钢管混凝土界面损伤与承载力关系研究

钢管混凝土结构作为一种性能优异的新型结构构件，正被越来越广泛地应用于土木工程建筑与结构中，并取得了良好的经济效果和建筑效果。钢管与混凝土之间的有效粘结是钢管混凝土结构得以正常工作的前提，考虑界面损伤对钢管混凝土界面粘结性能和承载力影响的研究还尚未见有文献涉及。.本项目申请人拟利用现代宏细观力学力学技术和试验方法对钢管混凝土界面损伤与承载力关系进行理论分析和试验研究。试验分析钢管混凝土界面粘结损伤性能的影响因素及其对钢管混凝土界面粘结微结构演变规律的影响，建立钢管混凝土界面粘结损伤模型；在多尺度连续介质力学框架下，数值研究各尺度在不同影响因素作用及界面粘结损伤变化的条件下，界面粘结结构内剪应力－变形本构关系，探讨钢管混凝土界面粘结损伤对钢管混凝土构件界面滑移性能的影响，并最终建立相应承载力的计算公式。

钢管混凝土的一个重要特性是其钢管和核心混凝土之间存在着粘着应力，粘结应力的存在使得钢管与核心混凝土之间能够进行荷载有效传递，从而在钢管混凝土中建立起结构承载所需的工作应力。然而，根据损伤理论，结构在加工成型的过程中，必然会在钢管与核心混凝土之间联结界面产生微小的缺陷，即初始损伤。这些初始损伤在外部因素的作用下会不断积累合并，最终钢管与混凝土之间联结界面最终脱粘，致使钢管混凝土的承载能力大幅度下降，纵向应变及挠度增大，且出现异常变化，对结构安全造成危害。.本申请项目以宏观、微观材料科学和力学理论为研究基础，结合试验测试和数值模拟等方法，分析钢管混凝土界面微结构损伤演化规律，寻找钢管混凝土力学性能与材料微结构的关系，发展适用于钢管混凝土界面滑移测试技术，给出考虑损伤的钢管混凝土滑移本构关系，并讨论初始缺陷、截面腐蚀、重复荷载和长期荷载等多因素对界面滑移性能的影响。从理论分析和实验研究等方面取得了若干重要的科学发现和创新性成果，主要有:(1)推导出多晶体取向相关函数的一般表达式和包含取向分布函数和构成元素体积比效应的宏观弹性本构关系；(2) 建立了多相夹杂细观力学杂交有限元数值分析模型；（3）提出了一种实用的基于微结构变形理论的钢管混凝土组合力学性能工程预测模型；(4) 讨论了钢管混凝土界面初始脱粘、截面腐蚀、重复荷载、长期荷载等因素对界面损伤、损伤演化过程和粘结强度的影响。基于影响，建立了多因素耦合作用－亚微观结构－界面粘结性能劣化和损伤特性之间关系；（5）分析了钢管混凝土在推出疲劳荷载作用下界面滑移损伤特性并建立了钢管混凝土的疲劳损伤寿命预测模型；（6）找到了提高界面粘结性能的措施。这些成果对于改善钢管混凝土结构构件的界面粘结性能和提高钢管混凝土构件的承载力具有重要价值。研究工作达到预期目标，共发表论文30余篇，其中SCI、EI论文15篇。