尺寸效應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，適應現(xiàn)代結構向大跨、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用。隨著建筑高度和橋梁跨度的增加以及結構形式的多樣化，鋼管混凝土構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的影響，現(xiàn)有是否能夠準確評估大尺寸鋼管混凝土構件的軸壓承載力值得商討。目前關于鋼管混凝土尺寸效應研究相對較少，本項目主要完成工作如下： 1）進行混凝土軸壓短柱尺寸效應試驗（24個試件），考察其彈性模量、峰值應力、峰值應變的尺寸效應規(guī)律，進而建立考慮尺寸效應影響的混凝土軸壓短柱應力-應變關系模型。 2）對混凝土軸壓短柱進行細觀數(shù)值模擬，從有限元的角度分析混凝土峰值應力的尺寸效應，驗證前文建立模型的有效性。 3）進行鋼管混凝土軸壓短柱尺寸效應試驗（36個試件），獲得了試件截面峰值應力、峰值應變及彈性模量的尺寸效應規(guī)律，研究參數(shù)范圍內(nèi)尺寸效應使鋼管混凝土試件截面峰值應力減小9.7%、峰值應變減小約20%，而彈性模量基本不存在尺寸效應。 4）基于文獻數(shù)據(jù)及約束混凝土理論建立了考慮尺寸效應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系，進而建立了鋼管混凝土尺寸效應分析模型，模型能夠較好地預測鋼管混凝土峰值應力及峰值應變的尺寸效應規(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隨含鋼率及屈服應力增大而減弱，隨混凝土強度增大而增強，對于工程中的大尺寸鋼管混凝土構件，截面峰值應力折減幅度接近15%。基于參數(shù)分析，本文提出了考慮尺寸效應影響的鋼管混凝土峰值應力及峰值應變計算公式。 本課題組研究對鋼管混凝土的尺寸效應進行定量描述，為工程中的大尺寸鋼管混凝土設計奠定了理論基礎。 2100433B

鋼管混凝土適應現(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用。隨著建筑高度和拱橋跨度的不斷增加，鋼管混凝土構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件的尺寸效應顯著，且由于鋼管與核心混凝土的相互作用，使其尺寸效應問題更為復雜?，F(xiàn)有研究和相關規(guī)程規(guī)范均是基于小尺度鋼管混凝土試件的研究成果，無法準確反映大尺度鋼管混凝土存在的尺寸效應，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件的設計方法，以確保大尺度鋼管混凝土結構的可靠性。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合的研究方法，分析核心混凝土尺寸效應對鋼管混凝土約束效應與受力機理的影響，建立考慮尺寸效應的大直徑圓鋼管混凝土軸壓承載力的設計方法與計算公式。

為了在AMESim軟件中準確分析閥門的性能，根據(jù)平衡方程推導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

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

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系可以近似用線性關系式表達。

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計算方法研究結果表明，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，當雷諾數(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重，采用了不同的計算方法，還沒有統(tǒng)一的結論。Soo（1990） 總結了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，應該用什么公式來計算這種特殊結構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)已有的嚴重事故相關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。由計算結果可以看到，不同平均直徑的數(shù)值相差很大，進一步說明進行多孔介質(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）預測計算得到的壓降梯度值。當流動雷諾數(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測計算結果。

為進一步驗證多孔介質(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，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)外大中型機電裝備特別是艦船動力推進系統(tǒng)潤滑油泄漏污染環(huán)境等迫切需要解決的關鍵科技問題，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)服役行為的關鍵科學問題，大尺寸高比壓水潤滑軸承的摩擦學性能優(yōu)化，水潤滑軸承的聚會物表面與界面技術，大尺寸高比壓水潤滑軸承的材料與結構設計方法，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡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)新設計理論與方法等關鍵科學技術方面，有重大突破和重要創(chuàng)新，為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權并達到國際先進水平的高效環(huán)保大中型艦船動力推進系統(tǒng)和高性能機電裝備，培育資源節(jié)約、環(huán)境友好型經(jīng)濟增長點奠定關鍵科學技術基礎。 2100433B