预应力高强混凝土能量管桩热力响应特性试验研究

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随着世界经济一体化的推动,能源逐渐成为社会发展的物资基础。能量桩是一种兼具地源热泵换热器和支撑上部建筑荷载双重作用的建筑节能新技术,而与预应力高强混凝土管桩结合的能量桩,因其施工便捷、制作简单且管桩内部留有孔隙便于布置热交换管等优点,在工程上逐渐得到了越来越广泛的应用。本文依托于周口师范学院综合体育馆桩基工程,开展了预应力高强混凝土能量管桩热力响应的现场试验,重点研究了能量管桩的桩身温度分布、换热性能系数(COP,Coefficient of Performance)以及桩顶荷载-位移、桩身轴力、桩侧摩阻力、附加温度应力等变化规律。本文通过试验分析,研究了冷、热工况下预应力高强混凝土能量管桩的换热性能得出:在冷间歇工况下能量管桩的换热性能远高于循环工况,且间歇工况下的换热性能随着能量管桩系统的开停比值的增大而降低。在加热工况下,能量管桩的换热性能系数(COP)随着换热液体流速的增大和循环时间的增加而逐渐降低,但随流速的增加换热效率的变化趋势并非成线性降低。此外,对桩顶荷载-位移、桩侧摩阻力及桩身附加温度应力的变化分析得出:冷、热温度荷载的作用将会改变桩体的沉降位移,热荷载作用下桩体沉降有减小的趋势,但变化较小。桩侧摩阻力的变化与常规桩型不同,制冷工况下桩身两端受冷收缩,导致桩身上部产生正的摩阻力,下部产生负的摩阻力,加热工况下摩阻力的分布与之相反;桩体中性点位于桩身-8m处,约为桩长的2/3,摩阻力值在中性点附近较小,随加载水平及桩身温度变化量的增大,中性点向桩两端热应变累积效应增大,相应的桩侧摩阻力值也逐渐增大。制冷使桩身产生的最大附加拉应力约为加热工况下桩身最大附加压应力的28.9%,因此,桩身温度变化引起的附加温度应力不会对桩体产生破坏。最后,本文对预应力高强混凝土能量管桩进行了承载特性的理论分析与承载力的计算,并结合现场静载荷试验结果对能量管桩承载力理论计算的正确性和可靠性进行了验证分析。此外,还对能量管桩的工程应用进行了展望。
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