能源群桩热-力学特性研究

来源 :西安建筑科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:long_teng
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能源桩将地下换热器与传统建筑桩基结合以服务于地源热泵,因其初资少、换热性能好而在国内外得到快速的发展和应用。既作为建筑承载基础又作为地源热泵地下换热元件的能源桩,在承担建筑空调负荷时,因桩基相应的放热、取热而产生膨胀或压缩形变,改变桩-土之间的摩擦力,影响桩基承载和沉降特性。同时,能源群桩之间的热干扰与群桩效应导致能源群桩的热-力学特性比能源单桩以及传统群桩更为复杂。本文利用有限元分析软件建立3×3顺排能源群桩的三维动态数值仿真模型,利用现场实测结果验证所建立模型仿真结果的可靠性后,分析了不同桩间距、桩径以及桩长等几何参数下能源群桩热力学参数状况状况。进一步仿真,分析了不同温度荷载和结构荷载水平下能源群桩热-力学响应特性,探讨了不同温度荷载下的能源桩群桩效应系数,并提出了修正因子,使得传统桩基的群桩效应系数经修正后适用于能源群桩。最后结合实际情况,对比分析了能源群桩连续运行以及间歇运行工况下的热-力学响应特性。研究结果表明,增大桩间距可以有效减小热干扰效应。桩间距为3倍桩径时,各桩之间存在明显热干扰,当桩间距扩大至5倍桩径后,这种影响可以忽略不计。增加桩长可通过增大换热面积的方法获得更大的换热量,但对桩身温度的影响较小;能源桩受热后升温,桩体应力会明显增大,附加温度荷载在桩身主体段内似呈均匀分布。温度荷载与结构荷载共同作用下的能源群桩桩身截面位移整体表现为沉降,群桩中各基桩由于桩顶承台的约束而在靠近桩顶处各桩位移差异很小,沿桩深向下逐渐显现出不同,直至桩底处,角桩位移最大、边桩次之、中心桩最小;侧摩阻力在靠近桩顶处为负,沿桩深逐渐达到零值并在桩底处达到峰值,桩间距与桩径对侧摩阻力的影响显著大于桩长;温度荷载和桩顶结构荷载均会使桩身应力增大,并且温度荷载的影响略大;结构荷载对桩身侧摩阻力的影响远大于温度荷载对其的影响,换热流体入口水温无论对桩身整体的侧摩阻力还是桩底处的峰值影响都很小;能源桩的桩身温度与桩身应力均随着换热埋管入口水温的升高而明显增大,受热后的能源桩产生膨胀变形,相同结构荷载下的桩顶沉降比传统桩基小,基于一定沉降量计算所得桩基极限承载力将偏大。针对本文的研究条件,提出一温度修正因子,为0.0037,使基于传统桩基计算得到的群桩效应系数径修正后适用于能源群桩。间歇运行工况下的桩顶位移与换热埋管出口水温均呈周期性波动,经历三次加热时段后出现了明显的累积现象,并且间歇运行的桩身侧摩阻力在桩身上半部分总是大于连续工况,而在下半部分则小于连续工况。
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