绿色环保节能的优点。 FRP-PVC 管混凝土[9,10]是在 PVC 管外表面粘贴 FRP(纤维增强复合材料)条带后,再向 PVC 管内浇灌混凝土的新型结构形式,这种混凝土构件不但具有 PVC 管耐腐蚀性好的优点,而且充分发挥纤维布强度高、模量大、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特点。与普通混凝土相比能够提高混凝土的极限承载能力和耐久性,与钢管混凝土相比具有自重小、缩短施工工期、价格低廉、耐腐蚀性好等优点。

  再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)简称再生混凝(Recycled Concrete),它是指将建筑物拆迁后的废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后,按一定的比例与级配混合形成的再生混凝土骨料(Recycled Concrete Aggregate,RCA),简称再生骨料(Recycled Aggregate);通过部分替代或者全部替代天然骨料(主要是粗骨料)后配制成新的混凝土。再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的在加工,从而既能是有限的资源得以再利用,又解决了部分环保问题,是发展绿色混凝土,实现建筑资源环境可持续发展的重要措施之一。发达国家对再生骨料混凝土的基本力学性能研究起步较早[11-23],近年来我国的一些专家和学者也开展了一系列初步的研究[24-30],目前众多海内外学者都把再生混凝土作为重点的试验对象和课题方向。 胡波[31]等对使用再生粗骨料配置的混凝土的基本力学性能进行大量试验研究。根据试验结果得出:(1)再生骨料配置的混凝土试件受压、受拉以及受弯折破坏过程和破坏模式与普通混凝土差别不大。由于再生骨料表面通常会包裹有旧的水泥,新旧砂浆之间界面过渡区是再生骨料混凝土的薄弱部位,其破坏往往从新老界面开始。(2)再生粗骨料对混凝土棱柱体和立方体试块的抗压强度影响比较明显,但再生骨料对混凝土抗弯拉强度和混凝土立方体劈裂抗拉强度的影响相对较小。再生混凝土抗拉强度只有立方体抗压强度的 1/15-1/12;抗折强度也只有立方体抗压强度的 1/8 到 1/6,这和普通混凝土的性能非常相似。(3)再生混凝土的弹性模量与普通混凝土相比下降约 8%~15%,再生混凝土的泊松比大致在 0.15~0.22 之间。(4)再生混凝土应力-应变曲线与普通混凝土相似,与普通混凝土相比,再生混凝土应力随应变增长的速率相对较缓,极限应变一般都大于普通混凝土。

  目前众多学者对 FRP 包裹 PVC 管混凝土柱的试验和模拟分析主要集中在 FRP-PVC管普通混凝土短柱轴心受压力学性能试验、中长柱偏心受压稳定性试验以及在腐蚀环境中的耐久性试验,但未见 BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土短柱相关研究成果。本章主要介绍试验材料的性能参数、试件设计及制作方法、试验加载方案及应变测量点的布置位置。

  本文采用的混凝土是建筑垃圾经粉碎、清洗、分级后得到的再生骨料全替代天然骨料而配置的自密实再生骨料混凝土。目前国内外对再生混凝土和自密实混凝土的配合比设计方法已经有了大量的研究,但对使用再生骨料替代天然骨料配置自密实再生混凝土的研究鲜有人做,根据自密实混凝土以及再生骨料混凝土各自的特点设计混凝土中各材料的配比。自密实混凝土是指不经振动和浇捣,在自重作用下自动流动并填充模板空间进而包裹钢筋的混凝土,经过合理的配合比设计,这种混凝土能够达到不泌水、不离析的标准,而且成型的混凝土表面平整,没有蜂窝、麻面的现象,具有良好的密实性,可用于施工作业面小,造型复杂,配筋密集的结构中,还可以用于夜晚城市中心工程的建设,避免夜晚施工对周围居民的噪声危害,而且还能解决施工过程中过分振捣和漏振等问题,提高文明施工水平。 自密实混凝土因其流动性比较大,为了保证混凝土的高流动性和稳定性,现有的天然骨料混凝土的配合比设计理论已经不适用。国内外学者通过对自密实混凝土的配合比进行了大量的理论分析和试验,目前自密实混凝土配合比的设计方法主要有简易配合比法、参数法、骨料比表面积法、固定砂石体积法、全计算法、改进全计算法六种。再生混凝土是以建筑物拆除后的混凝土经破碎筛选分级后作为石子配置的混凝土,已有的研究表明,再生骨料与天然骨料相比,质量轻、压碎值大、吸水率高,因此配置的再生混凝土具有用水多、强度低、弹模小、收缩变形大、抗冻性小等特点,已有的研究表,通过掺加粉煤灰和减水剂的方法,合理设计配合比,自密实混凝土的强度和工作性是可以满足使用要求。

  3.4 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱应力-应变关系分析 ........ 32

  本章在试验的基础上,结合已有的钢-混凝土结构模型,对 BFRP-PVC 自密实再生混凝土轴心受压短柱进行平截面假定,利用极限平衡条件,考虑自密实再生混凝土与普通混凝土的差异,研究了条带间距和配筋率对试件承载力的影响,提出 BFRP-PVC 自密实再生混凝土短柱轴心受压作用下的承载力计算公式。关于钢管混凝土的承载力计算方法主要集中在两个方面。一种是把钢管和混凝土组合看成一种材料,利用钢管混凝土材料的组合轴压强度与钢管混凝土截面面积的乘积来表示钢管混凝土的轴心受压承载力,这种理论被称为统一理论;另外一种是叠加原理,分别考虑钢管和混凝土各自的承载力,建立平衡方程,求得钢管混凝土的轴心受压承载力。

  本文主要对 BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土短柱轴心受压进行试验研究和承载力计算公式的推导,得到的主要结论如下:

  (1)无 BFRP 包裹试件裂缝开展迅速,试件破坏时没有明显的征兆,在 PVC 管开裂的同时试件即瞬间破坏,属于脆性破坏。FRP 包裹试件破坏过程缓慢,破坏时先听到噼啪噼啪 BFRP 纤维条带和环氧树脂胶被拉伸的声音,最终 BFRP 条带被拉断,PVC 管局部完全开裂,核心混凝土被压碎,破坏过程具有明显可预判性,属于延性破坏。BFRP条带断裂标志着试件达到其极限状态。

  (2)BFRP-PVC 管能够对核心自密实再生混凝土产生一定的约束作用,能够改善混凝土的极限承载力和极限应变。BFRP 条带间距和配筋率是影响 BFRP-PVC 管混凝土短柱承载力的重要因素,当 BFRP 环箍间距逐渐增加时,构件的极限承载力和极限应变逐渐降低。随着配筋率的增加,构件的极限承载力也逐渐变大,配筋率对构件极限承载力的影响基本上呈直线)BFRP-PVC 管自密实再生混凝土柱与 PVC 管自密实再生混凝土柱相比极限承载力提高了 13.4%~29.2%,BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土柱与 PVC 管自密实再生混凝土无筋柱相比极限承载力提高了 25.5%~50.9%。BFRP 包裹柱的极限应变也一定程度的提高,本次试验中提高幅度在 13.6%~133.7%。

  (4)根据 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱轴心受压时的应力-应变关系曲线可知,BFRP 包裹试件破坏过程可以分为三个阶段,第一阶段为弹性阶段,这一阶段 BFRP所起到的约束作用较小;第二阶段为过渡阶段,这一阶段 BFRP 对 PVC 管内混凝土的约束效果逐渐增强;第三阶段为破坏阶段,这一阶段应力增加缓慢而应变急速增大。

  (5)根据已有的 FRP-PVC 管混凝土极限承载力计算公式,本文通过对已有的配筋条件下钢管混凝土承载力计算公式的分析,综合考虑纵向钢筋和箍筋约束对极限承载力的影响,给出了 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土配筋短柱极限承载力计算公式,将本文试验值与计算值进行对比可知,试验值和计算值吻合较好,本文提出的公式对工程实际具有重要的参考价值。

  能源是人类赖以生存和发展的根本因素,而能源并不是取之不尽用之不竭的,在漫长的人类发展进程中,既有能源数量随着消耗的增加不断在减少。我国是一个能源大国,其中水资源总量位居世界第一,煤炭资源可开采量位居世界第三,但由于我国人口众多,人均占有量非常低,不到世界平均水平的二分之一[1]。同时,我国经济发展长期粗放型的发展模式,造成了严重的能源浪费和环境污染,由于受到技术水平的限制以及人们观念的淡薄,我国能源利用率仅为33%左右,比世界一些发达国家低10%左右;粗放型的发展模式还带来了严重的环境污染和生态破坏,给我国人民的生命财产安全造成严重威胁。因此,节约能源、提高能源利用率成为我国保持可持续发展的关键措施。 随着国民经济的快速发展与人民生活水平的不断提高,暖通行业得到迅速发展,与人们日常生活越来越密切,与此同时也造成了能源消耗的不断上升。目前,我国的建筑运行能耗占能耗总量的 20~27%,其中以暖通空调所占比例最大。在我国北方地区,供暖所占能耗约为 56~58%,采暖、通风及空调所占能耗达到 60~70%[2]。由此而出现了电量、燃料供应紧张等一系列问题。在我国经济保持快速增长的同时,重要能源的紧缺正逐步成为制约我国经济发展的瓶颈,因此,开发和研制高性能、低能耗的制冷、热泵系统是该技术领域的重要课题之一,也是“可持续发展”国策的迫切要求。 另一方面,臭氧层的破坏和温室效应的日益加重,成为了一个全球共同面临的严峻问题。上世纪 70 年代,当时的英国科学家通过观测发现,在地球南极上空的大气层中,臭氧的含量开始逐渐减少,尤其是每年的 9-10 月减少更为明显。2011 年,国家卫星气象中心监测数据显示,在北极上空出现一个明显的臭氧低值区,在该区内臭氧总量是正常情况下的平均值的 50%左右。虽然还没有形成南极上空那样的臭氧洞,但由于北半球的人口密度远远高于南半球,臭氧低值区范围内紫外线对人类健康的影响比南极的臭氧空洞更为大。同时,政府气候变化委员会研究发现,过去的几十年里,气温逐步上升。按照这种趋势发展,预计从 1990 年到 2110 年,全球气温将会上升 1.4~5.8℃,全球气候变暖。

  表 1.2[11]列出了几种具有代表性的 HFCs、HCs 制冷剂的主要性能参数,与传统工质 R22 相比,R600a、R290 等 HCs 类环保工质 ODP 值为 0,GWP 值也很低,不分解有害物质,大气寿命只有 0.019 和 0.041 年,说明 R600a、R290对环境的影响非常小,并且 HCs 工质还具有效率高、传热性能好、充灌量少、压缩机排气温度低、与矿物油能相互溶解等优点。欧盟是推广使用 HCs 最广的区域,尤其是在北欧和德国等国家,目前欧洲新生产的家用冰箱中,约 25%左右的使用 HCs 制冷剂[12-13]。许多欧洲国家的家用冰箱以 R600a 作制冷剂的甚至超过了 95%。目前在中国市场上,也有海尔、美的、TCL 等厂家出售的 R600a环保冰箱[14]。R290 因其提炼方便,价格低廉,且不需要缴纳专利费等优点广泛应用于石油、天然气中,并且表现出良好的性能。但同时 HCs 的易燃易爆性阻碍了它更广泛的推广使用,虽然它在家用冰箱、汽车空调等装置中充注量比较小,及时泄露也达不到燃烧的极限,但在一些大型空调装置中,充注量比较大,一旦泄露,将会造成安全事故,所以必须采取一定的安全措施。R125 作为 HFCs类工质的代表,不含氯离子,对臭氧层破坏系数为 0,也是一种能有效减少大气臭氧层破坏的优良替代品之一,但此类化合物温室效应(GWP)一般较高,只能作为过渡性替代工质。

  从热力学的角度来看,传热系数越大,需要的传热驱动温差就越小,这样可以减小系统由传热带来的不可逆损失;但是,从传热学来看,当热负荷一定时,较小的传热温差需要较大的换热面积。这会引来两个问题:一是换热器结构尺寸会随着增加,从而增加了系统的制造成本;二是较大的换热面积往往会使制冷剂在流动过程中的摩擦压降增加,由摩擦压降带来的系统不可逆损失也会随之增加;也就是说,传热不可逆损失随着换热面积的增大而减小,压降不可逆损失恰恰相反,因此,在热负荷一定的情况下,存在一个蒸发器最优换热面积,通过对传热和压降耦合作用的研究可以很好的解决这个问题。

  在已有的文献中已经有一些关于平滑管中的传热和压降的关联式。例如,Gungor[48]和 Wojtan [49]的模型提供了传热系数关联式,Friedel[50] 和 Moreno Quiben 等[51]理论研究了蒸发器水平管内两相区的压降。图2.3显示了 R22的压降处罚因子(sr?T )的估量与换热系数(ɑ)的关系,图中数据由上文提到的换热系数和压降关联式得到,整个制冷剂性质的计算使用了 REFPROP 9.0。可以发现:采用 Gungor[48]模型的曲线是间断的(注: 流动变化曲线有急剧的变化),其他相似的关联式也是这种情况。这不足为奇,因为 Gungor[48]关联式没有基于流程的变化,而 Wojtan et al.[49]模型考虑了流程的因素。图2.4表示在 Friedel[50]和 Moreno Quiben[51]压降关联式下,制冷剂 R236ea,R134a 和 R290的压降处罚因子(sr?T )随换热系数(ɑ)的变化关系。可以看到两个压降关联式在环状流时 (在斜坡发生显著变化的曲线右侧部分)的结果类似,对于重力流(在斜坡发生显著变化的曲线左侧部分)结果差别较大。同样的,这是因为 Friedel[50]压降关系式不是基于流程 。因此,在本文接下来的部分,纯工质换热关系式将采用Wojtan et al.[49]模型,压降关联式由 Moreno Quiben[51]模型得到;对于混合工质传热系数关联式,本文将采用 T.Y.Choi 等[52]的传热模型,压降关联式根据文献[53]得到。

  为了分析本文第二章建立的基于传热和压降耦合的混合工质蒸发器结构优化的数学模型的合理性,接下来我们将利用计算机仿真技术,以蒸发器内部传热为理论依据,建立能准确并全面的反映蒸发器性能的数学模型,对蒸发器进行一个工作性能的预测和模拟。这种模拟的目的是,找出 R125/R600a 混合工质适用于优化热流密度时的最佳运行状态,并将这些结果与第二章简单的理论模型得到的结果进行比较,从而验证简单理论模型的可靠性。

  蒸发器仿真模型主要有动态集中参数模型[60],稳态分布参数模型[61],稳态集中参数模型[62]。其中集中参数模型具有计算速度快,稳定性较好等特点,一般用于定性分析;分布参数模型计算精度高,并能准确和全面的反映对象的运行状态。本文采用稳态分布参数模型,模型中的蒸发器为套管式蒸发器,制冷剂在内管中流动,经历从两相状态到过热状态这两个过程,冷却介质水在管外与管壁进行强迫对流换热。水和制冷剂之间的传热过程可视为逆流换热。将蒸发器管沿轴向划分为若干个微元,将上一微元段的出口状态参数作为下一微元段的进口状态参数。划分的微元段数量越多,计算的精度越高,计算结果越准确,但在计算机计算速度的限制下,只要能满足工程精度的要求即可,一般我们将蒸发器划分为 500 个微元段。在整个换热过程中,制冷剂的焓值变化较大,所以我们对制冷剂焓差进行等分来划分微元。图 3.1 为制冷剂和水流经一基本微元段的过程。制冷剂在内管中流动,与外管内逆向流动的水换热后,温度、压力和干度将发生变化,质量流量保持不变,水的温度也将发生改变。

  (1)研究了 R125/R600a 混合工质的蒸发换热过程,利用混合工质蒸发换热性能潜力评价标准 PEC,通过数据拟合,得出了惩罚因子 PF 与传热系数 之间的函数关系;由制冷剂和冷却介质在蒸发器内换热过程的理想温度曲线以及“总温惩罚因子 TTP”,比较了制冷剂在压降和传热这两个方面的能量损失情况。

  (2)建立了基于总温惩罚因子 TTP 最小化的蒸发器结构优化数学模型,并分析了管径、蒸发温度管长优化结果的影响。发现,混合工质蒸发器最优化长度随着管径的增大而增加,由此可见,小管径的蒸发器最优管长更小,结构更为紧凑,制造成本更低,而换热效率更高,制冷剂的流动摩擦阻力也会更小;混合工质蒸发器的最优管长随着蒸发温度的增大而增大;混合工质热流密度随着换热系数的增大先增减后减小,存在一个最优热流密度。

  (3)用 EES 等软件模拟 R125/R600a(10/90)混合工质套管式蒸发器的性能,并比较仿真结果与简单理论模型数据的吻合程度,分析了简单理论模型的可靠性和可用性。结果表明,关仿真模型计算结果与理论模型结果变化趋势一致,总温惩罚因子 TTP 随着管长的增大先是减小,当到达一个最小值后,其值开始逐渐增大。最小总温惩罚因子 TTP 对应的管长即为最优管长,理论模型的最优管长,相对于仿真模型来说,相对误差为 8.2%,是在可允许范围内。

  改革开放至今,我国经济快速发展,基础建设投入也越来越多,各类建筑拔地而起,混凝土材料的应用领域越来越广,包括建筑、路桥、机场、大坝等,可以说混凝土结构已经成为我们生产和生活中重要的物质基础之一。然而,许多混凝土结构在自身作用和外部环境的影响下,提前破坏或失效,未能达到设计预定的使用年限,从而暴露了耐久性不足问题,进而造成各项损失,甚至付出巨大的代价。 所谓混凝土耐久性[1],是指混凝土结构受外部环境和材料自身作用下,在设计使用年限内,不需要经过大修处理即可满足预期的安全目标、使用功能和外观要求的能力。混凝土耐久性问题影响因素诸多,有人为与非人为,有可控与不可控。美国著名专家 Mehta 教授在 1991 年的第二届国际混凝土耐久性会议上指出,当今世界影响混凝土结构耐久性的主要因素依次是钢筋锈蚀、冻融破坏和外部环境作用[2]。 国内外资料表明,海洋、氯盐环境对混凝土耐久性影响重大。澳大利业的Sharp[3]对 62 座海岸混凝土结构进行调查,发现腐蚀严重。葡萄牙的船坞、码头结构等由于氯离子侵蚀在服役较短时间即发生严重损伤[4]。前苏联工业厂房耐久问题突出,部分混凝土结构厂房建成 10 年即遭破坏[5]。日本在检查 103 座混凝土海港码头时发现,使用超过 20 年的码头,都有较大的顺筋锈裂。阿拉伯海湾区域有大量的现有或在建海工建筑物和构筑物,由于其工作环境通常处于三类或四类环境中,许多结构在投入使用不久后即出现了钢筋锈蚀现象,在使用 2~4年后,有些结构的钢筋断面损失率甚至高达 1/4[3]。1987 年美国国家材料顾问委员会做了一个关于混凝土结构耐久性问题的调查报告,在美国国内和全世界范围内引起广泛的讨论。该报告显示,美国国内现有大约 25.3 万座混凝土桥梁的桥面板中有很大一部分已经出现了不同程度的损害,有些桥梁使用才不到 20 年,远远达不到其设计的使用年限[6]。

  综上所述,结构在海洋或氯盐环境下的耐久性问题,主要是氯离子的侵蚀作用引起的。深入了解氯离子侵蚀随时间的演变规律,对研究混凝土结构耐久性问题具有重要意义。目前在水灰比和骨料对混凝土性能影响方面的研究已经做了许多,但大多针对混凝土强度[15~17]、骨料-基体粘结强度[18~20]、弹性模量[21~23]、早龄期氯离子扩散系数等[24~26],很少涉及长龄期混凝土氯离子扩散性能。所以,本文在前人工作的基础上,研究不同配合比混凝土氯离子扩散性能随时间的演化规律,为后续的研究提供参考,也为混凝土材料的耐久性设计提供理论依据。 吴烨等人[46]试验结果表明:氯离子向混凝土内部扩散是物理化学综合作用的复杂过程,扩散系数与时间相关。吴相豪[47]建立了综合考虑混凝土氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性、水灰比和应力状态影响的扩散方程。滕海文等人[48]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的氯离子侵蚀模型,并给出了相应的数学解。刘均利[49]等在 Fick 第二定律基础上,提出了一个计算氯离子在混凝土中扩散的新方法,该方法不但能考虑水灰比、龄期、温度、湿度和氯离子结合能力的影响,而且能考虑混凝土结构服役期内大气温度和大气湿度的时变效应。

  本章主要介绍试验材料的基本性能、水泥石和混凝土配合比和氯离子扩散系数的测试方法,同时给出了所用的主要仪器,并强调了试验中需要注意的事项。

  本试验采用浙江钱潮水泥厂生产的 PO 42.5 普通硅酸盐水泥,其抗折强度、抗压强度和初凝时间如表 2-1 所示,水泥的化学组成如表 2-2 所示。

  钱塘江江沙作为细骨料,如果含泥量较小,简单晒干直接使用,如果含泥量较大,先将砂中的泥粒冲洗后再晒干使用。经试验测定,细骨料的表观密度为2630 kg/m3,含水率为 0.35%,吸水率为 1.41%。骨料尺寸均采用富勒级配[84],故先需对砂子进行筛分,采用国家新标准方孔砂石筛将各粒径的砂子筛分出来,剔除尺寸 0.15 mm 以下的砂子,最终选用五种粒径范围的砂子,如图 2-1。

  用来检测氯离子扩散系数的水泥净浆试块是由水泥和水均匀搅拌而成,水灰比分别为 0.35、0.45、0.55 和 0.65,相应的编号为 W-1、W-2、W-3 和 W-4,如表 2-3 所示。本试验采用 NEL 法测定水泥净浆和混凝土的氯离子扩散系数,该方法是由《中国土木工程学会标准 CCES01-2004》推荐的。各组试件均采用圆柱形,试件的尺寸均为 100 mm × 100 mm,每组 3 个试件。考虑到养护条件对试件性能的影响,尤其是初始养护对氯离子扩散系数有较大影响,为了控制养护条件,所有试件在浇筑完成后先在温度为 205℃的环境中放置一天,然后拆模编号。拆模后立即将试件浸没在盛有 Ca(OH)2饱和溶液的水槽中,养护温度恒定为 205℃。各个龄期的试件在养护达到预定时间后取出测量。此试验采用 NJ-160A 水泥净浆搅拌机搅拌,搅拌开始前,先用湿毛巾将搅拌锅和搅拌叶片清洗并且湿润,再将称量好的拌和水倒入锅中,然后在 5 s 至 15 s 内小心将称量好的水泥加入到搅拌锅中,启动搅拌机,低速搅拌 120 s,停 15 s,再高速搅拌 120 s 后停机,搅拌后的浆体就可以用来浇筑试件。 水灰比不同浆体的干稀程度相差很大,W-1 组比较干燥,在搅拌完成后立即入模,W-2 组流动适中,直接入模均匀填满,W-3 组和 W-4 组泛浆严重,会导致浆体表面的水分蒸发,使实际的水灰比变小,此外水分蒸发还会使浆体凝固后出现明显的自收缩,实测最大收缩量在 5 mm 左右。为了解决这一问题,将 W-3组和 W-4 组均匀搅拌后每静置 15 min 后再搅拌一次,静置时为了防止水分蒸发需用塑料薄膜包裹,两组分别过 3 h 和 6 h 后再搅拌一次后均匀入模。为控制收缩,试验前对圆柱模进行优化处理,制作尺寸为 100 mm × 105 mm 模具,增加试件高度,待浆体凝结后,可满足收缩要求,如果试样高度超过 100 mm,用刀片刮去超出部分的水泥浆。在每个试件浇筑完成后,立刻用保鲜膜将试样表面包裹严实,减少浆体表面水分的蒸发。

  本章主要分析混凝土氯离子扩散系数的试验结果,定量评价养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响,同时讨论了养护时间、水灰比和骨料体积含量对混凝土氯离子扩散系数时变效应的理论分析,通过与试验结果比较,初步验证了该理论分析的有效性。

  混凝土试件养护到目标龄期进行测定,所测得的每组试件的氯离子扩散系数如表 4-1 所示,每组三个试件,养护龄期分别为 28 d、58 d、88 d、118 d、148 d、208 d 和 358 d。龄期为 28 d 的一组试件,测试后将该组试件进行饱水处理,并单独养护分别达到 88 d、148 d、208 d 和 358 d,再测定氯离子扩散系数,结果如表 4-2 所示。对施珂文[80]测试后留下的试件,养护至 358 d、538 d 和 718 d 后测定氯离子扩散系数,结果如表 4-3、4-4 和 4-5 所示。在这些表格中,水灰比后括号中的数字 1、2、4、7、12 分别代表第一次测试龄期为 28 d、58 d、118 d、208 d 和 358 d。本试验混凝土与施珂文所用混凝土的水灰比不同,可以相互对比。

  本论文通过试验研究了水泥石和混凝土氯离子扩散系数随时间的演化,基于试验结果,分析了水灰比、骨料体积含量和养护龄期对氯离子扩散系数的影响,也讨论了饱盐饱水过程对氯离子扩散系数的影响。通过研究得到以下主要结论:

  (1)水泥石氯离子扩散系数随养护龄期的延长而减小,当养护龄期从 28 d增加到 118 d 时,氯离子扩散系数下降幅度较大,当养护龄期从 118 d 增加到 358 d 时,氯离子扩散系数下降幅度仅为 28 d 至 118 d 之间下降幅度的一半。

  (2)混凝土氯离子扩散系数随着龄期的增长而不断减小,前期减小速率快后期减小速率慢。从 28 d 至 118 d 下降值约为 118 d 至 358 d 下降值的 2 倍,约为 118 d 至 208 d 下降值的 3.8 倍,约为 208 d 至 358 d 下降值的 5.14 倍。

  (3)水泥石和混凝土经历饱盐饱水过程后,氯离子扩散系数随龄期增长而不断减小,比未经此过程的试验结果略小。

  (4)养护龄期在 358 d 至 718 d 之间,混凝土氯离子扩散系数下降趋势不明显,基本为常值。

  (5)对于给定的骨料体积含量,混凝土氯离子扩散系数随着水灰比的增大而增大,水灰比越大,氯离子扩散系数随时间减小效应越明显。

  (6)对于给定的水灰比,混凝土氯离子扩散系数随着骨料体积含量的增大而减小,而且随着骨料体积含量的增大,随时间减小的效应越明显。

  现浇钢筋混凝土框架结构建筑平面布置灵活,构件类型少,设计、施工简单,是得到广泛使用的建筑结构类型。其梁柱节点的抗震机理和设计方法一直是研究的热点[1][2],异型柱节点[3]、不同强度混凝土梁板柱节点[4][5]的抗震性能也得到深入研究。近年来,各种新型组合结构不断涌现,组合节点的研究得到重视[6],特别是梁端钢纤维混凝土[7][8]、型钢混凝土[9][10]、钢管混凝土[11]等的梁柱节点抗震性能研究得到极大关注。以上研究主要关注钢与混凝土两种材料组合受力和变形性能,关于不拆卸复合模板混凝土梁柱节点的抗震性能研究则鲜见报道。现如今模板分项工程是混凝土子分部工程非常重要的一部分,其费用要占到整个子分部工程的三分之一,它所耗费的工期和劳动力更是要占二分之一。模板工程大致分为木模和钢模两种。近年来,不拆模施工工艺逐渐发展,不拆卸复合模板具有以下优点[12]:(1) 耐碱玻璃纤维网布使得复合模板具有较高的抗拉强度和变形能力,复合模板作为混凝土保护层,与混凝土形成整体,共同受力。在相同作用效应条件下,钢筋混凝土构件截面尺寸和配筋设计更加经济。(2) 节约钢材和木材资源,满足环境保护要求。复合模板采用水泥和耐碱玻璃纤维网布等原料复合制成,不用钢材和木材。配套的组合钢构件需要少量钢材,但可周转使用。(3)当浇筑后的混凝土强度达到拆模要求后,并不需要拆除模板,只要将模板上的组合钢构件拆除即可,而且不需要额外的装饰工程,即可满足使用要求。劳动强度低,效率高。可见,复合模板完全可以替代钢模板、木胶板和竹胶板,具有可观的经济和社会效益。静力荷载作用下,不拆卸复合模板与混凝土的共同工作性能是可靠的,但是,在地震作用下复合模板与混凝土共同工作机理和性能的研究鲜少,成为推广不拆卸复合模板技术的瓶颈。本课题结合江西省原创新技术,以不拆卸复合模板梁柱节点为研究对象,进行拟静力荷载作用下的破坏试验,研究不拆卸复合模板框架边边节点的抗震性能。

  国内外有关于永久性模板的材料主要包括以下类别: 压型(镀锌)钢板类别,挤压成型的聚苯乙烯泡沫板类别,钢丝(或钢筋)网混凝土薄板类别,木材(或竹材)水泥板类别,纤维增强聚合物(FRP)板类别。二战结束后,德国因严重缺乏木材资源以及熟练技工从而将预先制作好的钢筋混凝土薄板作为工程上永久性模板来使用。如今为保护木材资源和缓解污染危机继而推动了此类别模板的发展、研究及应用[13]。而日本对这方面的报道和研究是最多的。日本小田野会社研发出了一种新工法,名为“超薄壁预制 PC 柱、梁模板工法”,即采用高强度(100MPa)水泥砂浆经挤压成型后来制作该模板,以减少该模板的厚度及自重,将工厂预制好的配有高强度钢筋网增强的薄板运送至现场,然后分别组装成“口”字型柱模板和“U”字型梁模板,再经支撑增强后进行现场浇筑混凝土。日本西栖公司研制开发的水泥薄板系永久性模板类似于小田野会社的产品,也是采用高强度水泥砂浆和高强度钢丝网来进行预制。为了保证现场浇筑的混凝土能够与预制模板形成有效的整体构件,他们将这种薄板的内表面制作成凹凸不平的形状来增加混凝土与模板之间的粘结力。如今,此类新产品已应用于实际工程中。日本大林公司为了让混凝土结构柱的预制模板能够批量化生产,在生产工艺中运用了流入法工艺,从而研发出了柱的预制模板,现在大阪市的一栋高层住宅就是采用的这种柱模板进行施工的。除采用高强砂浆和钢丝网以外,大成建设公司采用玻璃纤维及碳纤维增强预制混凝土板作为不拆卸永久性模板的材料。此外,日本模板工业公司采用甘蔗的榨渣纤维作为模板的材料。该模板的抗水性好,强度高,并且能够重复使用 7 至 8 次[14]。

  本章对不拆卸复合模板框架边节点在低周反复荷载作用下进行试验,依次从边节点试件的破坏过程、滞回曲线、骨架曲线、耗能性能和位移延性进行一系列研究分析,以判定不拆卸复合模板框架边节点的抗震性能。

  结合试验条件,选取框架梁柱边节点试件进行模拟。框架的反弯点取在梁柱中点,为了能够较为真实地模拟实际框架结构的梁柱节点受力情况,试验取框架上下边柱反弯点、梁反弯点之间的“┣”字型部分作为试验单元,如图 2-1 所示。不拆卸复合模板原材料主要有耐碱玻璃纤维网格布、42.5 级低碱水泥、水、中砂,粒径不超过 6mm 的绿豆砂、聚羧酸高效减水剂。其制备工艺为材料称量、搅拌、布网及振动成型。不拆卸复合模板应该按照主体结构的实际尺寸来设计相应的规格,且模板的厚度应略小于梁柱结构的保护层厚度。不拆卸水泥复合模板和试件的安装如图 2-2 所示。本试验在南昌航空大学结构试验室进行。在柱顶放置 50t 的油压千斤顶,并接入量程为 1000kN 的力传感器,在梁自由端顶面放置放一支 YHD─200 型位移传感器,梁端上下各放置一个最大出力 50t 的液压千斤顶,且各接入量程为 1000kN的力传感器,以便实时监测梁端加载力的大小。采用 DH3818 静态应变仪测钢筋应变。加载装置简图如图 2-5 所示,加载装置实物图如图 2-6 所示。

  不拆卸复合模板框架边节点在荷载加载初期,未出现裂缝,试件处于弹性阶段。当荷载加载至 0.5Py 时,梁受拉区模板开始出现细微裂缝并延长发展。当荷载加载至 0.75Py 时,梁受拉区模板出现多条裂缝,此时节点核心区模板出现细微裂缝。当荷载加载至 Py 时,核心区模板出现数条裂缝,梁端模板的裂缝不断发展,梁纵向钢筋屈服。整个加载过程中模板与主体混凝土粘结良好。试验改由位移控制加载,当位移达到 20mm 时,核心区模板出现数条平行交叉斜裂缝,且裂缝增多并变宽,模板仍未与主体混凝土脱离。当位移达到 30mm 时,试件 A2 核心区模板边缘翘起,试件 A1、A3 核心区模板仍未发生脱离现象。当位移达到 40mm 时,试件 A2 核心区的裂缝交叉处模板脱离于主体混凝土,主体混凝土被压碎;试件A1、A3 核心区的裂缝交叉处模板与主体混凝土共同被压碎,仅有局部脱落,未出现整体脱落现象。可见,在荷载控制阶段和位移控制阶段初期,不拆卸复合模板与主体混凝土粘结可靠,二者能够共同工作;在位移控制阶段后期,不拆卸复合模板与主体混凝土有剥离现象,二者粘结破坏与主体混凝土强度破坏基本上同时出现。

  因试验的局限性,试验中无法反映出轴压比、节点剪压比和节点配箍量对节点抗震性能的影响,故本章采用正交试验设计建立 9 个不拆卸复合模板框架边节点模型。正交设计法能够在较少的试验次数中得到较为满意的结果,可妥善解决试验中所需的试件数与实际可行的试件数之间的矛盾。综合轴压比、节点剪压比和节点配箍量三个影响因素对边节点进行低周反复加载模拟。本章分别对框架边节点的破坏形态、荷载─位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、位移延性等进行了系统的研究。

  对框架边节点进行有限元分析时,选用三个对其抗震性能有一定程度上影响的相关因素,其中包括轴压比、设计剪压比、节点核心区体积配箍率。正交设计法是根据数理统计的原理,应用均衡分散、整齐可比的正交理论编制的正交表来进行整体设计和综合比较的方法[54]。综合考虑不同因素的影响,每个因素选取 3个相关的水平。本文采用正交设计方法,建立 9 个不拆卸复合模板边节点模型 L933水平因素表列于表 4-1。

  本文以拟静力试验来模拟地震作用,对普通框架边节点和不拆卸复合模板框架边节点进行低周反复循环加载试验下的对比分析,利用有限元模拟不拆卸复合模板框架边节点在低周反复荷载作用下的受力性能,来验证模型参数及可行性。通过正交试验设计,确定了影响不拆卸复合模板框架边节点抗震性能的 3 个因素,建立了每个因素下 3 个位级的 9 个模型。完成了 9 个不拆卸复合模板框架边节点模型在不同的轴压比、设计剪压比、节点核心区配箍率条件下的有限元非线性计算分析,对滞回耗能性能、位移延性这两个因变量进行了极差分析和不同位级的趋势图,确定了不同因素对各自因变量影响程度的大小和影响趋势。本文得出了以下研究结论:

  (1)对不拆卸复合模板钢筋混凝土框架边节点进行低周反复加载试验,在荷载控制阶段和位移控制阶段前期,不拆卸复合模板与主体混凝土粘结可靠,二者能够共同工作;在位移控制阶段后期,部分不拆卸复合模板与主体混凝土有剥离现象,二者粘结破坏与主体混凝土强度破坏基本上同时出现。不拆卸复合模板框架边节点和文献中的耗能性能和位移延性相近, 抗震性能较好。

  (2)采用 ANSYS 软件对已完成试验中的不拆卸复合模板钢筋混凝土框架边节点进行模拟,破坏发展过程及破坏特征与实际试验相近,滞回曲线大致相似,位移延性相似,但数值模拟的耗能性能大于实际试验的,基本验证了模型的参数。

  (3)设计剪压比是影响极限承载力、滞回耗能性能和位移延性的关键因素。设计剪压比越大,极限承载力越大;等效粘滞阻尼系数与设计剪压比近似成线性递减关系,即设计剪压比越小,耗能性能越好;位移延性系数有随着设计剪压比的增大而减小的趋势,当设计剪压比增大到 0.241 之后,位移延性系数减小的程度有减缓的趋势,即设计剪压比越小,位移位移延性越好。

  随着人类生产、生活的不断推进,人们对大跨度高性能建筑物的需求不断增加。近几年,随着奥运会、世博会、世界杯等重大的国际性活动的举行,大跨度空间结构在国内外发展迅速。这些大跨度的建筑所具有的共同特点是:质量轻、造型美观、受力合理、抗震性能好等。并且随着计算理论逐步完善,跟计算机技术的的突破性发展,新结构形式与施工方法的不断出现以及新颖、高强、轻质材料的应用,这使得更多的大跨度新空间结构形式成为可能[1-2]。空间结构具有受力更加合理、跨度大、建筑形式多样,但是在实际工程中仅采用单一的结构形式常常会存在一定的缺陷。为了充分地利用材料性能,结合各种结构的特点,将不同类型的结构形式按一定规律结合而形成新型结构体系,如拱支结构、斜拉结构、弦支结构等[3]。张弦桁架结构是把预应力拉索跟桁架结构杂交得到的一种新结构形式,由于在大跨度方面所具有的优越性,并且其结构形式简洁,受力明确,建筑效果多样,因此也是一种被广泛应用的新型大跨度空间结构形式,具有十分广阔的应用前景。

  随着人们对张弦梁受力特点及结构形式的深入研究而衍生出的一种新的结构形式张弦桁架结构。张弦梁结构,最初是由“将弦进行张拉、与梁组合”这一基本形式而得名。“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”这一张弦梁结构概念最早是由日本大学 M.Saitoh 教授首先提出的[5]。张弦结构所具有的共同特点是将上部刚性构件(桁架、型钢梁)跟下部柔性拉索通过撑杆连接而成的,然后再对拉索预先施加预应力,使张弦结构体系形成整体刚度,因此能承受较大的荷载实现更大的跨度[6]。如图 1.1。张弦桁架结构就是将张弦梁结构中的上弦梁构件替换为上弦拱形桁架。

  ANSYS 做为一款大型通用性有限元分析软件,其应用范围涵盖了许多行业,但是对于某个专业领域而言,具体的操作步骤时很繁琐的,并且其具体的操作界面是全英文的,会对国内很大一部分人员的使用产生不便。由于 ANSYS 是通用性软件在对具体的问题分析时不会给予专业性的建议,ANSYS 也不能在操作人员分析错误时提供合理的建议方法。因此往往需要依靠有经验的分析人员对具体的问题不断进行优化,还要花费大量的时间跟精力对结果进行不断调试。为了将ANSYS 在各个领域中应用更加的方便快捷,就衍生出了关于 ANSYS 的二次开发,以及在 ANSYS 基础上二次开发的某专业的专用软件。ANSYS 软件为了解决各个专业领域的应用问题提供了专门的二次开发功能。在具体的二次开发时一般是应用 APDL 进行参数化建模跟分析,可以省去操作人员大量的重复性的操作,同时也便于修改。ANSYS 提供的 UIDL 用于ANSYS 操作界面的开发,可以用此种语言对系统菜单选项、对话框等按用户的需求进行编辑[9-10]。此外还可以结合 VB、VC 等语言跟 ANSYS 进行结合,VB等开发语言可以设计出良好的人际交互式界面便于操作人员进行数据输入,然后再将生成的文件跟 ANSYS 对接即可完成有限元分析[11-12]。关于 ANSYS 的二次开发应用研究早已经开始了。例如,郭士雄,李国强[13]通过 UIDL 定制出用于钢结构的设计的人机交互界面跟对话框等,然后再利用APDL 经行参数化建模、加荷载、分析等。

  张弦结构是由撑杆连接主要承重的刚性上弦构件跟柔性的下弦构件,同时也是一种具有优越承载能力的自平衡体系结构,由于张弦结构是由“刚性”和“柔性”两种结构体系组成,于是也将其归类于“杂交体系”的范畴[3]。对于张弦结构在实际的工程应用中跨度都很大,一般由于一端支座为可滑动支座,在荷载作用下跟对下弦拉索进行张拉时支座都会产生位移,因此十分有必要区分张弦结构施加预应力前后结构的形态[18]。

  根据张弦结构的受力特点、加工状态、施工方式常把张弦结构在受力过程中涉及的状态定义分为零状态、初始态和荷载态三种。各状态的定义及受力情况[19]:(如图 2.1)零状态(结构的放样状态):在对索施加预应力前的状态,即在没有施加预应力也不考虑自重时构件的加工、放样状态。该状态下结构的受力情况:无自重+无预应力。初始态(预应力态):在对索施加完预应力后,并且完成说了屋面的结构施工的状态,此时也拆除了支撑,结构已经形成了自平衡体系,此时所对应的几何参数就是图纸的设计几何外形,也是建筑施工图中明确的结构建筑外形,即结构完成后验收的状态。该状态下结构的受力情况:自重+预应力。荷载态:结构在初始形态基础上受外荷载作用发生新的变形后达到的平衡状态。受力情况:自重+预应力+外荷载(活荷载+恒荷载)[20]。

  要考虑预应力在张弦结构中的作用就首先阐明对预应力的定义,指的是在没有外荷载作用下结构内部所维持的自平衡内力分布。在张拉下弦索过程,索中的张力包括两部分效应:一是在结构自重作用跟外荷载作用下引起的索内力,还有就是通过对索施加预应力而产生的内力。因此在对拉索进行张拉的过程就是为了让拉索参与结构形成整体共同工作的过程,而不只是指对拉索施加预应力[22]。在张弦结构中施加预应力一般认为主要有两个作用:一是拉索中的预应力是为了让整个张弦桁架结构获得整体的刚度,同时也为了避免出现在某些外荷载作用下使拉索不再受拉而退出工作。二是为了改善上弦刚性构件的受力性能,减小上弦刚性构件在外荷载作用下的弯矩大小[23-25]。

  单榀张弦桁架结构可通过不同的布置方式如双向、多向以及呈辐射式,形成受力性能更为合理的空间张弦桁架结构体系。因此单榀张弦桁架结构的性能对整体结构的性能起着非常重要的作用。参考文献[39]研究了影响单榀张弦梁的因素,通过对各主要因素垂跨比,矢高比,撑杆数,拉索的预应力值分别定量分析,总结出了张弦结构在各主要影响因素变化时在内力和变形的规律。本章主要内容是利用上章编制的单榀张弦桁架结构分析程序来研究其静力性能,并详细讨论了撑杆数目、矢跨比、垂跨比、索的预应力和索截面积等主要因素对单榀张弦桁架结构静力性能影响规律,并参考文献[39]的结论对各影响因数进行讨论,得出在跨度在 125m 时各个因素相对合理的一个取值范围,从而全面了解结构的主要参数对体系内力和位移的影响情况,对于其他跨度的张弦桁架,按照相同的方法确定其合理参数范围,并为张弦桁架设计时各因数的取值提供一定的参考意义。

  参考某张弦桁架结构工程实例为基础模型[40],上弦桁架的截面形式为倒三角行,地面粗糙度为 C,选取张弦桁架跨度为 l=125m,上弦桁架宽度为 a=4m,上、下弦杆的高度差为 b=3m,张弦桁架矢高为 f=8m,矢跨比为:0.064,垂度为 h=4m,垂跨比为:0.032,撑杆数目为 s=11,下悬索采用的是 337 根Ф×7 冷拉钢丝组成的钢丝束,截面面积 A=0.012969 m2,在拉索施加的预拉力为 sp=300KN。设每9m 设置一榀平行布置的张弦桁架,荷载等效换算成节点荷载施加在张弦桁架上弦各节点上,恒载 q1=32.4KN,屋面活载 q2=9.45kN,雪荷载 q3=5.04kN,迎风荷载 q4=-35.28kN,背风荷载 q6=-22.05kN。桁架两端处一端为固定支座,一端为滑动支座。

  张弦桁架结构是近年来一种新型的大跨度空间结构,以其优越的受力性能而受到广泛的亲睐,本文选取上弦桁架截面为倒三角形的单榀张弦桁架作为研究的对象,为了便于对张弦桁架结构的受力性能研究,本文建立了上弦桁架截面形式为倒三角的单榀张弦桁架模型分析程序,并用该程序对单榀张弦桁架结构进行的受力分析,并对影响张弦桁架结构的主要因素:撑杆数目、矢高比、垂跨比、预应力值、拉索截面积、桁架高度,进行分析讨论,得出本文讨论的张弦桁架模型有关影响参数的合理取值范围,得出以下结论:

  (1)通过建立的倒三角形截面张弦桁架计算程序可以快速建立模型并进行受力性能分析,在中文的人机交互式操作界面下,通过输入不同的参数可快速进行反复计算,并且可以输出结果云图以及结构内力文本文件到指定的文件夹。

  (2)张弦桁架的撑杆数目确定需要考虑到其对结构的位移跟内力的影响,撑杆作用相当于给上部桁架提供了一个弹性支撑,单从受力分析角度撑杆数目再超过 3 个数目后对于跨度 125m 的张弦桁架的受力性能改善就不再明显,结构各构件内力对撑杆数目改变不是很敏感,但考虑到实际建筑效果需求等因素,建议设置 9~11 根撑杆,符合文献[41]中工程实例的撑杆数目取值。

  (3)增大张弦桁架的矢跨比跟垂跨比对改善结构的受力性能有较好的效果,但是整体结构的用钢量增大并不明显;当矢夸比和垂跨比增大到一定程度后对结构的位移跟内力影响不大,改善结构受力性能将不再明显,因此两个的取值范围要适当,建议对本文的模型的矢跨比取值范围为:0.06~0.09,垂跨比取值范围为 0.05~0.09,满足文献[41]中工程实例的垂跨比、矢跨比取值。

  (4)张弦桁架的也是一种预应力结构,要对拉索施加一定的预应力值,来减小结构在荷载作用下的挠度,以及抵消拱形桁架在结构两端产生的结构反力。拉索中的预应力不能过小,过小可能会在外荷载特别是风荷载作用下因受压而退出工作,也不能过大,过大了会使桁架杆件产生过大的内力,从而增大了用钢量,也增大的施工难度,对于本文所取的模型建议预应力取值范围为 900kN~1300kN,同时也跟文献[41]中工程实例对拉索预应力的取值相符合。

  “城市综合体”又称 HOPSCA (H~hotel O~office P~ponk S~shopping C~club A~apartment),是指将城市中的商业、办公、居住、酒店、展览、餐饮、会议、文娱和交通等城市生活空间的三项以上进行组合,并在各部分间建立一种相互依存、相互助益的能动关系,从而形成一个多功能、高效率的综合体①。它是城市经济发展进入一个新阶段的象征,是城市化进程发展到一定阶段的产物,它的形成和发展代表着现代城市发展的新动力和城市规划的新标向。一方面城市综合体可以高效组合集约利用土地,以缓解土地供不应求的问题,改善居民生产生活方式,并能重新构建城市空间组织架构,提升区域价值,发展城市经济,提升城市形象②。另一方面城市综合体融合多种物业类型,满足客户多重需求,具备优良资产性、能长期持续经营,市场竞争力大,抗风险能力强,引起了大部分开发商和投资者的关注,在全国范围内大量开发势头③。但同时城市综合体项目规模大、所需资金多、开发周期长、涉及环节多、开发风险大,开发布局过程中需要极强的策划、管理、统筹协调能力。在城市综合体的大量开发背后,还存在着一些问题影响或制约城市综合体的发展。一是定位不准确;如只考虑商业部分而不考虑该项目整体定位,二三类城市盲目追随一类城市现有的成功案例简单复制。二是重开发轻运营;项目做得富丽堂皇大气,但人气不足,经营困难,都是因为开发、招商和运营分割或者运营管理水平低下。三是缺乏高品质产品;硬件设施相对优良,但缺乏人文气息和文化内涵,降低了城市综合体的整体竞争力。针对这些问题,国内研究如何定位、采取何种运营模式等较多,但系统分析的较少。因此,针对城市综合体投资开发的可行性研究分析显得十分重要。

  可行性研究④是以预测为前提,以投资效果为目的,从技术上、经济上、管理上进行全面综合分析研究的方法。是对新建或改建项目在投资决策前,从技术经济角度进行全面的分析和预测,从而判断项目在技术上是否可行、经济上是否合理,在既定的范围内进行方案论证的选择,多个方案进行优选的科学方法⑤。 为了保证田纳西流域的合理开发和综合利用,美国于上世纪 30 年代,开创了可行性研究的方法,并获得成功。二战后,西方国家已将这一方法广泛地应用到科学技术和经济建设领域,已逐步形成一整套行之有效的科学研究方法⑥。 我国在 20 世纪 70 年始引进可行性研究方法并在政府主导下加以推广。改革开放以后,我国有关部门开始重视相关人才的培养,并开设了相关的培训班。1981年,国家计委明确把可行性研究阶段纳入基本建设程序。80 年代后,国务院相关部门先后以行政文件的方式明确规定所有新建、扩建的大中型项目,都要在经过反复周密的论证后,提出项目可行性研究报告。2001 年国家发改委颁布了《投资项目可行性研究指南》又进一步提高了我国可行性研究工作的科学化、程序化⑦。我国目前十分重视可行性研究,并取得一定成效。

  城市综合体在国外是一个比较成熟的建筑理念,它是指各种形态的物业高度集约,相互依存、互补,从而使它能够满足办公、购物和居住的城市多元化的需求。因此城市综合体也形成的与商业地产物业不同的特点。

  (1)物业:复合互补 城市综合体自身是城市功能的高度集约化发展,包括了多元消费功能体系,加上便利的城市交通网络,各功能体系之间联系,互为补充,从而呈现出城市功能多样性、复合性。

  (2)规模:体量具大 知名城市综合体项目都呈现出了开发规模体量大,建筑高密度的特点,部分项目会修建超高层塔楼,以成为一个城市或地区的地标性建筑,如香港 IFC、ICC 项目, 101 项目。

  (3)外部:高便可达 城市综合体通常位于经济发达城市中心区、城市副中心或新区,一般都会是城市主要交通网络的节点,而且项目周边交通网络发达,可达性高,要与地铁站点出入口做到无缝连接。

  (4)人流:高度密集 成熟的城市综合体都会呈现出人流密集,人口密度高,客层层次多元化的现象。白天商务人流、消费人流和晚间周边居民人流互补,工作日与周末不同消费人流形互补。

  城市,按照社会学的传统,被定义为具有某些特征的、在地理上有界的社会组织形式。通常而言指具有一定人口规模、以非农业人口为主较大居民点,人口稠密较高的地区称为城市。城市是人类文明的主要组成部分,城市也是伴随人类文明与进步发展起来的。农耕时代的城市规模很小,相对封闭。真正意义上的城市是工商业发展的产物,如 13 世纪的地中海沿岸重要的商业和贸易中心米兰、威尼斯等。工业之后,城市化进程大大加快了,到上世纪初,发达国家绝大多数人口都已生活在城市。与西方不同,中国城市的起源是“城”与“市”的组合词。“城”主要是为了防卫,并且用城墙等围起来的地域。“市”则是指进行交易的场所,“日中为市”。这两者都是城市最原始的形态,严格地说,都不是真正意义上的城市,在生产力发展的驱动下“城”和“市”才走向结合。 城市化,又称城镇化,是指伴随着工业化进程的推进和社会经济的发展,乡村人口与城镇人口的此消彼长,居民的生活方式向城镇型转化并稳定的过程。城市化进程伴随着城市产生而开始。早在原始社会向奴隶社会转变的时期,就出现了城市。然而,生产力低下,城市产业结构简单,人口聚集能力不强,城市的发展极其缓慢。工业后,社会化大生产的出现,促进社会分工,才使得城市人口迅速增长,城市人口比例不断上升,从 1800~1950 年城市人口增加了 23 倍。从整个世界看,1900 到 1980年,城市人口从 13.6%增长为 41.3%。所以,现代工业的出现、资本主义的产生促进了城市化。

  当一个城市的半径不断扩张,原有传统的商业、休闲、娱乐往往就不能适应城市的需求,这就需要具有复合型、多重功能型的城市新商业综合体的出现。根据前文确立的影响城市综合体开发的主要因素,通过 G-85 地块项目的实例研究,我们有如下启示: 外部因素(城市发展水平)是城市综合体开发的基础,是其发展的原动力。进行城市综合体开发,首先要对所在的城市进行分析研究,确定城市是否具备开发城市综合体的条件。根据前文的研究,主要是分析城市的发展水平是否可以承载城市综合体的开发,城市发展水平主要包括政策因素、经济因素、区位因素和人口因素四个方面。一个综合体的投资开发要取得成功,所在区域的经济水平、人们的消费习惯和购买能力,附近的交通是否便利,有没有相应的鼓励政策都会有极大的影响。 内部因素(开发商能力)是城市综合体开发的保证。一个再好的项目,如果没有资金作为保证,那么巧妇也难为无米之炊。而从金源 MALL 的重生我们可以发现,即使城市发展水平再高,外部因素再好,仍然有经营不善、关张倒闭的综合体项目。包括我们进行的财务评价,也是基于项目良好运营的预期来开展的,不管在定位、业态组合、招商、后期管理哪一个环节出现问题,都势必将影响城市综合体的开发建设。所以一个成功的综合体应当是在经营的过程中不断调整,但内因却是关键,必须准确定位,通过规模经营、业态组合和科学管理以及不断的创新,形成自身优势,才能确保项目长期获益,运营成功。

  结论 城市综合体作为一种新型地产开发模式,颠覆了传统商业地产的运作方式,其具备资源整合性、系统复杂性、客群多样性、业态多样性等多种特征,有着强大的生命力和良好的发展前景,必将对我国房地产市场的可持续发展产生深远影响。 本文从城市的发展轨迹着手,沿着城市化进程的脉络,通过分析城市综合体的发展背景,发展历程,从城市发展的历程和城市化的进程推出,城市综合体是城市化发展到一定阶段的产物,而产业升级、城市化进程加快、生活方式的改变是城市综合体产生的根本原因,商业综合体的发展与一个城市的商业价值发展有着息息相关而又互为推动的功能。当一个城市的半径不断扩张,原有老城区传统的商业、休闲、娱乐往往就不能适应城市的需求,城市商业综合体的出现正好发挥了商业中心的引领作用,一个城市的商业综合体就是一个城市的中心。 通过对文献的分析。结合作者的观点,总结了影响城市综合体开发的主要因素。并结合国内外案例的整理分析予以佐证。同时运用于 G-85 地块的开发,得到以下结论:

  (1)影响城市综合体开发的要素主要包括城市发展水平和开发商的开发运营能力。城市发展的水平是城市综合体开发取得成功的外因,主要体现在城市综合体的开发建设要与城市发展水平相适应,从政策、经济、区位、人口四个因素进行分析,要符合当地的政策,要有能支撑综合体开发建设的经济基础和消费人群,选择交通便利的区位,充分论证。开发商的开发运营能力是城市综合体开发取得成功的内因。城市综合体的开发要由有成熟经验的大型商业地产开发商来操盘开发,要有雄厚的资金实力和成熟的大型商业地产运营经验,以免导致开发失败。

  (2)城市综合体的开发建设不能仅仅考虑经济效益,还要综合考虑城市综合体的社会效益和环境效益。一方面要发挥城市综合体的商业职能,同时要承担更多的城市公共设施的职能,要通过城市综合体项目的建设,在完善社会区域功能、提高城市商业档次、改善城市环境,提升城市品质,增加就业岗位、创造持续税收等方面都发挥积极重要的作用。

  近些年来,我国的建筑结构形式得到了迅速发展,各种结构形式如雨后春笋般脱颖而出。同时,随着结构不同形式的出现,也相继出现各种新型结构与构件,而在这些新型结构得以广泛应用之前,还需要相关的试验来验证它们的可靠性,以满足经济与社会发展的需求。试验室中常用的加载装置主要有反力墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应各种组合类型。其中,由于反力墙结构可以做到一般结构的例尺寸甚至是足尺模型的伪静力试验和拟动力试验,所以其重要性不言而喻;而国内相关研究较少,许多试验室反力墙的建设都是参考其他试验室进行的,并没有统一的标准与规范。并且随着现在结构尺寸的增大,相应试验吨位的增加,对于反力墙结构的实验需求也越来越高。而苏州科技学院结构工程重点实验室原有的一堵一字形反力墙仅能够支持单向加载,而现在对于地震作用的研究早已上升至双向甚至是三向加载,所以其早已不能满足现在的各种实验需求。因此,本课题以苏州科技学院拟建地震模拟振动台实验室反力墙结构为研究背景,通过对各大高校反力墙具体结构形式及构造进行深入调研,对反力墙进行初步选型,然后进行方案的确定,进而进行初步计算以及模型的调整,到最后的项目完成。在此基础上,提出最终反力墙截面形式的合适选用原则及其具体设计方法与建议。 上图1.1-1为课题调研的同济大学嘉定校区地震工程馆的T形反力墙结构及其箱型地下室。该反力墙采用空腹形式,墙身高 15m,总长 30m,地下室采用箱式台座,并设置了相应的设备室;墙身上面为均匀间隔的圆孔,圆孔直径为 70mm,且间距为 600mm,该孔是用来固定加载装置的,例如单向作用千斤顶、伺服液压加载千斤顶、电液伺服控制加载系统等。该墙墙厚 850mm,整个墙侧立面厚 4m,其中每一层都有开洞,开洞宽度为 1m,高度为 1.8m,并有钢梯与每个洞口连接,便于操作人员的出入,墙内部为空腹式,并有走道,便于试验人员在墙内外固定装置。地下室包括顶板、底板、肋墙及设备室,顶板、底板厚与反力墙墙身厚度相同,均为 850mm,顶板开孔直径与间距与反力墙相同,肋墙宽 500mm,并不贯通布置,而是留出约 1m 左右的走道,两侧也有通道,便于管道的走线,地下室底板铺设了许多管道,是为了便于地下室另一侧液压仪器的管道铺设。可以看到顶板有固定试验装置的螺栓。

  近些年来,国内外学者对试验室反力墙结构进行了一些研究:有工程应用,也有理论分析,并对反力墙结构施工工艺进行了探索,现总结如下:现有国内外文献对于反力墙及其台座的设计方法均没有整体的详细介绍,而是给出了其具体使用途径。首先,文献[3]对反力墙自身的自振频率进行了现场实测试验研究与数值模拟,结合多种方法,目的旨在更好地掌握了解其动力特性,以在之后试验中避免各种不利影响。文献[4]与文献[5]讲述了在康奈尔大学进行的地震作用下各管道生命线的大尺度甚至为足尺模型的研究,文中提到了反力墙的具体参数,为相关实验设施提供了具有借鉴意义的参考。 国内外对于反力墙的建设情况也有介绍:文献[6][7][8]分别介绍了日本建筑研究院建成的反力墙装置、阿尔及利亚国家抗震工程中心实验室反力墙的建设情况,还有成都理工大学对反力墙建设的构想与建议。 对于反力墙所作试验的情况,以下八篇文献均有详细介绍,其中:范力等人于文献[9]探讨了拟动力试验中的几个问题,提出了相关结论;福州大学林东欣、宗周红、房贞政在文献[10]中对两层钢管混凝土组合框架结构进行了拟动力地震反应试验研究,并运用反力墙与电液伺服作动器施加水平荷载,并结合了反力墙与计算机联机的方式,取得了良好的效果;文献[11][12]对底部框架抗震墙砖房进行了拟动力地震反应试验,评价了这种结构的抗震性能;文献[13][14]对预应力混凝土框架节点进行了二维拟静力试验研究,提出梁的刚度影响节点破坏形式,预应力的施加对空间框架的节点核芯区的抗剪有较大提高;张洁等人于文献[15]对洛塘河双层高架桥进行了拟静力试验研究,提出合适的横梁高度可以适当提高梁的抗弯能力;文献[16]运用反力墙对自复位抵抗弯矩的框架进行了模拟地震作用下的试验与拟静力推覆分析,取得了良好的效果。

  对于反力墙这种受力状况特殊的大型钢筋混凝土结构,目前并无成熟的设计方法,且相关的参考文献也比较少。一位硕士的论文中对其学校结构实验室反力墙结构进行了大型有限元分析,文中提到了反力墙的简化计算方法,即采用上部结构与下部基础分开,单独进行计算的方法,不考虑二者的共同作用。其中,对于上部结构,简化为工字型截面悬臂梁,反力墙墙身即为梁的上下翼缘,腹板即为反力墙的隔墙,即中间开洞,目的是供试验人员安装螺栓之用。其设计人员按弹性方法采用软件对反力墙进行配筋计算及裂缝宽度和挠度的验算。本文按照此思路,对反力墙提出简化模型的计算,即按照悬臂梁的方法,手算该反力墙的内力及配筋,并与其软件计算结果进行对比,校核该方法的准确性。

  对于反力墙墙身的结构形式,如前述可知,有以下几种: (1)实心普通钢筋混凝土 美国明尼苏达大学 MAST 实验室采用的是这种类型的截面,其优点在于整体性好,便于混凝土浇筑;而缺点在于不能提供较大的反力; (2)空腹式钢筋混凝土 随着实验要求的逐渐提升,试验吨位的不断加大,对于反力墙结构形式有了进一步的探索,越来越多的实验室开始采用箱形空腹式截面。其优点在于能够提供更大的刚度,缺点在于构造复杂,施工难度较实心混凝土更大。 (3)预应力混凝土 在普通钢筋混凝土发展日趋完善之后,对于预应力混凝土的应用也到达了一定的高度,由于预应力混凝土可以充分发挥钢筋的强度,和有效加强结构刚度,所以现在广泛应用于大跨度结构、对结构刚度要求较大等等地方。其优点在于较普通钢筋混凝土性能更优,缺点在于施工时对于预加力的把握难度大。 鉴于以上原因,综合各方案的优缺点,选用箱形空腹式作为反力墙墙身的结构形式,并分别采用普通钢筋混凝土方案与预应力混凝土方案进行计算与分析。

  如下图所示,为不考虑翼缘时反力墙第一个方向上的截面形式,可以明显看出,此截面形式接近于箱形梁,于是采用简化的工字型截面模型来计算,并将它视为工字型悬臂梁,对反力墙底部与箱型基础连接处视为固结。截面高度保持原有不变,即实际截面尺寸,工字型截面腹板厚度为各墙肢厚度之和。工况数量比较多,且现在是进行手算,则任取一种工况进行试算。首先选择(b)工况进行试算,此时,反力墙底部最大弯矩为 87600KNM,底部最大剪力为 10000KN,最大挠度要求为 L0/1800[35]=14.6/1800=8.1mm。该挠度限值的选取,实际上,一方面是考虑结构挠度不能过大,否则会影响实验精度;另一方面,由结构力学可知,构件的底部弯矩与其挠度有一定的关系。在使用过程中,反力墙千斤顶作动器的所能施加最大的力即为其量程范围的最大值;根据反力墙与作动器实际条件,提出反力墙在使用条件下的荷载值:即顶部施加两个 100 吨的千斤顶作动器,沿其对应竖向向下的每层结构层高处分别施加两个 100 吨的千斤顶作动器.

  有限元分析,就是用有限单元法,以弹性理论为基础,用矩阵这个数学工具推算,用计算机程序作出其数值解,是一种常用的计算方。