扭矩作用下型鋼混凝土構(gòu)件的破壞機(jī)理及強(qiáng)度計(jì)算研究項(xiàng)目摘要

隨著高層、大跨和重載結(jié)構(gòu)的日益增多，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛。同時(shí)工程結(jié)構(gòu)中的框架邊梁、轉(zhuǎn)換層大梁和角柱等構(gòu)件往往受到扭矩作用。但是，國內(nèi)外對扭矩作用下型鋼混凝土構(gòu)件的研究尚處在起步階段，受力機(jī)理尚未揭示，我國的兩部設(shè)計(jì)規(guī)程也就沒有給出設(shè)計(jì)計(jì)算方法，研究滯后于工程應(yīng)用。因此，亟需對其受扭問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以保證該類結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。.本項(xiàng)目擬對型鋼混凝土構(gòu)件在純扭、彎扭、剪扭和壓彎剪扭四種受力狀況下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬，揭示其受力機(jī)理，建立其強(qiáng)度計(jì)算理論和計(jì)算公式，分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對其受扭性能和抗震性能的影響規(guī)律，提出能有效提高其受扭性能和抗震性能的構(gòu)造措施。同時(shí)基于結(jié)構(gòu)性態(tài)，確定其在壓彎剪扭共同作用下的軸壓比限值。研究成果可完善型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，指導(dǎo)扭矩作用下型鋼混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

從完成的實(shí)驗(yàn)、完成的研究內(nèi)容和取得的成果三個(gè)方面對項(xiàng)目簡述如下。 （1）完成的實(shí)驗(yàn) 完成的實(shí)驗(yàn)有：22個(gè)純扭、13個(gè)彎扭、6個(gè)剪扭、4個(gè)彎剪扭梁式試件的單調(diào)加載實(shí)驗(yàn)，4個(gè)彎剪扭梁式試件的低周反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，30個(gè)壓彎剪扭柱式試件的單調(diào)加載實(shí)驗(yàn)，24個(gè)壓彎剪扭柱式試件的低周反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，合計(jì)完成103個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)工作。 對比項(xiàng)目申請時(shí)規(guī)劃77個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，試件數(shù)量和實(shí)驗(yàn)類型增加，以使項(xiàng)目的研究更加全面和科學(xué)。 （2）完成的研究內(nèi)容 完成的研究內(nèi)容有：“實(shí)腹式型鋼混凝土純扭試件、角鋼骨架型鋼混凝土純扭試件、倒L形實(shí)腹式型鋼混凝土純扭試件、實(shí)腹式型鋼混凝土彎扭試件、角鋼骨架型鋼混凝土彎扭試件、角鋼骨架型鋼混凝土剪扭試件、十字型鋼混凝土柱式試件受扭性能與抗震性能、H型鋼混凝土柱式試件受扭性能與抗震性能、角鋼骨架型鋼混凝土柱式試件受扭性能”的實(shí)驗(yàn)與研究，以及型鋼混凝土復(fù)合受扭構(gòu)件數(shù)值模擬方法的研究。 對比項(xiàng)目申請時(shí)規(guī)劃的研究內(nèi)容，增加了扭彎比、縱筋配筋率、剪跨比對受扭性能和抗震性能影響規(guī)律的分析。取消了提高抗震性能構(gòu)造措施的研究，取消了柱式構(gòu)件軸壓比限值的研究，這是因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)設(shè)備加載能力的限制。 （3）取得的成果 取得的成果有：獲得了純扭、剪扭、彎扭、彎剪扭、壓彎剪扭型鋼混凝土構(gòu)件受力全過程的受扭性能和破壞機(jī)理；獲取了它們的開裂扭矩、屈服扭矩、極限扭矩及其對應(yīng)的曲率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。獲得了彎剪扭、壓彎剪扭型鋼混凝土構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)。揭示了軸壓比、扭彎比、混凝土強(qiáng)度、配鋼率、配箍率、縱筋配筋率、剪跨比等設(shè)計(jì)參數(shù)對型鋼混凝土構(gòu)件受扭性能和抗震性能的影響規(guī)律。建立了純扭、剪扭、彎扭、彎剪扭、壓彎剪扭型鋼混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式。 對比項(xiàng)目申請時(shí)規(guī)劃的論文，目前發(fā)表的論文沒有達(dá)到申請書的要求，這主要是由于項(xiàng)目實(shí)施過程中受“實(shí)驗(yàn)加載裝置的研發(fā)、實(shí)驗(yàn)量增加、實(shí)驗(yàn)室排隊(duì)和重要核心期刊文章發(fā)表周期”四個(gè)因素的影響。根據(jù)項(xiàng)目完成的實(shí)驗(yàn)與研究情況，課題組完全能按照國家自然基金委的要求，在課題結(jié)題后的2~3年發(fā)表其余論文，并達(dá)到申請書的要求。 新增的成果有：課題組研發(fā)的壓彎剪扭實(shí)驗(yàn)裝置已獲國家實(shí)用新型專利，與該實(shí)驗(yàn)裝置配套的實(shí)驗(yàn)方法已申請國家發(fā)明專利。 總體上，項(xiàng)目的完成情況及取得成果已達(dá)到申請書的要求。

中文摘要：爆炸荷載作用下玻璃幕墻的破壞機(jī)理涉及到PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系、夾層玻璃靜力作用下力學(xué)模型、爆炸沖擊荷載-玻璃流固耦合作用等前沿問題，國內(nèi)外在這些方面的研究還未取得突破性進(jìn)展。因此課題通過試驗(yàn)手段建立PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系，通過夾層玻璃靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬，建立與實(shí)際受力相符的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抗爆炸試驗(yàn)及數(shù)值模擬的研究分析，對玻璃幕墻在爆炸作用下的破壞機(jī)理和性能研究進(jìn)行研究，為玻璃幕墻的抗爆炸設(shè)計(jì)有價(jià)值的參考。得到了夾層玻璃PVB膠片在不同溫度及加載速率下的本構(gòu)關(guān)系模型；進(jìn)行了四邊簡支夾層玻璃的承載力試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，建立了與實(shí)際受力相符的夾層玻璃力學(xué)模型；進(jìn)行了不同類型玻璃面板在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，研究了不同玻璃類型的破壞形式；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了爆炸荷載作用下玻璃面板動(dòng)力響應(yīng)的有限元分析，并考慮了不同參數(shù)（玻璃尺寸、厚度）對玻璃面板抗爆性能的影響；采用多物質(zhì)ALE算法進(jìn)行了了炸藥作用下爆炸的產(chǎn)生以及爆炸沖擊波與玻璃面板結(jié)構(gòu)之間的耦合作用的數(shù)值分析；基于試驗(yàn)及有限元結(jié)果，提出了爆炸沖擊荷載作用下玻璃幕墻動(dòng)力響應(yīng)的簡化分析方法。 2100433B

現(xiàn)有關(guān)于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的研究均集中在靜力荷載作用下的設(shè)計(jì)與計(jì)算。近年來，發(fā)生了一些爆炸沖擊等偶然荷載作用下的建筑破壞事故，而玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，它的抗爆性能顯得尤為重要。但研究爆炸沖擊荷載作用下的幕墻結(jié)構(gòu)的工作性能涉及沖擊荷載作用下夾層玻璃PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系、夾層玻璃的非線性動(dòng)力分析、玻璃幕墻-沖擊波流固耦合作用等復(fù)雜的基礎(chǔ)問題。本課題是在中央電視臺(tái)新臺(tái)址大樓玻璃幕墻抗爆炸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗爆炸試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬手段，進(jìn)行玻璃幕墻在抗爆作用下的破壞機(jī)理和性能的研究。通過對比爆炸仿真與試驗(yàn)測量結(jié)果，找出適合玻璃幕墻爆炸仿真的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)，對影響玻璃幕墻抗爆炸能力的主要因素和規(guī)律進(jìn)行分析，找到控制設(shè)計(jì)因素及方法，為制訂玻璃幕墻抗爆炸設(shè)計(jì)規(guī)范提供理論依據(jù)。通過本課題的研究有望為重大玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的抗爆炸設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，填補(bǔ)國內(nèi)空白，開始實(shí)現(xiàn)我國從幕墻應(yīng)用大國到研究強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

本項(xiàng)目擬瞄準(zhǔn)重大研究計(jì)劃重大工程的動(dòng)力災(zāi)變的總體目標(biāo)，針對城市高架橋梁、跨海橋梁和深水高墩橋梁等長大橋梁，系統(tǒng)開展強(qiáng)震作用下長大橋梁的災(zāi)變?nèi)^程及控制研究。通過研究復(fù)雜受力條件下材料、構(gòu)件的損傷動(dòng)力效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)的多維非線性動(dòng)力效應(yīng)，建立材料、構(gòu)件的損傷動(dòng)力本構(gòu)模型以及結(jié)構(gòu)的多維非線性動(dòng)力行為模擬模型；通過研究結(jié)構(gòu)－介質(zhì)之間的動(dòng)力相互作用效應(yīng)，建立多點(diǎn)、多維地震作用下長大橋梁考慮結(jié)構(gòu)－介質(zhì)動(dòng)力相互作用的非線性地震反應(yīng)分析方法；通過研究長大橋梁在強(qiáng)震作用下的失效破壞機(jī)理和破壞倒塌機(jī)制，建立長大橋梁強(qiáng)震災(zāi)變?nèi)^程的數(shù)值模擬方法與動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)以及強(qiáng)震災(zāi)變過程控制的理論與方法，再現(xiàn)強(qiáng)震作用下長大橋梁的損傷、破壞和倒塌的災(zāi)變?nèi)^程。為建立基于性態(tài)的長大橋梁抗震設(shè)計(jì)及減災(zāi)控制的理論與方法，為全面開展重大工程強(qiáng)震動(dòng)力災(zāi)變模擬的系統(tǒng)集成，提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，因此具有重大的理論意義和工程價(jià)值。 2100433B