尺寸效應(yīng)對大直徑鋼管混凝土柱軸壓承載力的影響

鋼管混凝土具有抗壓性能好、承載力高、塑性和韌性好、施工方便等優(yōu)點，適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載方向發(fā)展的趨勢及承受惡劣環(huán)境的需求，因此在高層、超高層建筑及大跨橋梁中得到了較廣泛的應(yīng)用。隨著建筑高度和橋梁跨度的增加以及結(jié)構(gòu)形式的多樣化，鋼管混凝土構(gòu)件的截面尺寸不斷增大。然而，現(xiàn)有規(guī)范公式均是基于小尺寸鋼管混凝土試件的試驗提出的，考慮到核心混凝土尺寸效應(yīng)的影響，現(xiàn)有是否能夠準(zhǔn)確評估大尺寸鋼管混凝土構(gòu)件的軸壓承載力值得商討。目前關(guān)于鋼管混凝土尺寸效應(yīng)研究相對較少，本項目主要完成工作如下： 1）進(jìn)行混凝土軸壓短柱尺寸效應(yīng)試驗（24個試件），考察其彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變的尺寸效應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而建立考慮尺寸效應(yīng)影響的混凝土軸壓短柱應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。 2）對混凝土軸壓短柱進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬，從有限元的角度分析混凝土峰值應(yīng)力的尺寸效應(yīng)，驗證前文建立模型的有效性。 3）進(jìn)行鋼管混凝土軸壓短柱尺寸效應(yīng)試驗（36個試件），獲得了試件截面峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及彈性模量的尺寸效應(yīng)規(guī)律，研究參數(shù)范圍內(nèi)尺寸效應(yīng)使鋼管混凝土試件截面峰值應(yīng)力減小9.7%、峰值應(yīng)變減小約20%，而彈性模量基本不存在尺寸效應(yīng)。 4）基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及約束混凝土理論建立了考慮尺寸效應(yīng)影響的主動約束混凝土模型，分析了主動約束與被動約束的關(guān)系，進(jìn)而建立了鋼管混凝土尺寸效應(yīng)分析模型，模型能夠較好地預(yù)測鋼管混凝土峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變的尺寸效應(yīng)規(guī)律。 5）通過系統(tǒng)地參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土的尺寸效應(yīng)隨含鋼率及屈服應(yīng)力增大而減弱，隨混凝土強(qiáng)度增大而增強(qiáng)，對于工程中的大尺寸鋼管混凝土構(gòu)件，截面峰值應(yīng)力折減幅度接近15%?；趨?shù)分析，本文提出了考慮尺寸效應(yīng)影響的鋼管混凝土峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變計算公式。 本課題組研究對鋼管混凝土的尺寸效應(yīng)進(jìn)行定量描述，為工程中的大尺寸鋼管混凝土設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。 2100433B

鋼管混凝土適應(yīng)現(xiàn)代工程向大跨、重載、高聳方向發(fā)展的需要，在高層建筑與大跨拱橋中得到了廣泛應(yīng)用。隨著建筑高度和拱橋跨度的不斷增加，鋼管混凝土構(gòu)件的巨型化是未來發(fā)展趨勢與必然。但由于核心混凝土的存在，大尺度鋼管混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)顯著，且由于鋼管與核心混凝土的相互作用，使其尺寸效應(yīng)問題更為復(fù)雜。現(xiàn)有研究和相關(guān)規(guī)程規(guī)范均是基于小尺度鋼管混凝土試件的研究成果，無法準(zhǔn)確反映大尺度鋼管混凝土存在的尺寸效應(yīng)，可能高估了其承載力。因此，亟待提出適用于大尺度鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法，以確保大尺度鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性。項目以圓形鋼管混凝土軸壓短柱為研究對象，以截面尺寸為主要研究參數(shù)，并考慮混凝土強(qiáng)度、含鋼率、核心混凝土收縮等因素，采用試驗研究與理論分析相結(jié)合的研究方法，分析核心混凝土尺寸效應(yīng)對鋼管混凝土約束效應(yīng)與受力機(jī)理的影響，建立考慮尺寸效應(yīng)的大直徑圓鋼管混凝土軸壓承載力的設(shè)計方法與計算公式。

為了在AMESim軟件中準(zhǔn)確分析閥門的性能，根據(jù)平衡方程推導(dǎo)了閥門膜片的有效直徑與氣體壓力、軸直徑以及軸兩個端口集中力等因 素之間的關(guān)系，并得出有效直徑的計算公式；以減壓閥的膜片組合件為例，采用軟件ABAQUS建立其有限元模型，計算出閥盤的位移，從而推導(dǎo)出軸兩端口集中力的計算公式，最后分析了膜片有效直徑隨閥盤位移的變化。

有效直徑膜片有效直徑的計算

得到設(shè)計的壓縮量后，在兩個彈簧末端施加相應(yīng)的位移，此位移等于設(shè)計的預(yù)壓縮量，然后在膜片承受氣體壓力的一側(cè)施加設(shè)計范圍內(nèi)的均布壓力，計算出相應(yīng)的閥盤位移。

變化氣體壓力的數(shù)值，可以得到膜片的有效直徑隨閥盤位移的變化。閥盤的行程較小，膜片的有效直徑隨閥盤位移的增大而增大，隨氣體壓力的增大而減小。除個別點外，閥盤位移與膜片的有效直徑基本上為線性關(guān)系，在精度要求不太高的情況下，如果閥盤的行程比較小，膜片的有效直徑與閥盤位移之間的關(guān)系可以近似用線性關(guān)系式表達(dá)。

有效直徑膜片厚度對有效直徑的影響分析

為了分析膜片在不同厚度下的有效直徑隨閥盤位移的變化，固定其他參數(shù)值，分別計算膜片厚度為0.15mm和 0.08mm兩種情況下膜片的有效直徑，變化作用在膜片上的氣體壓力，可以得到膜片在兩種厚度下的有效直徑隨閥盤位移的變化。

從膜片厚度為0.08mm的情況和膜片厚度為0.12的情況看到, 膜片的厚度越大，膜片的有效直徑隨閥盤位移變化的速度越快。

有效直徑膜片的彈性模量對膜片有效直徑的影響

同樣，為了分析膜片的彈性模量對膜片有效直徑的影響，分別計算膜片在不同彈性模量下膜片的有效直徑，變化作用在膜片上的氣體壓力，可以得到膜片不同彈性模量下的有效直徑隨閥盤位移的變化。

彈性模量為200GPa時，膜片的有效直徑隨閥盤位移的變化 彈性模量為80GPa時，膜片的有效直徑隨閥盤位移的變化。很顯然，膜片的彈性模量越大，膜片的有效直徑隨閥盤位移變化的速度越快。

膜片的厚度、彈性模量越大，膜片的有效直徑隨閥盤位移變化的速度越快。實際上膜片的厚度、彈性模量對有效直徑的影響可以綜合為另一個參數(shù) ———膜片的剛度，由傳統(tǒng)的板殼理論可知膜片的剛度。膜片的厚度、彈性模量越大，其剛度也越大，也就是說，膜片的剛度越大，膜片的有效直徑隨閥盤位移的變化越快。 2100433B

針對多尺寸顆粒堆積組成的多孔介質(zhì)碎片床，研究其冷卻性分析模型中有效直徑的選取準(zhǔn)則 基于方程和針對性實驗，驗證多尺寸顆粒組成的多孔介質(zhì)床的有效直徑及其相關(guān)計算方法研究結(jié)果表明，多孔介質(zhì)碎片床的有效直徑與流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)雷諾數(shù)較低時（Re_p〈7），面積平均直徑可以表征多孔介質(zhì)的有效直徑； 隨著流動雷諾數(shù)的增加（Re_p〈7）長度平均直徑更加接近其有效直徑。

有效直徑多尺寸顆粒堆積多孔介質(zhì)有效直徑計算方法

由Ergun方程可以看出，顆粒的有效直徑d是流動壓降計算的重要參數(shù)。對多尺寸顆粒組成的多孔介質(zhì)床，其有效直徑的計算則 依據(jù)不同的理論分析和參考權(quán)重，采用了不同的計算方法，還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。Soo（1990） 總結(jié)了4種最為常用的有效直徑計算方法，分別被稱為質(zhì)量平均直徑d_m面積平均直徑d_a長度平均直徑d₁和數(shù) 目平均直徑d_n。

給出 了三種球形顆粒堆積的多孔介質(zhì)床的4 種平均直徑計算結(jié)果。即使對同一個多孔介質(zhì)堆積床，基于不同 平均直徑計算公式得到的有效直徑是不同的，其值的大小甚至相差一倍因此一個自然而然的問題就是，應(yīng)該用什么公式來計算這種特殊結(jié)構(gòu)的由多尺寸顆粒組成的多孔介質(zhì)碎片床的有效直徑？ 將基于方程和針對性實驗，驗證多尺寸顆粒組成的多孔介質(zhì)床的有效直徑及其相關(guān)計算方法。

有效直徑多孔介質(zhì)實驗床

實驗使用多尺寸的玻璃球直徑范圍為0.7～10mm各個直徑玻璃球的質(zhì)量分布則是依據(jù)已有的嚴(yán)重事故相關(guān)實驗中獲得的碎片床尺寸分布信息 （ 如Lindholm（2002）；Magallon（2006）），基于實驗床組成顆粒的尺寸分布，通過公式分別進(jìn)行計算可知，實驗床組成顆粒的質(zhì)量平均直徑是3.97mm，面積平均直徑是2.12mm ，長度平均直徑是1.18mm 數(shù)目平均直徑是0.9mm。由計算結(jié)果可以看到，不同平均直徑的數(shù)值相差很大，進(jìn)一步說明進(jìn)行多孔介質(zhì)有效直徑的驗證是非常有必要的。

有效直徑實驗結(jié)果

實驗測量的多孔介質(zhì)實驗床在不同流速下的壓降梯度。為便于對比 ，也給出了Ergun方程基于4種平均直徑（dm，da，d1，dn）預(yù)測計算得到的壓降梯度值。當(dāng)流動雷諾數(shù)Re_p較低時 （Re_p〈7），利用 面積平均直徑計算得到的結(jié)果與實驗測量的流動壓降吻合得很好；隨著流動雷諾數(shù)Re_p的增加（Re_p〈7），實驗數(shù)據(jù)更加接近基于長度平均直徑預(yù)測計算的流動壓降。清晰地顯示了在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)實驗測量壓降梯度與Ergun方程基于不同平均直徑預(yù)測計算結(jié)果。

為進(jìn)一步驗證多孔介質(zhì)實驗床的有效直徑，利用實驗中測量得到的不同流速下的壓降梯度，耦合Ergun方程，逆向推導(dǎo)，可以得到不同流動雷諾數(shù)Re_p范圍內(nèi)的有效直徑 （d_e）。當(dāng)Re_p小于7 時，計算得到的有效直徑為1.89mm，比較接近面積平均直徑計算值，2.12mm，偏差小于15%，當(dāng)Re_p大于7時，計算得到的有效直徑為1.22mm，相對接近長度平均直徑計算值，1.18mm，偏差小于4%。

本項目旨在針對目前國內(nèi)外大中型機(jī)電裝備特別是艦船動力推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油泄漏污染環(huán)境等迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題，提出基于資源節(jié)約和環(huán)境友好的大尺寸高比壓水潤滑軸承系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計理論與方法研究，包括特殊與極端環(huán)境下的大尺寸高比壓水潤滑軸承系統(tǒng)動態(tài)服役行為的關(guān)鍵科學(xué)問題，大尺寸高比壓水潤滑軸承的摩擦學(xué)性能優(yōu)化，水潤滑軸承的聚會物表面與界面技術(shù)，大尺寸高比壓水潤滑軸承的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的大尺寸高比壓水潤滑軸承性能實驗方法等研究內(nèi)容；在用新型工程復(fù)合材料替代貴重金屬作為大尺寸高比壓軸承材料，用自然水替代礦物油作為潤滑介質(zhì)，基于資源節(jié)約與環(huán)境友好的大尺寸高比壓水潤滑軸承系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計理論與方法等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)方面，有重大突破和重要創(chuàng)新，為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)并達(dá)到國際先進(jìn)水平的高效環(huán)保大中型艦船動力推進(jìn)系統(tǒng)和高性能機(jī)電裝備，培育資源節(jié)約、環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)增長點奠定關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。 2100433B