鋼管混凝土桁梁疲勞性能與損傷失效機(jī)理研究

項(xiàng)目以疲勞作用下鋼管混凝土桁梁的疲勞性能和損傷失效機(jī)理為研究對(duì)象，進(jìn)行了鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞性能、鋼管混凝土桁梁的疲勞性能以及鋼管混凝土桁梁的疲勞損傷失效機(jī)理的研究。 研究結(jié)果表明，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力一般出現(xiàn)在冠點(diǎn)處，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)約為2.34~5.2。與空鋼管節(jié)點(diǎn)相比，填充混凝土后，相貫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中程度得到緩解，應(yīng)力集中程度的緩解使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命得到提高。在相同的疲勞壽命下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度得到提高，或者說(shuō)，在相同的疲勞強(qiáng)度下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命得到提高。 目前，我國(guó)的《鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）沒(méi)有關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞細(xì)節(jié)的規(guī)定，《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-T D65-06-2015）也只給出了節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的容許應(yīng)力幅，本項(xiàng)目的研究成果是對(duì)兩本規(guī)范有益的補(bǔ)充，也將對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用。 2100433B

鋼管混凝土桁梁具有優(yōu)越的力學(xué)性能和施工上的方便，在橋梁工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前這種結(jié)構(gòu)在疲勞方面的研究還比較少，現(xiàn)有的研究多集中在節(jié)點(diǎn)的疲勞性能方面，缺少整體疲勞性能的研究；疲勞荷載作用下鋼管混凝土桁梁的局部和整體結(jié)構(gòu)損傷失效模式和疲勞損傷累積發(fā)展規(guī)律方面的研究還有待于展開(kāi)。.本項(xiàng)目以疲勞作用下鋼管混凝土桁梁的疲勞性能和損傷失效機(jī)理為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鋼管混凝土桁架組合梁的疲勞損傷失效和力學(xué)模型研究、結(jié)構(gòu)整體的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，分析疲勞作用下的鋼管混凝土桁梁的疲勞性能、探討局部失效和整體失效之間的關(guān)系，建立鋼管混凝土桁梁的失效模式和損傷分析模型，探索鋼管混凝土桁梁的疲勞損傷力學(xué)特性，損傷演變規(guī)律和失效機(jī)理，項(xiàng)目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設(shè)計(jì)理論的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目擬對(duì)含缺陷自動(dòng)鋪絲復(fù)合材料構(gòu)件的損傷失效機(jī)理和承載能力開(kāi)展研究，針對(duì)含間隙、重疊、間隙/重疊、扭曲波紋四種典型纖維鋪放缺陷，開(kāi)展復(fù)合材料板殼的損傷演化行為的實(shí)驗(yàn)研究；發(fā)展典型缺陷相應(yīng)的損傷斷裂力學(xué)理論，建立適用的損傷分析模型來(lái)分析其損傷演變規(guī)律和失效行為；發(fā)展變角度鋪設(shè)、變剛度層合結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算理論，提出相應(yīng)的有限元分析方法；針對(duì)預(yù)設(shè)不同鋪放缺陷形式的加筋板殼結(jié)構(gòu)，開(kāi)展其屈曲和后屈曲過(guò)程中的損傷失效行為和承載能力研究，為含缺陷自動(dòng)鋪絲復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能評(píng)估提供分析工具。

研究型鋼混凝土（SRC）梁高周疲勞性能與損傷機(jī)理及設(shè)計(jì)理論既是這種新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)更廣闊應(yīng)用場(chǎng)合和條件下的耐久性需要，也是結(jié)構(gòu)工程學(xué)科基礎(chǔ)理論發(fā)展的要求。研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是：（1）SRC梁高周疲勞全過(guò)程的性能與機(jī)理，SRC梁中型鋼、鋼筋、混凝土、栓釘剪力件等各組成部分的相互聯(lián)系與效應(yīng)，與型鋼梁、鋼筋混凝土梁等其它梁疲勞性能上的異、同性；（2）SRC梁各組成部分的疲勞裂紋形成、擴(kuò)展規(guī)律與機(jī)制，疲勞裂紋擴(kuò)展模型的數(shù)值化計(jì)算理論與方法；（3）SRC梁疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與準(zhǔn)則。本項(xiàng)目改變以往結(jié)構(gòu)疲勞完全依賴(lài)試驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸的研究方法，遵循輔助適量試驗(yàn)、強(qiáng)化分析預(yù)測(cè)的學(xué)術(shù)思想，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用斷裂力學(xué)原理與數(shù)值模型的分析方法去揭示SRC梁疲勞性能的機(jī)理和參數(shù)效應(yīng)，獲得循環(huán)應(yīng)力、疲勞裂紋尺度、壽命三者之間的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)展鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)疲勞學(xué)科的理論分析水平。

獲2019年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

主要完成人：韓林海、楊有福、楊華、李威

主要完成單位：清華大學(xué)、福州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)

該項(xiàng)目屬于土木建筑工程領(lǐng)域 。項(xiàng)目準(zhǔn)確揭示了核心混凝土被動(dòng)約束機(jī)制的科學(xué)難題，建立了其通用型本構(gòu)模型，闡明了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理、受力性能和計(jì)算方法，系統(tǒng)建立了基于全壽命周期的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)分析理論體系。主要成果被多部教材/專(zhuān)著、國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采納，并被直接應(yīng)用于多個(gè)標(biāo)志性工程設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展。

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