全面考慮次內力的預應力型鋼混凝土結構設計理論研究

預應力型鋼混凝土（PSRC）結構是在型鋼混凝土結構中布置并張拉預應力筋的一種新型組合結構，兼具鋼結構、混凝土結構和預應力結構的多重優(yōu)點，適合用于大跨、重載結構。由于對其認識仍存在不足，許多方面還需研究。本課題主要完成了以下研究內容：（1）完成了兩榀大尺寸（跨長8.2m，高1.855m）PSRC框架的豎向單調加載試驗，結果表明：框架梁發(fā)生延性破壞，屈服前，平均應變的平截面假定符合較好。型鋼受拉翼緣屈服后，平截面假定不再成立。最后框架梁端形成塑性鉸實現(xiàn)了塑性內力重分布。位移延性比大于3，彎矩調幅值為30%左右。提出了考慮次彎矩、次軸力的PSRC梁的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計算公式，并對試件做了有限元模擬和參數(shù)分析，計算結果與實驗數(shù)據(jù)較吻合。同時給出考慮框架作用的預應力型鋼混凝土框架梁的構造和施工建議。還對無粘結PSRC梁做了相應數(shù)值模擬和分析。（2）對 1 榀僅柱中內置型鋼和 1 榀梁柱均內置型鋼的大尺寸PSRC框架進行了豎向低周反復荷載試驗。結果表明，梁內有型鋼的試件性能更好。PSRC框架梁的向下位移延性系數(shù)達 4.77。提出了恢復力模型。與預應力混凝土（PC）相比，PSRC除恢復性較差之外，其余性能均優(yōu)于PC。試件的考慮粘結滑移的有限元模擬與試驗結果吻合較好。進而，用經試驗標定的有限元模型進行了PSRC框架在水平、豎向地震動下的動力時程參數(shù)分析，評價了其抗倒塌能力。（3）進行了考慮次內力影響的PC框架實際施工過程研究。（4）進行了實際PC工程的收縮徐變效應測試分析，并做了PSRC收縮徐變效應的理論分析，導出了由收縮徐變引起的預應力損失及截面應力重分布的計算公式。（5）進行了4批考慮法向壓力的型鋼與混凝土間粘結滑移性能試驗，包括有無栓釘、單調與反復加載等不同情況，發(fā)現(xiàn)了動力粘滑現(xiàn)象，提出了相應的各種情況下的粘結滑移本構模型。（6）提出了非線性階段次彎矩的新概念，進行了10根梁的試驗，做了180個試件的數(shù)值模擬試驗，研究了PC連續(xù)梁次彎矩演化及彎矩調幅，提出了無粘結PC連續(xù)梁的彎矩調幅公式。本課題所提計算理論反映了現(xiàn)代預應力設計理論的新思想，使相關設計更合理，具有應用前景，可為相關設計規(guī)范的編制提供依據(jù)。 2100433B

預應力型鋼混凝土結構作為一種新的現(xiàn)代預應力結構，能夠適應現(xiàn)代建筑向大跨度大懸挑、超高層及高聳建筑發(fā)展的趨勢。對型鋼混凝土結構施加預應力，可以擴大材料的彈性范圍，更加充分利用高強材料，提高結構極限承載力，增強型鋼混凝土梁的剛度。本課題以有側向約束影響的預應力型鋼混凝土結構體系為研究對象，研究考慮復雜約束以及型鋼和混凝土粘結滑移影響下的預應力型鋼混凝土結構受力特征，用約束系數(shù)的觀點來建立結構體系約束對梁柱的簡化次內力計算方法，建立基于全面考慮次內力的預應力型鋼混凝土結構的設計理論，為工程實踐提供理論指導。充實課題組主編的國家行業(yè)標準《預應力混凝土結構設計規(guī)范》。

根據(jù)項目研究目標，通過室內試驗、室外試驗和微觀結構試驗，以及理論研究、數(shù)值分析，工程應用研究，取得了一系列有重要理論意義的成果。主要成果有： ?土的應力狀態(tài)方程 針對土三相體特點，考慮土孔隙面積比，根據(jù)應力平衡條件，建立了土應力狀態(tài)方程。 ?修正莫爾?庫倫準則 針對不同級配的標準干砂，在不同固結壓力下進行常規(guī)三軸試驗，探討了不同初始相對密實度對砂土抗剪強度的影響。結合試驗結果建立了砂土抗剪強度指標與初始相對密實度之間的關系，進而考慮初始相對密實度對莫爾?庫倫準則進行修正。 ?提出了兩相非連續(xù)介質固結理論 非連續(xù)、兩相耦合是飽和軟土的重要特征。項目研究建立了非連續(xù)兩相耦合的固結理論，考慮水、土作用面積的獨立性，改進了有效應力的計算理論，該理論可以解釋阿基米德無法解釋的浮力問題。 ? ?建立了適用于軟黏土的本構模型 針對軟黏土的工程特性，以及低應力和高應力狀態(tài)下Mohr-Coulomb屈服準則和橢圓屈服準則的不足。建立了以蛋形屈服面的彈塑性本構模型，建立了模型參數(shù)與土體物理參數(shù)之間的關系，可以更好地反映土體實際情況。 ? ?建立了土的微觀結構與宏觀力學的聯(lián)系 以浙大紫金港軟黏土為研究對象，采用SEM電鏡研究黏土微觀結構，對微觀結構進行定性分析，描述微觀形貌特征?；贗mage Pro-Plus軟件對SEM圖像作定量分析，提出基于實測孔隙率的灰度閾值分割方法處理圖像技術，重點測定了接觸面積，并得到孔隙面積比與孔隙率的定量關系。 ?考慮顆粒接觸面積的土壓力計算理論 為了尋求更加合理的土壓力計算理論，對杭州、寧波及奉化軟土進行了大量的SEM圖像掃描，從土體的微觀結構出發(fā)，通過圖像分析軟件統(tǒng)計了軟土孔隙率與接觸面積率的關系，結合土體側向應力傳遞的原理，建立了考慮接觸面積的土壓力計算理論。 共發(fā)表論文22篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄17篇，ISTP收錄2篇。培養(yǎng)博士3名，碩士3名，博士后1名。申請發(fā)明專利1項，完成專著書稿1本，完成項目鑒定1項。 該項目圓滿完成了規(guī)定的內容，研究成果有力推動了非連續(xù)介質力學的發(fā)展，并為宏微觀兩方面建起橋梁。 2100433B