長期荷載作用下鋼-竹組合構(gòu)件受力性能與設(shè)計(jì)方法研究

竹材人造板與冷彎薄壁型鋼復(fù)合而成的鋼-竹組合構(gòu)件有利于充分發(fā)揮材料的高強(qiáng)度，由于竹材的蠕變和鋼-竹界面的滑移，其長期受力性能是影響實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵。本項(xiàng)目系統(tǒng)研究竹材人造板的蠕變特性和鋼-竹界面粘結(jié)性能的時(shí)隨效應(yīng)，以及長期荷載作用下鋼-竹組合構(gòu)件的變形特征、承載能力變化規(guī)律和力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法。通過試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算，構(gòu)建考慮應(yīng)力水平和環(huán)境條件影響的竹材人造板蠕變模型，闡明長期荷載作用下鋼-竹界面粘結(jié)性能退化機(jī)制，建立其粘結(jié)強(qiáng)度模型；明確鋼-竹組合構(gòu)件長期受力性能與加荷水平、截面含鋼率、軸壓比、長細(xì)比之間的關(guān)系，揭示組合構(gòu)件的長期變形規(guī)律和承載能力退化規(guī)律；基于材料、界面及構(gòu)件的長期性能研究結(jié)果建立鋼-竹組合構(gòu)件長期變形和承載能力計(jì)算理論，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件長期力學(xué)性能的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，提出便于操作的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，為確保鋼-竹組合構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)體系在整個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的安全性提供必要的理論基礎(chǔ)。

竹材人造板與冷彎薄壁型鋼間通過膠粘劑復(fù)合而成的鋼-竹組合構(gòu)件，有利于充分發(fā)揮材料的高強(qiáng)度，并可提高薄壁型鋼抗失穩(wěn)屈曲承載能力，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)體系良好的節(jié)能環(huán)保效果，而鋼-竹界面的粘結(jié)作用是保證組合構(gòu)件中型鋼與竹板整體工作和共同受力的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目擬通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與理論分析，針對鋼-竹界面的粘結(jié)機(jī)理、粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系以及鋼-竹組合構(gòu)件的縱向剪切受力變形特征、縱向剪力傳遞機(jī)制、縱向受剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算等進(jìn)行深入探討。通過本項(xiàng)目的研究，將建立鋼-竹界面的粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算理論和粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，合理評(píng)價(jià)長期荷載、反復(fù)荷載以及沖擊荷載作用對鋼-竹界面粘結(jié)性能的影響，揭示鋼-竹組合構(gòu)件的縱向剪力傳遞機(jī)制和影響縱向抗剪強(qiáng)度的各種因素，提出鋼-竹組合構(gòu)件的縱向受剪承載力計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法，從而為鋼-竹界面的可靠粘結(jié)和鋼-竹組合構(gòu)件的縱向抗剪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以促進(jìn)建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

鋼-竹界面的粘結(jié)作用是保證鋼-竹組合構(gòu)件中型鋼與竹板整體工作和共同受力的基礎(chǔ)。通過本項(xiàng)目研究獲得如下結(jié)論：(1) 短期荷載作用下鋼-竹界面剪切粘結(jié)性能良好，復(fù)合膠結(jié)型界面試件的破壞具有明顯的延性特征；外貼竹板正應(yīng)力試驗(yàn)值與擬合值吻合度高，以此為基礎(chǔ)計(jì)算剪應(yīng)力與相對滑移較為可靠；鋼-竹界面剪應(yīng)力與相對滑移分布具有兩頭大中間小的特征，且界面下端的剪應(yīng)力和滑移量明顯大于界面上端，剪應(yīng)力最大值約為1.64MPa；鋼-竹界面剪切粘結(jié)承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值之間吻合較好，其計(jì)算誤差小于8%。(2)長期荷載作用后試件界面完整性良好，復(fù)合膠結(jié)型界面試件的破壞具有顯著的延性特征；2組單純膠結(jié)型界面試件在長期荷載作用下承載力發(fā)生衰減，衰減系數(shù)分別為0.91與0.81；單純膠結(jié)型界面的剪應(yīng)力與相對滑移分布具有兩頭大中間小的特征，界面最大剪應(yīng)力分別為1.41MPa和1.25MPa，與短期荷載試驗(yàn)相比約衰減10%和20%，界面的相對滑移則略有增長；長期荷載作用下復(fù)合膠結(jié)型界面的承載力、粘結(jié)剪應(yīng)力及相對滑移與短期荷載試驗(yàn)相比不發(fā)生顯著變化，自攻螺釘可有效提高界面抗剪能力，按80mm間距加設(shè)自攻螺釘后界面最大剪應(yīng)力可達(dá)到1.7MPa。(3)反復(fù)荷載作用后的單純膠結(jié)型界面剪應(yīng)力與相對滑移分布呈現(xiàn)兩頭大中間小的特征，界面最大剪應(yīng)力約為1.84MPa，與未施加反復(fù)荷載的試件相比約衰減5%-10%，界面相對滑移則略有增長，反復(fù)荷載加載位移處于非線性階段時(shí)界面承載力約衰減20%。復(fù)合膠結(jié)型界面試件反復(fù)荷載作用后其承載力、粘結(jié)剪應(yīng)力及相對滑移不發(fā)生顯著變化。鋼-竹組合試件在不同沖擊速度下，沖擊力大小隨沖擊速度的增加而逐漸上升，沖擊速度對沖擊力－沖頭位移曲線沒有太大影響。靜態(tài)試件的壓入試驗(yàn)曲線與動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)曲線基本重合，在低速?zèng)_擊試驗(yàn)速度范圍內(nèi)試件沒有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。(4) 增大粘結(jié)面寬度和腹板高度、減小剪跨比，能有效提高鋼-竹組合工字形梁的縱向抗剪承載力，同時(shí)限制撓度發(fā)展；復(fù)合膠結(jié)型組合樓板與單純膠結(jié)型樓板相比，承載力提高，材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，破壞前具有明顯預(yù)兆。提出了鋼-竹組合梁、板縱向抗剪承載力計(jì)算公式及考慮滑移效應(yīng)的變形分析理論，并進(jìn)行了有限元分析，組合梁、板在極限荷載作用下的撓度變形、界面滑移及縱向抗剪承載力的理論值、試驗(yàn)值及模擬值之間吻合較好。 2100433B

鋼管混凝土混合柱由鋼管混凝土格構(gòu)柱和鋼管混凝土復(fù)合柱組成（其中，鋼管混凝土復(fù)合柱是以鋼管混凝土為柱肢、鋼筋混凝土板為綴板的多肢柱）。它具有構(gòu)造簡單、節(jié)約材料、施工方便、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于高墩和大跨鋼管混凝土桁肋拱中，是一種具有發(fā)展?jié)摿?、值得深入研究的新型組合結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目將對這種等截面和變截面的鋼管混凝土復(fù)合柱和混合柱進(jìn)行在單次荷載和往復(fù)荷載作用下的受力性能的理論分析、試驗(yàn)研究和有限元分析，了解結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件之間的傳力機(jī)理，提出合理的構(gòu)造措施；了解結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和極限承載能力，提出極限承載力的實(shí)用計(jì)算方法；了解其滯回特性、耗能能力等，提出恢復(fù)力曲線計(jì)算方法，為抗震設(shè)計(jì)服務(wù)。研究將抓住新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，在了解鋼管混凝土復(fù)合柱受力性能的基礎(chǔ)上，給出設(shè)計(jì)方法，為工程應(yīng)用服務(wù)，為推動(dòng)我國結(jié)合結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用與科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。