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受限空间建筑火灾蔓延影响因素对比试验研究

建筑结构学报 2024年第10期45卷 31-41页

作者：叶继红孙浩东中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学徐州市工程结构火安全重点实验室江苏徐州221116

为观测受限空间建筑火灾蔓延时空演化规律,了解受限空间建筑火灾蔓延过程,建造了一座二层2×2跨的钢框架结构建筑,其中在一层设置四个房间,采用木垛作为火荷载开展受限空间建筑火灾蔓延试验。考虑火荷载、分隔构件、开口程度3个因素,共... 详细信息

为观测受限空间建筑火灾蔓延时空演化规律,了解受限空间建筑火灾蔓延过程,建造了一座二层2×2跨的钢框架结构建筑,其中在一层设置四个房间,采用木垛作为火荷载开展受限空间建筑火灾蔓延试验。考虑火荷载、分隔构件、开口程度3个因素,共设置4种工况。试验中采用摄像机观测火灾蔓延过程,采用热电偶记录建筑内部空间温度场,基于耗氧法记录受限空间建筑火灾蔓延热释放速率。结果表明:火灾过程中火灾轰燃前持续时间较长,占火灾蔓延前持续时间的70%~85%,火灾轰燃后火势迅速增大并在短时间内蔓延至相邻房间,火灾蔓延时刻热释放速率约为轰燃时刻的1.5~4倍;受限空间建筑火灾蔓延在空间上表现为由不均匀温度场向均匀温度场过渡,在时间上表现为火灾蔓延速度逐渐增加;目标房间温度场在火灾蔓延前相比着火房间温度场存在一定程度的折减;局部火荷载密度、火荷载总量越大,越有利于火灾蔓延;开口程度会影响房间之间的烟气蔓延;分隔构件会阻碍烟气流动及火焰传播,显著影响火灾蔓延过程。

关键词：受限空间建筑火灾蔓延火灾试验通风控制型火灾热释放速率

基于杆系离散元理论考虑构件断裂的单层网壳结构倒塌破坏模拟研究

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土木工程学报 2024年第1期57卷 1-9页

作者：叶继红许强中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学徐州市工程结构火安全重点实验室江苏徐州221116

塑性铰模型计算效率高,可快速获得结构宏观破坏模式,韧性断裂损伤模型从微观机制揭示钢材的断裂机理,可较准确预测钢材的断裂行为。为此,该文基于杆系离散元理论,将两者联合建立构件断裂模拟算法,既具有计算效率高的优势又保证构件断裂... 详细信息

塑性铰模型计算效率高,可快速获得结构宏观破坏模式,韧性断裂损伤模型从微观机制揭示钢材的断裂机理,可较准确预测钢材的断裂行为。为此,该文基于杆系离散元理论,将两者联合建立构件断裂模拟算法,既具有计算效率高的优势又保证构件断裂模拟的精度。首先介绍杆系离散元法的基本理论,以及宏观塑性铰模型和微观韧性断裂损伤模型具体计算流程;然后给出将两者联合分析的具体实施策略,即以接触截面边缘最不利点处的应力作为整个截面的应力状态,进而调用韧性断裂损伤模型。最后采用Fortran语言编制相应的分析程序,并通过悬臂梁断裂算例和单层网壳振动台倒塌试验,验证该算法对模拟杆件断裂行为的可行性和有效性。杆系离散元法模拟构件断裂时,截面发生开裂,颗粒间发生脱离是一个自然的过程,无需其他任何修正即可实现结构由连续体状态向断裂后非连续体状态过渡,与有限元方法相比,不存在网格畸变重划分、迭代不收敛的问题,更具计算优势,为大跨空间网壳结构倒塌破坏分析提供新的计算手段。

关键词：杆系离散元法断裂单层网壳结构塑性铰模型韧性断裂损伤模型

裂纹-孔洞缺陷下PVC涂层织物类膜材的撕裂行为

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哈尔滨工业大学学报 2024年第5期56卷 56-63页

作者：生凌宇张兰兰张营营徐俊豪陈培见周祎江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室(中国矿业大学) 江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 西南交通大学土木工程学院成都610031

膜结构节点和边界处往往需要通过膜面开孔来实现关键部位的连接,孔洞边缘的应力集中会影响膜面的撕裂行为。为探究聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)涂层织物类膜材中孔洞对裂纹扩展行为的影响,开展了含有裂纹-孔洞缺陷的PVC涂层织物类... 详细信息

膜结构节点和边界处往往需要通过膜面开孔来实现关键部位的连接,孔洞边缘的应力集中会影响膜面的撕裂行为。为探究聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)涂层织物类膜材中孔洞对裂纹扩展行为的影响,开展了含有裂纹-孔洞缺陷的PVC涂层织物类膜材的单轴拉伸试验,分析了裂纹扩展全过程和撕裂机理,提出了适用于含裂纹-孔洞多缺陷PVC涂层织物类膜材撕裂强度的预测模型,并验证了模型的适用性。研究结果表明:含裂纹-孔洞缺陷的PVC涂层织物类膜材在中心撕裂过程中存在裂纹端扩展和孔端再扩展两阶段;定义了裂纹端临界撕裂荷载、裂纹端峰值撕裂荷载、孔端临界撕裂荷载和孔端峰值撕裂荷载4项撕裂特征指标,以衡量含裂纹-孔洞缺陷膜材的抗撕裂性能;孔洞的存在导致试样在孔端再扩展阶段的承载力提升,但随着孔洞尺寸增大,孔端的承载力提升效应减弱,裂纹端峰值撕裂荷载逐渐变为控制试样破坏的极限荷载;所提出的二次函数-指数函数应力场模型能有效地预测膜材的裂纹端临界撕裂应力和孔端临界撕裂应力。

关键词：聚氯乙烯(PVC)膜材孔洞单轴拉伸裂纹扩展多缺陷

不同轴压比下GFRP-RC梁柱节点抗震性能研究

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建筑结构学报 2024年第11期45卷 117-130页

作者：赵玉帅张营营刘金仓徐俊豪尹世平中国矿业大学江苏省土木工程灾变与智能防控高校重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院

为研究轴压比对GFRP筋混凝土(GFRP-RC)梁柱节点抗震性能的影响机理，开展不同侧压下GFRP筋与混凝土的黏结拉拔试验，并建立荷载约束状态界面黏结滑移本构模型，通过节点试件拟静力试验和数值模拟，研究了不同轴压比下GFRP-RC梁柱节点的... 详细信息

为研究轴压比对GFRP筋混凝土(GFRP-RC)梁柱节点抗震性能的影响机理，开展不同侧压下GFRP筋与混凝土的黏结拉拔试验，并建立荷载约束状态界面黏结滑移本构模型，通过节点试件拟静力试验和数值模拟，研究了不同轴压比下GFRP-RC梁柱节点的破坏模式和承载性能变化规律。结果表明：GFRP筋与混凝土界面黏结强度随侧向压应力的增大近似线性增长；数值模拟中节点核心区的筋材与混凝土界面采用约束黏结滑移模型，能够更为精确地反映不同轴压比下GFRP-RC节点的承载特性；轴压比在0.15～0.35范围内时，轴压比每增大0.1,节点的承载力增大约7%;通过限制梁柱节点区的筋材黏结滑移和混凝土裂缝发展，实现节点试件刚度、延性和耗能能力的提升，有利于形成“更强节点”的受力机制。

关键词：梁柱节点 GFRP筋轴压比拟静力试验数值模拟界面性能抗震性能

冻胀融沉过程中井塔基础稳定与结构应力变化规律研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 549-560页

作者：秦伟张宏贞高杰温庆杰中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

在高耸的井塔周围开展冻结法施工将会造成井塔基础的抬升或沉降,对井塔基础稳定及其结构安全造成严重威胁。针对上述问题,采用缓慢冻结、局部冻结和温控孔热水循环等保护措施,成功避免了冻结锋面波及井塔基础。在造孔—冻胀—融沉过程... 详细信息

在高耸的井塔周围开展冻结法施工将会造成井塔基础的抬升或沉降,对井塔基础稳定及其结构安全造成严重威胁。针对上述问题,采用缓慢冻结、局部冻结和温控孔热水循环等保护措施,成功避免了冻结锋面波及井塔基础。在造孔—冻胀—融沉过程中对井塔基础高程进行持续测量,测量结果表明:造孔—冻胀—融沉期间井塔基础依次经历缓慢下沉、轻微抬升、快速下沉和下沉稳定4个过程;采取的冻结保护措施有效保障了井塔基础的稳定性,井塔基础的最大倾斜值远小于规定的允许值。结合井塔基础沉降监测数据开展井塔结构应力的数值模拟,模拟结果表明:井塔主梁上表面拉应力峰值出现在井塔壁柱与主梁的连接处,随着井塔倾斜值的增加,井塔主梁上表面拉应力峰值不断增大;造孔—冻胀—融沉期间井塔主梁上表面最大拉应力小于C25混凝土强度极限,井塔结构安全性得到有效保障。建立温度-表土-井塔相互作用相似材料模型并开展模拟实验,实验结果表明:冻结时间越长、冻结温度越低,井塔基础的抬升量和融沉后的下沉量越大且井塔基础融沉稳定所需的时间越长,井塔基础的抬升量峰值明显小于井塔基础的融沉量,模拟结果与实测结果、数值模拟结果相吻合。

关键词：冻结法井塔基础结构安全地表变形

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采煤沉陷区建筑物抗变形技术研究进展与展望

煤炭学报 2024年

作者：夏军武周宇王玉婧杨晗中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室中国矿业大学江苏省土木工程灾变与智能防控重点实验室

随着采煤沉陷区范围的不断扩大，矿山城市建设土地日益紧张，建筑物抗变形技术是解决采煤沉陷区工程建设利用的重要措施。但是由于采煤沉陷区地质条件的复杂多变、地表移动变形对建筑物的影响规律异常复杂及建筑结构形式多样等诸多困难... 详细信息

随着采煤沉陷区范围的不断扩大，矿山城市建设土地日益紧张，建筑物抗变形技术是解决采煤沉陷区工程建设利用的重要措施。但是由于采煤沉陷区地质条件的复杂多变、地表移动变形对建筑物的影响规律异常复杂及建筑结构形式多样等诸多困难，导致建筑物抗变形技术推广应用呈现起伏。首先，梳理了采煤沉陷区的地表变形特征、地表变形对建筑物的影响分类、地基与建筑物的相互作用机理、土与结构界面的本构模型、地基-基础-结构相互作用力学模型、建筑物抗变形技术及工程运用实例方面取得的成效和关键技术进展，分析了建筑抗变形的原理与技术应用。然后，总结了目前建筑物抗变形技术面临的难题与挑战：地表沉陷预测模型准确性有待提升；采煤沉陷区地基-基础-结构相互作用机制不明确；地基充填材料力学及变形特性尚不能满足工程建设地基用土的要求；基础类型、基础刚度及构造等对结构抗变形的影响有待进一步研究；结构耗能和吸收地表变形的新型建筑物抗变形技术待完善与研发。最后，针对现阶段我国建筑物抗变形技术应用面临的难题和挑战，提出了一套基于物理模拟试验平台研发、框架结构抗变形的规律及机理、共同作用力学模型、框架结构抗变形技术及自适应变形技术的研究与设计方法。

关键词：采煤沉陷区地表变形抗变形技术本构模型力学模型加固技术

GFRP管夹层灌浆修复锈蚀钢管T形节点有限元分析与承载力计算

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建筑结构学报 2024年第10期45卷 120-130页

作者：常鸿飞严晓宇左文康宋心怡刘宁涛夏军武中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

为研究GFRP管夹层灌浆(grout-filled GFRP tube,GFGT)修复锈蚀钢管T形节点的受压性能,建立了锈蚀修复节点的有限元模型,并通过已有试验数据验证了其有效性,据此考察了节点几何构造、修复参数和主管端部应力参数对锈蚀修复节点受压承载... 详细信息

为研究GFRP管夹层灌浆(grout-filled GFRP tube,GFGT)修复锈蚀钢管T形节点的受压性能,建立了锈蚀修复节点的有限元模型,并通过已有试验数据验证了其有效性,据此考察了节点几何构造、修复参数和主管端部应力参数对锈蚀修复节点受压承载力和修复效果的影响规律。参数分析结果表明:GFRP管越厚、修复后主管截面空心率越小、灌浆料强度越高、修复范围越长,GFGT修复效率越高,当支主管直径比为0.4、0.6和0.8,主管锈蚀率为30%时,优化修复参数配置最高可使支管受压承载力提升至未锈蚀状态的138%、147%和156%;主管端部应力对未修复与GFGT修复节点的影响规律一致,且修复后受影响程度更小。采用CIDECT设计指南与规范prEN 1993-1-8:2021中给出的计算方法可准确预测锈蚀受压节点承载力退化率,并通过试验数据验证了采用上述规范公式用于评估节点主管端部应力导致的承载力折减率的可行性,进一步提出了GFGT修复锈蚀圆钢管T形节点的受压承载力计算方法,可用于评估锈蚀率30%以内的修复节点受压承载力。

关键词：圆钢管节点 GFRP管锈蚀灌浆有限元分析承载力计算

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深部采矿岩石力学进展

煤炭学报 2024年第1期49卷 75-99页

作者：何满潮武毅艺高玉兵陶志刚中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 吉林大学建设工程学院吉林长春130021

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积... 详细信息

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

关键词：深部开采岩石力学 110/N00工法巷道变形围岩控制矿井热害

关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 104-114页

作者：孟凡非浦海倪宏阳卞正富中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学教育部矿山生态修复工程中心江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形... 详细信息

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(00.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

关键词：关闭矿井热储空间破碎岩体空隙结构裂隙分布特征