内河大尺度钢和钢筋混凝土组合高桩码头结构界面损伤和能量耗散机理研究

After the impoundment of the Three Gorges, high-pile construction is high water level and complex geological and hydrological conditions, which requires a large scale steel liners, pile, the hollow steel braces and aerial upright frame structure of big water level difference of reinforced concrete combination. Complicated effect of restraint mechanism to the structure large diameter steel and reinforced concrete, ambiguous interface damage mode and energy dissipation mechanism and the influence of the multi-scale structure result in composite structure security properties difficult to assess. Therefore through indoor large scale model test, in view of the different diameter of steel tube filled with concrete members, strengthening and weakening mechanism of the interface and the mechanical expression, the test obtains the energy dissipation pattern of component under different loading conditions and structural dimensions.Meanwhile, it analyzes the mode of energy dissipation and the strengthening and weakening mechanism to nodes in different working conditions and attempts to propose the corresponding influence parameters and their mathematical expressions through a substantial number of numerical analysis and theoretical research, and discussion to the steel structure welding damage, steel node local damage and steel tube pile interface damage influence on the overall energy dissipation. Eventually it establishes the energy dissipation relationship between the scale of the large scale component and structure, analyze the relationship among composite structure three-dimensional stiffness distribution, structure scale and energy dissipation, and studies the mathematical expressions of structure energy consumption under the impact factors of interface strengthening and weakening, the node properties and component damage.

三峡蓄水后码头建设面临高水位和复杂地质、水文条件，为此需要采用大尺度钢护筒、桩柱、空心钢横撑和钢筋混凝土组合的大水位差的架空直立式框架结构。这种结构大直径钢与钢筋混凝土的约束效应机理复杂，界面损伤模式与能量耗散机理不明确，加之结构多尺度的影响，致使组合结构安全性状很难评估。为此通过室内大比尺模型试验，针对不同直径的钢护筒内填混凝土构件，研究界面的强弱化机制和力学表达式，得到不同受载工况下和结构尺度下构件的能量耗散模式。同时对节点在不同的能量工况下的能量耗散模式和强弱化机理进行分析，通过大量的数值分析和理论研究，探讨钢结构焊接损伤、刚节点局部损伤和钢护筒桩柱界面损伤对整体能量耗散的影响，试图提出相应的影响参数及其数学表达式。最终建立大尺度构件的尺度与结构能量耗散的关系，分析组合结构三维刚度分布、结构尺度与能量耗散的关系，研究界面强弱化、节点性状、构件损伤等影响因子下结构能耗数学表达式。

内河大水位差码头、海洋基础等结构采用了大尺度钢护筒(直径大于2m)、大尺度空心钢横撑（直径大于1.5m）和钢筋混凝土组合的结构。这类大尺度钢护筒对核心混凝土的约束效应、界面和节点的工作机理复杂；同时由界面或者节点的微弱损伤衍生到组合结构失效涉及到多尺度理论分析方法很少。.为此，本项目在对该类结构研究方法进行综述的基础上，开发了这类结构的全场景实验分析方法、理论与系统；对不同比尺的大尺度钢护筒钢筋混凝土构件、钢护筒钢筋混凝土与钢筋混凝土节点、钢护筒钢筋混凝土与钢管节点、室内小比尺整体码头结构、带基础的钢护筒钢筋混凝土桩、钢护筒与钢筋混凝土界面、钢护筒钢筋混凝土劣化等开展了系统的实验研究。同时建立了对应的数学模型，在与实验结果验证模型可靠性的基础上，详细研究这类结构的工作机理、节点力学特性、组合结构尺度和构件局部损伤与整体结构能量耗散的关系。.通过系统的研究，首次系统的提出了基于数值散斑技术的内河直立式框架码头多尺度实验研究方法，并研发提出了这类结构安全工作性状评估的大场景数值散斑成像系统；首次系统研究了钢护筒和钢筋混凝土联合受力结构的力学特性、破坏模式与结构能量传递刚度方法，明确了结构空间布局尺度和结构尺度对整体结构的影响及其能量耗散模式，并获得了组合构件的计算公式；首次揭示了大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合结构的长期工作强弱化规律，创建了组合构件核心混凝土徐变计算模型，开发了构件长期性能有限元计算模型，分析了构件损伤或长期演化对结构工作性状的影响及其能量耗散影响；首次将数值散斑成像检测技术和数值仿真技术应用于内河大水位差码头实际工程建设。.研究成果丰富了图像检测理论和大尺度复合材料理论，可指导大尺度内河码头结构、跨海结构和风机结构设计施工，具有较强的应用前景和学术价值。