钢管混凝土具有抗压性能好、承载力高、塑性和韧性好、施工方便等优点，适应现代结构向大跨、高耸、重载方向发展的趋势及承受恶劣环境的需求，因此在高层、超高层建筑及大跨桥梁中得到了较广泛的应用。随着建筑高度和桥梁跨度的增加以及结构形式的多样化，钢管混凝土构件的截面尺寸不断增大。然而，现有规范公式均是基于小尺寸钢管混凝土试件的试验提出的，考虑到核心混凝土尺寸效应的影响，现有是否能够准确评估大尺寸钢管混凝土构件的轴压承载力值得商讨。目前关于钢管混凝土尺寸效应研究相对较少，本项目主要完成工作如下： 1）进行混凝土轴压短柱尺寸效应试验（24个试件），考察其弹性模量、峰值应力、峰值应变的尺寸效应规律，进而建立考虑尺寸效应影响的混凝土轴压短柱应力-应变关系模型。 2）对混凝土轴压短柱进行细观数值模拟，从有限元的角度分析混凝土峰值应力的尺寸效应，验证前文建立模型的有效性。 3）进行钢管混凝土轴压短柱尺寸效应试验（36个试件），获得了试件截面峰值应力、峰值应变及弹性模量的尺寸效应规律，研究参数范围内尺寸效应使钢管混凝土试件截面峰值应力减小9.7%、峰值应变减小约20%，而弹性模量基本不存在尺寸效应。 4）基于文献数据及约束混凝土理论建立了考虑尺寸效应影响的主动约束混凝土模型，分析了主动约束与被动约束的关系，进而建立了钢管混凝土尺寸效应分析模型，模型能够较好地预测钢管混凝土峰值应力及峰值应变的尺寸效应规律。 5）通过系统地参数分析发现，钢管混凝土的尺寸效应随含钢率及屈服应力增大而减弱，随混凝土强度增大而增强，对于工程中的大尺寸钢管混凝土构件，截面峰值应力折减幅度接近15%。基于参数分析，本文提出了考虑尺寸效应影响的钢管混凝土峰值应力及峰值应变计算公式。 本课题组研究对钢管混凝土的尺寸效应进行定量描述，为工程中的大尺寸钢管混凝土设计奠定了理论基础。 2100433B

钢管混凝土适应现代工程向大跨、重载、高耸方向发展的需要，在高层建筑与大跨拱桥中得到了广泛应用。随着建筑高度和拱桥跨度的不断增加，钢管混凝土构件的巨型化是未来发展趋势与必然。但由于核心混凝土的存在，大尺度钢管混凝土构件的尺寸效应显著，且由于钢管与核心混凝土的相互作用，使其尺寸效应问题更为复杂。现有研究和相关规程规范均是基于小尺度钢管混凝土试件的研究成果，无法准确反映大尺度钢管混凝土存在的尺寸效应，可能高估了其承载力。因此，亟待提出适用于大尺度钢管混凝土构件的设计方法，以确保大尺度钢管混凝土结构的可靠性。项目以圆形钢管混凝土轴压短柱为研究对象，以截面尺寸为主要研究参数，并考虑混凝土强度、含钢率、核心混凝土收缩等因素，采用试验研究与理论分析相结合的研究方法，分析核心混凝土尺寸效应对钢管混凝土约束效应与受力机理的影响，建立考虑尺寸效应的大直径圆钢管混凝土轴压承载力的设计方法与计算公式。

为了在AMESim软件中准确分析阀门的性能，根据平衡方程推导了阀门膜片的有效直径与气体压力、轴直径以及轴两个端口集中力等因 素之间的关系，并得出有效直径的计算公式；以减压阀的膜片组合件为例，采用软件ABAQUS建立其有限元模型，计算出阀盘的位移，从而推导出轴两端口集中力的计算公式，最后分析了膜片有效直径随阀盘位移的变化。

有效直径膜片有效直径的计算

得到设计的压缩量后，在两个弹簧末端施加相应的位移，此位移等于设计的预压缩量，然后在膜片承受气体压力的一侧施加设计范围内的均布压力，计算出相应的阀盘位移。

变化气体压力的数值，可以得到膜片的有效直径随阀盘位移的变化。阀盘的行程较小，膜片的有效直径随阀盘位移的增大而增大，随气体压力的增大而减小。除个别点外，阀盘位移与膜片的有效直径基本上为线性关系，在精度要求不太高的情况下，如果阀盘的行程比较小，膜片的有效直径与阀盘位移之间的关系可以近似用线性关系式表达。

有效直径膜片厚度对有效直径的影响分析

为了分析膜片在不同厚度下的有效直径随阀盘位移的变化，固定其他参数值，分别计算膜片厚度为0.15mm和 0.08mm两种情况下膜片的有效直径，变化作用在膜片上的气体压力，可以得到膜片在两种厚度下的有效直径随阀盘位移的变化。

从膜片厚度为0.08mm的情况和膜片厚度为0.12的情况看到, 膜片的厚度越大，膜片的有效直径随阀盘位移变化的速度越快。

有效直径膜片的弹性模量对膜片有效直径的影响

同样，为了分析膜片的弹性模量对膜片有效直径的影响，分别计算膜片在不同弹性模量下膜片的有效直径，变化作用在膜片上的气体压力，可以得到膜片不同弹性模量下的有效直径随阀盘位移的变化。

弹性模量为200GPa时，膜片的有效直径随阀盘位移的变化 弹性模量为80GPa时，膜片的有效直径随阀盘位移的变化。很显然，膜片的弹性模量越大，膜片的有效直径随阀盘位移变化的速度越快。

膜片的厚度、弹性模量越大，膜片的有效直径随阀盘位移变化的速度越快。实际上膜片的厚度、弹性模量对有效直径的影响可以综合为另一个参数 ———膜片的刚度，由传统的板壳理论可知膜片的刚度。膜片的厚度、弹性模量越大，其刚度也越大，也就是说，膜片的刚度越大，膜片的有效直径随阀盘位移的变化越快。 2100433B

针对多尺寸颗粒堆积组成的多孔介质碎片床，研究其冷却性分析模型中有效直径的选取准则 基于方程和针对性实验，验证多尺寸颗粒组成的多孔介质床的有效直径及其相关计算方法研究结果表明，多孔介质碎片床的有效直径与流体在多孔介质内的流动雷诺数有关，当雷诺数较低时（Re_p〈7），面积平均直径可以表征多孔介质的有效直径； 随着流动雷诺数的增加（Re_p〈7）长度平均直径更加接近其有效直径。

有效直径多尺寸颗粒堆积多孔介质有效直径计算方法

由Ergun方程可以看出，颗粒的有效直径d是流动压降计算的重要参数。对多尺寸颗粒组成的多孔介质床，其有效直径的计算则 依据不同的理论分析和参考权重，采用了不同的计算方法，还没有统一的结论。Soo（1990） 总结了4种最为常用的有效直径计算方法，分别被称为质量平均直径d_m面积平均直径d_a长度平均直径d₁和数 目平均直径d_n。

给出 了三种球形颗粒堆积的多孔介质床的4 种平均直径计算结果。即使对同一个多孔介质堆积床，基于不同 平均直径计算公式得到的有效直径是不同的，其值的大小甚至相差一倍因此一个自然而然的问题就是，应该用什么公式来计算这种特殊结构的由多尺寸颗粒组成的多孔介质碎片床的有效直径？ 将基于方程和针对性实验，验证多尺寸颗粒组成的多孔介质床的有效直径及其相关计算方法。

有效直径多孔介质实验床

实验使用多尺寸的玻璃球直径范围为0.7～10mm各个直径玻璃球的质量分布则是依据已有的严重事故相关实验中获得的碎片床尺寸分布信息 （ 如Lindholm（2002）；Magallon（2006）），基于实验床组成颗粒的尺寸分布，通过公式分别进行计算可知，实验床组成颗粒的质量平均直径是3.97mm，面积平均直径是2.12mm ，长度平均直径是1.18mm 数目平均直径是0.9mm。由计算结果可以看到，不同平均直径的数值相差很大，进一步说明进行多孔介质有效直径的验证是非常有必要的。

有效直径实验结果

实验测量的多孔介质实验床在不同流速下的压降梯度。为便于对比 ，也给出了Ergun方程基于4种平均直径（dm，da，d1，dn）预测计算得到的压降梯度值。当流动雷诺数Re_p较低时 （Re_p〈7），利用 面积平均直径计算得到的结果与实验测量的流动压降吻合得很好；随着流动雷诺数Re_p的增加（Re_p〈7），实验数据更加接近基于长度平均直径预测计算的流动压降。清晰地显示了在不同雷诺数范围内实验测量压降梯度与Ergun方程基于不同平均直径预测计算结果。

为进一步验证多孔介质实验床的有效直径，利用实验中测量得到的不同流速下的压降梯度，耦合Ergun方程，逆向推导，可以得到不同流动雷诺数Re_p范围内的有效直径 （d_e）。当Re_p小于7 时，计算得到的有效直径为1.89mm，比较接近面积平均直径计算值，2.12mm，偏差小于15%，当Re_p大于7时，计算得到的有效直径为1.22mm，相对接近长度平均直径计算值，1.18mm，偏差小于4%。

本项目旨在针对目前国内外大中型机电装备特别是舰船动力推进系统润滑油泄漏污染环境等迫切需要解决的关键科技问题，提出基于资源节约和环境友好的大尺寸高比压水润滑轴承系统的创新设计理论与方法研究，包括特殊与极端环境下的大尺寸高比压水润滑轴承系统动态服役行为的关键科学问题，大尺寸高比压水润滑轴承的摩擦学性能优化，水润滑轴承的聚会物表面与界面技术，大尺寸高比压水润滑轴承的材料与结构设计方法，基于人工神经网络模型的大尺寸高比压水润滑轴承性能实验方法等研究内容；在用新型工程复合材料替代贵重金属作为大尺寸高比压轴承材料，用自然水替代矿物油作为润滑介质，基于资源节约与环境友好的大尺寸高比压水润滑轴承系统创新设计理论与方法等关键科学技术方面，有重大突破和重要创新，为研发具有自主知识产权并达到国际先进水平的高效环保大中型舰船动力推进系统和高性能机电装备，培育资源节约、环境友好型经济增长点奠定关键科学技术基础。 2100433B