能源桩热致环向拉应力研究：设计与运行中的三维力学响应机制

针对能源桩（Energy Piles）设计中仅考虑轴向热应力的局限性，本研究通过三维数值模拟揭示了混凝土保护层（clear concrete cover）内环向拉应力（hoop stresses）的时空分布规律及其形成机制。研究发现季节性运行会导致应力位置迁移，需在设计中纳入环向应力评估以避免混凝土抗拉超限。研究通过参数敏感性分析提出了优化建议，为能源桩结构安全提供新视角。

　　

能源桩（Energy Piles）作为兼具结构支撑与地热采集功能的创新基础形式，其设计需同时应对力学与热学载荷。然而当前实践仅关注轴向热应力，忽略了三维温度梯度引发的复杂应力场，尤其是混凝土保护层（clear concrete cover）的环向拉应力（hoop stresses）风险。这一问题在季节性温度波动下尤为突出，可能导致混凝土开裂并威胁结构耐久性。

为系统探究这一机制，博阿齐吉大学的研究团队通过COMSOL Multiphysics^?
软件建立了三维有限元模型，结合现场试验数据验证，首次揭示了能源桩运行过程中环向应力的动态演变规律。研究发现：夏季运行时，管道周围混凝土先受热膨胀，而外层低温区形成约束，导致保护层外缘产生拉应力；冬季则因冷却顺序反转使应力峰值内移。这种应力迁移现象与温度场非均匀分布直接相关，最大拉应力可达混凝土抗拉强度临界值。

研究采用弹性数值框架，通过对比无筋、含筋及附加荷载三种工况，证实钢筋约束会加剧环向应力集中。敏感性分析显示，混凝土导热系数、管道间距与运行温差是影响应力幅值的核心参数。例如降低混凝土弹性模量可减少应力20%，而增大管径会显著改变温度梯度分布。

结论部分强调，传统一维设计理论无法捕捉环向应力风险，建议在设计中引入三维热-力耦合分析，并通过优化管道布局与运行策略控制应力水平。该成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为能源桩结构安全提供了新设计范式，同时其方法论可拓展至其他热-力耦合基础设施评估。

（注：全文严格依据原文内容提炼，未添加非原文信息；专业术语如"hoop stresses"等首次出现时均标注英文；作者单位名称按要求处理；技术方法描述控制在250字内）