高性能鋼-混凝土組合結構橋梁體系研究

鋼-混凝土組合結構橋梁通過充分發(fā)揮不同材料的特點，在優(yōu)化結構受力、減輕結構自重、方便結構施工、增強結構耐久性及改善經濟指標方面更具競爭優(yōu)勢，是高性能橋梁結構體系的突出代表之一。本項目通過試驗研究、數值模擬、理論分析以及優(yōu)化設計等手段，從新型結構體系、關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、雙重組合作用技術、新型波形鋼腹板組合橋、新型組合剛構橋以及超高性能混凝土組合橋面系等多種受力性能優(yōu)越的組合結構橋梁新形式和新技術，并提出相應的設計方法和構造措施；（2）針對不同形式新型組合結構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構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、鋼混結合段等局部受力性能，分析了組合結構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值模擬參數分析的基礎上，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構橋梁體系統一理論分析模型；（4）通過消能元件、減震構件及抗震體系的試驗和理論研究，建立可考慮關鍵組合構件復雜受力工況的組合結構橋梁體系抗震反應4D分析模型，研究組合結構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)出多個組合結構橋梁體系中關鍵元件的分析程序，集成組合結構橋梁體系的多尺度數值模型，建立了針對組合結構橋梁體系的準確、高效且便捷的計算分析手段；（6）提出的組合結構橋梁體系新型結構形式、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，可為高性能組合結構橋梁體系的設計和分析提供重要科學依據。 2100433B

鋼-混凝土組合結構橋梁通過充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，在受力、施工、耐久、經濟等方面能夠表現出很高的綜合性能，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構橋梁當前研究的不足和發(fā)展趨勢，對組合結構橋梁體系展開全面深入的研究，具體內容包括：提出多種新型組合結構橋梁優(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，建立相關的計算模型和設計方法；針對組合結構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；針對組合結構橋梁的抗震性能，研究關鍵構件在復雜邊界條件下的滯回性能，提煉能充分反映組合結構復雜受力狀態(tài)的高效數值模型，建立能準確反映結構在地震作用下受力特征的組合結構橋梁體系地震反應分析模型，提出適用于組合結構橋梁體系的抗震設計方法及減震控制措施。

鋼－混凝土組合結構體系能夠充分發(fā)揮鋼材與混凝土的性能，應用于超高層建筑結構具有顯著的經濟技術效益和社會效益。目前，國內外對組合構件已開展了大量的研究工作，但在結構體系層次上的研究還不成熟。本項目通過對超高層結構的優(yōu)化分析，提出組合筒體－組合框架結構、巨型組合框架結構、鋼－混凝土組合轉換層和組合加強層結構等新型結構體系。通過對這些新型結構體系及其關鍵部位的試驗，并結合數值計算和參數分析，將重點研究新型組合結構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，并提出系統的抗震設計理論。在總結上述研究成果的基礎上，將建立新型鋼－混凝土組合結構體系及其關鍵部位的設計方法，并提出相應的構造措施。項目的研究成果將有利于進一步提升我國超高層建筑結構的科技含量，對促進我國建筑行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展有所貢獻。 2100433B

本項目通過對現代木-混凝土組合橋梁進行理論分析和試驗研究，揭示現代木-混凝土組合結構共同受力機理和破壞模式，并建立現代木-混凝土組合結構橋梁設計理論，取得了以下研究成果： 1、通過對現代木-混凝土組合結構進行推出試驗，揭示了現代木-混凝土組合結構典型破壞形態(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-混凝土組合結構槽口-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。比較試驗結果和理論公式計算結果，木-混凝土組合結構槽口-栓釘連接件抗剪承載力公式預測誤差小于8%。因此，木-混凝土組合結構釘類連接件理論公式能較好的預測木-混凝土組合結構釘類連接件的抗剪承載力。 3、通過對現代木-混凝土組合結構構件進行靜力試驗，揭示了該類組合結構在靜力荷載作用下的受力性能。結果表明，通過剪力連接件混凝土板和木梁能共同工作，協同變形。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、通過對現代木-混凝土組合結構橋梁足尺模型進行靜、動力試驗，發(fā)現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，組合結構滿足平截面假定。通過對現代木-混凝土組合結構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，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、通過對現代木-混凝土組合結構螺栓連接件進行低周反復荷載試驗，揭示木-混凝土螺栓組合結構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