动态力学（精选10篇）
动态力学 篇1
0 引言
马铃薯的物理特性参数如弹性模量、剪切模量、泊松比等对其收获、运输、贮运、加工处理和品质评价具有十分重要的意义。这些物理参数经常由静态或准静态的试验获得,静态或准静态试验简单,但所需试验时间较长,这将使生物料引起化学和生理的变化,这种变化可能会影响到物料的物理特性;试验所需要的应力、应变都是在短时间内而不是瞬间施加的,这将导致试验结果存在误差。采用动态实验方法能够有效地克服这些缺点。在动态试验中试件的应变是由随时间作周期性变化的应力产生的。若动态试验频率ω,则试验周期为1/ω,这就有可能在非常短的时间内获取大量的实验数据,而物料的物理特性改变极小,试验结果更加准确。为此,本文旨在用正弦交变应力—应变法研究马铃薯的动态力学特性参数,为以后的马铃薯的品质评价、质量控制,自动分级等提供基础资料数据。
1 动态力学原理
物料的动特性指其接受周期性激励后,其相应的应变、应力的变化情况。这一特性属于物料的本身属性,可用动参数来描述。马铃薯属于粘弹性体,其变形对应力是滞后的,而应力总是对变形超前的,它在变形时所接受的能量,一部分以弹性势能贮藏,另一部分以热能的形式散耗。 对给定应变有
ε=ε0sin(ωt) (1)
应力为
undefined
式中undefined—绝对动模量,undefined;
undefined—贮藏模量,undefined;
undefined—损失模量,undefined;
δ—损失角,即应力相对于应变的滞后角。
undefined
则动态模量为Ed=E′sin(ωt)+E″cos(ωt)
tanδ=E″/E′
马铃薯块茎不同于金属,其内部由固、液、气态物质组成。固态物质相当于弹性体,变形后可恢复,气液态物质相当于粘性体,变形后不可完全恢复。动特性参数中的undefined与马铃薯块茎的整体硬度有着很大的相关性,E′与一个周期内马铃薯块茎贮藏能量的大小成正比,其大小对应着刚性体的多少;E″与一个周期内马铃薯块茎损耗能量的大小成正比,其大小对应着粘性体的多少;δ与粘性有关。本文主要研究不同品种马铃薯块茎在不同的预载荷、激振频率、激振幅度下的undefined、E′、E″、δ值及变化规律。
2 试验材料、设备与方法
2.1 试验材料
所用的马铃薯品种为黑龙江省较有代表性的克新13、东农303、黄麻子,所有试验用薯均为收获1个月以内;试验前进行人工挑选,剔除病虫害、受损及形状尺寸异常的马铃薯,然后随机选取进行试验。
2.2 试验设备
试验装置简图,如图1所示。
由信号发生器发出的正弦信号经功率放大器放大,驱动激振器;激振器与加速度传感器相连。为了防止试样松动,在试样上下分别放一个轻质薄片,并在每次试验前加一定的预载荷。试样的上方分别为动、静态力传感器。传感器产生的电荷由动、静态电荷放大器放大以后经数据采集仪进入计算机成为被处理数据,所有的传感器都经过严格的标定。
2.3 试验方法
试验试样为圆柱形直径12.7mm,长20mm。试验时,将试样夹持在加速度传感和动态力传感器之间,由万能试验机控制预载荷的大小,激振器的激振幅度和频率可调。分别改变预载荷、激振频率、振幅进行试验,所得数据进入计算机后用编写的Matlab程序进行分析。由于试验时被施加预载荷的马铃薯的应力要有所松弛,故每次试验都要迅速进行。同一因素、水平的试验进行9次以上,以便对试验结果进行统计处理。
3 试验数据处理
3.1 基于小波多尺度分析的消噪处理
经研究发现:本文试验噪声的频率大约为几千赫兹,而试验信号频率范围仅为40～210Hz,二者互不相干,故可以用多尺度小波分解去噪。消噪时首先对信号进行一维多尺度小波分解,噪声信号多包含在具有较高频率的细节中,然后对所分解的小波系数进行处理,把所有的高频信号系数置为0,只保留低频部分然后对信号进行小波重构。用此方法对信号消噪后信号较平滑。由于原始信号的形式已知,只要选用合适的小波,并进行合适的尺度分解,就不会丢失原始信息。本文所选用的小波为 coif5。coif5是具有一定对称性的正交小波,其支撑长度为29,滤波器长度为30,消失矩为12。经多组试验发现用此小波对原始信号进行4层分解,取低频系数重构信号,效果较为理想。原始信号及消噪后的信号,如图2所示。
3.2 动态力学特性参数的提取
3.2.1 绝对动模量的得出
在实际试验中,对于力曲线,在一个周期内F0=(Fmax-Fmin)/2。其中,Fmax、Fmin分别为波峰值和波谷值。而实际计算时,取消噪信号多个周期内F0进行错点剔除后的平均值,即F0=(F01+F02+…+F0n)/n。其中,n为周期个数;应力的峰值σ0=F/S,S是试样的橫截面积。为了减小误差,试验时不直接采集位移信号而是采集加速度信号。与得出力的峰值类似,可以得出加速度的峰值A,由加速度与位移的关系,位移的峰值可以由D=A/ω2 得出,ω是激振频率。则ε0=D/l,l是接受了预载荷的试样长度。然后,便可得出undefined,将多次试验得出的剔出错点,求平均值得出最后的undefined值。
3.2.2 损失角δ的得出
由于马铃薯是粘弹性体,当给马铃薯施加一应力后,其变形要滞后应力一个角度δ。计算δ时,可以把力、位移分别当作一个向量,δ即是两个向量之间的夹角。设力向量为x,位移向量y,则undefined,即undefined。此处undefined称为x与y的内积,‖x‖、‖y‖称为x、y的范数,δ即为两向量之间的夹角。
3.2.3 贮藏模量、损失模量的得出
已经得出了undefined和δ,便可以计算出贮藏模量E′和E″。
4 试验结果讨论
对动特性参数研究发现:对同一品种而言,绝对动模量随着频率的增加而增加,预载荷对绝对动模量有很大的影响;增大预载荷绝对动模量也会增加,损失角随着频率的增加而降低,表明马铃薯的粘性会随着频率的增加而减小。预载荷对损失角的影响并不明显。图3和图4是在预载荷7N激振器激励电压0.5V时不同品种绝对动模量、损失角同激振频率的关系。
从图3和图4中可以看出在同等条件下,随着频率的改变,不同品种马铃薯的绝对动模量、损失角有明显的差异。东农303的绝对动模量的模较小,说明其较软,这与实际相符。随着频率的增加,每次循环作用时间变短,激振器的振幅变小,各品种恢复变形的能力增大,所以损失角呈下降趋势。但东农303的损失角从170Hz开始增大,说明其粘性开始居主导地位。由于篇幅所限,表1仅给出了黄麻子块茎在预载荷7N,激振器激励幅度0.5V下部分频率的各动特性参数。
5 结论
1)通过动态力学试验得出的不同品种马铃薯在40～210Hz时的undefined在5～21MPa之间,E′在6～20MPa之间,E″在2～4MPa之间,在低频时,与静态实验得出的值相差很小。
2)在信号处理时,用coif5小波进行多尺度消噪处理,效果较好。
3)绝对动摸量随着激振频率的增加而增加,随着预载荷的增加而增加;损失角随着频率的增加而减小。预载荷对损失角影响不大。
4)实验所得出的3个品种的动态力学特性参数undefined、E′、E″、δ有很大的差异,可以通过这种差异进行品种间的识别。
摘要：利用正弦交变应力—应变法对不同品种的马铃薯的动特性参数进行了测量,得出了马铃薯的动态力学特性的基础参数和不同品种马铃薯动特性参数随试验条件不同的变化规律,从而为马铃薯的收获、加工、品质评价、无损检测等提供一定的理论基础。
关键词：马铃薯,振动,动特性,基础参数,小波去噪
参考文献
[1]马小愚,雷得天.农业物料学[M].哈尔滨:东北农业大学出版,1992.
[2]王俊,陆秋君,陈善锋,等.绿云犁的动态特性试验研[J].农业机械学报,2002,33(6):69-79.
[3]王俊,藤斌,周鸣.梨敲击激励后产生的动力学特性研究[J].农业机械学报,2004,35(2):65-69.
[4]闻新,周露,王丹力,等.MATLAB神经网络应用设计[M].北京:科学技术出版社,2001:55-60.
动态力学 篇2
无创动态血流动力学监测技术是人体阻抗测量技术在心血管血流动力学方面的一个应用，该方法始于20世纪60年代，经过几十年的发展，取得了突破性的进展。其原理衍生于欧姆定律，利用胸阻抗原理：脂肪、肌肉、骨骼、血液、肺的电阻抗不同，其中血液是导体，电阻抗最小，而胸腔中的脂肪、肌肉、骨骼、肺(暂不考虑呼吸时空气的变化)的电阻抗相对不变。当血液从心脏泵出流经胸腔大血管时，胸腔血流量增大，电阻抗减小，根据胸腔的电阻抗变化(ΔZ)及ΔZ对时间的.微积分dz/dt，即ICG，经过处理后可提供多个血流动力学参数：每搏输出量/每搏输出量指数(SV/SVI)、心输出量/心脏指数(CO/CI)、外周血管阻力/外周血管阻力指数(SVR/SVRI)、胸液水平(TFC)、速度指数(VI)、加速度指数(ACI)、射血前期(PEP)、左心室射血时间(LVET)、收缩时间比率(STR)、左心室做功/左心室做功指数(LCW/LCWI)等[3]。
动态力学 篇3
关键词：混合式平板集热系统；强制对流；热力学性能；模型；动态
引言：美国智能建筑协会定义了智能建筑为：从结构，系
统，维修和管理这四个基本因素以及他们之间的内在联系的方面考虑，以最优化的设计，从而能提供一个高效、舒适、便利、安全的环境空间。Finley等人在提高生产的最优化设计和居住者舒适性的建筑中采用先进技术的系统整体提供的含义中也运用了用同样的定义。大致来说，直接数字控制器、供暖、通风和空调、能源管理系统、建筑自动控制系统以及其他系统在目前都没有与建筑的热力性能相适应。Lush在他的研究中使用了一个相似的定义，他主张，一个“真正”的智能建筑（区别于巧妙的建筑）是这样一种东西：最优化是要对整体而言的。
一、混合式平板墙式空调系统的结构
混合式平板墙式空调系统，表现了一个“真正”智能建筑的应该具有的成分和所有特征。它由南部正面收集器夺取太阳的放射物，将热空气传输到水平板状橡胶中的核心处，并将热存储到混凝土块中。当板层的扩展超过建筑的宽度时，热量会很容易从南部正面传到北部空间。或多或少的，平板的热惯性确保了施放周期的延长，从而使中午时间不会过热。后者经常是直接获得系统的缺陷，并且无论如何为南部空间指示了狭窄光滑的空间。这个系统的一个额外的有利特点是，它作为一个合适的加强者的角色除了它自身的加热系统的一部分的角色之外。当房间里合适的级别成为空气温度的合适影响的结果，并且意味着辐射温度，增加的混合系统地基面平板的表面温度使房间空气温度下降成为可能，这是为了达到合适热量的相同等级，并且因此，在总热能的进一步增加上也可能达到。
二、目前的模型分析
由于缺少足够的系统热能性能分析的工具，一个完整的三维热力分析可以通过任何存在的有限不同或者有限因素计划而进行，但是每次运行所需的计算时间使它作为最优化系统的工具变得不切实际。Swishier在1980年引出了满液式混合系统的数学模型，但是这个模型的作用非常的有限，而且它并没有解决纵向损失和平板的热传递过程，因此在有着实际8-12m平板的真实建筑模型上非常的不准确。尽管如此，有能量损失的单一数学程序仍然十分必要，因为它使多样系统在他的中体热力性能上的参数成为了有效定量的评价。因此，以下的模型仍然是建立在此基础上。
三、系统性能的影响
从集热器的结构来看，对其性能有较大影响的因素，一是一天内进入平板上下空间的每小时和每天总的自然对流，以及平板每小时表面温度的分布。为了获得这些表面温度的值，必须计算沿着平板核心的表面温度分布，以及沿着平板的上部和下部表面的表面温度分布。建筑物参数有可能会影响到温度分布的值；二是集热器核心区域的热传递媒质，以及具体的热贮存区域（局部交叉）；其他的影响因素有机器运行的速率等等。
四、建立模型
建立一个离散系统，将平板切成厚dx的薄片，宽度为2a。每一片被分为两个部分，一个沿着流入的气流而另一个沿着往外去的气流。我们把这些部分的每一个与一个唯一的固体块温度联系起来。（第一部分具体为T1（x，t）且第二部分具体为T2（x，t））这些单元中心的空气也由唯一的温度值来描述。（第一部分空气为Th1（x，t），第二部分空气为Th2（x，t））。核心内的唯一表面温度由Tsh1（x，t） 和Tsh1（x，t）近似表示，而上下表面的由Ts11（x，
t） 、Ts12（x，t）（上地板表面）和Ts21（x，t） 、Ts22（x，t）（下天花板表面）。以下部分将分别写出固体块以及每个部分每一片的运动气体的热平衡方程，考虑进去所有热传递机构，以及基本系数的重复传递。在此基础上即可以建立混合式平板集热系统每一部分从核心空气流动到核心表面的热功率的数学模型从而进一步得出动态分析计算模型。
结论：在文中对目前混合式平板墙式空调系统的一些模型进行了讨论，分析了其系统性能的影响因素，并在这些影响因素的前提下对混合式平板墙式空调系统建立了一个离散系统，为进一步得出混合式平板集热系统的强制对流热力学性能的动态分析计算模型打下了基础。
参考文献：
动态力学 篇4
为了应对气候变化和保障能源安全,智能电网已成为当今世界能源产业发展变革的最新动向[1]。中国提出建设坚强智能电网,其基本思想可以理解为以智能化技术为支撑、电网的价值特性为导向,合理规划发展过程中的建设目标,最终实现从传统电网向现代电网跨越[2,3]。
智能电网作为一项建设周期长、投资规模大、技术难度高的综合工程[4],定量地反映其建设过程中的发展程度较为困难。如何评价智能电网发展水平和智能技术在规划建设中的成效,已成为当前研究智能电网所面临的挑战之一。因此,建立一种能够反映智能电网发展特征的评价方法显得十分必要。
智能电网的发展具有长期性、复杂性和动态性。不同的建设时期面临着经济、社会对智能电网的不同需求,不同区域的电网发展水平各异。电网智能化建设贯穿于电能生产、传输和使用等各个环节,并且受到多种因素相互影响、相互制约。因此,只有充分考虑相关因素随时间和区域的变化规律,才能从根本上了解智能电网建设的程度,从而指导智能电网建设沿着科学发展的方向前进。
目前,关于智能电网评价方法的研究还处于起步阶段,国内外针对智能电网评估方面的研究更多集中于设计评价智能电网的指标体系[5,6,7,8,9,10,11],而评价方法的研究所涉甚少。常用的评价方法主要包括层次分析法、数据包络法、模糊综合评价法、灰色综合分析法等[12,13,14]。这些方法的共同特点是仅能够反映某一时间点被评价对象的整体水平。尽管这些评价方法在很大程度上为智能电网的评价提供了重要理论支撑,但是无法反映在一定的时间范围内或连续时间断面中指标与相关因素之间的影响关系,以及指标随时间的演变趋势。
由于智能电网本质特征具有多种复杂因素交织和相互制约的特点,加之其在不同的规划时间阶段投入的资金和技术的发展程度均呈现出差异较大的动态属性,因此,为了反映这些特征属性,本文提出一种基于系统动力学(SD)模型的智能电网动态评价方法,以获取智能电网相关评价指标随时间变化的动态结果和影响指标的相关因素演变规律。通过仿真分析,验证了所建立的关于智能电网发展评估的SD模型的有效性和合理性。
1 智能电网建设的动态特性
为了实现中国智能电网的健康可持续发展,国家电网公司确定分阶段稳步推进电网智能化建设,分别是规划试点阶段、全面建设阶段和引领提升阶段[1]。按照这种不同时间阶段对智能电网建设的规划和部署,可以理解坚强智能电网的发展是一个动态过程。这说明对智能电网发展特征的研究不仅着眼于当前阶段、当前条件下的发展特征,而且要从发展特征动态变化的角度来分析智能电网规划问题。从长远来看,随着先进技术的不断采用和投资的不断加大,在坚持协调发展和统筹兼顾的原则下,智能电网建设将呈现总体结构提升的态势。这样就要求对智能电网发展的趋势有一个前瞻性的把握:一方面,促使智能电网不同建设阶段协调发展,避免出现过度建设而造成资源浪费,或者相关方面建设滞后而影响总体发展;另一方面,需要分析哪些因素影响智能电网不同建设阶段的进展,以及这些因素随时间变化呈现的发展规律,为智能电网发展规划提供依据,以期对建设进度进行长期有效的宏观管理。
智能电网的发展具有动态变化特征。归纳其动态特性主要表现在以下方面。
1)不同建设时期的智能电网发展目标和需求随时间动态变化。
2)电网智能化建设时期内受到多种因素影响,并且这些因素随时间变化。
3)用于衡量智能电网发展水平的指标与相关因素之间的作用关系随时间变化。
2 动态评价方法和设计思路
2.1 动态评价方法
本文采用基于SD的智能电网动态评价方法。SD是一种以反馈控制理论为基础、计算机仿真技术为手段的动态评价方法[15]。SD可以解决高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变大系统问题,既可以在宏观上把握事物发展的趋势,又可以分析系统内微观因素的相互作用关系。SD方法的主要思想是基于给定的目标,由多个相互依赖的因素有机组合而形成一个整体系统。系统由多个要素构成,不同要素之间存在或多或少的联系,系统内的各要素之间并不是孤立存在的,而是相互联系的,由于系统目标和结构的变化,系统处于不断的动态变化中,从而可以反映出评价对象在动态变化中所具有的特性。SD方法的主要特点是定性分析与定量分析相结合,在统计数据的基础上,对问题进行合理抽象,构建相关方程,得到准确的数据结果。
SD的基本结构是一阶反馈系统。图1所示为一阶系统基本结构的模型流图,主要由状态变量、速率变量和辅助变量构成[16]。
一阶系统主要分为正反馈和负反馈2种系统。正反馈系统是指回路中任何一个环节发生初始偏离时,循环一周将获得增大或加强;负反馈系统是指根据目标值与当前值的偏离大小,调整速率变量使得当前值逐渐趋近于目标值。将各变量按照相互之间的影响关系组成基本的反馈系统,然后根据多个反馈系统的相互作用关系构建完整的SD模型,从而可以进行仿真分析。
应用SD方法进行动态评价需要解决的关键问题主要是:(1)理清评价模型中各个变量之间的相互关系,特别地,对于智能电网这样一个复杂的系统,其发展过程不是一蹴而就的,更不是一成不变的,随着经济、社会对电网需求的不断提高,智能电网各个环节在建设中的作用将发生显著的变化,因此,分析变量因素之间的相互关系对正确评价智能电网将起到关键作用;(2)合理选取模型中相关的系统参数,这些参数对评价结果的准确度有较大的影响,为了分析参数对模型的影响,主要通过灵敏度测试,即可确定相关参数对模型的影响程度。
2.2 动态评价设计思路
智能电网建设的动态评价要从其整体性出发,根据中国智能电网的价值特性和规划建设的时间特性,以中国智能电网建设目标为出发点,发掘智能电网应具备的功能、性能以及相关技术,建立动态评价模型。具体的设计思路如下。
1)根据智能电网的价值特性和具体建设目标,发掘影响目标实现的技术性指标和效果性指标。
2)根据智能电网的特性分析及其在电能生产、传输、消费环节中的具体表现形式,总结指标之间、指标与其他相关因素变量之间的影响制约关系。
3)建立基于智能电网价值特性动态评价的SD模型。
4)通过仿真分析可以得到指标值以及其他变量结果随时间变化的趋势行为。以此为据,预测智能电网未来发展趋势,进而为今后电网智能化建设和政策制定提供建议。
3 动态评价模型
3.1 模型结构设计
本文选取智能电网区别于传统电网所具有的显著价值特性为:低碳和高效[17]。将相关指标作为智能电网低碳和高效特性在电能生产、输送、消费等过程中的表现形式,不同指标反映智能电网不同方面的属性。根据指标与相关因素之间的影响关系,建立基于SD的智能电网动态评价模型,如图2所示。基于图2,构建以状态变量、速率变量和辅助变量为表达形式的具体SD模型流图,见附录A图A1。
SD模型以智能电网中的技术投资为驱动,通过投资实现的技术作用于与指标相关的因素,从而间接或直接影响指标的数值。智能电网由于采用了相关技术,使其优良的性能得以体现和提升。本文选取的反映智能电网低碳和高效建设效果的指标如表1所示。SD模型将投资、技术、指标、相关因素联系起来,形成一个相互影响、变量之间具有反馈关系的系统。通过建立的模型可以定量地模拟在未来规划中技术对智能电网建设效果的影响,预测电网智能化发展的趋势。
3.2 模型方程关系和参数
SD模型的核心问题在于内部各变量之间的因果反馈关系的确立。本文根据变量之间存在的物理或统计关系,建立模型中各变量之间的方程关系。
1)污染气体减排量
式中:W(t)为污染气体减排量;c1和c2分别为新能源(主要指风能、太阳能等新型能源,下同)和电动汽车的单位电量的污染气体减排量;Enew(t)为新能源发电量;Havg(t)为新能源年平均利用时间;Evel(t)为电动汽车使用电量;Pnew(t)为新能源装机容量;Inew(t)为新能源建设投资;Rnew(t)为新能源机组单位容量造价;Nvel(t)为电动汽车保有量;Mavg(t)为电动汽车年平均行驶里程;evel(t)为平均每辆电动汽车每千米用电量。
2)区域间电网输电能力
区域间电网输电能力反映智能电网具有强大的资源优化配置能力,使得能源利用效率更加高效。
式中:A(t)为区域间电网输电能力;Eline(t)为跨区交换电量;Pline(t)为跨区输电线路计划输电功率;Iline(t)为跨区输电线路投资费用;Rline(t)为跨区输电线路传输单位功率造价;Hline(t)为跨区输电线路年平均利用时间;Ein(t)为本区总发电量;Eout(t)为区外来电量,对于送端电网而言,Eout(t)为0;Ed(t)为总用电量;L(t)为网损率;k1为接纳区外新能源电量的比例。
3)峰谷率方程关系
文献[18]给出了美国高级量测体系(advanced metering infrastructure,AMI)示范区的资料,表明用户在安装智能电表后,可使平均用电量减少11%。如果能为用户提供精确的用电信息,预计用户的高峰用电量可平均减少50%。以此资料为依据,建立采用智能电表后的峰谷率方程:
Ed(t+1)=Ed(t)-11%ΔNmeter(t)ed(t)(13)式中:Sp-v(t)为峰谷率;Epeak(t)为t时刻峰时段用电量;Eusal(t)为t时刻平时段用电量;Ed(t)为t时刻用户总用电量;Epeak(t+1)为t+1时刻峰时段用电量;Nmeter(t)为智能电表数目;ΔNmeter(t)为新增智能电表数目;Imeter(t)为智能电表投资金额;Rmeter(t)为智能电表单位造价;epeak(t)为平均每户峰时段用电量;ed(t)为平均每户总用电量;Ed(t+1)为t+1时刻用户总用电量。
4)网损率
网损率是电网输送效率高效与否的重要体现。尽管电网中影响网损的因素复杂繁多,为确立新型材料导线技术与网损率的影响关系,本文忽略其他因素对网损率的影响。文献[19]指出新型材料导线主要是采用超导等相关技术使得线路的电阻大幅降低,而对线路的电抗和对地电容改变甚微。因此,新型材料导线应用于电网中,仅改变线路的电阻参数。
图3所示为IEEE 30节点测试系统经过将原线路随机逐次替换电阻为原来50%的线路后,网损率与替换线路数之间的关系。
由图3可以看出,网损率与新型材料导线线路数近似呈线性关系。因此,建立网损率方程关系为:
式中:L(t+1)和L(t)分别为t+1时刻和t时刻的网损率;M(t)为新型材料导线数目;Im(t)为新型材料导线投资金额;Rm(t)为新型材料导线单位造价;Mtotal(t)为线路总数。
4 仿真分析
根据《国家电网智能化规划总报告》中对各地区智能电网未来规划的投资方案设计,结合地区电网的自身条件,应用本文提出的SD模型对某地区智能电网在低碳和高效方面进行相关分析。
文献[20]给出了2011—2020年电力需求的预测数据,本文以此作为模型中发电量和用电量所需的数据。据《国家电网公司促进清洁能源发展报告研究》测算,取c1为0.000 6t/(kW·h),c2为0.000 12t/(kW·h),平均每辆车用电量约为0.2kW·h/km。按照国家发改委能源所统计,风电年平均利用时间为2 000h,光伏发电年平均利用时间为1 500h左右。文献[21]对模型中采用的智能电网技术的单位造价进行了深入研究,本文以此作为技术投资造价的数据来源。本文通过SD专用仿真软件VENSIM PLE对所建立的智能电网模型进行仿真分析,并取评价周期为2011—2020年。该仿真软件操作便捷,只需将所建立的模型输入相关参数即可进行仿真分析,实用性强。
图4所示为满足S形增长趋势的智能电网总投资规划方案。各种技术按比例分配总投资的份额,规划周期依次包括建设的发展期、加速期、成熟期,满足技术经济的发展规律[22]。
表2为根据图4设定的投资方式经过模型仿真后得到的各个时间点的低碳和高效指标值。表2的数据表明智能电网的性能呈现总体提升的态势,各项指标朝着良好的方向发展。
2014—2017年处于投资的加速期,从图4可看出,这一阶段投入的资金较其他阶段多,从表2可看出,各项指标在此阶段的数值变化较大;2018年至2020年处于发展的成熟期。各项指标变化相对较小,表明智能电网各个建设时期内的指标具有时间发展的特性,体现出技术实现后对电网的作用效果符合技术经济规律。
5 模型灵敏度分析
模型灵敏度分析的作用是了解参数的不同取值对所建立模型的影响程度。为了反映智能电网动态发展的建设过程中技术因素对模型的影响,本文以技术因素为导向,对其进行灵敏度分析测试。于是,考虑2种方案下的智能电网的SD行为:方案1为同一技术在不同投资方式下的SD行为;方案2为等量投资下不同技术发展的SD行为。
图5所示为方案1网损率的测试结果图。图中4种投资方式分别为S形投资、正指数投资、负指数投资和等年均投资,它们的共同特点是10年累计的投资总额相等,差别在于按照4种方式分配每年的投资额度。
图5的结果表明:负指数投资方式尽管建设初期效果较好,即网损率下降最快,但是后期的效果较其他3种方式落后较大;S形投资虽然在初始期效果不明显,但是从后期的网损率降低速度和效果来看,是一种更为适宜的投资方式。
方案2的测试结果如图6所示。此方案选取2种高效指标:网损率与峰谷率。在同样的S形投资方式下,分析2个指标的变化率情况。某一指标t时刻的变化率r定义为:
式中:yt为t时刻的指标值。
图6的结果表明,在用同一种投资方式下的等量投资获取相关技术来提高智能电网的性能时,峰谷率较网损率的变化更为明显,说明等量投资下峰谷率的建设效果更为显著。
6 结论
本文提出了一种基于SD的智能电网动态评价方法。在建立SD模型的过程中,可以明确投资、技术与效果指标之间的相互关系,通过仿真分析得到以下主要结论。
1)根据变量之间的因果反馈关系构建的智能电网SD模型,以投资为动因,能够预测出反映建设效果的指标随时间变化的趋势。
2)通过SD模型可以分析某一指标在不同投资方式下动态发展的规律,从而明确何种投资对于智能电网建设效果更为显著。
3)通过不同指标在同一种投资方式下的等量投资比较,SD模型能够区分指标变化快慢情况,进而可以凸显相关技术对智能电网的作用效果。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
动态力学 篇5
有限元分析纵坡路段路面结构动态力学响应
采用静态力学分析纵坡路段路面结构,能够得出推移是由于层间剪应力增大引起的,但不能合理解释实际存在的车辙问题.采用ANSYS三维有限元瞬态计算方法,模拟路面结构受到的动态车辆荷载作用,并依据国外路面设计理论,分析路面结构各层层底拉应变、面层内最大压应变以及路表弯沉值、面层与基层间的`剪应力.得出纵坡路段的行车速度慢是车辙形成的主要原因.层间剪切破坏的发生主要跟纵坡坡度大小有关的结论.
作 者：袁美俊 吕新丽 邢钦玉 YUAN Mei-jun LU Xin-li XING Qin-yu 作者单位：袁美俊,吕新丽,YUAN Mei-jun,LU Xin-li(长安大学公路学院,陕西,西安,710054)邢钦玉,XING Qin-yu(路桥集团国际建设股份有限公司,北京,100027)
刊 名：交通科技与经济 英文刊名：TECHNOLOGY & ECONOMY IN AREAS OF COMMUNICATIONS 年，卷(期)： 11(1) 分类号：U416.2 关键词：纵坡路段 路面结构 三维有限元法 动态分析动态力学 篇6
研究果蔬的压缩力学性质在果蔬加工、贮藏、运输等生产环节的工艺参数选择和相关加工装备设计, 对产品质量提高和品质检测等方面具有应用意义［1 － 2］。国内外学者对于果蔬压缩力学性质的研究主要是通过果蔬压缩试验,测得其力- 位移曲线［3］或者应力- 应变曲线［4］,分析其曲线变化规律及受力变形特点,获得弹性模量、屈服强度、抗压强度等力学性能指标［5］。同时,也有关注果蔬的细观结构［6］的研究, 用显微镜［7］、扫描电镜［8］等仪器设备获得果蔬受力变形后的细观组织图像,结合试验测得的力学性质和宏观变形破坏现象,从微观层面分析果蔬变形破坏机理。但是,这些研究只表达了果蔬受力变形最终状态或中间某一时刻的细观结构变位与力学特性相关关系,没能连续地进行果蔬受力变形过程中微观结构变位的动态响应分析。因此,本文在INSTRAN材料力学性能试验机上搭载了动态显微镜观测系统,实现了对果蔬加载的同时采集了果蔬微观结构变位的图像信息,进行了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子的压缩试验,并分析了细观结构变位的动态响应。
1材料和方法
1. 1材料的选取及贮藏
本文选取山西本地产的果蔬为试验材料。水果包括苹果、梨,均采自山西省农业科学院果树所; 蔬菜包括马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子,均为市场采购,挑选新鲜成熟、无机械损伤、同一品种大小相近的样本。 将样本分别用保鲜袋保存,储藏于4℃ 冷藏柜中保鲜, 备用。
1. 2仪器与设备
本试验使用的主要仪器及设备有: 5544电子万能材料试验机( 美国INSTRON公司) ,最大载荷为2k N; CMM - 15E透反射金相显微镜( 上海光学仪器厂) ,总放大倍数为40X - 2000X,显微图像可由CCD实时记录并通过计算机显示屏观察实时动态图像,图像分辨率为320 × 240,存储速率为24帧/s; DHG - 9023A型电热鼓风干燥箱( 无锡三鑫精工试验设备有限公司) ,温度调节范围为50 ~ 200℃ ; MP2002电子天平( 上海精密仪器仪表有限公司) ,称量范围200g, 可读性0. 01g。
1. 3试验方法
1. 3. 1样品制备
将试验材料从冷藏柜中取出,待其恢复室温后去皮洗净,切成10mm × 10mm × 15mm的矩形试样,每种试样均切20个,已切好的样品及待切样品均用聚乙烯薄膜密封保存,备用。
1. 3. 2含水率测定
每种样本随机选取1个,洗净去皮后切取一小块试验部位样本用于测量物料的含水率。称量所取得的样本质量,随后切成细丝放入已烘干恒定质量的玻璃器皿中,置于100℃ 恒热鼓风干燥箱中4h,待其质量恒定后称重。含水率的计算公式为
式中Mw—含水率;
mw—物料中所含水的质量;
ms—物料中所含干物质的质量。
1. 3. 3压缩力学试验
用电子万能试验机对每种试样进行压缩试验,同时用电子显微镜观察压缩过程中试样侧表面细观图像变化情况。根据美国农业工程学会( ASAE) 推荐标准,控制试验室温为20℃ ,相对湿度为( 50 ± 5) % ,每种试样测定20次［9］。电子万能试验机的压缩速度控制为1mm /min,压缩试验前预加载速度为5mm /min, 预加载载荷0. 1N,设定荷载率达到40% 时试验自动停止。
2试验结果及分析
2. 1果蔬压缩力学性能
表1给出了几种不同果蔬以及果蔬不同部位试样的压缩力学性能值。表1中,含水率由式( 1) 计算得到,最大载荷Fmax、载荷最大时的位移L、杨氏弹性模量E均由INSTRON万能试验机自动计算生成。强度极限 σ 的计算公式为
式中Fmax—最大压缩载荷;
A—试件的初始横截面积。
由于压缩位移- 压缩载荷曲线上没有明显的屈服点,通常认为当生物物料的微观结构开始破坏时物料屈服。因此,当显微图像上看到细胞渗水时,认为细胞屈服。生物屈服强度 σ' 由式( 3) 计算得到。式中,屈服载荷F' 为当电子显微镜观察到果蔬试样表面细胞出现渗水现象时所对应的压缩载荷。那么,则有
式中F' —屈服载荷。
图1为几种果蔬试件的压缩位移- 压缩载荷曲线。随着压缩位移的增大,压缩载荷随之增大,直到试件发生断裂时( 见图2) 压缩载荷急速下降,此时所对应的点为试件破裂点。由于茄子属于海绵体生物材料,因此没有破裂点,随着压缩位移的增加,压缩载荷不断增加。几种不同果蔬的强度极限不同,梨的强度极限为0. 40MPa,在几种果蔬中最小。因此,在运输加工时也最易受外力作用而损伤,然后随着压缩位移的增大,压缩载荷减小。各向异性的果蔬不同的测试部位表现出的压缩力学性质也有所不同: 胡萝卜芯部的强度极限达到了2. 16MPa,而果肉部分仅为1. 48MPa。几种果蔬中胡萝卜的强度极限最大,不容易受外力损伤,因此也更易保存。
2. 2果蔬压缩细观结构变位图像
在用INSTRON电子万能试验机对试样进行压缩试验的过程中,用电子显微镜观察记录试样表面细观结构变化情况。图3 ~ 图5分别为苹果、马铃薯、茄子试样不同压缩阶段的细观结构变化图。
图3 ~ 图5中:
( a) 为果蔬试件侧表面细观结构图。可以看到: 没有经过加载的苹果、马铃薯试样细胞结构完整、呈现出腔结构、细胞饱满、边缘清晰、形状规则,排列整齐、紧凑。
( b) 为果蔬试件加载但未屈服时的细观结构图。 此时,苹果的压缩位移为1 . 135 mm、压缩载荷为3. 192N,马铃薯的压缩位移为0. 418mm、压缩载荷为5 . 4 7 8 N ,茄子的压缩位移为1 . 2 7 8 mm 、压缩载荷为1. 024N。图中可以看出: 果蔬细胞变形、排列不规则、结构疏松、变形严重,但未见水分明显渗出。
( c) 为果蔬试件刚屈服时的细观结构图。此时,苹果试样的压缩位移为1. 754mm、压缩载荷为9. 532N; 马铃薯试样的压缩位移为0 . 961 mm、压缩载荷为17. 685N; 茄子试样的压缩位移为1. 996mm、压缩载荷为2. 296N。图中细胞渗水,认为细胞结构已破坏,水分从细胞中扩散出来,已看不到明显的细胞结构。
( d) 为果蔬试件屈服后继续加载的细观结构图。 图中已充满水分,随着电子万能材料试验机的继续加载,细胞破坏严重,水分大量渗出,已完全看不到细胞结构,并且细胞中的一些大分子物质悬浮于渗出的水分中。
2. 3果蔬压缩力学性质与细观结构变位动态响应分析
果蔬是由细胞组成的,细胞的组成、形状、结构、 排列方式及各项生命功能都与果蔬的力学特性有关。 果蔬细胞由细胞壁、细胞核、液泡等组成。由于细胞壁主要由一些可以承受较大抗拉强度的微丝和微管组成,因此起到了承受外部载荷、维持植物细胞形状的作用［10 － 11］。当果蔬受到外加载荷时,果蔬细胞壁可承受外部载荷,同时细胞内液体的压力可以保证细胞壁受压缩时不会失稳,苹果和马铃薯的细胞壁应变可达到15%［12］。细胞之间是通过胶状物连接的,胶状物具有流变特性且可以传递压力,因此当表层细胞受力时,可将压力传递到相邻细胞［13］。随着外部压力的逐渐增大,由于细胞内液体的压力抵抗细胞变形, 细胞内压随之增大,当细胞内压超过临界值时细胞破裂,此时果蔬细胞结构崩塌,内部水分及细胞内物质渗透,果蔬达到生物屈服极限,受到机械损伤。
3结论
1) 试验测试了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、 茄子的压缩力学特性,得到了以上几种果蔬的压缩最大载荷、强度极限、杨氏弹性模量及生物屈服强度。
2) 采集了压缩过程中果蔬的细观图像,通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况,分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联。
3) 分析了果蔬压缩过程中细观结构变位对压缩特性的影响机理及果蔬的细观损伤机理。
摘要：研究果蔬的压缩力学性质可为果蔬加工、运输、检测包装等生产环节提供设计参数及工艺优化依据。为此,以几种常见果蔬为研究对象,在INSTRON生物材料性能试验机上搭载了电子显微镜图像采集系统,在进行果蔬试样压缩力学性质试验测试的同时,对压缩变形过程进行了动态图像采集与分析,获得了果蔬的压缩强度极限、弹性模量等力学性质指标。同时,结合电子显微镜采集到的压缩过程果蔬细观结构变形图像,通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况,分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联,了解了果蔬压缩力学性质与压缩过程中细观结构变位的动态响应。
动态力学 篇7
关键词：复合地层,大断面隧道,动态分部施工,工法研究,监测技术
1 基本概念
1.1 上软下硬复合地层
不同的形成时代, 不同的地质作用等因素均使得地层在岩性、结构、变质程度等方面存在着巨大的差别, 在工程上表现为高度地非均质性, 也就是说, 严格意义上的各向同性均质地层在自然界是不存在的。对于隧道工程而言, 在开挖断面范围内和开挖延伸方向上, 往往存在两种或两种以上不同地层组成了隧道的赋存环境。通常可把这些岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层, 定义为复合地层。复合地层的组合方式也是非常复杂多样的, 但总的来说有以下两类:
1.1.1 在垂直方向上不同地层的组合
最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓的上软下硬地层。即隧道断面上部是松软土层, 而下部是坚硬的岩石地层或者上部是软岩地层而下部是硬岩层或者在硬岩层中夹软岩层或者在岩石地层中夹破碎带、溶洞等。
1.1.2 在水平方向上不同地层组合
在一个施工阶段当中, 可能分布着不同时代、不同岩性、不同风化程度或不同层序的地层, 也可能同一种岩层, 但风化程度有很大差异, 从而表现出水平方向上工程地质性质的差异。
1.2 大断面隧道
随着我国交通事业的飞速发展以及西部大开发战略的逐步实施, 交通运输基础设施建设又进入了一个新的大发展时期, 环境保护对交通运输的要求使得隧道必将越建越多, 而且隧道也越建越长, 隧道断面也越来越大。由于大断面隧道跨度较大, 结构将承受较大的围岩压力、受力条件较为复杂, 加施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素, 故极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象。因此, 开展大断面隧道的施工工法研究也一直是业内人士的焦点。
2 动态分部施工工法的提出及特点
软弱地层中隧道开挖施工方法常用的有双侧壁导坑法、CD法 (中隔壁法) 、CRD法 (交叉中隔壁法) 等。CD法主要应用于双线隧道级围岩深埋硬质岩地段以及老黄土隧道级围岩地段。CRD法主要应用于IV级围岩深埋软质岩、浅埋、偏压地段以及V级围岩深埋地段。双侧壁导坑法虽然能够应用于V级围岩浅埋、偏压及洞口段, 但其为先开挖隧道两侧的导坑, 并进行初期支护, 再分部开挖剩余部分的方法。
此方法工序干扰少, 操作简单、安全可靠, 适合中、大型机械进行施工, 施工进度大大加快, 并且临时支护少, 投入经济少, 降低了工程造价。能保证施工全过程处于安全、稳定、优质、快速的可控状态。适用于超浅埋大跨隧道不均匀风化地层及从侧壁进洞困难的地段。
3 动态分部施工工法力学原理
3.1 大断面隧道的施工力学特性
目前, 国内外对于大断面隧道的施工力学特性进行了较多的研究, 归纳起来, 大断面隧道施工力学特性主要表现在以下几个方面:
3.1.1 大跨隧道由于宽度加大, 而高度基本保持不变, 因此, 形成一个扁平的拱形结构, 其在力学分析上可近似看作椭圆。
3.1.2 由于跨度加大, 使得开挖引起的应力重分布趋于不利。如果围岩的单轴抗压强度比重分布的应力小, 隧道周边围岩将出现塑性区, 为此, 需要强大的支护结构来控制变形。
3.1.3 隧道在开挖过程中应力集中程度大, 是普通隧道的1.5-2倍, 隧道墙脚处应力集中过大, 要求围岩具有较高的地基承载力。
3.1.4 拱顶稳定性降低, 施工过程中易坍塌。
3.1.5 会产生较大的松弛地压。开挖宽度和开挖高度越大, 要求产生拱作用的埋深越大, 在埋深小时, 拱作用不能发挥时, 就会产生很大的松弛地压, 因此, 对大断面隧道而言, 会产生较大的松弛荷载。
3.1.6 支护结构的承载力相对较小。跨度越大, 扁平形状的拱形支护结构的承载力也小。
3.2 动态分部施工工法的力学机理
3.2.1 椭圆形洞室围岩应力分布
从判断隧道围岩稳定性的观点出发, 只要找到洞室周边极值点处的应力大小, 看其是否超过岩体的强度即可判断其稳定程度。从研究圆形断面洞室周边应力知道, 椭圆形洞室周边应力的两个应力极值仍然在水平轴和垂直轴上。
3.3.2 动态分部施工工法的力学机理
通常, 浅埋隧道的侧压系数K小于1, 由于使用功能要求以及其本身的特点和工程造价等因素的控制, 大跨隧道一般做成扁平状, 为了便于分析可近似地看成椭圆形, 从理论力学原理看, 动态分部施工工法是有利于隧道施工稳定的。
4 动态分部施工工法施工工艺及操作要点
4.1 动态分部施工工法工况
动态分部开挖工法根据隧道的跨度、开挖面范围内地层分布特征及围岩的稳定程度可以分为中台阶设中隔墙和不设中隔墙两种情况。
4.1.1 中台阶不设中隔墙
当隧道上台阶围岩软弱, 而中下台阶围岩较硬时, 采用动态分部施工施工工法, 隧道中台阶可不设中隔墙, 此时, 隧道的开挖方法用中隔墙将在上台阶分成左右两部分。具体施工工序如下: (1) 开挖1部台阶, 初喷砼封闭掌子面。施作1部洞身结构的初期支护和临时支护, 安设锁脚锚杆, 锁脚锚杆要求与钢架用钢筋焊接。 (2) 跟进开挖支护2部, 步骤同1部。 (3) 开挖3部, 安装钢架, 钻设锚杆, 锚杆要求焊接在钢架上。喷射混凝土至设计厚度。 (4) 开挖4部, 及时封闭初期支护。
4.1.2 中台阶设临时中隔墙
当隧道上、中台阶围岩软弱的时, 隧道的开挖方法用中隔墙将上、中台阶分成左右4部分。具体施工工序如下 (1) 开挖1部台阶, 初喷砼封闭掌子面, 施作1部洞身结构的初期支护和临时支护, 安设锁脚锚杆, 锁脚锚杆要求与钢架用钢筋焊接。 (2) 跟进开挖支护2部, 步骤同1部。 (3) 开挖支护3部, 步骤同1部。 (4) 开挖支护4部, 步骤同1部。 (5) 开挖支护5部, 及时封闭初期支护。
4.2 动态分部施工工法要点
采用动态分部台阶法施工, 中台阶及下台阶中隔墙根据地质及监控量测情况适当加设。上台阶左侧先行, 右侧滞后左侧, 中台阶跟进。上台阶为土质时采用人工开挖预留核心土, 均采用人工出碴。
4.2.1 108管棚超前预加固 (进洞时)
隧道拱部内采取加密的超前108长管棚, 注浆材料采用水泥浆或水泥一水玻璃双液浆。
4.2.2 加强初期支护
按照“强支护”施工理念, 为减少隧道变形引起地表下沉, 并保障施工安全, 该地段主洞初期支护喷射混凝土厚度由25cm提高至28cm, 钢架由120a工字钢改为122工字钢, 临时仰拱采用120工字钢, 喷射混凝土厚25cm;中隔墙采用122工字钢, 喷射混凝土厚22cm。并加设锁脚锚管, 每钢架下加设8根。
4.2.3 洞身开挖
上台阶左侧先行, 右侧滞后左侧, 设置直中隔墙, 临时仰拱根据底板地质情况增设, 中台阶及下台阶跟进, 中台阶中隔墙及临时仰拱根据围岩情况增设。上台阶为土质时采用人工开挖预留核心土, 均采用人工出碴;中下台阶出现岩层, 需进行爆破时采用弱爆破, 避免损坏初期支护, 控制爆破速度不超过并按设计埋设注浆小导管, 开挖完成后及时喷硅封闭, 每循环开挖进尺0.5m (即钢架间距) 。仰拱及时跟进, 仰拱支护每2-3m施工一次, 仰拱衬砌5m一次。
5 结语
从复合地层和大断面隧道的基本概念出发, 分别阐述了隧道上软下硬地层与大断面隧道施工力学行为的基本特点, 提出了动态分部施工工法的基本概念, 并根据椭圆形隧道受力机制和轴变理论分析了其力学原理, 从理论上论证了该工法的实施有利于隧道施工的稳定, 为该工法的提出提供有力的理论依据, 最后就其主要施工工艺及措施进行了具体介绍。
参考文献
[1]沈才华, 童立元, 刘松玉.卵砾石层浅埋公路隧道支护方案的优化研究[J].土木工程学报.2008.
动态力学 篇8
1动态力学性能研究的重要性
绝大部分混凝土结构承担的为静荷载,而部分构件比如防护堤、水电站等需要混凝土材料承受部分冲击荷载,对其抗冲击性能有着较高要求。此前,主要侧重于对混凝土材料弹性模量的检测,使用设备为落锤设备,而该检测方式最大缺陷在于无法将荷载作用在混凝土构件过程中的惯性效应进行检测,所得到的应力—应变曲线,存在一定缺陷,无法实现对混凝土材料动态力学性能的准确检测。以该检测结果对部分混凝土构件进行安全性能评定,自然存在不足,在遇到加大冲击作用下,极易导致安全事故。可见,必须对混凝土材料动态力学性能的检测方式加以完善。
2采用冲击压缩实验对混凝土材料动态力学性能检测
大量实验表明,混凝土材料具备十分敏感的应变效应,同时短暂冲击更易造成对混凝土损伤。在冲击作用下,混凝土存在应变率效应的同时,伴随存在另外两种效应,即损伤软化效应和应变硬化效应。显然,损伤软化效应仅在较大冲击荷载的作用下才能表现出来。因此,在冲击作用下,混凝土材料会首先出现应变硬化,即动态荷载作用下,将使混凝土材料的应力与应变呈正相关的关系。损伤软化效应将与应变硬化基本维持相同的变化关系,当动态荷载作用超过混凝土材料所能承受的极限时,材料将失去稳定性,出现开裂、坍塌等情况。
3混凝土材料在动态荷载作用下应力—应变关系探讨
目前,对于混凝土材料动态力学性能的探索基本建立在一维应变的基础上,同时这一研究基础需满足两个假设条件,即实验中的压杆为一维构件以及混凝土材料较为均匀。而在实践研究中,混凝土材料以及压杆规格都较大,与实验假设存在一定矛盾。同时受混凝土材料抗破坏应变较小的影响,更增加了实验难度。
受压杆二维效应的作用会使得波形表现出弥散的特点,导致最终应力—应变波形曲线存在一定改变,表现为波形拉长,存在部分高频振荡波。从实验原理上进行分析可以发现,波形弥散主要受压杆规格的影响,压杆基本尺寸越大,波形弥散的情况越严重。可见,若使用Hopkinson压杆对混凝土材料进行应力—应变曲线研究,必须将波形弥散因素纳入到影响因素中。一般来说,混凝土材料越大,其内部的均匀性越低。可能会使得混凝土构件在未达到假设应变率之前就已经出现开裂甚至破坏,使得检测结果缺乏准确性。
为解决压杆以及混凝土构件规格对应力—应变曲线的影响,可以将波形整形技术运用到该项检测试验中。在冲击试验前,把波形整形器安置于入射杆端,在其作用下,能够将频率范围较大的脉冲转变为频率较为集中脉冲,达到降低波形弥散程度的目的,使波形更加接近混凝土应变情况。同时可有效延长波形上升的时间,使得混凝土构件在试验中内部应力较为均匀。
由于混凝土材料的应变能力较小,在试验中更需要对构件的加工程度进行控制,确保构件与压杆两端面充分接触。而在实际中基本无法做到这一点,此时可将万向头技术运用到该检测过程中。在进行大尺寸构件的研究中,受波形弥散、压杆尺寸以及构件应力不均匀等因素影响,其应变范围较小,在进行最终数据处理时波头的选取直接决定着整个应力—应变曲线的变化。此时,单依靠波形整形技术已无法确保曲线的准确性,就需要将应变直接测量技术运用于大尺寸构件检测中。
应变直接测量技术主要借助应变计将混凝土构件的应变情况直接反应出来,再通过常规SHPB技术将应力—应变曲线得出。在该技术的帮助下,可有效减少大混凝土构件应力不均匀对检测结果的影响,具有较强实用性。然而其在使用中,依旧存在一定局限性。但动态荷载达到一定程度时,将导致混凝土构件出现开裂,其裂缝可能延伸到应变片所放置的位置,导致检测数据出现很大偏差。另外,由该技术得到的应力—应变曲线后半段无法代表构件的整体特点,所有还需要依靠其它检测技术进行完善。
4混凝土材料动态力学损伤演变情况研究
混凝土在浇筑以及后期使用中,其内部都会出现空隙或者微裂痕,将对构件整体稳定性造成影响,在动态荷载的作用下其危害性将进一步凸显出来,可导致混凝土出现软化。可见,对混凝土材料在动态荷载作用下内部情况研究很有必要。当前,受混凝土材料内部构造较复杂且无任何规律等因素影响,该项研究存在较大难度。从微观角度很难直接测得混凝土损伤演变情况,实际检测中多从宏观角度出发。将混凝土材料受损后的弹性模量以及弹性波速等进行测量,以损伤前后弹性模量的变化值与动态荷载作用前的弹性模量的比值作为损伤因子,进而得到混凝土材料在动态荷载作用下的损伤演变方程。
在进行冲击压缩试验时,需将混凝土构件损伤程度控制在固定应变值范围内。该应变值主要借由钢环高度的调整来确定,应变率则主要依据子弹对混凝土构件的作用时间来确定。通过上述测试方法便可得到不同情况下,混凝土材料动态荷载作用下,损伤与应变率间的变化关系。
5对混凝土材料的层裂强度探索
当混凝土材料构筑物在遇到地震、爆炸以及由洪水等原因造成的短暂性动态荷载作用时,极易导致构筑物出现层裂。就近几年来看,由于自然灾害频发,这一现象表现的更为明显。对层裂强度的研究自然被列入到混凝土材料的研究内容当中。此前,主要使用爆破加载的方式对混凝土该方面性能进行检测,但检测结果缺乏一定准确性。在Hopkinson压杆的帮助下,可极为简单的实现对层裂强度的检测。国外学者已通过Hopkinson压杆在检测中形成的加载波,以最大拉应力为理论基础,准确得到混凝土材料在层裂时的强度。从间接的角度对层裂强度检测存在一定技术难度,目前漫反射激光速度反射干涉仪已经普遍运用于对层裂强度的检测,其最大的优势在于可实现对层裂强度的直接检测。其主要方法为,使用常规Hopkinson压杆,然后在混凝土材料构件后安装低阻抗吸收杆,借此可在检测中直接得到动荷载作用下压力应变波形。
通过有关检测可以发现,混凝土材料层裂强度存在明显应变率效应。在加载速度不断增加的情况下,其层裂强度也将随之而增加。在低加载速度下,混凝土材料形成的裂纹可在有效时间内进行扩展,断口存在明显过度趋势,粗骨料依旧处于完整状态。而当加载速度在短时间内增加时,形成的层裂缝不能避开骨料转移到强度较小的部位,将导致混凝土骨料遭到破坏,这也是在地震、爆炸等因素出现时,混凝土材料抗破坏能力较低的原因。
6混凝土材料动态力学性能研究的基本方针
混凝土材料构件最主要的特点在于抗破坏应变能力较小,同时组成成分较为复杂,容易出现脆性断裂。导致其在进行动态荷载作用下力学性能研究时,需要克服较多问题。例如在对大型混凝土材料构件检测时,对需要借助其它方式对波形弥散进行处理,提高检测的准确度,得到更加完整的应力—应变曲线。同样,在对混凝土材料损坏演变的检测中,需要将空隙、微裂缝等因素进行考虑,转变检测角度,间接得到损伤演化关系图。
7总结
混凝土材料是当前土木工程建设中的主要用材,在确保工程质量以及使用中的安全性都具有极为重要的作用。当前,对其静荷载承载力学性能的研究较多,对动态力学性能的研究较少。而动态荷载是造成混凝土构件破坏的主要原因,可见该行业必须将强对动荷载作用下的力学性能进行研究,从本文分析可以发现。在动态力学分析上还存在一定缺陷,需要在今后检测工作中不断完善,对混凝土构件在使用中的安全性进行准确评估。
参考文献
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动态力学 篇9
隧道的开挖和支护过程是一个复杂的受力过程,其施工过程、开挖顺序和支护时间的不同对工程结构体系的力学效应有很大影响。在软岩复合式衬砌尤其是小净距隧道工程中,由于围岩条件复杂,只依靠简单的工程类比是远远不够的,在施工过程中按不同工况的各受力阶段分别进行不同围岩性态的力学模拟与分析是非常必要的[1]。
在软岩衬砌研究方面,孙钧等[2]提出了考虑隧洞开挖面时空效应的三维分析模型,就施工不同作业方式进行了弹—粘塑性数值计算;程桦等[3]在国内率先采用岩土工程数值计算程序FLAC分析了复合式衬砌受力机理和承载能力,并得出一些有益的结论;金丰年等[4]利用非线性粘弹性模型,对圆形隧洞的开挖过程进行了三维有限元模拟计算,通过计算对开挖面和开挖速度的影响进行了具体的分析;M.Karakus[5]阐述了平面应变分析对三维开挖效应影响的评价。由于不能完全反映隧道开挖的时空效应,许多学者对隧道模拟开挖进行了三维弹塑性甚至粘—弹塑性分析[1,6,7,8]。在小净距研究方面,刘艳青等[9]对我国第一座超小净距并行隧道———招宝山隧道的力学状态进行了试验研究;万明富[10]从岩石力学理论和现代设计、施工技术等方面入手,对相邻隧道围岩净距最小值进行了探讨,提出了小净距隧道的概念;靳晓光等[11]通过三维弹塑性有限元数值仿真模拟,探讨了各施工方法的优劣和适应性;晏启祥等[12]采用三维快速有限差分软件,分析了锚杆轴力、喷射混凝土层弯矩随开挖顺序的变化过程;刘洪洲等[13]介绍了浅埋、大跨度、双洞八车道小净距公路隧道的初步设计方案。上述研究大多是分别针对软岩隧道施工性态及小净距隧道施工方案比选方面的,结合起来的探讨比较少,尤其是软岩中关于大跨度、浅埋、小净距隧道动态施工力学行为的研究相对更少。
本文主要针对某大跨度、小净距隧道下穿公路浅埋段工程双侧壁导坑施工工法,采用数值模拟手段进行了三维施工力学行为分析,研究了隧道施工过程中隧道围岩稳定性和衬护结构动态力学响应,以期进一步优化并指导施工。
1 工程概况
1.1 工程地质条件
根据地质勘察情况,该隧道主要穿越的地层为侏罗系上沙溪庙组,下伏基岩为泥岩与砂岩互层。岩层走向与洞轴线以85°夹角相交,岩层倾角9°左右,岩层层间结合一般,围岩级别为Ⅴ级。地下水贫乏,隧道出水形式以潮湿或滴水为主。本文针对下穿公路浅埋段进行研究,埋深仅为14m,泥岩、砂岩岩石质量参数见表1。隧道施工区地质结构面十分发育,岩体极度破碎,块体强度不高,围岩稳定性差,开挖易发生坍塌,属典型的软弱围岩范畴。
注:Rc为单轴饱和抗压强度,Kv为完整性系数
1.2 工程施工方法
为减小隧道施工对公路运营的影响,确保隧道施工安全,隧道应用新奥法原理,在超前小导管超前支护作用下,采用双侧壁导坑法施工。超前小导管采用外径Φ42mm,壁厚4mm的热轧无缝钢管加工制成,导管长3.5m,前端加工成锥形,尾部焊接Φ6mm钢筋箍加筋;管壁四周钻四排Φ6mm注浆孔,施工时钢管沿隧道开挖外轮廓线周边以5~10°的外插角打入岩层中,小导管环向间距为40cm。
施工过程中,严格控制掘进进尺,每掘进4m形成初期支护,且在二衬和初期支护之间增加一层厚30cm的模注钢架混凝土封闭环。锚杆采用D25中空4.5m注浆锚杆,纵环向间距为200cm(纵)×80 cm(环),梅花形布置;初期支护采用28 cm厚的C20喷射混凝土、HPB235双层钢筋网(Φ6.5mm,间距为20cm×20cm),20Ia工字钢作为初期支护的加筋措施,其纵向间距为1m。二次衬砌为60cm厚C25模注钢筋混凝土,每隔20m设置沉降缝;开挖时二次衬砌应紧跟开挖,严格控制围岩变形和地表沉降,开挖过后及时封闭掌子面,使隧道结构受力更加合理,见图1。
2 数值建模
2.1 有限元模型
在模拟隧道下穿公路浅埋段时,本次模拟隧道开挖20m,模型共划分为21850个单元,其中锚杆3850个单元(见图2)。围岩、初支和二衬结构采用八节点三维实体单元(solid45)模拟,锚杆采用三维杆单元(link8)模拟;隧道围岩材料按均质弹塑性考虑,采用Druck-Prager屈服准则,参数可由现场监测数据资料反演得出。因初期支护、二次衬砌和锚杆力学特性远远好于围岩,计算中可将其看作弹性体,参数则参考相关规范确定(见表2);喷射混凝土中钢拱架的作用采取等效方法来模拟;为了简便计算,临时支护的锚杆作用直接采用其加固效果通过增强加固区材料参数来模拟;对于隧道拱顶部超前注浆小导管,其作用是在顶部形成加固层和起到“抬梁”的效果,以阻止隧道顶部过大变形而造成局部坍塌,可采用释放荷载的方法来模拟其作用[1]。为保证计算的准确性,模型尺寸为:隧道左右分别取40m,竖直向上取至地表,向下取40 m;因隧道埋深较浅,故计算时按自重应力场考虑。
2.2 施工过程模拟
计算过程为了尽可能真实地模拟隧道实际开挖衬砌作业,本次模拟先进行中夹岩侧导坑开挖,开挖循环进尺为4m,进行初期支护和工字钢等临时支护的施做,在开挖4m时钢架混凝土浇筑,锚杆支护;然后类似工序对中夹岩侧对侧、中部上导坑、中部下导坑进行施工;在开挖20m后,施做二次衬砌。为了减小爆破震动对公路运营的影响、防止洞顶地表沉降,施工期间采取交通管制措施,即左线为超前洞,施工完成后再进行右线后续洞的施工。参照图1双侧壁导坑法施工工序,本次模拟过程共分99个开挖步,其中前50步为先行洞即左线隧道的开挖,后49步为后续洞即右线隧道的开挖。
3 计算结果分析
以新奥法修建的公路隧道中,隧道浅埋软弱段具有埋深浅、围岩稳定性差和受力复杂的特点,施工中稍有不慎就会造成围岩的过大变形而导致失稳。因此,对于隧道浅埋软弱段围岩在施工中的沉降及位移变化规律的研究非常重要[1]。
3.1 地表沉降分析
本文研究的对象为该隧道下穿公路浅埋段,为保证施工期间及以后公路的安全运营,需要严格控制地表沉降。图3为隧道开挖完成后地表沉降曲线,由图3可以看出,地表沉降关于双线隧道大致对称分布,呈W形状;其中在先行洞隧道拱顶正上方沉降最大,沉降量为5.31mm,这是由于先行洞隧道开挖后,受到后续洞施工扰动所致,与现场监测资料数据规律一致。后续洞拱顶正上方沉降为5.21 mm,中轴线附近沉降较两线隧道拱顶正上方处偏小,沉降仅为2.87mm;总体来说,地表下沉能够保证公路安全运营的前提下正常施工。从图中还可以看出,隧道开挖对地表沉降的影响在距离中轴线3.5倍洞径(R)后趋于稳定,这也说明本次模拟模型范围的选取是在误差范围之内的。
3.2 隧道变形分析
鉴于该隧道为浅埋隧道,初始应力场为自重应力,根据新奥法原理指导施工,对隧道变形尤其是竖直方向位移的研究和现场监控量测是十分必要的。计算结果表明,隧道围岩的竖直方向沉降在后续洞拱顶处为6.13mm,由于后续洞开挖爆破施工的影响,最大值出现在先行洞的拱顶处,其值为7.33 mm;与一般大跨径浅埋隧道的量测值相比,这一拱顶下沉值属于中等偏小,可以认为,超前小导管对隧道顶部有效地起到了加固围岩和“抬梁”的作用。仰拱处隆起较大,先行洞仰拱处隆起量为9.87 mm,后续洞仰拱处隆起量为10.63 mm,参见图4。分析得知,隧道围岩竖直方向位移满足施工要求,也说明隧道所设置的初期支护和锚杆参数是合理的。
以隧道起始开挖面为研究对象,图5为施工完成后隧道先行洞竖直方向位移随着开挖步的变化情况,由图5可以看出,先行洞开挖的前50步隧道周边各点竖向位移变化幅度比较大,大致呈阶梯状增加,后续洞的开挖对其影响较小,基本趋于稳定。
拱顶在先行洞开挖完成后下沉量为5.85mm,后续洞开挖扰动导致拱顶又下沉1.48mm,占了拱顶下沉总量的20.0%。
左右拱腰在先行洞开挖时段曲线规律和数值基本一致,其中左、右拱腰在先行洞开挖完成时(开挖步50)沉降值分别为3.99mm、3.85mm;右拱腰开挖要先于左拱腰,也就导致了右拱腰在开挖初始阶段要早于左拱腰沉降,两者在开挖第二个循环的左拱腰时(开挖步12)曲线基本达到一致,期间沉降值为2.56mm;左右拱腰在后续洞开挖时段基本呈稳定状态,其中对左拱腰影响偏大,期间沉降值为1.49mm,右拱腰沉降仅为1.40mm,可以看出后续洞开挖对左右拱腰的影响分别为27.1%和26.7%。
左右拱脚在先行洞开挖时段曲线规律和数值基本一致,其中左、右拱脚在先行洞开挖完成时(开挖步50)隆起值分别为1.99mm、1.95mm;右拱脚开挖要先于左拱脚,也就导致了右拱脚在开挖初始阶段要早于左拱脚隆起,两者在开挖第一个循环时段曲线基本达到一致,隆起值为2.21mm;左右拱脚在后续洞开挖时段都基本呈稳定状态,由于后续洞施工扰动的影响,拱脚的隆起值有所回落;其中对左拱脚影响偏大,隆起回落值为0.56mm,右拱脚隆起回落值为0.47mm,可以看出后续洞开挖对左右拱脚隆起的影响分别为28.3%和24.1%;尽管后续洞开挖对拱脚影响偏大,但由于变化数值的绝对量很小,拱脚点处围岩是稳定的。
拱底在先行洞开挖完成后隆起量达10.45mm,在后续洞的施工时段隆起量回落1.02mm,占了隆起总量的9.7%;由于拱底隆起值较大,施工中每个循环仰拱开挖时间都不宜过长,并应尽快施做仰拱和铺底。
图6为隧道后续洞竖直方向位移随着开挖步的变化情况,由图6可以看出,先行洞开挖的前50步隧道周边各点的竖向位移由于受到先行洞开挖的施工影响有小幅变化,在后续洞开挖时段内变化幅度比较大,竖向位移大致呈阶梯状增加。
拱顶在先行洞开挖完成后下沉量稳定在0.49 mm,右线施工后总下沉量为6.13 mm,稍小于左线拱顶下沉量,先行洞施工对其下沉量的影响为7.99%。
左右拱腰在先行洞开挖后下沉量分别为0.46 mm、0.57 mm,后续洞开挖时两者均呈跳跃式阶梯状递增,并分别稳定于沉降值4.13mm、4.46 mm;左拱腰沉降早于右拱腰但沉降稳定值较小,这是因为左拱腰先于右拱腰开挖,且在中夹岩处加强超前支护的缘故;从图中还可以看出,先行洞对隧道后续洞左右拱腰部位沉降的影响分别为11.13%、12.70%。
左右拱脚在先行洞开挖后下沉量分别为0.51 mm、0.59 mm,由于后续洞的开挖左右拱脚两处均有小幅隆起,隆起值分别稳定于1.42mm、1.43 mm;左拱脚隆起早于右拱脚但隆起稳定值较小,这是因为左拱脚先于右拱脚开挖,且在中夹岩处加强超前支护的缘故;隧道先行洞对后续洞左右拱脚部位隆起的影响分别为26.56%、29.21%;虽然影响较大,但因绝对数值较小,左右拱脚点处围岩是稳定的。
拱底在先行洞开挖完成后隆起0.52mm,在后续洞的施工时段隆起上升至10.63mm,先行洞施工影响占了隆起总量的4.89%;由于拱底隆起值较大,施工中每个循环仰拱开挖时间不宜过长,并应尽快施做仰拱和铺底。
3.3 支护受力分析
图7为双线隧道开挖完成后初期支护的等效应力,由图7可知,初期支护等效应力最大值出现在隧道拱脚,大小为7.31MPa,施工过程中应加强拱脚部位监测,防止由于应力集中导致喷射混凝土开裂,影响整体受力状态;图8为两线隧道开挖完成后二次衬砌等效应力,其应力规律和初期支护类似,在双侧壁导坑开挖的侧壁应力较大,最大值为0.2 MPa;初支和二衬靠近中夹岩侧的等效应力要略小于对侧应力,这是由于超前小导管在中夹岩侧打入时增大了外插角,有效地加固了围岩。
图9为锚杆轴力分布,由图9可以看出,在拱顶和拱腰部位锚杆轴力较大,最大值为42.56k N,满足锚杆抗拉强度;锚杆轴力分布大部分呈“凸肚子”型,这与软弱围岩中锚杆径向力分布规律是一致的;在拱脚附近,有少量锚杆呈现受压状态,可能是由于初期支护强度过大,导致拱脚变形较小,且有隆起现象造成的。
3.4 塑性区分析
图10为隧道施工完成后起始开挖断面围岩塑性区分布,可以看出,塑性区主要分布在拱顶、拱腰和拱脚部位,在双侧壁导坑施工工法中,先后分别开挖侧壁从而导致侧壁受力较大所致;超前小导管、初期支护和二次衬砌有效地防止了塑性区的进一步扩大,塑性区深度未能超过隧道宽度的一半,还是在允许范围之内的,因此塑性区的发展对隧道的稳定性影响并不显著,隧道仍处于稳定状态。
3.5 模拟结果与现场监测数据的对比
现场监测主要是对数值试验结果的验证和评价,限于篇幅,在此只做左右双线隧道拱顶沉降值的量测数据和计算结果的对比。为便于比较,将施工完成后双线隧道起始开挖断面的拱顶沉降实测值变化曲线和对应点上的数值模拟结果绘于图11和图12中。
从图11、图12可以看出,从埋设量测元件监控开始至模型段开挖结束,其对应的左右线(先行洞、后续洞)拱顶下沉实测结果曲线变化规律与数值模拟计算结果的曲线变化规律基本一致。先行洞拱顶下沉监测基点埋设于下一个循环开挖时段(也即开挖步10),监测沉降值最后稳定于5.82mm,而数值模拟计算结果最终沉降稳定值为7.33mm;后续洞拱顶监测元件埋设于后续洞开挖下一个循环时段(也即开挖步60),监测值稳定在4.95mm,计算稳定值为6.13mm。监测值与计算结果之差是由于监测元件埋设时,先前循环段的开挖已经引起拱顶一定量值的下沉,而此下沉值无法准确量测导致的。两者差值基本稳定,说明了隧道三维弹塑性分析结果是可信的,其中先前开挖引起的下沉分别占拱顶总沉降值的20.6%、19.4%,这比一般公式算出的开挖面效应值要小,是因为本文模型在开挖方向和范围误差导致选取的研究目标面未能真实反应隧道开挖引起的全部位移变化所致。综上所述,隧道施工过程中在断面开挖后应及时进行量测元件的埋设,尽量减小由于时空效应带来的影响。
4 结论
(1)隧道地表的沉降分布以双线中轴线为中线、呈W形状分布。沉降主要集中在距离中轴线三倍洞径范围内。
(2)从隧道周边围岩变形位移结果来看,后续洞的开挖对先行洞的地表沉降和隧道周边各点竖向位移的影响要远大于先行洞对后行洞的影响,如何有效地控制施工过程中的反复扰动是施工成败的关键。
(3)对于大跨度、浅埋、小净距隧道下穿高速路段,超前小导管超前支护配合初支二衬之间模注混凝土的施工措施可有效地控制地表沉降,不会影响其安全运营。
摘要：基于新奥法施工理念,结合某大跨度、小净距隧道工程浅埋段施工过程,根据采取的双侧壁施工方法,建立了数值模型,对其施工过程进行了三维有限元弹塑性模拟。分析了施工过程中随着各部的开挖,隧道周边各点竖向位移的变化;通过对开挖后地表沉降、支护受力和塑性区的模拟计算以及隧道拱顶沉降监测值与计算值的对比分析,进而对施工过程中隧道结构的安全性及围岩稳定性作出评价。数值计算结果表明,在软岩浅埋隧道中,超前小导管的设置可起到加固围岩和抑制隧道变形的作用,有效控制双线隧道开挖引起的反复扰动是小净距隧道施工成败的关键。
动态力学 篇10
混凝土作为一种传统的建筑材料,面对愈发复杂的施工环境以及抢修抢建等特殊要求,其早期强度较低的缺点急需解决。目前,关于早强混凝土的研究很多[1,2,3,4,5],但多数集中于早强混凝土的配合比设计、和易性改善以及抗压抗折强度等,这些研究主要集中于早强混凝土的静态力学性能研究,而关于早强混凝土动态力学性能的研究较少[6,7]。实际环境中,由于抢修抢建的工程很快投入使用,在车辆行驶、桥梁振动、飞机起降等诸多因素影响下,混凝土在早期就会不可避免地受到冲击荷载的作用,因此研究早强混凝土的早期动力学性能对快速修补工程的正常使用及安全评估都具有重要意义。
玄武岩纤维[8,9]是玄武岩石料在高温熔化后,通过拉丝形成的连续纤维,具有高强度、高稳定性、抗腐蚀、耐高温等多种优异性能。将玄武岩纤维掺入混凝土中,可以有效提升混凝土的各项力学性能[10]。目前针对玄武岩纤维混凝土的研究较多,但是将玄武岩纤维用于早强混凝土的研究仍未见报道,而其优异的力学性能势必会使早强混凝土具有更加优异的早期综合性能。
本工作掺入不同含量的玄武岩纤维配制早强混凝土,采用直径100mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统研究不同龄期及不同应变率下玄武岩纤维早强混凝土的动压强度、DIF及比能量吸收的变化规律,并针对不同龄期早强混凝土提出了DIF计算模型。
1 实验
1.1 原材料及试件制备
原材料:(1)42.5R级普通硅酸盐水泥;I级粉煤灰,比表面积不低于355m2/kg;(2)硅灰,比表面积为15~27m2/g,SO2含量为85%~95%;(3)石灰石碎石,容重2700kg/m3,粒径范围5~20mm;(4)中砂,细度模数2.78,容重2630kg/m3,堆积密度1.50kg/L;(5)高效早强剂,灰色粉状物,含水率7%;(6)自来水;(7)短切玄武岩纤维(见图1)。混凝土基体配合比如表1所示,玄武岩纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%和0.3%,相应的试件分别记为BC0、BC1、BC2和BC3。用于动态压缩试验的试件尺寸为Φ98mm×48mm。搅拌采用“裹砂石法”,具体制备流程如图2所示。试件拆模后,移入标准养护室分别养护1d、7d和28d,达到相应的养护龄期后取出并进行相应的动态压缩试验。
1.2 试验设备与方法
动态压缩试验采用Φ100mm SHPB分离式霍普金森压杆试验装置。该试验装置由主体试验设备、能源提供系统和数据测试系统三大部分组成。根据测得的入射应变εi、反射应变εr及透射应变εt,由三波法可计算出试件的应力σs、应变εs及应变率,如式(1)所示。
式中:E为杆的弹性模量;c为杆中波速;A、As分别为杆和试件的横截面积;ls为试件的初始长度。
此外,试验中采用厚度1 mm,直径20 mm、22 mm、25mm、27mm、30mm的圆形铜片作为整形器对入射波形进行改善[11],同时,为了消除金属杆和试件之间界面摩擦的影响,将试件两面以及金属杆端面涂抹一层较薄的石墨和润滑剂的混合物。
2 结果与分析
2.1 动压强度
图3为不同纤维掺量的试件在龄期1d、7d和28d时动态压缩强度随应变率变化规律。由图3可知,不同纤维掺量下,试件动压强度随应变率增长的规律基本相同;不同龄期下,动压强度均随着应变率的增加而增加;随着龄期的增长,动压强度逐渐增大,并且在前期强度增长迅速,后期较为缓慢。以纤维掺量为0.1%为例,当应变率约为35s-1时,混凝土在7d时的动压强度相对于龄期为1d的动压强度增长率约为56.25%,而28d相对于龄期为7d的动压强度的增长率仅为43.06%。
混凝土动压强度应变率效应的产生机理目前还存在一定争议。一些学者认为,混凝土宏观的应变率效应是由惯性效应引起[12]。为此,本工作首先计算由惯性效应引起的附加应力,其公式表达为[13]:
式中:a为圆柱体试件的直径,ν和ρ分别为泊松比和密度,为试件的轴向应变加速度。由式(2)可知,试件中心处的附加应力最大,可表示为:
图4为龄期7d时试件中心处的最大附加应力。由图4可看出,由惯性效应引起的附加应力最大仅约为0.22 MPa,相对于混凝土的强度值较小,可忽略不计。因此本工作中玄武岩纤维混凝土的应变率效应切实反映了材料的本质属性。
为进一步分析不同龄期玄武岩纤维混凝土的应变率效应,对试件DIF进行分析,DIF为试件动压强度与静压强度之比,很多学者都对混凝土的DIF进行了研究。欧洲混凝土协会(CEB)[14]也给出DIF计算公式为:
式中:DIF=σcd/σcs,σcd为某应变率下的动态压缩强度,σcs为静态压缩强度;;lg(γ)=6.156α-2;α=(5+9σcs/σc0)-1;σc0为10MPa,为一参照值。
图5给出了掺量为1%的玄武岩纤维早强混凝土不同龄期下DIF随应变率的变化关系以及CEB公式拟合结果,可以发现,CEB给出的公式大于实测值,并不能对试验结果进行很好的拟合。除此之外,很多学者均结合自己的研究成果给出了DIF的计算模型,表2为Ross等[15,16,17]给出的DIF计算式。
图6给出了掺量为1%的玄武岩纤维早强混凝土的DIF变化规律,并结合Ross等公式进行了拟合,可以看出,Li、Grote、Ross给出的公式拟合出的DIF增幅较小,应变率效应不明显,不符合实测DIF值,同时,这些学者给出的公式均没有考虑养护龄期对DIF的影响,并不能对早强混凝土的早期DIF进行有效拟合。
因此,本工作结合试验研究给出了考虑混凝土龄期的DIF计算公式(见式(5))。
式中:t为养护龄期,单位为天数,A、B均由试验回归得到。表3中给出了参数值。图7给出了DIF计算结果与试验值的对比情况。可以看出,本工作给出的DIF模型在较大程度上反映了不同龄期对早强混凝土DIF的影响,但由于混凝土的不均匀性及试验条件误差的影响,具有一定的波动起伏。
2.2 吸能性能
比能量吸收(Specific energy absorption,SEA)是衡量材料在破坏过程中能量变化的常用指标,其物理意义为单位体积的混凝土试件吸收应力波能量的大小,具体表达式为:
图8为不同纤维掺量玄武岩纤维早强混凝土在龄期为1d、7d和28d时SEA随应变率的变化规律。由图8可知,与动态抗压强度的规律相类似,在各组纤维掺量下,早强混凝土的SEA随应变率增长的规律亦基本相同,即SEA随应变率的增大而增大,表现出显著的应变率效应。龄期越长,其比能量吸收越大,且随应变率增长具有较大增幅,率敏感性增强。
2.3 讨论
早强混凝土的动压强度和吸能性能受其龄期和纤维掺量共同影响。由于混凝土内部水泥水化反应在前期较为剧烈,后期较为缓慢,因此混凝土动压强度在前期增长较大,后期较小。研究[4]表明,玄武岩纤维混凝土的最佳纤维体积掺量约为0.1%,其主要原因是当纤维掺量较大时,纤维在混凝土内部不能很好地分散,易产生纤维聚集成团现象,从而导致混凝土内部薄弱区增多,各项力学性能指标下降。本试验的结果表明,随着纤维掺量的增加,早强混凝土的动态抗压强度及吸能性能持续增大,如图9所示,纤维掺量为0.3%时,其动态力学性能最好,其原因可能是在试件制备过程中,采用了边搅拌边掺入纤维的分散机制,保证纤维在混凝土内部能够均匀分布。
根据复合增强原理,均匀分散在混凝土基体内部的玄武岩纤维构成三维空间网格骨架结构,混凝土开裂前,与混凝土基体共同承担外部荷载作用,可在一定程度上减缓和阻碍试件内部裂缝的萌生和发展。其次,当混凝土开裂后,开裂部分混凝土不再承受荷载,但仍可通过其与纤维之间较强的粘结作用将荷载传递至玄武岩纤维,玄武岩纤维的抗拉强度可达4150~4800MPa,能够继续承受部分荷载,同样对混凝土受荷开裂具有较大的阻碍作用,间接增强混凝土的抗压强度。
决定混凝土材料吸能性能的因素主要有两方面:一是混凝土自身强度的大小,由于纤维的掺入,增强了混凝土的抗压强度,且在保证纤维分散均匀的前提下,掺量越多,强度提升得越大,因此,本试验中随着纤维掺量的增加,混凝土的吸能能力越强;二是混凝土的内部可变形空间,内部空间越大,变形能力越强,纤维的掺入不仅起到了“桥接”的作用,有时还会在混凝土内部贯穿孔洞,在混凝土受荷时增加孔洞扩大的难度,即提高混凝土的内部变形能力,同样提升混凝土的吸能能力。可以看出,早强混凝土复掺玄武岩纤维确实是一种提升早强混凝土性能的有效手段。
3 结论
(1)早强混凝土的抗压强度以及吸能性能均体现出明显的应变率效应,随着应变率的增大,混凝土的比能量吸收具有更大的率敏感性。不同应变率下,由惯性效应产生的附加应力均在0.22MPa左右,与动压强度增幅相比处于较低水平,可以推断,纤维早强混凝土的应变率效应反映了材料的本质属性。
(2)养护龄期很大程度上影响了混凝土的性能,养护龄期短,混凝土的抗压强度低,但具有较为明显的应变率效应,随着龄期的增加,混凝土的抗压强度逐渐增大,但混凝土的应变率效应却呈下降趋势。不同养护龄期的混凝土性能在掺入纤维后的提升基本相同。
(3)混凝土的应变率效应受到养护龄期的较大影响,在对比分析CEB以及各国学者提出的DIF计算公式基础上,笔者提出了基于龄期增长的DIF计算模型,能够较好地对不同养护龄期混凝土的DIF进行预测分析。