来源:Buildings 发布时间:2022/3/8 17:06:07
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揭秘智慧冬奥:水立方变身冰立方——冰场运动冰单轴力学性能研究 | MDPI Buildings

论文标题:Experimental Investigation of Unconfined Compressive Properties of Artificial Ice as a Green Building Material for Rinks

期刊:Buildings

作者:Wenyuan Zhang et al.

发表时间:26 November 2021

DOI:10.3390/buildings11120586

微信链接:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkyNjI3NjI4Mg==&mid=2247494095&idx=1&sn=

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/buildings

为顺利迎接2022北京冬奥会,国家游泳中心联合哈尔滨工业大学组建科研团队。土木工程学院张文元教授、建筑学院陆诗亮教授、余洋副教授及其团队,从结构设计到智能监测、新材料、大数据、物联网等多项先进技术,开展了长达六年的专项研究,让冬奥愿景成为现实,实现了智慧化场馆建设、运营全过程的可持续发展目标,将水立方变身“冰立方”。

原文作者简介

通讯作者:李俊兴 博士研究生

哈尔滨工业大学

主要从事转换冰场性能与人工冰力学研究,在装配式人工冰场理论及应用、运动冰物理力学性能方面有多年研究经验,在国际期刊上发表多篇学术论文。

第一作者:张文元 教授

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学教授、博士生导师、土木工程学院钢木学科组主任。兼任中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事,中国钢协结构稳定与疲劳分会、钢结构教学委员委员。主要从事钢结构抗震与设计方法、以及奥运人工冰场性能研究。主持了国家重点研发计划课题和多个国家自然科学基金项目,承担了多个具有重大工程意义的校企合作科技攻关项目。已发表学术论文 100 余篇,出版专著 2 部,获国家发明和实用新型专利 10 余项。

引言

为了充分满足全国人民对冰上运动的需要,实现“北冰南展西扩东进”战略,带动3亿人参与冰雪运动,根据《全国冰雪场地设施建设规划 (2016—2022年)》规划,将有越来越多的人工冰场建成。其中,以水立方装配式冰场为例,不同于传统冰场,该冰层直接由泡沫保温板支撑。由于冰在多数情况下是一种脆性材料,人工冰场在冰层内外不均匀温度场、冰面上各种最不利运动荷载、冰层内制冷管膨胀力等作用下容易开裂。哈尔滨工业大学的张文元教授、李俊兴博士等在Buildings 期刊发表了一篇文章,系统研究了制冰和加载条件等因素对冰场人工冰单轴压缩的力学性能。

国际大型比赛对冰场冰面质量有着非常高的要求,由专门的制冰专家制作。不同于日常生活中常见的湖冰、海冰、大气冰等,冰场运动冰的最大特点是分层多次浇筑 (图1)。此外,其冻结方向自下而上,需使用不含杂质的纯净水,且制冰时的空气温湿度也有严格的要求。

图1. 实际人工冰场冰层形成过程。

实验研究

依据冰场运动冰成型的特点,同时考虑每层冻结厚度、水质、空气温湿度的不同组合,作者首先使用自制的制冰装置 (图2) 在实验室完成了人工冰试件的制作。基于此试件,作者先后完成密度测量、晶体结构观测和单轴压缩试验。

图2. 制冰装置。

结果与讨论

与自然冰相似,冰温和应变速率是影响人工冰力学性能的关键因素。在不同的应变速率下观察到延性破坏和脆性破坏这两种典型破坏模式,可通过裂纹尖端的应力累积和蠕变所引起的应力松弛之间的竞争机制解释。

图3中,抗压强度和有效模量对水质和每层浇冰厚度有明显依赖性。水中溶解固体的增加和每层浇冰厚度的增加都降低了冰强度和模量。尽管空气的温湿度对冰的升华和结霜等物理特性有重要影响,但对冰的力学性能影响是不确定的,即其对冰场冰面的表面硬度影响不确定。

图3. 加载速率和分层浇冰厚的影响。

后期在三轴压缩、三点弯曲、断裂韧性、硬度和冰场原位加载试验等方面将开展进一步研究。作者希望从冰力学角度,结合制冰师与运动员的看法,可以对制冰提出一些建议,并进一步优化装配式冰场的下部支撑系统和冰层设计。

原文出自Buildings期刊

Wenyuan Zhang et al. Experimental Investigation of Unconfined Compressive Properties of Artificial Ice as a Green Building Material for Rinks. Buildings 2021, 11(12), 586.

Buildings期刊简介

主编:David Arditi, Illinois Institute of Technology, USA

期刊领域涵盖建筑结构、建筑材料、建筑的维修和翻新、施工管理、建筑与环境、能源与建筑、建筑的运营维护和建筑设计等。

2020 Impact Factor: 2.648

2020 CiteScore: 4.2

Time to First Decision: 16.4 Days

Time to Publication: 40 Days

 
 
 
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