高性能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁體系研究

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁通過充分發(fā)揮不同材料的特點，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力、減輕結(jié)構(gòu)自重、方便結(jié)構(gòu)施工、增強結(jié)構(gòu)耐久性及改善經(jīng)濟指標方面更具競爭優(yōu)勢，是高性能橋梁結(jié)構(gòu)體系的突出代表之一。本項目通過試驗研究、數(shù)值模擬、理論分析以及優(yōu)化設計等手段，從新型結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵靜力性能以及體系抗震性能三個方面展開研究，主要完成的研究工作和取得的研究成果包括：（1）研發(fā)抗拔不抗剪綜合抗裂新技術(shù)、雙重組合作用技術(shù)、新型波形鋼腹板組合橋、新型組合剛構(gòu)橋以及超高性能混凝土組合橋面系等多種受力性能優(yōu)越的組合結(jié)構(gòu)橋梁新形式和新技術(shù)，并提出相應的設計方法和構(gòu)造措施；（2）針對不同形式新型組合結(jié)構(gòu)橋梁體系開展了系列模型試驗研究，深入研究了包括曲線組合梁橋、斜拉橋組合橋面系、懸索橋組合橋面系等復雜組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的空間受力行為，全面揭示鋼-混凝土界面、抗拔不抗剪連接件、鋼混結(jié)合段等局部受力性能，分析了組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的全過程非線性受力行為；（3）在試驗研究以及有限元數(shù)值模擬參數(shù)分析的基礎上，建立了可考慮滑移、剪力滯后效應、施工全過程、收縮徐變、混凝土開裂、預應力等因素共同影響的組合結(jié)構(gòu)橋梁體系統(tǒng)一理論分析模型；（4）通過消能元件、減震構(gòu)件及抗震體系的試驗和理論研究，建立可考慮關(guān)鍵組合構(gòu)件復雜受力工況的組合結(jié)構(gòu)橋梁體系抗震反應4D分析模型，研究組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的地震反應機理和損傷演變規(guī)律；（5）基于大型通用有限元程序提供的子程序接口，開發(fā)出多個組合結(jié)構(gòu)橋梁體系中關(guān)鍵元件的分析程序，集成組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的多尺度數(shù)值模型，建立了針對組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的準確、高效且便捷的計算分析手段；（6）提出的組合結(jié)構(gòu)橋梁體系新型結(jié)構(gòu)形式、靜力性能分析方法和抗震設計理論等成果在天津海河吉兆橋、重慶永川長江大橋、洞庭湖大橋等重大橋梁工程中得到實踐和應用，可為高性能組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的設計和分析提供重要科學依據(jù)。 2100433B

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁通過充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，在受力、施工、耐久、經(jīng)濟等方面能夠表現(xiàn)出很高的綜合性能，已成為橋梁工程未來的重要發(fā)展方向之一。本項目擬針對組合結(jié)構(gòu)橋梁當前研究的不足和發(fā)展趨勢，對組合結(jié)構(gòu)橋梁體系展開全面深入的研究，具體內(nèi)容包括：提出多種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)化形式，并對其開展大比例模型試驗，研究全過程工作機理，建立相關(guān)的計算模型和設計方法；針對組合結(jié)構(gòu)橋梁的基本受力特征，對其靜力行為和受力機理展開研究，建立較為完善的考慮施工全過程、收縮徐變、混凝土開裂、滑移效應及預應力等因素共同影響的計算模型；針對組合結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能，研究關(guān)鍵構(gòu)件在復雜邊界條件下的滯回性能，提煉能充分反映組合結(jié)構(gòu)復雜受力狀態(tài)的高效數(shù)值模型，建立能準確反映結(jié)構(gòu)在地震作用下受力特征的組合結(jié)構(gòu)橋梁體系地震反應分析模型，提出適用于組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的抗震設計方法及減震控制措施。

鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠充分發(fā)揮鋼材與混凝土的性能，應用于超高層建筑結(jié)構(gòu)具有顯著的經(jīng)濟技術(shù)效益和社會效益。目前，國內(nèi)外對組合構(gòu)件已開展了大量的研究工作，但在結(jié)構(gòu)體系層次上的研究還不成熟。本項目通過對超高層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，提出組合筒體－組合框架結(jié)構(gòu)、巨型組合框架結(jié)構(gòu)、鋼－混凝土組合轉(zhuǎn)換層和組合加強層結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)體系。通過對這些新型結(jié)構(gòu)體系及其關(guān)鍵部位的試驗，并結(jié)合數(shù)值計算和參數(shù)分析，將重點研究新型組合結(jié)構(gòu)體系考慮滑移效應的空間計算理論，建立考慮二階效應的局部與整體穩(wěn)定分析理論，并提出系統(tǒng)的抗震設計理論。在總結(jié)上述研究成果的基礎上，將建立新型鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)體系及其關(guān)鍵部位的設計方法，并提出相應的構(gòu)造措施。項目的研究成果將有利于進一步提升我國超高層建筑結(jié)構(gòu)的科技含量，對促進我國建筑行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展有所貢獻。 2100433B

本項目通過對現(xiàn)代木-混凝土組合橋梁進行理論分析和試驗研究，揭示現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)共同受力機理和破壞模式，并建立現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁設計理論，取得了以下研究成果： 1、通過對現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)進行推出試驗，揭示了現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)典型破壞形態(tài)，獲得了各類抗剪連接件的抗剪承載力、抗剪剛度和荷載-滑移曲線等性能指標。 2、通過對木-混凝土組合結(jié)構(gòu)槽口-栓釘連接件和螺栓連接件的抗剪承載力進行理論分析，提出了兩種連接件的抗剪承載力理論計算公式。比較試驗結(jié)果和理論公式計算結(jié)果，木-混凝土組合結(jié)構(gòu)槽口-栓釘連接件抗剪承載力公式預測誤差小于8%。因此，木-混凝土組合結(jié)構(gòu)釘類連接件理論公式能較好的預測木-混凝土組合結(jié)構(gòu)釘類連接件的抗剪承載力。 3、通過對現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行靜力試驗，揭示了該類組合結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的受力性能。結(jié)果表明，通過剪力連接件混凝土板和木梁能共同工作，協(xié)同變形。當交界面剪力超過混凝土和木梁之間的摩擦力后，交界面剪力完全由連接件承擔。 4、通過對現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁足尺模型進行靜、動力試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土板與膠合木梁能夠有效地共同工作。當處于彈性變形階段時，混凝土板與膠合木梁有共同的中性軸，組合結(jié)構(gòu)滿足平截面假定。通過對現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁進行長期性能試驗研究，得到５個月的跨中截面混凝土上緣應變時變曲線、木梁下緣應變時變曲線、跨中變形時變曲線。進一步，得到木-混凝土組合梁橋跨中截面混凝土應變徐變曲線和木梁應變徐變曲線?；贛idas Civil有限元分析模型，采用試驗得到的徐變曲線，對木-混凝土組合梁橋后期徐變進行預測，得到了跨中截面應力與撓度的長期增長系數(shù)，提出了適用于木-混組合梁橋跨中截面撓度長期荷載效應計算公式。 5、通過對現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)螺栓連接件進行低周反復荷載試驗，揭示木-混凝土螺栓組合結(jié)構(gòu)的滯回曲線具備以下特點：（1）非線性、非彈性；（2）每個加載周期均發(fā)生剛度退化；（3）同一位移幅值下，強度隨荷載循環(huán)發(fā)生退化；（4）滯回環(huán)緊縮效應。 2100433B