钢管混凝土桁梁疲劳性能与损伤失效机理研究

项目以疲劳作用下钢管混凝土桁梁的疲劳性能和损伤失效机理为研究对象，进行了钢管混凝土节点的疲劳性能、钢管混凝土桁梁的疲劳性能以及钢管混凝土桁梁的疲劳损伤失效机理的研究。 研究结果表明，钢管混凝土节点的热点应力一般出现在冠点处，钢管混凝土节点的应力集中系数约为2.34~5.2。与空钢管节点相比，填充混凝土后，相贯节点的应力集中程度得到缓解，应力集中程度的缓解使得钢管混凝土节点的疲劳强度或疲劳寿命得到提高。在相同的疲劳寿命下，填充混凝土使得钢管混凝土节点的疲劳强度得到提高，或者说，在相同的疲劳强度下，填充混凝土使得钢管混凝土节点的疲劳寿命得到提高。 目前，我国的《钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）没有关于钢管混凝土节点疲劳细节的规定，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG-T D65-06-2015）也只给出了节点疲劳设计的容许应力幅，本项目的研究成果是对两本规范有益的补充，也将对钢管混凝土结构桥梁的应用起到一定的推动作用。 2100433B

钢管混凝土桁梁具有优越的力学性能和施工上的方便，在桥梁工程中具有广阔的应用前景，但目前这种结构在疲劳方面的研究还比较少，现有的研究多集中在节点的疲劳性能方面，缺少整体疲劳性能的研究；疲劳荷载作用下钢管混凝土桁梁的局部和整体结构损伤失效模式和疲劳损伤累积发展规律方面的研究还有待于展开。.本项目以疲劳作用下钢管混凝土桁梁的疲劳性能和损伤失效机理为研究对象，通过对钢管混凝土桁架组合梁的疲劳损伤失效和力学模型研究、结构整体的数值模拟与试验研究，分析疲劳作用下的钢管混凝土桁梁的疲劳性能、探讨局部失效和整体失效之间的关系，建立钢管混凝土桁梁的失效模式和损伤分析模型，探索钢管混凝土桁梁的疲劳损伤力学特性，损伤演变规律和失效机理，项目的研究可为钢管混凝土桁梁疲劳设计理论的发展提供理论基础。

本项目拟对含缺陷自动铺丝复合材料构件的损伤失效机理和承载能力开展研究，针对含间隙、重叠、间隙/重叠、扭曲波纹四种典型纤维铺放缺陷，开展复合材料板壳的损伤演化行为的实验研究；发展典型缺陷相应的损伤断裂力学理论，建立适用的损伤分析模型来分析其损伤演变规律和失效行为；发展变角度铺设、变刚度层合结构的刚度计算理论，提出相应的有限元分析方法；针对预设不同铺放缺陷形式的加筋板壳结构，开展其屈曲和后屈曲过程中的损伤失效行为和承载能力研究，为含缺陷自动铺丝复合材料构件的力学性能评估提供分析工具。

研究型钢混凝土（SRC）梁高周疲劳性能与损伤机理及设计理论既是这种新型钢-混凝土组合结构更广阔应用场合和条件下的耐久性需要，也是结构工程学科基础理论发展的要求。研究内容和关键的科学问题是：（1）SRC梁高周疲劳全过程的性能与机理，SRC梁中型钢、钢筋、混凝土、栓钉剪力件等各组成部分的相互联系与效应，与型钢梁、钢筋混凝土梁等其它梁疲劳性能上的异、同性；（2）SRC梁各组成部分的疲劳裂纹形成、扩展规律与机制，疲劳裂纹扩展模型的数值化计算理论与方法；（3）SRC梁疲劳强度设计理论与准则。本项目改变以往结构疲劳完全依赖试验、数理统计回归的研究方法，遵循辅助适量试验、强化分析预测的学术思想，特别强调应用断裂力学原理与数值模型的分析方法去揭示SRC梁疲劳性能的机理和参数效应，获得循环应力、疲劳裂纹尺度、寿命三者之间的内在关系，发展钢－混凝土组合结构疲劳学科的理论分析水平。

获2019年度国家自然科学奖二等奖

主要完成人：韩林海、杨有福、杨华、李威

主要完成单位：清华大学、福州大学、哈尔滨工业大学

该项目属于土木建筑工程领域 。项目准确揭示了核心混凝土被动约束机制的科学难题，建立了其通用型本构模型，阐明了钢管混凝土结构的损伤机理、受力性能和计算方法，系统建立了基于全寿命周期的钢管混凝土结构分析理论体系。主要成果被多部教材/专著、国家/行业标准采纳，并被直接应用于多个标志性工程设计，实质性地推动了结构工程学科发展。

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