(1. 湖南大学 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082；2. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；3. 南通东泰新能源设备有限公司，江苏 启东 226200)

从仿生学的角度制备端部具有不同锥角(0°,2°,5°,7°)的异形钢纤维,根据纤维表面是否处理分为有化学黏结与无化学黏结2种,并使用MTS万能试验机测试了仿生异形钢纤维从水泥砂浆基体中以不同速率(2.5 mm/min,25 mm/min,250 mm/min)拔出的力和位移,并计算得到最大拔出力和拔出功.结果表明,当钢纤维端部锥角从0°增加到5°时,最大拔出力有明显的增加,但7°时稍有减小;对于5°及7°锥角的钢纤维,随着加载速率从25 mm/min增大到250 mm/min,钢纤维的最大拔出力分别增大20.2%和13.4%;而0°及2°锥角钢纤维在加载速率增加到250 mm/min时,最大拔出力相对于加载速率为25 mm/min时的最大拔出力分别减小25.9%和8.2%;0°,2°和5°有黏结钢纤维的最大拔出力与相同锥角无黏结钢纤维的最大拔出力相比,分别增加64.1%,22.2%和6.7%,而7°锥角有黏结钢纤维的最大拔出力比无黏结钢纤维的最大拔出力减小6.2%;3种加载速率下,2°锥角钢纤维拔出力所做的功最大,纤维表面是否处理对拔出功无明显影响;本文设计的异形钢纤维能有效增强钢纤维与水泥砂浆基体的等效黏结强度.     

钢纤维与水泥砂浆界面粘结性能的试验研究

对6种不同外形特征的钢纤维和普通硅酸盐水泥砂浆的粘结性能进行试验研究，分析了在拉拔过程中钢纤维脱粘与拔出的全过程，计算并分析了不同外形的钢纤维与水泥砂浆界面的粘结强度和钢纤维粘结脱粘与拔出时做的功。为提高钢纤维－水泥基间的界面粘结，探讨了纤维外形对提高钢纤维混凝土综合力学性能的作用，提出开发高效异形钢纤维是提高纤维增强混凝土的强度、韧性和阻裂效应的重要途径。     

纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

为研究纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能,采用钻芯拉拔法试验制作模拟中型柱混凝土构件,并分别外包不同强度的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆。对制作的试验构件进行钻芯拉拔试验,得出界面破坏时的拉拔力,将得到的不同类型的纤维水泥砂浆构件拉拔力数据与构件混凝土轴心抗拉强度、纤维水泥砂浆抗压强度进行比较分析。结果表明,在该试验中合成纤维水泥砂浆的界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆的界面黏结强度高;界面黏结强度与构件混凝土轴心抗拉强度呈正相关关系,与纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系,界面黏结力与砂浆抗压强度呈线性相关关系。     

聚丙烯纤维与水泥砂浆粘结性能试验

提出了利用聚丙烯纤维拔出试验,分别测定水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度和水泥砂浆龄期不同的情况下纤维拔出力-拔出位移曲线,利用扫描电镜对纤维砂浆试件断面形貌进行了分析,研究了纤维与水泥砂浆的粘结性能.研究结果表明:聚丙烯纤维-水泥砂浆具有较好的粘结性,聚丙烯纤维粘结破坏形式为拔出破坏,因此聚丙烯纤维具有较好的耗能阻裂作用;水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度、水泥砂浆龄期直接影响着聚丙烯纤维-水泥砂浆的粘结强度,其中水灰质量比因素影响最大;当水灰质量比小于0.5时,聚丙烯纤维-水泥砂浆粘结强度和粘结功都随着水灰质量比的减小而增大,随着纤维埋入长度和纤维埋入角度的增大而增大.     

玻纤织物增强混凝土界面黏结性能的试验研究

利用MTS万能试验机进行了纤维束的静态拔出试验,分别研究了不同的埋置深度、温度及纤维织物表面改性对耐碱玻璃纤维织物与水泥基体间黏结性能的影响.试验结果表明:玻璃纤维织物与水泥基体的黏结性能与纤维束埋深、纤维织物改性及温度条件存在一定的相关性.在常温条件25℃时,随着纤维束埋置深度的增大(15～25 mm),纤维束的拔出刚度、极限拔出力和拔出功不断增大,等效黏结强度反而呈现减小趋势.在相同的埋置深度(15 mm)下,随着温度的升高,纤维束的拔出刚度和极限拔出力不断降低.温度在25℃至300℃范围时,浸渍环氧树脂或者黏砂处理均能提高纤维束的极限拉拔承载力,且表面黏砂相比浸渍环氧树脂具有更好的增强效果.然而,当温度在400℃和500℃范围变化时,表面浸渍环氧树脂和黏砂对提高玻璃纤维束的极限拔出力影响不太显著,而在一定程度上降低了极限拔出力.     

盐岩剪切强度与变形特性的加载率效应研究

为研究加载速率对盐岩剪切强度与变形性质的影响,采用YZW100型直剪试验机对巴基斯坦高纯度盐岩开展了不同法向压力和不同加载速率下的直剪试验,探讨了盐岩的峰值抗剪强度、残余抗剪强度以及剪胀变形的加载率效应.试验结果表明：随着法向荷载等级的增加,盐岩的剪切破坏趋于延性,并伴有明显的剪胀变形.随着加载速率的增加,剪胀变形减小,而盐岩的峰值抗剪强度和残余强度与加载速率的对数呈线性正相关关系.盐岩强度的加载率效应主要由黏聚力的率效应引起,加载速率从0.01mm/s提高至0.10mm/s,盐岩黏聚力从6.34MPa增长至8.55MPa,而内摩擦角从44.35°略减小至43.6°,几乎保持不变.研究结果可供不同注、采速率地下盐岩储气库围岩稳定性分析提供参考.     

斜流式气波制冷机制冷性能数值模拟研究

提出一种波转子为锥形结构的斜流式气波制冷机,能够提供一定的离心效果.建立了从0°(轴流式)至90°(径流式)不同锥角的波转子数值模型,通过Ansys Fluent模拟其增压和制冷性能.在同样的工况和结构参数下,斜流式气波制冷机具有比轴流式更高的循环压差,比径流式更低的轴功消耗,其制冷效果高于二者且随锥角增大先增大后减小,在锥角为12°时达到最优,制冷温降和等熵效率相较轴流式分别高9.59℃和13.8%,相较径流式分别高20.48℃和30.9%.然后固定锥角12°,探究一定范围内转速和压比对性能的影响.结果表明,增压效果随转速增大而提升,制冷效果在转速2 500 r/min时最优;压比增大会使循环压差降低,但制冷温降和等熵效率均有所提升.     

不同锥角的直动式溢流阀稳态液动力分析

为了降低稳态液动力对比例溢流阀性能的影响,分析了阀座带锥角和阀芯带锥角两种比例溢流阀的基本结构方案,利用PRO/E建立两种结构下不同锥角的流道模型.通过计算流体动力学(CFD)流场仿真软件对不同阀座与阀芯锥角的锥阀口流场进行数值模拟,分析不同锥角阀口的压力流场分布.对不同结构、不同锥角情况下的稳态液动力进行分析,结果表明:阀座带锥角比阀芯带锥角的结构稳态液动力减小了35%~60%;当阀座半锥角为32.5°,阀芯半锥角为30°时,稳态液动力最小.     

钢纤维间距对UHPC双丝拉拔性能的影响

通过双根钢纤维拉拔试验,研究超高性能混凝土（UHPC）中钢纤维间距（2?mm、 4?mm、6?mm、8?mm、10?mm和12?mm）对钢纤维在UHPC中拉拔性能的影响,采用0.2?mm的镀铜直圆形钢纤维,制作6组双丝试件和1组单丝试件进行拉拔试验. 通过拉拔荷载-滑移曲线、平均黏结强度、钢纤维最大拉拔应力等参数,并结合扫描电子显微镜（SEM）,观察了拔出后钢纤维的微观外貌、UHPC基体的隧洞微观形态和破坏部位的微观形态,全面分析了钢纤维的间距对UHPC基体-钢纤维拉拔性能的影响. 试验结果表明：钢纤维拉拔结果具有一定的离散性;双丝拉拔试验的最大拉拔荷载小于相应单丝结果的两倍;钢纤维和UHPC基体隧洞有着不同程度的损伤,双丝试件中的钢纤维表面划痕和基体隧洞的孔洞破坏较单丝严重,单丝试件的隧洞内壁则相对完整.     

加载速率对锚杆及其锚固效应影响的实验研究

研究加载速率对锚杆及其锚固效应意义重大.对金属锚杆杆体进行了不同加载速率的室内拉伸实验,并用PFC2D颗粒流软件模拟加载速率对锚固效应的影响.结果表明：锚杆杆体强度随加载速率的增加而增大,有效检测锚杆杆体强度的加载速率应在0.5 mm/s左右;拉拔荷载随加载速率的增加而增大,且锚固体的破坏拉拔荷载与加载速率为线性关系,有效测试拉拔力的加载速率为10 mm/s;随着加载速率的增加,破坏形态最终会向锚杆拔出及产生大范围破碎区转变;根据加载速率对锚固强度的影响,可将其分为弱影响范围（v＜ 10 mm/s）、中等影响范围（10 ＜v＜ 100 mm/s）和强影响范围（v＞100 mm/s）,强影响范围内加载速率对轴应力及剪应力大小有着明显影响,易造成锚固段上部应力严重集中.     

基于ABAQUS对不同角度和位置钢纤维混凝土力学性能的研究

基于有限元软件ABAQUS,首先研究钢纤维网格角度分别为30°,45°,60°,90°四种工况下钢纤维混凝土的承载力和抗弯性能,研究结果表明:当夹角为30°时,在相同荷载作用下,混凝土构件底部所受的应力和挠度值最小,其原因为钢纤维网格角度的改变,使得受拉方向上钢纤维的有效长度变大,从而提高钢纤维的利用率,可以有效地阻止混凝土构件裂纹的发展。研究钢纤维网格距混凝土构件底部分别为8,10,12 mm三种工况下混凝土的力学性能,研究结果表明,钢纤维网格的位置会对混凝土的力学性能产生关键影响,在保证钢纤维保护层厚度的前提下,钢纤维网格设置的位置与混凝土试件底部距离越小,钢纤维混凝土的性能越好。     

试验条件对粉煤灰改良膨胀土抗剪指标影响研究

以宜昌市某路段膨胀土为研究对象,将不同质量的粉煤灰掺入其中,通过改变剪切速率和上覆荷载条件,分析非标准剪切速率0.8 mm/min和2.4 mm/min和非标准垂直压力12.5~50 k Pa、62.5~100 k Pa、100~400 k Pa下粉煤灰改良膨胀土的抗剪强度。试验结果表明:(1)不同剪切速率和垂直压力下,改良膨胀土的内摩擦角和粘聚力都先增大后减小;(2)在同一上覆荷载条件下,剪切速率越大,改良膨胀土的内摩擦角越小,粘聚力越大,抗剪强度越高;(3)在同一剪切速率下,上覆荷载越大,内摩擦角越大,粘聚力越小,抗剪强度越大;(4)在不同剪切速率和上覆荷载条件下,在0.8 mm/min的剪切速率下,掺入14%左右的粉煤灰改良效果是最佳的,在2.4 mm/min的剪切速率下,掺入16%左右的粉煤灰改良效果是最佳的。这为确保公路路基边坡稳定性提供了相关理论数据。     

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角?分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低。     

一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性数值模拟

针对地下工程施工和深部开采过程中,遇到的复合岩层在“动载+静载”受力状态下破坏越来越多的问题,以水泥砂浆为材料制备类岩石试样,对复合岩层开展一维动静组合加载下动态力学特性研究.利用PFC^2D离散元软件,建立一维动静组合加载SHPB数值实验模型.选取0、20%σ_s、40%σ_s、60%σ_s、80%σ_s(σ_s为试样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压,对7种层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)的复合试样,开展高应变率(100 s^-1、200 s^-1、300 s^-1)范围内的一维动静组合加载模拟实验,并探讨了复合试样在不同加载速率下的破坏模式.研究表明：轴压20%σ_s对应的动态强度最大;复合试样主要发生拉剪组合破坏,层理面及强度低的材料B对试样的破坏有控制作用;随轴压的增大,复合试样破坏程度越来越严重.     

菲律宾蛤仔采捕机振动松土装置设计与试验

为软化疏松菲律宾蛤仔养殖土壤,便于机械化采捕和降低采捕设备牵引阻力,设计了曲柄摇杆式菲律宾蛤仔采捕机前置振动松土装置,并进行了仿真与试验研究.采用ADAMS软件建模求解了振动耙齿在不同振幅时的曲柄长度,并仿真了不同频率、牵引速度和振幅条件下耙齿顶端的运动轨迹,表明当速度比大于1且最小速度角小于90°时,有利于减小牵引力.样机的单因素试验结果表明,提高振幅和频率、降低牵引速度可有效降低土壤贯入力和装置牵引力,但频率提高时减阻效果有限.三因素三水平正交试验结果显示,牵引速度对土壤贯入力和装置牵引力影响显著,耙齿的振幅对土壤贯入力的影响极其显著.综合考虑各因素,确定振幅15mm、牵引速度0.51m/s和曲柄转动频率15Hz为土壤软化和装置减阻的最佳条件,此时速度比为1.42,最小速度角为73°,土壤贯入力较振动前下降了64.04%.     

水箱拉丝机拉丝过程的有限元模拟仿真分析

以初始钢丝生产线为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件对水箱拉丝机第一道次拉拔过程进行模拟仿真,研究在拉拔过程中拉拔模锥角、摩擦系数和压下量对拉拔力的影响,并对其轴向应力和径向位移分布特点进行分析。结果表明,随着模锥角的增大,拉拔力呈先减小后增大的趋势,当模锥角为8°时,拉拔力最小;随着摩擦系数、压下量的增大,拉拔力随之增大;在出口处钢丝的外层轴向应力达到最大,由外层向内层轴向应力逐渐减小,钢丝前端应力达到均匀,且钢丝的模拟径向直径小于理论直径。     

缆绳直径对多浮体系统动力性能的影响

为了解多浮体系统动力性能与系泊缆直径的关系,利用频域势流理论对柔性多浮体系统进行理论分析,计算出浮体运动RAO(响应幅值算子),讨论了波向角为0°,45°和90°工况下系泊缆直径对浮体运动响应和缆索张力的影响。结果显示,系泊缆直径从56mm渐增至114mm时,穿梭油轮的最大水平位移减小,最大横摇角增大,柔性装置的水平运动响应增强,浮体间最大系泊缆力的最大张力增大2~5倍;受柔性装置扭转效应的影响,最大系泊链力随直径渐增而迅速增大。分析表明,系泊缆直径是调节多浮体系统性能的一个重要参数,对整个系统的动力性能有显著影响,设计时应予以充分考虑。     

腹板开孔的H型吊杆横风向驰振特性试验研究

通过节段模型静力三分力与测振风洞试验,研究了0°～90°风偏角下不同宽高比B/H与不同腹板开孔率的H型吊杆横风向驰振特性.B/H＝2.4的模型静力试验显示:腹板全封闭时,在0°～8°与64°～90°偏角区间内存在驰振失稳可能,随开孔率增大,驰振失稳偏角区间有所减小且失稳危险性有所降低.B/H＝2.4的模型测振试验显示:腹板全封闭模型在0°与5°偏角较低风速即发生了驰振;开孔率为14%与27%的模型试验风速区间内均无驰振现象,不过开孔率为38%模型在80°,85°,90°偏角高于90 m/s风速下均发生了驰振.宽高比B/H＝1.6腹板全封闭模型试验显示,0°与5°偏角较低风速下也出现了横风向驰振;开孔率38%模型在85°与90°偏角高于110 m/s的风速下也发生了驰振.与改变宽高比相比,适度腹板开孔可明显改善H型吊杆驰振特性.     

玻璃钢锚环承载性能的有限元分析

通过ABAQUS有限元分析软件建立了连续玻璃纤维缠绕的聚酯树脂基玻璃钢锚环的有限元计算模型,对玻璃钢锚环与金属夹片、钢绞线配合使用的支护系统进行了加载分析。通过改变玻璃钢锚环的半锥角,研究了玻璃钢锚环与夹片的锥角搭配对锚具承载性能的影响。计算分析表明,在300 k N载荷作用下,计算模型中锚环纤维方向承载性能良好;轴对称面内最大主应力集中在锚环与夹片接触面附近,此处小范围基体开裂对锚环承载性能影响不大;锚环对称面内剪应力大面积超出基体强度极限,是影响锚环承载性能的主要因素。当夹片半锥角为7°时,玻璃钢锚环半锥角为6.3°~6.5°能改善锚环的应力分布状态,提高锚具的承载能力。     

爆破振动作用下断层破碎带抗剪强度的劣化规律试验研究

结合大冶铁矿露天转地下开采边坡工程背景,基于相似理论和振动台模型试验,对爆破振动作用下高陡边坡断层破碎带抗剪强度变化规律进行研究。研究结果表明:1)爆破振动加载强度在小于5.0 m/s~2时,断层破碎带峰值抗剪强度随加载时间的增加呈现出累积渐进破坏的变化规律,爆破振动加载强度在7.0 m/s~2时,断层破碎带峰值抗剪强度随加时间的增加呈现出惯性失稳破坏的变化规律;2)断层破碎带黏聚力和内摩擦角随加载时间的增加呈现出二次函数的衰减关系,且其累积渐进破坏过程表现出渐变弱化、加速弱化和塑性区贯通破坏3个阶段的变化规律;3)断层破碎带黏聚力和内摩擦角随加载强度的增加呈现线性函数的衰减关系;4)断层破碎带黏聚力和内摩擦角弱化幅度随加载强度的增加而增大,随加载时间的增加呈现先增大后减小的趋势,且黏聚力对于加载时间的敏感程度较内摩擦角的大。