多层钢-RULCC混凝土-钢夹芯组合墙板抗冲击破坏机理及其设计方法研究

Based on the construction industrialization and sustainable development of building materials, this project develops a novel SCS sandwich composite structure and aims to develop related impact resistance design theory. This project evaluates the impact performance of multi-layer SCS sandwich panel system filled with rubberized ultra-lightweight cement composite(RULCC). Based on the existing mechanism research which fails to fulfil the material strength and activate the tension membrane action effectively of using SCS composite panels, this project investigates the above key problems experimentally, theoretically and numerically and reveals the failure mechanism and dynamic responses as well as the influencing parameters on punching shear of ML-SCS sandwich panel under impact loads. The punching shear resistance model and the dynamic response prediction model are established. The research outcome accords with the development of circular economy, energy saving and emission reduction policy in China and urgent demand of realizing the sustainable development of building resources. The results will: 1. provide a basis for further study on the innovation of new protective structures under extreme loadings and improve the design theory; 2. promote the application of lightweight high performance composite materials and composite structures in civil engineering. It is of great significance in ensuring the safety and economy for lifeline infrastructure engineering as well as the application value.

项目基于我国建筑工业化与建筑材料可持续发展战略背景，以新型钢-混凝土-钢(SCS)夹芯组合结构工程推广并完善与之相关的耐冲击设计理论为根本出发点，开展对填充有轻质橡胶改性应变强化水泥基材料（RULCC）的多层SCS夹芯组合墙板耐冲击性能研究。针对已有受力机理研究中未能有效使用材料强度和激活组合墙板张拉薄膜效应的问题，遵循试验与理论分析并重、数值模拟为辅助的原则对上述关键科学问题进行分析。以期揭示多层SCS夹芯组合墙板在冲击荷载作用下的破坏机理和动力响应规律以及各因素对冲切承载力行为的影响。重点建立冲切强度模型和动力响应预测模型。研究成果符合我国发展循环经济，实现建筑资源可持续发展的迫切需求，所得结论为深入研究极端荷载下新型防护结构创新和完善相关设计理论提供了基础，对推动轻质高性能复合材料及组合结构在土木工程中的运用，对保证重要生命线基础设施工程的安全性和经济性具有重要意义和工程应用价值。

项目围绕海洋强国战略，针对目前传统钢筋混凝土海洋基础设施结构“韧性不足”、“动力设计理念和方法滞后”的难题，为应对海洋恶劣环境和荷载作用，研发了有序多孔结构调控及仿生增韧水泥基材料和高韧性复合结构，开展从水泥基材料设计、材料界面协同工作机理到复合多层结构力学性能（静力和冲击荷载作用）展开系列研究。主要研究内容包括：（1）基于考虑骨料-浆体包裹厚度的紧密堆积理论，研发了橡胶改性超轻质漂浮（密度范围910-1500kg/m3）、高强（抗压强度40-80MPa）、高韧性（直拉应变可超3%）、高耐久水泥基材料。通过霍普金森杆杆冲击试验、有限元数值模拟揭示了其动力失效机理，基于智能遗传算法提出了动力本构和显式的动力增长因子计算公式，实现了材料韧性提升。在装配式建筑结构防水中得到示范应用。（2）基于多层“盔甲”仿生增韧原理，项目提出了通过材料设计（采用超轻质高韧性水泥基材料）及结构设计（多层仿生组合优化）两条途径改善组合板的传力路径和受力机制，进而提升夹芯组合板的承载和变形能力、材料使用效率。通过静力和落锤冲击试验、有限元数值模拟，揭示了不同材料协同工作机理和失效机理，构建了复合结构静力、动力设计方法，实现了结构韧性大幅提升（多次冲击）。荣获首届国际钢结构工程研究及应用会议ICSC 2018最佳论文奖。研究成果获得国内桥梁方案采用。所完成的研究工作将为海洋结构材料设计、动力计算提供理论和技术支撑，为构筑海洋结构安全防线具有重大意义。