鋼管混凝土桁梁疲勞性能與損傷失效機理研究

項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理為研究對象，進行了鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能、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理的研究。 研究結果表明，鋼管混凝土節(jié)點的熱點應力一般出現在冠點處，鋼管混凝土節(jié)點的應力集中系數約為2.34~5.2。與空鋼管節(jié)點相比，填充混凝土后，相貫節(jié)點的應力集中程度得到緩解，應力集中程度的緩解使得鋼管混凝土節(jié)點的疲勞強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)點的疲勞強度得到提高，或者說，在相同的疲勞強度下，填充混凝土使得鋼管混凝土節(jié)點的疲勞壽命得到提高。 目前，我國的《鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）沒有關于鋼管混凝土節(jié)點疲勞細節(jié)的規(guī)定，《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》（JTG-T D65-06-2015）也只給出了節(jié)點疲勞設計的容許應力幅，本項目的研究成果是對兩本規(guī)范有益的補充，也將對鋼管混凝土結構橋梁的應用起到一定的推動作用。 2100433B

鋼管混凝土桁梁具有優(yōu)越的力學性能和施工上的方便，在橋梁工程中具有廣闊的應用前景，但目前這種結構在疲勞方面的研究還比較少，現有的研究多集中在節(jié)點的疲勞性能方面，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構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。.本項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理為研究對象，通過對鋼管混凝土桁架組合梁的疲勞損傷失效和力學模型研究、結構整體的數值模擬與試驗研究，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特性，損傷演變規(guī)律和失效機理，項目的研究可為鋼管混凝土桁梁疲勞設計理論的發(fā)展提供理論基礎。

本項目擬對含缺陷自動鋪絲復合材料構件的損傷失效機理和承載能力開展研究，針對含間隙、重疊、間隙/重疊、扭曲波紋四種典型纖維鋪放缺陷，開展復合材料板殼的損傷演化行為的實驗研究；發(fā)展典型缺陷相應的損傷斷裂力學理論，建立適用的損傷分析模型來分析其損傷演變規(guī)律和失效行為；發(fā)展變角度鋪設、變剛度層合結構的剛度計算理論，提出相應的有限元分析方法；針對預設不同鋪放缺陷形式的加筋板殼結構，開展其屈曲和后屈曲過程中的損傷失效行為和承載能力研究，為含缺陷自動鋪絲復合材料構件的力學性能評估提供分析工具。

研究型鋼混凝土（SRC）梁高周疲勞性能與損傷機理及設計理論既是這種新型鋼-混凝土組合結構更廣闊應用場合和條件下的耐久性需要，也是結構工程學科基礎理論發(fā)展的要求。研究內容和關鍵的科學問題是：（1）SRC梁高周疲勞全過程的性能與機理，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，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、擴展規(guī)律與機制，疲勞裂紋擴展模型的數值化計算理論與方法；（3）SRC梁疲勞強度設計理論與準則。本項目改變以往結構疲勞完全依賴試驗、數理統(tǒng)計回歸的研究方法，遵循輔助適量試驗、強化分析預測的學術思想，特別強調應用斷裂力學原理與數值模型的分析方法去揭示SRC梁疲勞性能的機理和參數效應，獲得循環(huán)應力、疲勞裂紋尺度、壽命三者之間的內在關系，發(fā)展鋼－混凝土組合結構疲勞學科的理論分析水平。

獲2019年度國家自然科學獎二等獎

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、福州大學、哈爾濱工業(yè)大學

該項目屬于土木建筑工程領域 。項目準確揭示了核心混凝土被動約束機制的科學難題，建立了其通用型本構模型，闡明了鋼管混凝土結構的損傷機理、受力性能和計算方法，系統(tǒng)建立了基于全壽命周期的鋼管混凝土結構分析理論體系。主要成果被多部教材/專著、國家/行業(yè)標準采納，并被直接應用于多個標志性工程設計，實質性地推動了結構工程學科發(fā)展。

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