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温度与荷载联合作用下能源锚杆的热力响应特性数值模拟研究

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三峡大学学报（自然科学版） 2024年第3期46卷 57-63页

作者：李伟强孔纲强孙广超陈玉许晓亮三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学) 湖北宜昌443002 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京210024 深圳市龙岗区建筑工务署广东深圳518100

能源锚杆是一种由地源热泵技术与支护锚杆相结合的建筑节能减碳新技术.然而,目前针对温度影响下锚杆的热力响应机理尚不清楚.基于多场耦合数值模拟方法,探讨温度、锚杆线膨胀系数、锚杆直径、土体导热系数及荷载等因素对能源锚杆热-力... 详细信息

能源锚杆是一种由地源热泵技术与支护锚杆相结合的建筑节能减碳新技术.然而,目前针对温度影响下锚杆的热力响应机理尚不清楚.基于多场耦合数值模拟方法,探讨温度、锚杆线膨胀系数、锚杆直径、土体导热系数及荷载等因素对能源锚杆热-力特性的影响.研究结果表明:常温锚杆受拉时,锚头位移随荷载的增大而增加;温度下降15℃时,锚头平均位移较常温锚杆降低-1.34 mm(约为锚杆直径的1.0%);温度上升15℃时,锚头平均位移较常温锚杆增加0.89mm(约为锚杆直径的0.68%);换热过程中,锚杆温度的升高会引起杆体轴力的减小;在同一加热温度和荷载条件下,锚头位移随着锚杆的线膨胀系数增大而增大,锚杆轴力随着锚杆的线膨胀系数增大而减小;锚杆直径的增大会导致锚头位移的减小.试验结果对能源锚杆的设计和施工提供了一定的参考和依据.

关键词：能源锚杆热力响应数值模拟多场耦合

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饱和粉土中相变能源桩热力响应模型试验研究

岩土力学 2022年第S2期43卷 282-290页

作者：汤炀刘干斌郑明飞史世雍宁波大学岩土工程研究所浙江宁波315211 宁波宁大地基处理技术有限公司浙江宁波315211

长期非稳态的桩土热交换使得桩周土温度不断上升,产生热堆积效应,影响桩土换热效率,甚至也可使能源桩系统失效。为此,利用复合相变材料制备了相变混凝土能源桩,并在饱和粉土中开展了相变桩和普通桩热力响应模型试验,对比研究了相变桩的... 详细信息

长期非稳态的桩土热交换使得桩周土温度不断上升,产生热堆积效应,影响桩土换热效率,甚至也可使能源桩系统失效。为此,利用复合相变材料制备了相变混凝土能源桩,并在饱和粉土中开展了相变桩和普通桩热力响应模型试验,对比研究了相变桩的桩周温度分布、桩身应力-应变、桩顶位移和桩身换热效率的变化规律。结果表明:相变桩土热交换方向以径向交换为主,影响区域在2D范围以内,土体温度变化表现出滞后效应;相变桩的桩土温度变化幅度小于普通桩,具有缓解桩周土体热堆积效应的作用;在温度循环过程中,相变桩体累积了不可恢复的塑性应变。经过多次温度循环后,相变桩比普通桩的塑性累积位移更小;在夏季工况相变桩换热功率比普通桩增长约20%,冬季工况两者换热功率基本一致,随着运行时间增加,两者换热效率趋同。

关键词：饱和粉土相变材料能源桩热力响应模型试验

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高温载荷下带隔热层加筋板结构热力响应研究

船舶工程 2023年第9期45卷 152-159,165页

作者：杨逸飞袁昱超唐文勇上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

隔热材料在船舶领域应用广泛,起到良好的稳定舱室温度的作用,但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学,采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟,确定了更合理的带... 详细信息

隔热材料在船舶领域应用广泛,起到良好的稳定舱室温度的作用,但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学,采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟,确定了更合理的带隔热层加筋板结构热力分析方法,研究了隔热材料的厚度、导热系数和热膨胀系数对加筋板结构温度场和热应力场的影响;计算了将隔热层覆盖区域进行绝热处理时加筋板结构热力响应结果,并与考虑隔热层的复杂模型热力响应结果进行对比分析。结果表明:有无隔热层对加筋板结构的热力响应结果有极大影响,继续增加隔热层厚度,结构的温度和应力均会增大;隔热材料的热膨胀系数在一定范围内对结构的温度结果和应力结果影响很小;将隔热层覆盖区域进行绝热处理后,结构的温度和应力有所增大,各特征点等效应力最多增大了9.42%,绝热简化模型的计算结果相对保守。研究结果可为船舶结构设计和安全性分析提供技术支撑。

关键词：隔热层加筋板数值模拟热力响应绝热处理

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新型蓄热增强型能源桩热力响应试验研究

工程力学 2023年

作者：崔宏志史嘉鑫陈冠聪彭鹏包小华滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室深圳大学土木与交通工程学院

能源桩是一种将地源热泵系统与地下结构相结合的应用形式，本研究提出了一种蓄热增强型混凝土管桩。针对砂土中的能源桩热-力响应问题，通过大尺寸室内模型试验系统开展了冬季工况下混凝土管桩的热力响应试验，探究了砂土中管桩的换热... 详细信息

能源桩是一种将地源热泵系统与地下结构相结合的应用形式，本研究提出了一种蓄热增强型混凝土管桩。针对砂土中的能源桩热-力响应问题，通过大尺寸室内模型试验系统开展了冬季工况下混凝土管桩的热力响应试验，探究了砂土中管桩的换热性能，同时对比了蓄热增强型混凝土管桩与普通管桩的热-力响应差异。结果表明：螺旋布管的方式能够优化换热路径，减少径向传热不均匀，管桩中心填充相变材料提升了15.4%的换热性能，桩侧1倍桩径范围的土体热影响温度变化仅有0.5℃。相变材料与导热翅片的复合增强方式没有进一步提高能源桩的换热性能，但相对无翅片桩身温度变化幅度降低了4.8%，桩侧土温降温幅度降低了24.2%，同时改变了传热路径，对桩身应力产生更大的影响。

关键词：能源管桩相变材料蓄热增强室内试验热力响应

间歇或连续运行下能源管廊热力响应特性现场试验

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防灾减灾工程学报 2022年第3期42卷 579-585页

作者：魏叶青孔纲强张继兵杨庆河海大学土木与交通学院江苏南京210024 大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024

能源管廊作为能源地下结构的重要形式之一,不仅可以经济高效地提取浅层地温能,而且可以调控地下综合管廊温度、降低运维成本。依托南京雨花台区软件谷杆线迁移地下综合管廊工程,在管廊的底板、侧板及顶板内埋设换热管形成能源管廊,实测... 详细信息

能源管廊作为能源地下结构的重要形式之一,不仅可以经济高效地提取浅层地温能,而且可以调控地下综合管廊温度、降低运维成本。依托南京雨花台区软件谷杆线迁移地下综合管廊工程,在管廊的底板、侧板及顶板内埋设换热管形成能源管廊,实测换热系统进/出口水温、底板温度及热致应力等变化规律,探讨间歇或连续运行模式下,能源管廊系统运行过程中的换热效率及管廊结构热力响应性能。研究结果表明,与连续运行模式相比,间歇(12 h)运行模式下能源管廊换热效率基本不变、管廊结构热致应力可以减少约50%;间歇(12 h)或连续运行模式下,换热效率分别为83.6和82.5 W/m^(2),底板热致应力分别为0.63和1.17 MPa;邻近管廊段产生0.22 MPa的压应力。

关键词：能源管廊能源隧道换热性能热力响应

3D-IC类同轴屏蔽型TSV的热力响应分析及结构优化

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半导体技术 2023年第9期48卷 818-826页

作者：孙萍王志敏黄秉欢巩亮中国石油大学(华东)新能源学院山东青岛266555

硅通孔(TSV)是解决三维集成电路(3D-IC)互连延迟问题的关键技术之一。TSV内部结构的变形失效,大多是由循环温度载荷产生的交变应力引起的。从信号完整性角度考虑,建立了接地TSV形状分别为圆柱形和椭圆柱形的类同轴屏蔽型TSV模型。基于最... 详细信息

硅通孔(TSV)是解决三维集成电路(3D-IC)互连延迟问题的关键技术之一。TSV内部结构的变形失效,大多是由循环温度载荷产生的交变应力引起的。从信号完整性角度考虑,建立了接地TSV形状分别为圆柱形和椭圆柱形的类同轴屏蔽型TSV模型。基于最大Mises应力准则,对比分析了循环温度载荷对2种类同轴屏蔽型TSV热应力-应变的影响及最大应力点的主要失效形式。最后综合考虑TSV的几何参数对导体和凸块危险点Mises应力的影响,对椭圆柱形类同轴屏蔽型TSV结构进行多目标优化,将2种最优结构中2个危险点的Mises应力分别降低15.10%、17.18%和18.89%、6.74%。为提高TSV热可靠性的优化设计提供参考。

关键词：三维集成电路(3D-IC) 热管理屏蔽型硅通孔(TSV) 有限元仿真热力响应多目标优化

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循环温度场下能量桩热力响应原位试验研究

循环温度场下能量桩热力响应原位试验研究

作者：王浩全吉林建筑大学

学位级别：硕士

浅层地温能作为一种可持续开发的清洁地热资源,被广泛应用于地源热泵技术领域。传统的地源热泵技术具有钻孔费用昂贵、占地面积大等缺点,限制了其在国内建筑工程中的发展。能量桩是基于传统地源热泵技术而发展起来的新型绿色建筑技术,... 详细信息

浅层地温能作为一种可持续开发的清洁地热资源,被广泛应用于地源热泵技术领域。传统的地源热泵技术具有钻孔费用昂贵、占地面积大等缺点,限制了其在国内建筑工程中的发展。能量桩是基于传统地源热泵技术而发展起来的新型绿色建筑技术,是将换热管埋设在建筑桩基中,通过换热管内循环介质的流动来实现低位热能与高位热能之间的转换,从而起到冬季为室内供暖、夏季为室内降温的作用。因此能量桩不仅可以承担上部建筑荷载,还可充当桩土热交换的媒介。本文基于原位试验与数值模拟相结合的方法,针对不同螺旋型埋管和不同温度循环次数下的能量桩热力响应规律展开一系列研究,通过对其温度场分布、桩体温度、桩体应变、桩体应力、桩体轴力、桩侧摩阻力、桩端土压力以及桩顶位移的变化规律进行归纳和总结,得出以下主要结论:(1)温度场分布:循环温度场作用下的桩、土温度场基本呈梭形对称分布。桩周土体的热量传播范围和边界温度均随温度循环次数的增加而增大。单螺旋型能量桩在加热过程中的温度分布差异较大,出现离散型温度分布情况。双螺旋型能量桩的桩体温度分布较为均匀。两根桩的桩体平均每延米瞬态热交换值分别为726.2W/m和746.2W/m左右。反映出双螺旋型能量桩的换热效果和换热效率都较单螺旋型更为优异;(2)桩体应变:在温度-载荷共同作用下能量桩的桩体应变会受到桩顶荷载和桩端、桩侧土体的约束作用。当桩体温度发生变化时,应变也会发生变化。单螺旋型和双螺旋型能量桩的桩体最小应变均位于桩端附近;桩体最大应变均位于桩体中部偏上位置,呈两端小、中间大的分布趋势;(3)桩体应力:能量桩在加热时产生压应力,自然冷却时产生拉应力。在多次循环温度场下,单螺旋型能量桩的桩体应力呈中间大、两端小的分布规律。桩体应力沿深度方向呈先增加后减小的趋势,最大值出现在桩体中部。3次温度循环产生的最大压应力分别为10.21MPa、10.71MPa、11.32MPa;(4)桩体轴力:在加热结束时,两根螺旋型能量桩的桩体最大轴力均出现在桩体中部,两根能量桩由加热导致的附加压应力分别为7.29k Pa和6.33k Pa;自然冷却时由降温产生的附加拉应力分别达到-4.06k Pa和-4.75k Pa;(5)桩侧摩阻力:循环温度场作用下的能量桩桩体会发生热胀冷缩,导致与桩周土体之间相对位移的产生,从而使得桩侧摩阻力发生变化。加热时侧摩阻力分布整体呈上部为负,下部为正的趋势,自然冷却时的分布规律与其相反。两根桩由负摩阻力引起的下拉荷载分别为1689k N和804k N。除此之外,单螺旋型能量桩出现两个中性点的情况。桩周土体随着温度循环次数的增加而逐渐固结,土体的承载力有所提高,导致每次加热结束时的桩侧摩阻力不断增加;(6)桩端土压力:循环温度场作用下的能量桩桩体会发生形变,由于桩周土体和桩顶荷载的约束作用,桩端土压力也随之变化。随着温度循环次数增加,每次加热结束时的桩端土压力最大值会减小,每次自然冷却结束时的桩端土压力较前次有所增加;(7)桩顶位移:加热时桩顶向上隆起,降温时桩顶向下沉降。随着温度循环次数的增加,桩顶沉降位移不断增加,3次温度循环后的最终沉降达到3.95mm

关键词：能量桩循环温度场原位试验数值模拟热力响应

冷热循环下PHC能量桩热力响应和承载性能现场试验

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岩土力学 2021年第2期42卷 529-536,546页

作者：任连伟任军洋孔纲强刘汉龙河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室南京210098 重庆大学土木工程学院重庆400045

能量桩是一种兼具常规承载性能和地源热泵热交换器双重功能的建筑节能新技术。依托河南周口师范学院综合体育馆桩基工程项目,开展冷热循环温度作用下PHC能量桩的热力响应特性及承载性能现场试验。实测了不同流速下桩身温度与应变的发展... 详细信息

能量桩是一种兼具常规承载性能和地源热泵热交换器双重功能的建筑节能新技术。依托河南周口师范学院综合体育馆桩基工程项目,开展冷热循环温度作用下PHC能量桩的热力响应特性及承载性能现场试验。实测了不同流速下桩身温度与应变的发展规律,初步探讨了热致应力、桩侧摩阻力及换热性能等变化规律。研究结果表明:此试验条件下,冷热循环下PHC能量桩的桩身热致应力沿桩深分布不均,桩身上部出现负摩阻力;夏季或冬季模式下桩身最大热致应力σT与温差?T之间的倍数关系为212和115;提出了一个考虑温度作用效应的桩-土摩擦系数的计算公式,并基于此修正了PHC能量桩承载力计算方法,计算结果与现场试验结果吻合较好。

关键词：循环温度 PHC能量桩现场试验热力响应承载性能

冬季工况多次温度循环下微型钢管桩群桩热力响应特性现场试验

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岩土工程学报 2019年第11期41卷 2053-2060页

作者：任连伟徐健孔纲强刘汉龙河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室江苏南京210024 重庆大学土木工程学院重庆400045

能量桩技术具有支撑上部结构和浅层地热能换热器双重作用;作为一种节能减排新技术,近年来获得了一定的发展。依托微型钢管桩加固既有基础托换工程,开展冬季工况多次温度循环下微型钢管桩群桩的热力响应现场试验;实测不同间歇时长情况下... 详细信息

能量桩技术具有支撑上部结构和浅层地热能换热器双重作用;作为一种节能减排新技术,近年来获得了一定的发展。依托微型钢管桩加固既有基础托换工程,开展冬季工况多次温度循环下微型钢管桩群桩的热力响应现场试验;实测不同间歇时长情况下桩身温度与应力等变化规律,探讨不同运行模式下的桩基换热性能系数(COP,coefficient of performance)。试验结果表明:文中试验条件下,桩身附加温度应力随循环次数增加而增大,且随间歇时间的延长而减小;桩基COP随循环次数增加而减小,且随间歇时间的延长而增大;附加拉应力未超过设计控制范围、不会导致桩体破坏。

关键词：微型钢管桩能量桩多次温度循环热力响应现场试验