服役環(huán)境下鋼管混凝土界面特征與性能優(yōu)化

長期、往復(fù)、惡劣的野外環(huán)境影響下的鋼管混凝土界面脫粘，危害著鋼管混凝土的長期工作性能和結(jié)構(gòu)安全。本項(xiàng)目結(jié)合環(huán)境模擬試驗(yàn)、有限元法、熱彈性力學(xué)理論等方法，完成了溫度沖擊、太陽輻射與軸壓荷載耦合作用下鋼管混凝土截面溫度場(chǎng)、界面性能與界面優(yōu)化理論等方面的研究工作，取得了如下研究成果：（1）設(shè)計(jì)制作了鋼管混凝土熱-力耦合試驗(yàn)爐，試驗(yàn)研究分析了溫度沖擊作用下鋼管混凝土截面溫度分布規(guī)律及界面性能，試驗(yàn)研究分析了熱-力耦合作用下鋼管混凝土界面性能劣化過程及其規(guī)律；（2）設(shè)計(jì)制作了太陽輻射環(huán)境模擬器，試驗(yàn)研究分析了太陽輻射作用下鋼管混凝土截面溫度梯度非線性分布特征，試驗(yàn)研究分析了太陽輻射-軸壓荷載耦合作用下鋼管混凝土向陽面、背陽面鋼管壁與界面的彈塑性發(fā)展歷程；（3）為實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土界面性能優(yōu)化，提出并推導(dǎo)得到了鋼管混凝土膨脹率“可行域”，推導(dǎo)了鋼管混凝土自由膨脹率與限制膨脹率、鋼管膨脹混凝土自應(yīng)力與自由膨脹率的解析關(guān)系，理論推導(dǎo)得到軸對(duì)稱變溫條件下鋼管混凝土脫空間隙計(jì)算公式。本項(xiàng)目首次試驗(yàn)研究了服役環(huán)境對(duì)鋼管混凝土工作性能的影響及其變化規(guī)律，并推導(dǎo)得到為實(shí)現(xiàn)界面性能優(yōu)化的鋼管混凝土膨脹性能設(shè)計(jì)的系列理論指標(biāo)。項(xiàng)目在鋼管混凝土的環(huán)境模擬試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果、界面優(yōu)化理論等方面的研究成果，具有較好的應(yīng)用與參考價(jià)值。 2100433B

鋼管混凝土是在我國得到廣泛工程應(yīng)用的組合結(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)異性能依賴于鋼管混凝土間的復(fù)合作用。而工程實(shí)踐顯示，在野外環(huán)境下存在鋼管混凝土界面脫粘現(xiàn)象，這勢(shì)必影響鋼管混凝土的工作性能與結(jié)構(gòu)安全。以往對(duì)鋼管混凝土界面的研究只注重軸壓荷載作用下軸向粘結(jié)性能，而良好的徑向作用是鋼管混凝土套箍效應(yīng)發(fā)生的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目通過太陽輻射模擬試驗(yàn)、加速溫度沖擊循環(huán)試驗(yàn)等環(huán)境模擬試驗(yàn)方法，研究太陽輻射、溫度驟變、軸壓荷載、混凝土收縮徐變等多因素作用下鋼管混凝土界面特征，揭示服役環(huán)境下鋼管混凝土界面脫粘機(jī)理；研究熱、力作用下保持良好協(xié)同工作狀態(tài)的核心混凝土限制膨脹率合理域及其計(jì)算理論，并以抵御外界惡劣環(huán)境長期交替、反復(fù)作用為目標(biāo)，通過核心混凝土膨脹性能精細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土界面性能優(yōu)化，增強(qiáng)鋼管混凝土的環(huán)境魯棒性，為保障鋼管混凝土長期工作性能提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

隨著鋼管混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用日益增多，其發(fā)生火災(zāi)的概率也隨之提高。深入研究其火災(zāi)后的力學(xué)性能和承載力損傷，對(duì)合理制定該類結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的修復(fù)加固措施非常必要。特別對(duì)于受火后的建筑，是拆除重建還是修復(fù)加固，將直接產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 鋼管混凝土的界面粘結(jié)性能是鋼管和混凝土之間共同受力與協(xié)調(diào)變形的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土界面粘結(jié)性能的研究大多局限于常溫下的研究，對(duì)于受火災(zāi)作用后以及高溫下的研究很少。已有的研究表明，鋼材和混凝土的材料性能在高溫下和高溫后均有不同程度的劣化，導(dǎo)致火災(zāi)下和火災(zāi)后的鋼與混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生損失，從而對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的變形和承載力產(chǎn)生較大影響。 基于以上背景，同時(shí)本文對(duì)經(jīng)歷升、降溫火災(zāi)后以及高溫下鋼管混凝土界面的粘結(jié)性能進(jìn)行研究。主要工作和成果如下： （1）進(jìn)行了52根鋼管混凝土柱試件的火災(zāi)升、降溫試驗(yàn)與火災(zāi)后反復(fù)推出試驗(yàn)，分析了截面類型、鋼管徑厚比、長徑比、升溫時(shí)間、降溫速率及火災(zāi)類型等因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度與荷載—滑移曲線的影響，并得到了界面粘結(jié)力的分布規(guī)律。 （2）進(jìn)行了23個(gè)恒高溫下鋼管混凝土試件的推出滑移試驗(yàn)，主要研究參數(shù)包括恒溫溫度、長徑比和徑厚比等。試驗(yàn)結(jié)果表明，在20℃～900℃研究范圍內(nèi)，恒溫溫度和長徑比對(duì)圓鋼管混凝土平均粘結(jié)強(qiáng)度有顯著的影響，而鋼管徑厚比對(duì)平均粘結(jié)強(qiáng)度影響很小。 （3）基于本文試驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，分別確定了影響火災(zāi)后和火災(zāi)下鋼管與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，回歸了火災(zāi)后和火災(zāi)下粘結(jié)強(qiáng)度以及峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移值公式，并修正了火災(zāi)后和火災(zāi)下界面粘結(jié)力—相對(duì)滑移本構(gòu)關(guān)系。 （4）基于火災(zāi)后和火災(zāi)下鋼管混凝土界面粘結(jié)力—相對(duì)滑移本構(gòu)關(guān)系模型，建立了考慮鋼管與混凝土相互作用的鋼管混凝土火災(zāi)后和火災(zāi)下推出滑移的精細(xì)有限元模型，采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；基于建立的有限元模型，深入探討鋼管混凝土的粘結(jié)滑移機(jī)理；并將相關(guān)模型和技術(shù)應(yīng)用于包含鋼管與混凝土的組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究中。 2100433B

鋼管混凝土充分發(fā)揮了混凝土和鋼材的優(yōu)點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管與混凝土之間的粘結(jié)作用是兩者能共同工作的基礎(chǔ)。目前，已有不少關(guān)于其常溫下界面粘結(jié)性能的研究，相比火災(zāi)后粘結(jié)性能的研究比較少。因此，開展該方面的研究具有重要的理論應(yīng)用和應(yīng)該價(jià)值。 本項(xiàng)目采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入研究火災(zāi)后鋼管混凝土界面的粘結(jié)性能。首先開展鋼管混凝土試件的升、降溫火災(zāi)試驗(yàn)和相應(yīng)火災(zāi)后推出試驗(yàn)，分析界面粘結(jié)力的傳遞規(guī)律及各參數(shù)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出火災(zāi)后粘結(jié)強(qiáng)度公式和粘結(jié)力-相對(duì)滑移本構(gòu)關(guān)系；接著建立考慮材料劣化以及鋼管與混凝土相互作用的鋼管混凝土火災(zāi)后推出滑移的精細(xì)有限元模型，采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；基于建立的有限元模型，深入探討鋼管混凝土的粘結(jié)滑移機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行考慮界面粘結(jié)滑移的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)）火災(zāi)后承載力的參數(shù)分析，得到各參數(shù)的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)建議。

針對(duì)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)界的散熱瓶頸關(guān)鍵技術(shù)問題，以芯片與熱沉的特殊焊料連接界面為研究對(duì)象，研究大面積薄層金屬/薄層焊料/薄層金屬的鍵合反應(yīng)及服役效能。本項(xiàng)目擬采用焊劑共晶技術(shù)或真空共晶技術(shù)，研究制程參數(shù)對(duì)界面微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，分析多層界面耦合反應(yīng)和缺陷形成機(jī)制，項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)將揭示焊料薄層界面連接的界面鍵合機(jī)制和相應(yīng)鍵合模型。研究界面在力、電和熱單場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用下，多層連接界面的微觀組織結(jié)構(gòu)和空洞的演化規(guī)律，分析多層反應(yīng)耦合作用下界面的損傷規(guī)律和失效行為，建立界面的失效機(jī)制模型，提出延緩界面失效的有效途徑。項(xiàng)目的研究成果對(duì)于進(jìn)一步揭示研究金屬薄層與焊料薄層的界面反應(yīng)方面具有重要意義，為電子封裝技術(shù)中高密度、微小尺度材料連接的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。