全面考慮次內(nèi)力的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土（PSRC）結(jié)構(gòu)是在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中布置并張拉預(yù)應(yīng)力筋的一種新型組合結(jié)構(gòu)，兼具鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的多重優(yōu)點(diǎn)，適合用于大跨、重載結(jié)構(gòu)。由于對其認(rèn)識仍存在不足，許多方面還需研究。本課題主要完成了以下研究內(nèi)容：（1）完成了兩榀大尺寸（跨長8.2m，高1.855m）PSRC框架的豎向單調(diào)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：框架梁發(fā)生延性破壞，屈服前，平均應(yīng)變的平截面假定符合較好。型鋼受拉翼緣屈服后，平截面假定不再成立。最后框架梁端形成塑性鉸實(shí)現(xiàn)了塑性內(nèi)力重分布。位移延性比大于3，彎矩調(diào)幅值為30%左右。提出了考慮次彎矩、次軸力的PSRC梁的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計(jì)算公式，并對試件做了有限元模擬和參數(shù)分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。同時(shí)給出考慮框架作用的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土框架梁的構(gòu)造和施工建議。還對無粘結(jié)PSRC梁做了相應(yīng)數(shù)值模擬和分析。（2）對 1 榀僅柱中內(nèi)置型鋼和 1 榀梁柱均內(nèi)置型鋼的大尺寸PSRC框架進(jìn)行了豎向低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明，梁內(nèi)有型鋼的試件性能更好。PSRC框架梁的向下位移延性系數(shù)達(dá) 4.77。提出了恢復(fù)力模型。與預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）相比，PSRC除恢復(fù)性較差之外，其余性能均優(yōu)于PC。試件的考慮粘結(jié)滑移的有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。進(jìn)而，用經(jīng)試驗(yàn)標(biāo)定的有限元模型進(jìn)行了PSRC框架在水平、豎向地震動下的動力時(shí)程參數(shù)分析，評價(jià)了其抗倒塌能力。（3）進(jìn)行了考慮次內(nèi)力影響的PC框架實(shí)際施工過程研究。（4）進(jìn)行了實(shí)際PC工程的收縮徐變效應(yīng)測試分析，并做了PSRC收縮徐變效應(yīng)的理論分析，導(dǎo)出了由收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失及截面應(yīng)力重分布的計(jì)算公式。（5）進(jìn)行了4批考慮法向壓力的型鋼與混凝土間粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)，包括有無栓釘、單調(diào)與反復(fù)加載等不同情況，發(fā)現(xiàn)了動力粘滑現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的各種情況下的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。（6）提出了非線性階段次彎矩的新概念，進(jìn)行了10根梁的試驗(yàn)，做了180個試件的數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了PC連續(xù)梁次彎矩演化及彎矩調(diào)幅，提出了無粘結(jié)PC連續(xù)梁的彎矩調(diào)幅公式。本課題所提計(jì)算理論反映了現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)理論的新思想，使相關(guān)設(shè)計(jì)更合理，具有應(yīng)用前景，可為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制提供依據(jù)。 2100433B

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新的現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)現(xiàn)代建筑向大跨度大懸挑、超高層及高聳建筑發(fā)展的趨勢。對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，可以擴(kuò)大材料的彈性范圍，更加充分利用高強(qiáng)材料，提高結(jié)構(gòu)極限承載力，增強(qiáng)型鋼混凝土梁的剛度。本課題以有側(cè)向約束影響的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系為研究對象，研究考慮復(fù)雜約束以及型鋼和混凝土粘結(jié)滑移影響下的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)受力特征，用約束系數(shù)的觀點(diǎn)來建立結(jié)構(gòu)體系約束對梁柱的簡化次內(nèi)力計(jì)算方法，建立基于全面考慮次內(nèi)力的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。充實(shí)課題組主編的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

根據(jù)項(xiàng)目研究目標(biāo)，通過室內(nèi)試驗(yàn)、室外試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，以及理論研究、數(shù)值分析，工程應(yīng)用研究，取得了一系列有重要理論意義的成果。主要成果有： ?土的應(yīng)力狀態(tài)方程 針對土三相體特點(diǎn)，考慮土孔隙面積比，根據(jù)應(yīng)力平衡條件，建立了土應(yīng)力狀態(tài)方程。 ?修正莫爾?庫倫準(zhǔn)則 針對不同級配的標(biāo)準(zhǔn)干砂，在不同固結(jié)壓力下進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，探討了不同初始相對密實(shí)度對砂土抗剪強(qiáng)度的影響。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果建立了砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與初始相對密實(shí)度之間的關(guān)系，進(jìn)而考慮初始相對密實(shí)度對莫爾?庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行修正。 ?提出了兩相非連續(xù)介質(zhì)固結(jié)理論 非連續(xù)、兩相耦合是飽和軟土的重要特征。項(xiàng)目研究建立了非連續(xù)兩相耦合的固結(jié)理論，考慮水、土作用面積的獨(dú)立性，改進(jìn)了有效應(yīng)力的計(jì)算理論，該理論可以解釋阿基米德無法解釋的浮力問題。 ? ?建立了適用于軟黏土的本構(gòu)模型 針對軟黏土的工程特性，以及低應(yīng)力和高應(yīng)力狀態(tài)下Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和橢圓屈服準(zhǔn)則的不足。建立了以蛋形屈服面的彈塑性本構(gòu)模型，建立了模型參數(shù)與土體物理參數(shù)之間的關(guān)系，可以更好地反映土體實(shí)際情況。 ? ?建立了土的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)的聯(lián)系 以浙大紫金港軟黏土為研究對象，采用SEM電鏡研究黏土微觀結(jié)構(gòu)，對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，描述微觀形貌特征。基于Image Pro-Plus軟件對SEM圖像作定量分析，提出基于實(shí)測孔隙率的灰度閾值分割方法處理圖像技術(shù)，重點(diǎn)測定了接觸面積，并得到孔隙面積比與孔隙率的定量關(guān)系。 ?考慮顆粒接觸面積的土壓力計(jì)算理論 為了尋求更加合理的土壓力計(jì)算理論，對杭州、寧波及奉化軟土進(jìn)行了大量的SEM圖像掃描，從土體的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)了軟土孔隙率與接觸面積率的關(guān)系，結(jié)合土體側(cè)向應(yīng)力傳遞的原理，建立了考慮接觸面積的土壓力計(jì)算理論。 共發(fā)表論文22篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄17篇，ISTP收錄2篇。培養(yǎng)博士3名，碩士3名，博士后1名。申請發(fā)明專利1項(xiàng)，完成專著書稿1本，完成項(xiàng)目鑒定1項(xiàng)。 該項(xiàng)目圓滿完成了規(guī)定的內(nèi)容，研究成果有力推動了非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的發(fā)展，并為宏微觀兩方面建起橋梁。 2100433B