高性能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁體系研究項(xiàng)目摘要

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁通過(guò)充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，在受力、施工、耐久、經(jīng)濟(jì)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(lái)的重要發(fā)展方向之一。本項(xiàng)目擬針對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁當(dāng)前研究的不足和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁體系展開(kāi)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(duì)其開(kāi)展大比例模型試驗(yàn)，研究全過(guò)程工作機(jī)理，建立相關(guān)的計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法；針對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁的基本受力特征，對(duì)其靜力行為和受力機(jī)理展開(kāi)研究，建立較為完善的考慮施工全過(guò)程、收縮徐變、混凝土開(kāi)裂、滑移效應(yīng)及預(yù)應(yīng)力等因素共同影響的計(jì)算模型；針對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能，研究關(guān)鍵構(gòu)件在復(fù)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(fù)雜受力狀態(tài)的高效數(shù)值模型，建立能準(zhǔn)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(yīng)分析模型，提出適用于組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的抗震設(shè)計(jì)方法及減震控制措施。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁通過(guò)充分發(fā)揮不同材料的特點(diǎn)，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(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性及改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是高性能橋梁結(jié)構(gòu)體系的突出代表之一。本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、理論分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)方面展開(kāi)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(yīng)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施；（2）針對(duì)不同形式新型組合結(jié)構(gòu)橋梁體系開(kāi)展了系列模型試驗(yàn)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(fù)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(guò)程非線性受力行為；（3）在試驗(yàn)研究以及有限元數(shù)值模擬參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，建立了可考慮滑移、剪力滯后效應(yīng)、施工全過(guò)程、收縮徐變、混凝土開(kāi)裂、預(yù)應(yīng)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(guò)消能元件、減震構(gòu)件及抗震體系的試驗(yàn)和理論研究，建立可考慮關(guān)鍵組合構(gòu)件復(fù)雜受力工況的組合結(jié)構(gòu)橋梁體系抗震反應(yīng)4D分析模型，研究組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的地震反應(yīng)機(jī)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(kāi)發(fā)出多個(gè)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(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的準(zhǔn)確、高效且便捷的計(jì)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(shè)計(jì)理論等成果在天津海河吉兆橋、重慶永川長(zhǎng)江大橋、洞庭湖大橋等重大橋梁工程中得到實(shí)踐和應(yīng)用，可為高性能組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的設(shè)計(jì)和分析提供重要科學(xué)依據(jù)。 2100433B

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(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)具有顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益和社會(huì)效益。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)組合構(gòu)件已開(kāi)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(xiàng)目通過(guò)對(duì)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(qiáng)層結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)對(duì)這些新型結(jié)構(gòu)體系及其關(guān)鍵部位的試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算和參數(shù)分析，將重點(diǎn)研究新型組合結(jié)構(gòu)體系考慮滑移效應(yīng)的空間計(jì)算理論，建立考慮二階效應(yīng)的局部與整體穩(wěn)定分析理論，并提出系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理論。在總結(jié)上述研究成果的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)方法，并提出相應(yīng)的構(gòu)造措施。項(xiàng)目的研究成果將有利于進(jìn)一步提升我國(guó)超高層建筑結(jié)構(gòu)的科技含量，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展有所貢獻(xiàn)。 2100433B

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合橋梁進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，揭示現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)共同受力機(jī)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(shè)計(jì)理論，取得了以下研究成果： 1、通過(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行推出試驗(yàn)，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(biāo)。 2、通過(guò)對(duì)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(jìn)行理論分析，提出了兩種連接件的抗剪承載力理論計(jì)算公式。比較試驗(yàn)結(jié)果和理論公式計(jì)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)木-混凝土組合結(jié)構(gòu)釘類連接件的抗剪承載力。 3、通過(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗(yàn)，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(guò)剪力連接件混凝土板和木梁能共同工作，協(xié)同變形。當(dāng)交界面剪力超過(guò)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(dān)。 4、通過(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁足尺模型進(jìn)行靜、動(dòng)力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土板與膠合木梁能夠有效地共同工作。當(dāng)處于彈性變形階段時(shí)，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(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期性能試驗(yàn)研究，得到５個(gè)月的跨中截面混凝土上緣應(yīng)變時(shí)變曲線、木梁下緣應(yīng)變時(shí)變曲線、跨中變形時(shí)變曲線。進(jìn)一步，得到木-混凝土組合梁橋跨中截面混凝土應(yīng)變徐變曲線和木梁應(yīng)變徐變曲線。基于Midas Civil有限元分析模型，采用試驗(yàn)得到的徐變曲線，對(duì)木-混凝土組合梁橋后期徐變進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了跨中截面應(yīng)力與撓度的長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)，提出了適用于木-混組合梁橋跨中截面撓度長(zhǎng)期荷載效應(yīng)計(jì)算公式。 5、通過(guò)對(duì)現(xiàn)代木-混凝土組合結(jié)構(gòu)螺栓連接件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，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(diǎn)：（1）非線性、非彈性；（2）每個(gè)加載周期均發(fā)生剛度退化；（3）同一位移幅值下，強(qiáng)度隨荷載循環(huán)發(fā)生退化；（4）滯回環(huán)緊縮效應(yīng)。 2100433B