《上海交通大学学报》2021年“土木建筑工程”专题
针对干燥地区淡水缺乏问题,设计一种用于干燥地区的转轮辅助空气取水机组.以小时取水量为指标,在典型工况下优化转轮加湿流程,包括被加湿和被除湿空气流量比、级数及再生温度.基于三级加湿流程计算理想条件和实际热力学循环条件下的系统能耗,并在相同小时取水量前提下,以取水能效为指标,与直接冷却法进行对比.结果表明:该方法取水能效远高于直接冷却法,所研究工况下,小时取水量为15.8~30.9 kg/h,取水能效为1.3~2.1 kg/(kW·h),利用太阳能替代热泵加热后,取水能效可提升至3.3~4.4 kg/(kW·h).所提方法可有效丰富干燥地区淡水资源.
提出一种利用三轴仪分析应力路径及结构物粗糙度对饱和砂土和结构物接触面强度特性影响的试验方法.通过制作含一定倾角斜面结构物的三轴试样,使得剪切过程中土体沿预设破坏面发生滑移, 结构物斜面粗糙度可进行控制调整.利用三轴仪控制轴压和围压变化,实现不同应力路径下的加载.对饱和福建标准砂和不同粗糙度钢结构物进行不同应力路径下固结排水剪切接触面试验,并对比接触面直剪试验,验证了该方法的有效性.结果表明:在滑动刚发生时,三轴试验常法向应力剪切路径下接触面摩擦角小于常规剪切路径下的接触面摩擦角.光滑情况下,接触面直剪试验所得摩擦角比三轴试验所得摩擦角小30%~40%.粗糙情况下,直剪试验所得接触面摩擦角略小于三轴试验摩擦角,且更接近于常法向应力剪切路径下的摩擦角.
整体钢平台模架体系在超高层建筑施工过程中应用广泛,复杂的施工环境为施工人员带来了高度的风险,有必要建立基于风险随机性的超高层建筑施工钢平台人员疏散模型.首先,考虑危险源在钢平台的空间分布划分危险区域,通过风险调研问卷收集专家数据从而建立风险联合概率评估模型;然后,基于元胞自动机地面场模型将风险评估与人员疏散结合,对钢平台施工人员的疏散过程进行仿真;最后,将该模型应用于某实际超高层建筑施工项目中.结果表明:钢平台顶层及下层危险区域对施工人员疏散的影响程度受出口大小的影响显著.模型为经验导向的施工现场安全预警和人员管控提供了新范式,对整体钢平台模架体系的安全运维具有重要的理论和应用价值.
根据软土地层桩基工程特性,提出符合工程特点的虚拟柱状结构模型,建立桩基沉降位移理论解.研究软土地层中桩基荷载的传递特性、桩基承载模式及其随荷载与环境条件逐步演化的动态关系.结果表明:桩基存在摩擦承载和摩擦+桩端承载模式,且随桩顶荷载、施工和环境因素显著变化.同时,受荷载的传递规律影响,桩基轴向存在0轴力断面,其深度与桩基长度的大小关系影响桩基的承载模式类型和位移计算结果.现场结果对比验证了理论方法的正确性和适用性.
基于泥浆压力平衡地压的原理,建立一种分析桩孔稳定的力学模型,分析无支护开挖、泥浆护壁成孔、硬支护成孔3种施工方式的应用条件与使用范围,给出无支护成孔最大深度、护壁泥浆下限容重的确定办法与实用表格.研究结果表明:土体的摩擦角、黏聚力与泥浆容重是维持桩孔稳定的基本要素;当成孔深度小于无支护成孔最大深度时,可采用无支护开挖,否则须采用泥浆护壁辅助成孔,且泥浆重度不得小于场地土要求的护壁泥浆下限容重;当摩擦角大于25°时,可任意选择泥浆重度;当查表计算所得的护壁泥浆下限容重大于规范给定的最大泥浆容重时,则需采用套管等硬支护措施.
为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.
基于Pasternak弹性地基梁理论,结合土的有效应力原理和Dupuit假设,推导了砂土地层单井降水引起邻近管线变形的解析解.算例解析计算结果与抽水试验及数值模拟结果吻合较好,验证了其准确性,在此基础上深入分析了管线受力变形的影响参数.结果表明:研究管-土相互作用时,土中剪力的影响不应被忽略,管线变形范围与降水影响半径大致相等.降水深度、管线与降水井距离对管线变形及受力有较大影响,且存在临界降深,使得管线变形及受力发生较大转变.到达临界降深前,管线变形和弯矩最大值位于管线中心,随降深增大而增大.超过临界降深后,管线弯矩最大值会随降深增大由管线中心向外偏移,出现两个弯矩峰值,位于水位线与管线相交处.研究成果可为相关工程的管线防护提供参考.
采用数值模拟的方法研究了孤立波和海流共同作用下单桩周围海床的局部冲刷.通过求解RNG k-ε湍流模型封闭的N-S方程,准确地模拟了桩周流场的变化情况.泥沙输运模型考虑泥沙的夹带、悬移质输送、沉积以及推移质输送的泥沙冲刷机制.对于斜坡床面,考虑重力对泥沙颗粒的影响,并对临界希尔兹数进行修正.将数值结果与实验数据进行比较,验证了数值模型的准确性.在此基础上,详细分析在不同波高条件下的桩基冲刷发展过程,初步研究了桩基保护层对冲刷的影响.结果表明:波-流共同作用下桩基周围海床的冲刷深度比单纯流或孤立波作用下冲刷深度更大;倾斜海床下的局部冲刷深度更大;保护层的设置可以有效地降低桩周局部冲刷深度,保护层粒径的大小对防护效果的影响较大.
复阻尼模型的阻尼矩阵构造容易,仅依赖于材料损耗因子和结构刚度矩阵,但具有时域发散、非因果性等缺陷.从结构的固有特征恒定出发,推导了材料损耗因子与结构阻尼比的等效关系,进而得到与复阻尼模型等效的黏性阻尼模型.该阻尼模型不仅克服了复阻尼模型的缺陷,同时保留了复阻尼模型直接依赖材料损耗因子的便捷性.针对比例阻尼体系,依据材料损耗因子和结构振型阻尼比的关系,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型实振型叠加法.针对非比例阻尼体系,依据材料损耗因子和子结构振型阻尼比的关系,借助分块Rayleigh阻尼和状态空间法,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型复振型叠加法.通过算例分析验证了本文方法的可行性和正确性.
上方基坑开挖由于应力释放及坑底回弹,不可避免导致既有隧道产生上浮变形,长距离共线时其影响更为显著.在考虑环间剪切错台变形的铁木辛柯简化模型基础上,结合Winkler地基模型,提出了一种上方基坑开挖下土-隧道相互作用解析模型.利用叠加原理将该模型应用于上方长距离基坑开挖引起的共线隧道变形实例分析.通过计算结果与实测数据对比验证了该模型的准确性.分析结果表明,上方主体结构施工后,隧道上浮变形明显回落,但局部差异沉降增加,导致隧道内力和环缝变形显著增加.隧道渗漏水位置并非位于隧道上浮变形最大处,而是位于接头张开量最大处与接头错台变形最大处之间.因此,实际工程中不应仅关注隧道总变形,同时应关注差异沉降引起的接缝张开及错台变形.虽然隧道变形中剪切变形占比约为21.41%,但其引起的接缝错台变形较为显著,其对接缝防水有重要影响,理论分析中不容忽视.
海洋风机单桩基础会受到波浪荷载的循环作用,同时会面临地震荷载的威胁,因此,海洋单桩基础所处的环境较为复杂.然而,目前大多理论研究主要考虑波浪荷载或地震荷载作用下的桩基动力响应问题.本文采用有限元方法建立了波浪-地震-桩-海床耦合模型,数值分析方法基于Abaqus隐式动力分析.采用Morison方程模拟波浪对于桩基础的作用,海床采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩为弹性介质,地震波通过加速度的形式添加在模型底部.主要研究埋置在海床中桩的动力响应问题,如:加速度、位移、弯矩以及剪力等.结果表明:地震荷载对于海上风机单桩基础具有重要影响.在地震荷载作用下,桩的加速度以及位移响应均有一定程度的放大.土体性质以及桩的参数对于海上风机单桩基础设计至关重要.
采用人工方法模拟碱骨料反应(AAR)引起的箍筋下端锚固退化,通过三点加载实验和数值模拟对钢筋混凝土(RC)梁受剪性能展开研究.结果表明:和完好梁相比,剪跨区内箍筋下端锚固退化降低了RC梁的受剪承载力,且降低程度随局部黏结失效范围的增大而趋于明显.端部锚固退化导致的箍筋抗剪作用减小以及斜裂缝间骨料咬合承担剪力降低是承载力下降的主要原因.基于模拟箍筋应变的承载机制定量评价结果表明,箍筋下端锚固退化同时降低了混凝土承担剪力Vc以及箍筋承担剪力Vs,但Vs降幅较Vc更为显著.
为分析沉井接高过程中固结对复合地基承载力的影响,以某大型陆上沉井基础的砂桩复合地基工程为背景,探讨了沉井接高过程中砂桩复合地基的固结特性,分析了加荷历时和砂桩置换率等因素的影响.基于桩土面积比法和桩土应力比法推导了考虑固结影响的砂桩复合地基极限承载力公式,并与复合地基实测承载力进行对比.结果表明:两种分析方法得到的复合地基承载力时程曲线较为接近,且初始承载力均小于复合地基实测承载力,而固结完成后的承载力比复合地基天然强度分别提高了68%和80%.该方法考虑了沉井接高过程中地基固结对其承载力的影响,避免了因低估地基的实际承载力而导致沉井滞沉问题,可为考虑固结影响的复合地基极限承载力计算和制定合理的沉井施工方案提供参考.
传统颗粒-流体耦合算法难以考虑流体动态边界问题,在模拟大变形案例时因流固边界不匹配易造成计算误差,影响结果的准确性.针对该问题,引入流体网格动态更新方法,推导动网格下的达西渗流方程和颗粒-流体相互作用方程,在离散元商业软件PFC2D基础上,开发了考虑流体动网格的颗粒-流体耦合算法.将该算法用于模拟饱和土不排水剪切双轴试验,通过与常体积法的结果对比,验证了该方法的有效性.最后,采用该算法模拟了不同围压下的不排水双轴试验,计算结果的规律与室内试验具有较好的一致性.该算法考虑了流体动网格的问题,在模拟大变形下的三轴压缩试验、一维固结试验等案例时可获得相适应的流固边界,有助于提高模拟精度,因此可为类似研究提供参考.
为探究孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响,基于非局部-Biot理论,构建了P波及SV波作用下饱和土地基表面动力响应的计算模型.采用波函数展开法,求解了地表位移及应力的解析解.分析了孔隙尺寸(以非局部参数描述)、入射波频率及入射角对地表位移及应力响应的影响.结果表明:低频下,非局部Biot理论计算结果与经典Biot理论计算结果基本一致;高频时,地表位移及应力随非局部参数变化较为明显,即高频率下,孔隙尺寸效应对地表响应影响不可忽略.入射波频率对地表响应的影响与孔隙尺寸有关,孔隙越大,频率影响越为显著.相同幅值的P波及SV波作用下,SV波引起的地表动力响应大于P波,且SV波在入射角为45° 时发生全反射.研究成果可为半空间饱和土中波动问题的研究提供借鉴.
扩展有限单元法(XFEM)是基于单位分解的思想,在常规有限元的位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,避免了常规有限单元法计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新划分网格的不便以及繁重的计算量,并且裂纹的扩展独立于网格.标准有限元在处理时间积分时,在裂纹不断扩展的过程中整体刚度矩阵的自由度也会不断地增大,从而导致迭代计算无法进行.本文基于扩展有限单元法模拟动态裂纹扩展的方法,提出了新的Newmark隐式时间积分方案.此方法将所有节点都富集Heaviside函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,即每个节点都有12个自由度,从而使得总体刚度矩阵式保持一致,避免迭代计算无法进行.同时,提出了一种稀疏矩阵技术来解决矩阵所占内存大和计算时间长的问题.
针对三叶片H型垂直轴风机风振与减振问题,基于计算流体动力学(CFD)方法,采用数值方法模拟获得风机在转动周期内的叶片风压分布.将风压力时程荷载施加于风力机叶片表面,分析风机结构风振响应.在风力机不同位置处分别布置阻尼器,并数值模拟阻尼器耗能减振能力.结果表明:在垂直轴风力机主轴与支杆连接处布置阻尼器可降低结构位移响应,总位移最大降幅达44%.阻尼器位置与结构位移降低率密切相关,在近风机叶片顶端连杆处布置阻尼器,结构最大位移发生在风机叶片底端.在近风机叶片底端连杆处布置阻尼器,最大位移则发生在风机叶片顶端,下降达40.7%.研究成果可为垂直轴风力机减振研究提供技术参考.
填充墙对预制混凝土(PC)框架的抗连续倒塌性能有显著影响,而现阶段缺乏对应的设计方法.为了得到可靠的抗连续倒塌计算方法,针对带填充墙PC框架的抗连续倒塌特性进行数值与解析分析.根据去除中柱后的无填充墙PC框架和带填充墙PC框架3∶1缩尺试验,考虑填充墙不对称分布下的中柱偏移,引入不对称系数,建立基于填充墙等效压杆的力学模型.利用有限元法,建立填充墙不对称分布情况下的子框架数值模型,分析得到中柱位移-荷载曲线.在此基础上,将解析解与无填充墙、双填充墙PC框架结构试验以及单填充墙PC框架结构数值结果进行对比验证,结果吻合良好.通过与现有规范中的设计方法对比发现:在考虑填充墙情况下,PC框架在悬链线峰值荷载时的位移增大,现有规范中建议的中柱位移为跨度的0.2倍适用于无填充墙预制框架,对于带填充墙的预制框架则偏于保守.研究结果为填充墙PC框架抗连续倒塌计算提供依据.
针对浅海环境下的单桩基础,在水槽试验室中建立砂土-桩基-波浪缩尺模型,进行波浪作用下单桩静载荷试验.测试桩周海床土孔隙水压力和不同荷载作用下的桩基沉降,分析在波浪荷载下单桩和海床土相互作用机理和单桩荷载沉降曲线特性,探讨不同桩径下桩周海床土超静孔压(ps)对单桩竖向承载力的影响.结果表明:单桩的存在会增大桩周海床土ps,同时减小桩底海床土ps;桩径越大,桩周ps越大.与无波浪影响的情况相比,波浪荷载作用下的单桩承载力较小,相同荷载水平下的桩顶沉降增加显著,且沉降增大的趋势在桩径较大时更明显.研究表明在海洋桩基的设计过程中要关注波浪荷载对桩基承载力的影响.
上海交通大学自行研制组装的高精度小应变新型三轴仪(以下均简称为新三轴仪)采用了内置轴压三轴室,集成了程序自动控制的应力、应变式加载功能以及线性差动变压器(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)测量小应变功能.本文在此基础上进一步进行拓展,使其具备了测量土样K0系数和沿q-p(q为偏应力,p为平均主应力)应力空间任意方向进行应力路径剪切试验的功能.首先简要介绍三轴仪的研发历史,然后对K0系数测量和应力路径试验两大新功能的控制程序算法进行详细说明,接着对上海深部软土进行K0系数测量与应力路径试验并对结果进行简要分析,对新功能的可靠性进行了验证.所研发新三轴仪的经验可为土工仪器设备的研发提供参考.
为准确预测长期受荷桩的极限承载力,对桩基承载力时间效应经验公式的不足进行了探讨,并基于天然饱和黏土地基静压桩承载力时效性研究的理论成果,对经历长期受荷的旧桩承载力的影响因素进行了分析.在此基础上,采用相关研究机构的桩基承载试验数据开展分析,提出了考虑桩基承载力时间效应的静压桩极限承载力计算公式;提出了桩侧阻力时效系数γ,探讨了影响γ的一些关键因素,并基于试验数据提出了采用土体性质参数计算γ的方法.通过现场试验对本文方法的准确性进行了验证.研究结果表明:采用γ可对现行规范中单桩承载力计算公式进行修正,在保证安全性的前提下,获得更高的旧桩单桩承载力设计值;而γ则可采用不排水抗剪强度Su 及塑性指数IP进行预测.
对厚度为250 μm的乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE) 薄膜进行了单轴拉伸试验,考虑了不同的低-高温度 (分别为-50、-40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70及80 ℃) 效应,试件截取方向为机器方向.得到了ECTFE薄膜在不同温度下的拉伸应力-应变曲线,通过分析得到了弹性模量、屈服强度、屈服应变、冷拉应力、抗拉强度、断裂延伸率等力学参数及其随温度的变化规律.结果表明:随着温度的降低,应力-应变曲线整体向上抬升,屈服强度、拉伸强度、冷拉应力和弹性模量均增大,断裂延伸率和韧性均减小.在不同温度(-50~80 ℃)下,弹性模量的差值可达到93%,屈服强度的差值可达到89%,温度变化对ECTFE薄膜力学性能的影响显著.得出了主要力学参数和温度变化的拟合公式,可用于判断ECTFE薄膜在不同温度下的力学性能.
针对建筑运行能耗非线性和不确定性强的特点，提出一种基于支持向量机的办公建筑逐时能耗预测方法. 采用单变量模型检验法确定模型输入变量，引入网格搜索方法优化模型超参数. 使用模型拟合误差的置信区间来描述建筑运行能耗的不确定性. 采用实际办公楼案例对所提出的预测方法进行验证. 结果表明：网格搜索优化后的模型平均绝对百分比误差(MAPE)降低31.3%, 取得更高的模型精度； 加入置信区间后不同季节中MAPE均低于1.5%, 体现了建筑的运行波动. 该方法可为建筑运行诊断及优化提供参考．
本文对层状周期结构的能量传输谱预测方法进行了研究．在考虑几何参数、物理参数单独变化以及同时变化3种情况下，通过构建深层反向传播(BP)神经网络，实现层状周期结构能量传输谱的精准预测．与径向基函数(RBF)神经网络进行对比实验，实验结果验证了所提方法的有效性．
《上海交通大学学报》2021年“土木建筑工程”专题
