风沙环境下混凝土构筑物风沙荷载及风蚀机理的研究

Wind erosion is a physical phenomenon in which a fluid containing sand constantly hits the solid surfaces and results in the gradual loss of the solid surface materials. The study of wind erosion is developed along with the study of sandstorm phenomenon and soil erosion. Currently, the soil wind erosion phenomenon is well researched while the research on wind erosion of the concrete structures is less well known. .The main topics covered in this research are as follows: the field observations of wind erosion phenomenon on concrete structures in sandstorm areas; analyze and research the calculation method of sandstorm load on concrete structures; the study of the impact of physical and mechanical properties of concrete materials on wind erosion; according to the contact mechanics theory, research the computational method of the impact pressure of sand particles hitting the concrete surface; the Initial stress of the crack propagation of concrete structures begins to expand is studied and determined；give the critical stress and critical wind speed of the concrete structures that has signs of wind erosion; based on Aeolian dynamics, using a modified κ-ε turbulence model, the effect of the two-phase flow motion and the related parameters of wind erosion on concrete structures in sandstorm environments is studied. These related parameters include the angle and speed of attack, grain size and density of sand in the wind as well as other parameters; Build the calculation model of concrete structures. After the field observation data, theoretical analysis, numerical calculation results, and simulation test data has been compared and analyzed, the mechanism of wind erosion of concrete structures in sandstorm environments is studied.

风蚀是含沙流体不断撞击固体表面致使固体表面材料逐渐损失的物理过程。风蚀研究伴随着风沙现象和土壤侵蚀研究而发展起来，目前土壤风蚀的研究已较成熟，而风沙环境下混凝土构筑物风蚀的研究还不完善。本项目主要的研究工作有：风沙地区混凝土构筑物风蚀现象的实地观测；分析研究混凝土构筑物风沙荷载的计算方法；混凝土材料的物理及力学性能对风蚀影响的研究；根据接触力学理论研究沙粒撞击混凝土表面所产生压力的计算方法；研究确定混凝土构筑物表面裂纹开始扩展的初始应力；给出混凝土构筑物产生风蚀时的临界应力和临界风速；以风沙动力学为基础，利用改进的κ-ε湍流模型，研究风沙环境中，两相流的运动及相关参数对混凝土构筑物风蚀的影响，如挟沙风的攻角、速度、挟沙粒径、沙粒密度等参数对风蚀的影响。建立实测混凝土构筑物的计算模型，将实测资料、理论分析及数值计算结果、模拟试验数据进行对比分析，研究风沙环境中混凝土构筑物风蚀产生的机理。

我国西部地区沙漠面积大常年大风，其地理气候典型特征为大风沙，对混凝土构筑物的损害是不容忽视的问题，风蚀即是风沙对混凝土构筑物的冲蚀结果。研究风沙对混凝土构筑物的作用及混凝土构筑物的风蚀机理，具有重要的现实意义。. 项目主要进行了以下研究，并得到了有意义的研究结果：. 1、数值模拟不同风沙流参数下，混凝土构筑物风沙压力的变化。研究结果表明，风沙荷载大于按规范计算的风荷载，且随着高度的增加而减小。风沙荷载的最大值发生在构筑物底部高度3m范围内。. 2、进行了风蚀及风沙荷载模拟试验研究。试验结果表明，风沙攻角为90°时，构筑物表面风沙压力达到最大值，且风蚀率和强度损失最大。通过试验数据分析，得到C40混凝土发生风蚀时的临界风沙荷载值为4.48kPa。. 3、通过风蚀模拟试验后混凝土表面风蚀图像的采集及处理，提出一种基于图像处理技术的混凝土风蚀程度的评价方法。给出能较好地评价混凝土表面风蚀程度的经验公式。. 4、风蚀机理的研究。由于风蚀使得混凝土构筑物的表面强度发生变化即材料的动弹性模量发生改变。通过试验研究与分析，提出了风沙环境下混凝土动弹性模量的衰减模型，较好地揭示了风蚀的机理。. 5、基于威布尔分布的混凝土寿命预测。风沙环境下混凝土构筑物表面的风蚀可视为混凝土材料的损伤。结合风沙环境下混凝土动弹性模量衰减试验，选取动弹性模量来表征混凝土损伤程度。提出了基于威布尔分布的混凝土寿命预测模型。. 通过本项目的数值模拟与试验研究可得：风沙环境下设计混凝土构筑物时，需要考虑风沙荷载的作用，以利于混凝土构筑物的安全服役。