结构工程师

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结构分析

桥上爆炸作用下正交异性钢桥面板的破坏模式

马亮亮, 王启珍, 吴昊

2024, 40(5): 1-10.

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针对桥上爆炸作用下正交异性钢桥面板,开展了基于钢板爆炸试验验证的数值模拟研究。分析了美国联邦应急管理署（FEMA）规定的五种威胁类型爆炸作用下泰州长江大桥钢桥面板的破坏机理,揭示了桥面板不同构件的破坏模式。主要结论如下：（1）所有爆炸工况中,均观察到顶板花瓣状破口、U肋断裂及撕裂和横隔板塑性变形。对于较大炸药量工况（1 814 kg TNT、4 536 kg TNT和13 608 kg TNT）,桥面板破坏模式还包括横隔板面外弯曲、局部屈曲和断裂、底板U肋断裂以及底板破口。（2）对于较小炸药量工况（227 kg TNT和454 kg TNT）,桥面板主要耗能机制为顶板和顶板U肋耗能,总耗能占比超过70%;而较大炸药量工况桥面板主要耗能机制为顶板、顶板U肋、横隔板、底板和底板U肋共同耗能,总耗能占比超过90%。

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结构分析

多绳摩擦提升系统钢丝绳张力时程研究

申跃奎, 朱新雨, 李泽纬, 李洋

2024, 40(5): 11-18.

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多绳摩擦提升机是连接矿下与地上的唯一枢纽,保证其安全性至关重要,但针对多绳摩擦钢丝绳张力的相关研究较少。以提升系统中的钢丝绳为研究对象,对已有文献中的钢丝绳张力公式进行改进;通过现场实测得到钢丝绳张力的试验值,对改进后的公式进行数值模拟并与试验值以及改进前的公式对比分析;最后当容器满载时对井架结构进行动力响应分析。结果表明：改进后钢丝绳张力公式计算的理论值和试验值的最大张力差为7.637 6%,和改进前公式的最大张力差为0.070 3%,吻合较好。提升系统运行瞬间加载点在水平X、竖直Y方向的振幅迅速增大至峰值后急剧下降,而后慢慢趋于平缓。

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结构分析

大跨径斜拉桥长期健康监测数据的性能分析与应用

倪艳春, 蔡永谊, 张启伟

2024, 40(5): 19-27.

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为了充分剖析和挖掘桥梁长期健康监测数据内部蕴含的桥梁性能的变化规律,从而为未来对结构性能变化评估提供支持数据和判断依据,以主桥跨度为776 m的闵浦大桥为例,收集了该桥10余年的健康监测数据,并利用编程软件编写程序代码进行数据处理及分析,包括数据预处理、模态识别、数据拟合等多种方法,开展了桥梁运营期结构性能变化规律的相关研究,并通过数据拟合、数据全局分析等手段分析了主跨挠度、结构应变、斜拉索索力的数据特征,通过快速贝叶斯FFT模态识别方法,对10余年间加速度数据进行阶段性模态识别研究,从而提取了桥梁长期振动响应数据特征。最后,基于动、静力特性分析的结果及不同分析过程和路径,结合得到的规律和结论,以养护运营者的角度合理规划运营期SHM数据的分析方式、关注重点、建议的长期数据存储和特征提取的参数,以及最终长期数据合理利用模式。

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结构分析

大跨连廊结构的人致振动效应及TMD减振控制

樊亭, 张春文, 胡显昊, 吕一敏, 李君艳, 吴志峰

2024, 40(5): 28-35.

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针对某大跨度连廊结构的楼盖舒适度问题,建立了连廊的整体有限元模型,采用Ritz向量法对结构进行了模态分析,研究了大跨度连廊结构的振动特性并进行减振设计。根据不同的人群密度和行走频率,研究了四种人群荷载激励下楼盖的竖向振动情况,对比设置调频质量阻尼器（TMD）前后连廊结构的竖向加速度。结果表明,连廊的自振频率接近于人行频率,在人行荷载的激励下,连廊发生共振现象,形成较大振动,造成人体不适,故需控制振动;在连廊的合理位置设置TMD后,整体减振率达67.4%,楼盖振动满足人体舒适度要求,说明TMD起到了良好的减振作用。

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结构分析

基于现场实测反演的地铁运行诱发邻近结构振动预测

吴德顺, 顾晓强, 刘鑫, 岳建勇, 王平山

2024, 40(5): 36-44.

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准确预测地铁运行引起的拟建结构振动具有重要的理论意义和工程应用价值。目前现场实测主要用于验证数值模拟的准确性,较少直接用于数值模型校准。为解决拟建结构振动预测难的问题,提出了基于地下室建成前地表振动实测和有限元模拟的地铁运行诱发振动频域反演预测方法。首先,开展了地下室建成前地铁运行引起的场地振动实测,然后由隧道-分层地基有限元模型计算场地振动传递函数。结合传递函数原理和地表实测反演得到振源。随后,将反演振源输入含地下室结构的有限元模型,开展振动预测分析。结果表明,预测的地下室振动与实测结果吻合良好,提出的方法可为地铁运行引起拟建结构振动的准确预测提供重要的支撑。

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抗震与抗风

考虑SSI效应时TMD的减震优化设计

刘书童, 张晋, 谢金伦, 杨树桐, 李培振

2024, 40(5): 45-55.

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土-结构相互作用（SSI）效应可能会对地震作用下调谐质量阻尼器（TMD）的有效性产生重要影响,因此本文研究了考虑SSI效应时TMD对高层建筑的抗震控制性能。针对一个质量分布均匀、层刚度随高度呈线性分布的40层benchmark结构,以结构顶层均方根位移最小为优化目标,采用改进粒子群算法对其在不同地基土条件以及地震波激励下的调谐质量阻尼器参数进行优化设计。优化结果表明,忽略SSI效应可能会造成地震激励下高层结构中TMD减震性能的不恰当估计,TMD的优化参数与地基土类型和地震波种类紧密相关。优化后的TMD可以有效降低结构顶层位移响应且不增加其峰值加速度,优化后的TMD耗散了绝大部分地震输入能量,并大大降低了结构能量。

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抗震与抗风

有轨电车小半径曲线梁桥减隔震措施对比研究

焦驰宇, 曹跃, 阮良奉, 乔宏

2024, 40(5): 56-65.

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为适应交通路网发展需求,小半径曲线桥被广泛应用,其中有轨电车小半径曲线桥占据较高的比重。为确保地震区有轨电车的抗震安全,常采用减隔震装置以减小地震响应。然而,不同装置类型和布置方式对减隔震效果存在较大差异,因此有必要深入研究优化策略。本文以某典型有轨电车小半径曲线桥为工程背景,基于多个单一减震装置有机组合,依据边墩控制位移、中墩降低内力的组合减震理念,提出了一种新型的组合减隔震装置,并选择适宜参数的摩擦摆支座（FPS）、铅芯橡胶支座（LRB）和液体黏滞阻尼器（FVD）三种减隔震装置,通过动力非线性时程分析,探究了各装置关键参数对于曲线桥减震效果的影响,并对采用不同减隔震装置的有轨电车小半径曲线桥地震响应进行对比分析。研究发现：本文提出的组合减隔震方案能够明显弥补单一减隔震装置的不足,达到更好的减隔震效果,值得在同类桥梁中推广应用;FPS与LRB对墩底内力控制效果较好,但会在一定程度上放大结构的墩梁相对位移;FVD对墩梁相对位移的控制效果更好,但对墩底内力的控制效果比其他两种减隔震装置差。

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抗震与抗风

穿越活动断裂带深埋隧道围岩地震响应分析

孙红林, 肖遥, 刘府生, 申玉生, 张翔玮, 邓棣文

2024, 40(5): 66-78.

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西南艰险山区道路和铁路隧道工程占比大,存在着埋深大、地质条件复杂、地震活动频发的特点,还存在隧道工程与活动断裂小角度穿越的工程问题,且近场地震对不同埋深的围岩影响不同,因而活动断裂近场地震对隧道工程顺利施工和安全运营存在显著不利影响。基于此,本文首先基于国内外发生的多次灾难性地震对隧道工程的影响,分析归纳了历史地震震级对穿越发震断裂隧道围岩（围岩埋深、岩性和级别）破坏的影响规律。其次,结合活动断层等特性,获取了能够反映区域断层特征和脉冲特性的地震动记录。最后,采用有限差分软件FLAC3D研究了活动断裂近场地震对深埋隧道工程围岩的影响规律。研究结果表明：隧道埋深的增加使得隧道围岩更加稳定,对于隧道围岩的塑性变形有抑制作用。不同地震动作用下的最大剪应力和最大主应力走势基本相同,断层段隧道围岩应力均大于普通围岩段。IV级及以下围岩在200 m埋深、PGA在0.3g以上时发生了较大的位移和应力响应。响应水平随着PGA的增大而增加,PGA从0.2g到0.39g的过程中有一个较大的增加,增幅接近50%,此过程是隧道产生塑性变形的主要过程,塑性区面积也随着PGA的增大而逐渐增大,因而在穿越活动断裂深埋隧道需认真考虑其近场地震的影响。研究成果可为隧道抗震优化设计提供技术支撑。

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抗震与抗风

基于OpenFOAM地铁隧道防火门的活塞风作用时变特性研究

尹静, 刘剑春

2024, 40(5): 79-87.

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为了研究地铁隧道联络通道防火门表面的活塞风压特征,基于OpenFOAM开源软件,建立了地铁隧道三维非稳态流动模拟模型,并使用动网格方法模拟了地铁列车在隧道内的实时运动。通过与既有试验数据的对比,发现该方法能够准确地模拟地铁隧道内的风环境。在此基础上,建立了完整的足尺地铁隧道-联络通道复合模型,分析了不同行车速度、不同联络通道设计和不同测点距离下防火门的表面风压及其周边的流动特征。计算结果表明,联络通道防火门的表面压力对行车速度最为敏感,对联络通道的几何形态不敏感,隧道-列车间的剪切流动对联络通道内部的流动特征影响较小。

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试验研究

矩形管薄壁型钢混凝土柱力学性能研究

贾王龙, 杨鹏博, 赵子文, 李文潇, 方成

2024, 40(5): 88-101.

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在“库架合一”结构体系的应用背景下,进行了8根矩形管薄壁型钢混凝土柱的轴心受压试验,得到了柱试件的极限承载力、竖向荷载-位移曲线、跨中挠度曲线。在此基础上总结了柱子的破坏模式,分析结果表明,该柱破坏模式主要为截面极限承载力破坏,不同抗剪螺杆布置方式会导致不同的破坏模式。利用有限元计算方法对其破坏模式和荷载-位移曲线进行了分析,分析结果与试验结果吻合。进一步应力分析发现：抗剪螺杆变量下极限承载力出现差异的原因是不同抗剪螺杆布置导致混凝土发生不同形式的破坏,从而不同程度上削弱了混凝土的承载力。在综合对比各国设计规范基础上,给出了该类柱的轴向抗压承载力实用计算方法。

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试验研究

基于贝叶斯方法的混凝土强度接收准则研究

蒋利学, 郑士举, 王卓琳

2024, 40(5): 102-113.

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以一次计量抽样检验理论为依据,综合平衡生产方风险和使用方风险,并适当考虑保护生产方利益,提出无论对于标准差已知统计方法还是标准差未知统计方法,混凝土强度平均值的评定系数k均应对应于90%的等效保证率（0.9分位值）;并以贝叶斯理论为依据确定了标准差未知统计方法的抽样方案。样本容量很小时,以平均质量标准差为依据建立了非统计方法的接收准则,并根据一次计数抽样检验理论提出最小值接收准则,并作为平均值接收准则的补充。采用贝叶斯方法,将前一检验周期内的样本和本次抽样样本合并,通过扩大样本容量,提高了标准差已知统计方法接收准则的检验功效;同时采用贝叶斯方法,综合考虑平均质量标准差和实测样本标准差,提高了非统计方法接收准则的检验功效。本文建议的接收准则具有更明确的统计学依据,通过采用统一的等效保证率使各种方法保持了较接近的检验功效,并用贝叶斯方法将各种方法统一于标准差未知统计方法。实例分析表明,本文建议的接收准则总体上略比GB/T 50107—2010严格,但变动幅度在可接受范围;采用合理的先验标准差后,本文建议的贝叶斯改进方法可以得到科学合理的评定结果。

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试验研究

基于一次计数抽样检验的现场混凝土强度特征值推定方法

蒋利学, 郑士举, 王卓琳, 白雪

2024, 40(5): 114-121.

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回弹法检测现场混凝土强度具有对结构构件完全无损伤、可抽样数量多、测区布置灵活的优点,但其检测强度的均值和方差均可能存在较大偏差,故采用计量抽样检验方法推定的检测批强度特征值的准确性较差。根据一次计数抽样检验原理,在分析比较抽检特征曲线的基础上,以不合格品率为0.1时的接收概率为50%（置信水平为0.5）为原则,建立了检测批混凝土强度特征值的推定方法。通过抽检特征曲线对比和实例分析表明,该方法的推定结果与基于贝叶斯方法的计量抽样检验推定结果基本相当。提出了评定检测批混凝土强度时回弹测区的优化布置建议,并提出了回弹法计数抽样检验结果的钻芯修正方法。本文建议方法具有概率定义准确、避免强度分布类型假定和方差计算、减少钻芯校核数量等特点,可在工程质量符合性评定和既有结构安全性评定时采用。

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试验研究

飞机与地铁动载下道基动力响应现场监测及分析

童俊, 刘勤峰, 谭聆言, 马胜浩, 王旭宾, 钱建固

2024, 40(5): 122-127.

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为了探究飞机滑行荷载与下穿地铁运行荷载联合作用下机场滑行道道基的动力响应,对某濒海软土机场一条滑道实施实时监测,在地铁线临近穿过滑行道的位置布置加速度传感器,以获取机场滑行道地层动力响应信号。通过分离响应信号获得地铁荷载所对应长、短周期频率的响应信号,在频域上对地铁长、短频率信号进行幅值对比,分离出地铁与飞机的动力响应主频率。结果表明,飞机的动力响应主频率为5~30 Hz,地铁的动力响应频率主频率为30~60 Hz,飞机滑行荷载对机场滑行道产生的动力响应是地铁穿行引起的动力响应的6倍以上。

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地基基础

考虑接头螺栓的多环实体拼装隧道管片承载性能及破坏模式

周奇辉, 张琼方, 王震, 丁智, 孙苗苗

2024, 40(5): 128-136.

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盾构隧道管片结构广泛应用于地铁隧道等工程中,其在外部围压作用下的承载能力和破坏模式对地铁的安全运营具有关键影响。为了分析盾构隧道管片衬砌结构的承载能力和破坏模式,本文提出了外部围压加载模式的计算理论;建立了3环管片结构三维实体有限元模型,并对正常使用荷载下管片的应力和变形响应进行了计算;对管片的屈曲模态进行了分析;对非线性极限承载性能进行了探讨,并揭示了结构的破坏模式。研究结果表明,在正常荷载模式下,结构最大应力值为单轴抗压强度的61.5%,变形后呈现非对称的椭圆形,变形较小,椭圆度符合相关规范要求,结构处于安全工作状态,不会出现稳定性问题。当荷载因子为2.90时结构破坏,此时应力最大值达到抗压极限强度,且出现较大的变形,椭圆度达到了2.23%,远远超过了规范要求,且此时混凝土单元出现大面积失效,而螺栓的最大轴向应力仅为屈服极限的20%,盾构隧道管片结构在围压作用下的破坏模式为混凝土破坏。

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地基基础

西安地铁八号线地裂缝隧道暗挖施工技术与沉降控制措施研究

史治文

2024, 40(5): 137-142.

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我国西北地区地裂缝发育程度较高,给隧道建设带来了较大的挑战。本文以西安地铁8号下穿地裂缝为背景,采用数值模拟的方法研究了地裂缝对隧道拱顶沉降速率和最终沉降值的影响,以及地基加固法在加固地裂缝场地中的应用。研究表明,地裂缝附近是影响隧道拱顶沉降最大的区域,采用地基加固法能够有效提高地基土体的承载能力,尤其对于浅埋隧道和较大洞径隧道采用地基加固法效果更佳,能够较好地保证隧道施工的安全。

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工程施工

钢筋混凝土剪力墙与后浇筑的钢筋混凝土梁的贯通式节点的设计研究

龚铭, 黄伟志, 王伟

2024, 40(5): 143-150.

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清水混凝土剪力墙以及采用爬模施工的混凝土剪力墙在施工时,通常要求混凝土墙先于楼面梁板施工。当楼面梁采用钢筋混凝土梁时,目前采用植筋或预留钢筋接驳件的方式。该方式存在施工复杂、质量难以保障、新旧混凝土结合面不可靠等缺陷。介绍了一种新的钢筋混凝土剪力墙与后浇筑的钢筋混凝土梁的贯通式节点：通过在混凝土墙预留洞口并在洞内预留暗柱钢筋及墙体水平筋、洞口内壁凿毛等手段,保证了后浇筑混凝土梁与剪力墙之间节点的可靠性。静力试验和数值模拟结果表明,本节点的力学性能与整浇节点十分接近,验证了本设计的可靠性和实用性。试件的试验结果和数值分析结果吻合度较高,可以印证各自的可靠性。

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工程施工

地铁车站侧墙大体积混凝土施工养护测温实验与数值模拟

陈辉, 张英硕, 张凤亮, 程绰, 王文旭, 张新强

2024, 40(5): 151-160.

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通过预埋温度传感器的方式,对深圳市某地铁车站的两面侧墙进行温度监测,同时监测环境温度变化,分析地铁车站侧墙大体积混凝土结构内部由水化热引起的温度升降变化特征,进一步分析混凝土内部与表面、表面与环境、降温速率等现象,得出混凝土温度变化规律。利用ABAQUS有限元软件对主要的温度变化过程进行数值模拟,建立侧墙的三维应力场-温度场耦合模型,与试验数据对比验证其可靠性,对混凝土应力状态进行分析,验证温度应力产生的原理,并且对地铁侧墙应力易集中处做出预测,提出防止裂缝的相关措施。

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设计方法与研究

高烈度地震区某幼儿园减震分析与设计

侯宏涛, 杨立华, 王琴, 张鑫, 王恒

2024, 40(5): 161-167.

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介绍了黏滞阻尼器的结构构造和工作原理,以位于8度抗震设防地区的某幼儿园为例,采用Midas Gen有限元分析软件,选取了5条天然地震波和2条人工地震波,分析了主体结构在多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能,给出了黏滞阻尼器在不同水准地震作用下的耗能情况。计算结果表明：附设黏滞阻尼器后,主体结构抗震性能良好,可以实现“三个水准”抗震设防目标。罕遇地震作用下,结构整体塑性程度较低,损伤屈服机制合理。黏滞阻尼器在地震作用下表现出良好的耗能特性,罕遇地震作用下提供的附加阻尼比低于多遇地震作用,同时多组地震波附加阻尼比的离散性有所降低。研究成果可为类似工程提供借鉴。

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设计方法与研究

复杂钢混组合线下式高铁站房结构设计与抗震分析

杜鹏, 白宗琨, 王传芳, 王欲秋, 徐春建

2024, 40(5): 168-177.

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钢-混凝土不规则组合框架体系对于线下式高铁站房具有良好的适用性。依托济南至莱芜高速铁路历城站结构设计,研究了钢-混凝土不规则组合线下站房结构设计的关键技术。研究结果表明：采用民用建筑规范与铁路规范相协调的设计方法,能较好地满足线下式站房的要求;钢-混凝土不规则组合结构中的侧向组合能够有效减少上下组合结构中的鞭梢效应;超长门厅钢拱组合桁架采取“抗放结合”的处理措施,可有效解决温度应力的影响;钢混锥台过渡转换节点能确保混凝土与钢结构转换的可行性与可靠性。通过对结构进行动力弹塑性分析,验证了该组合结构满足了既定的性能目标,安全可靠。

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设计方法与研究

赣西地区某历史会馆结构修缮设计及抗震性能分析

周彬

2024, 40(5): 178-187.

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某历史会馆位于江西省宜春市袁州区,建于清光绪年间,为宜春市文物保护单位。该会馆为赣西地区典型砖木结构,内部为穿斗式木结构,外围为空斗墙。由于年久失修,加之遭遇火灾,整体房屋破坏严重。首先,对该结构的破损情况进行了分析,同时根据安全性鉴定的结果,提出了“揭顶+落架”的大修方法。其次,提出“空斗墙+穿斗木结构”混合结构的数值建模方法,并建立空间计算模型进行分析。根据计算结果对破损的墙、梁、柱等结构构件进行了结构修缮设计。提出了复建空斗墙新增圈梁和构造柱的做法,增加了结构的整体性。最后,通过不同地震水准下的非线性时程分析,验证了修缮后结构的抗震性能可满足规范要求。提出的修缮设计方法和结构数值建模方法可为赣西地区类似历史建筑的修缮提供参考。

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文献综述

工程弃土免烧砖技术路径与发展趋势

肖建庄, 吴宇鑫, 沈剑羽, 李水生

2024, 40(5): 188-198.

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国内工程弃土排放量大,但资源化利用率较低,而使用工程弃土制备免烧砖是一种可行的高附加值途径。首先,介绍了工程弃土的分类与主要处置方式,指出工程弃土原料低碳脱水与工艺参数难以确定等瓶颈问题。其次,介绍了免烧砖常用的生产流程以及成型、养护等工艺对免烧砖性能的影响,进一步分析了胶凝材料类型与掺量、含水率、外加剂等因素对免烧砖力学性能的影响规律,同时总结了弃土免烧砖的资源再利用与低碳优势;指出了表面光滑、不易与砂浆结合、抗剪强度低、干缩变形大等缺陷。最后,从绿色建筑的角度出发,提出弃土免烧砖的未来研究方向。

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