双钢板-混凝土组合防护结构受力机理研究综述

双钢板-混凝土组合结构不仅具有省模板、少支模等施工便捷性,而且具有抗渗性好、变形能力强、抗冲击与抗爆性能突出等良好的力学性能,在核设施、近海工程设施等防护抗灾结构中具有良好应用前景。除了抵御极端荷载外,防护结构在常规荷载下的良好受力性能对其维持正常使用功能、减少日常事故风险以及避免次生灾害至关重要。本文介绍了双钢板-混凝土组合防护结构的工程应用与研究现状,着重总结了各类新型双钢板-混凝土组合结构构件与连接的受力机理与性能,并以近年相关理论分析、试验与数值模拟等研究为例进行详细说明。内容主要涉及双钢板-混凝土组合防护结构中剪力连接件受剪与受拉性能、平面及曲面双钢板-混凝土组合梁斜截面抗剪与正截面抗弯性能、双钢板-混凝土组合墙(板)面外局部荷载作用下冲切性能与墙体受压性能、双钢板-混凝土组合壳面外冲切性能。

双钢板-混凝土组合结构在沉管隧道中的发展与应用

沉管隧道在近年来修建的大型水下隧道工程中越来越多地得到运用,尤其是大型海底隧道。为研究沉管隧道的发展趋势,为工程设计提供参考,文中综述了沉管隧道的历史,总结出其结构形式经历了钢壳-钢筋混凝土结构、钢筋混凝土结构、双钢板-混凝土组合结构3个发展阶段。研究发现以配置横纵向隔板与加劲肋为特征的隔舱式双钢板-混凝土组合结构优点突出,是未来大型沉管隧道的发展方向,值得深化研究与探讨。目前双钢板-混凝土组合结构的相关研究较多,但针对隔舱式双钢板-混凝土组合结构面外性能的研究还比较欠缺,已有设计方法应用了混凝土规范但较为保守。在已有研究的基础上,该文进行3个抗弯梁式试验与3个抗剪梁式试验。试验研究发现已有抗弯设计方法与试验结果符合较好,但其考虑受压翼缘局部屈曲的构造要求可进一步放宽;已有抗剪设计方法低于试验值较多,偏于保守。基于理论分析,文中进一步提出考虑钢-混凝土组合抗剪机制与工字钢腹板抗剪机制两种机制相结合的抗剪设计方法,与试验结果符合较好且有一定富余。

侧向爆炸作用下土中钢-混凝土竖井结构破坏模式研究

针对土中钢板-钢筋混凝土竖井结构受侧向爆炸作用下的破坏模式,综合采用模型试验与有限元数值仿真计算方法,分析了不同比例爆距情况下竖井结构的破坏特征以及竖井结构端部对破坏模式、破坏程度的影响,根据结构破坏特征划分了破坏等级,确定了破坏等级判据指标及与各破坏等级的对应阈值。参数化分析了竖井混凝土强度、混凝土厚径比、钢板厚径比对竖井结构破坏特征、破坏程度的影响。研究结果表明:①随着比例爆距的减小,土中竖井结构的破坏模式分别为弹塑性动力响应、塑性铰线形成、井壁混凝土局部贯穿、井壁混凝土冲切破坏,钢板在混凝土块冲击下变形四种典型的破坏模式;②根据竖井结构变形特征,确定了衡量结构圆形横截面变形程度的无量纲环向相对位移α1、衡量结构侧面梁式变形的无量纲轴向相对位移α2作为竖井结构破坏程度的判据指标,并定量地给出了各破坏等级α1,α2的阈值范围;③混凝土强度的增加,钢板厚径比、混凝土厚径比的增大均可以增加竖井结构的抗爆性能,降低结构的破坏程度。

大跨径拼装式波纹钢板-混凝土箱涵受力分析

针对大跨径波纹钢管涵结构空间利用率较差,且拱脚处应力集中情况明显的问题,采用拼装式波纹钢板-混凝土组合结构箱涵控制受力及变形情况。依托安庆某跨径为7.8m的钢波纹箱涵实际工程,采用波纹钢板-混凝土组合结构施工,并使用通用有限元分析软件ABAQUS对单波纹钢结构与组合结构的受力及变形情况进行数值模拟分析。结果表明,采用了拼装式波纹钢板-混凝土组合结构后的箱涵,其波峰处的最大应力减小了85.58%,波谷处的最大应力减小了67.86%,结构最大位移减小了76.97%,结构整体变形率仅为0.05%。对比工程现场监测数据,有限元模拟结果基本符合预期,为今后波纹钢板-混凝土结构在公路箱涵中的应用提供了理论依据。

爆炸冲击载荷下钢板-混凝土组合结构的动态性能和破坏机理研究进展

钢板-混凝土组合结构(SPCCS)是一种具有自重轻、延性和抗力高、施工简便和经济效果显著等优点的新型混凝土组合结构。爆炸冲击载荷作用下SPCCS的力学性能与常规载荷作用下的结构性能相比,存在较大区别。论述了SPCCS的构成特性与分类,从理论、试验和数值模拟三个方面综述了爆炸冲击载荷作用下SPCCS的动力响应和损伤破坏的最新研究成果,并对其未来发展趋势进行了展望。

带肋钢板-混凝土组合结构抗裂性能研究

针对带肋钢板-混凝土组合结构的抗裂性能进行理论分析和结构试验,结果表明:带肋钢板-混凝土组合结构开裂弯矩较普通钢筋混凝土结构大得多,当裂缝出现后结构能更有效地抑制裂缝发展;带肋肋板区混凝土在钢板与箍筋的共同约束下可比拟为共同受力体,极限拉应变较钢筋混凝土高。

某钢框架-钢板混凝土组合墙结构非线性地震响应研究

钢框架-钢板混凝土组合墙结构是一种适用于高层钢结构住宅的新型结构体系,目前国内规范还未对该体系进行相关规定。为研究该结构体系的抗震性能,以某高层住宅项目为例,建立了钢框架-钢板混凝土组合墙结构数值模型,采用静力弹塑性方法对该结构大震下的抗震性能进行分析。结果表明:该结构在整体与构件层次均满足抗震性能目标的要求;框架柱剪力分担率随结构塑性的发展而提高,结构塑性发展顺序符合预期,具有多道抗震防线;组合墙抗剪能力有较大富余,框架柱少量进入塑性状态。

装配式钢板混凝土地下粮仓结构方案研究

结构设计方案是结构设计的关键问题之一。针对大直径钢筋混凝土地下粮食筒仓存在的施工工期长、成本高、防水差问题,首次提出了一种装配式钢板-混凝土地下粮食筒仓的结构设计方案,重点阐述了其节点设计方法,并与目前的钢筋混凝土地下粮食筒仓的结构设计方案进行了对比分析。分析结果表明,装配式钢板-混凝土地下粮食筒仓结构设计方案更优,有望推动今后地下粮仓的推广应用。

设计参数对双钢板混凝土偏压构件受力性能的影响

为探究管幕预筑结构受力机理,对双钢板混凝土偏压构件受力性能进行研究。完成了4根双钢板-混凝土组合构件的偏压试验,建立有限元模型,通过计算结果与试验结果的对比,验证了模型的正确性和可靠性。以端部约束形式、界面连接形式、偏心距为参数进行数值分析,结果表明:钢板混凝土偏压构件中,当端部约束足够强(看作刚臂)时,混凝土与两侧钢板共同参与受力,截面应变基本符合平截面假定,不存在界面滑移,在不考虑屈曲的前提下,连接件的设置对构件承载力没有影响,承载力最高;当端部约束不够强,外荷载不能同时作用在混凝土和两侧钢板上时,在钢板与混凝土间设置连接件可提高构件的承载力,钢板与混凝土界面设置为合并重合结点时,构件承载能力最高。

双钢板-混凝土组合板爆炸后残余承载力试验研究

为探究双钢板-混凝土组合板(Steel-Concrete-Steel Composite Slab,简称SCS组合板)的抗爆后性能,进行了三块SCS组合板爆炸后的残余承载力测定试验。设计了一套可用于SCS组合板加载的试验装置,通过改变爆炸荷载大小及钢板填充物,探究二者对于SCS组合板残余承载力的影响;通过规范中提供的经验公式计算得出未经爆炸荷载的SCS组合板承载力,进而反映爆炸荷载对其承载力的作用。研究结果表明:对拉螺杆及栓钉可以较强地连接混凝土与钢板并防止滑移;超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)的抗剪性能和延性较普通混凝土更有优势;SCS组合板在受爆后仍能有较强的残余承载力。

土中钢板-混凝土筒结构抗爆性能研究

为探究地下爆炸荷载作用下土中钢板-混凝土筒结构的抗爆性能,采用多物质流固耦合计算方法,揭示了冲击波在土体介质中的传播规律,分析了钢板-混凝土筒结构的动力响应与损伤机理,开展了爆炸模型试验,获得了筒体附近的土压力分布及其迎爆面的变形时程曲线,并验证了数值模拟的准确性。在此基础上,与传统钢筋混凝土筒结构抗爆性能对比,分别评价了两种结构形式的破坏模式与损伤程度。结果表明,同等用钢率下,钢板-混凝土筒体抗冲击性能更好。

带肋钢板-混凝土复合结构开裂机理研究

针对混凝土结构中局部区域拉应力过大的问题,提出了一种能有效提高抗裂能力和阻止裂缝发展的带肋钢板-混凝土复合结构。设计制作了4片带肋钢板-混凝土复合结构受弯构件和用于比较的普通混凝土受弯构件,试验结果表明:带肋钢板-混凝土复合结构抗裂能力较普通钢筋混凝土结构大得多,且其裂缝首先出现在加劲肋的上缘。根据复合材料破坏过程中的能量吸收原理,研究了带肋钢板-混凝土复合结构的开裂机理。

钢板-混凝土组合墙体结构平面外抗剪承载力试验分析

双层钢板-混凝土组合墙体结构的主要受力体系为外侧钢板和内部填充的混凝土,连接上下钢板的对穿型钢提供平面外抗剪承载力。针对钢板-混凝土组合墙体结构的平面外抗剪结构性能,设计了5个剪跨比均为1.5的梁式试件,进行两点简支的单点、双点单调加载试验,研究抗剪槽钢间距、抗剪钢材分布形式及轴拉力3个因素对构件抗剪承载力的影响。试验中量测并记录了构件的挠度、拉区钢板的应变及混凝土表面裂缝随荷载的发展情况,从而得到构件的极限抗剪承载力。试验结果表明,抗剪槽钢配钢率和分布形式直接影响了构件的抗剪承载力和破坏形态,而轴拉力没有明显削弱构件的平面外抗剪承载力。最后将试验实测抗剪承载力与3本规程、规范的计算值作了对比,给出了规程、规范对钢板-混凝土组合墙体结构抗剪承载力的低估程度。

钢板-混凝土组合抗弯加固中滑移分布分析

钢板-混凝土组合抗弯加固中,钢板与混凝土之间的滑移会影响加固后钢筋混凝土构件的性能。通过对组合加固后构件的理论分析,建立滑移微分方程,模拟真实的边界条件,得到了滑移沿梁跨的分布曲线。为了验证理论分析的合理性,采用有限元分析软件AN SY S建立模型计算,其结果与理论计算结果吻合良好。根据计算结果及其比较分析可知,钢板与混凝土间栓钉连接件的抗剪刚度、间距,以及加固钢板的厚度、长度等参数均会影响滑移分布。在进行组合加固时,存在一个合理的钢板厚度,而钢板的长度则应尽可能地靠近支座。

地下装配式大直径组合筒仓仓壁稳定性分析

【目的】为实现地下装配式大直径组合筒仓的稳定性验算,对装配式组合仓壁进行稳定性分析。【方法】先以有限元分析法验算证明地下仓壁稳定性是可靠的,再对装配式组合仓壁和现浇组合仓壁的稳定性进行分析。【结果】结果表明,装配式组合仓壁的一阶屈曲模态与现浇混凝土仓壁、现浇组合仓壁的一阶屈曲模态均呈现“椭圆形”整体屈曲。当接头抗弯刚度不小于组合仓壁截面抗弯刚度时,装配式组合仓壁的稳定承载力不小于现浇组合仓壁。通过对刚度比-荷载比曲线上的各点进行拟合,得到可用于验算地下装配式组合仓壁整体稳定性的关系式。【结论】本研究为地下粮仓装配式筒仓仓壁的结构设计提供参考。

钢-混凝土组合结构在海洋工程中的应用研究（英文）

海洋工程建设是我国海洋强国战略实施的重要基础和保障。相比陆地工程,海洋工程面临更加复杂苛刻的建造环境和条件,其设计、建造、施工难度通常更大,因而对结构工程提出了新的挑战。钢-混凝土组合结构由于充分利用钢材和混凝土各自性能优势,扬长避短,优化组合,具有显著的性能优势和综合经济效益,在海洋工程中拥有广阔的应用前景。本文从跨海桥梁、海底沉管隧道和海上浮体平台三方面综述了清华大学组合结构研究团队近年来在海洋工程组合结构研发和应用方面的工作:1)提出了新型抗拔不抗剪连接技术,并与传统支座升降、预应力、施工工序优化等技术结合,形成跨海连续组合梁桥负弯矩综合抗裂技术,与现有预应力抗裂方法相比具有显著的施工和运维成本优势,与混凝土结构相比具有明显的抗裂性能优势。这一新技术将极大提升结构的耐久性,已经在大连湾跨海大桥的结构设计中得到应用,为组合结构跨海桥梁的推广应用提供了有效的技术支撑。2)研发了适用于跨海多塔斜拉桥的新型双钢板-混凝土组合桥塔,从界面连接和结构整体受力性能两个维度开展研究。结果表明,其在开孔板连接件的作用下可以实现钢与混凝土的协同工作,与纯钢结构和混凝土结构桥塔相比有更高的承载能力、刚度和延性。同时钢板可兼作混凝土模板,提高施工效率,混凝土对钢壳的约束作用也解决了纯钢结构易局部失稳的问题。新型组合桥塔已在南京长江五桥工程中得到应用,刚度、承载力等关键性能指标的显著优势有助于新型组合结构桥塔在未来跨海多塔斜拉桥工程中得到进一步的推广与应用。3)提出了适用于海底沉管隧道的隔舱式双钢板-混凝土组合结构,揭示了其抗弯、抗剪和型钢连接件性能,提出了相应的设计方法。结果表明,相对于传统钢筋混凝土结构,组合结构尺寸小,承载能力强,抗震适应性好。双钢板既可作为混凝土模板,也可起到受力与防水的多重作用。除此以外,该结构施工便捷,尺寸不受加工设备限制,预制厂地要求低。该成果已在深中通道沉管隧道段得到应用,是未来跨海隧道的重要发展方向。4)研发了海上超大型钢-混凝土组合结构漂浮平台,将其应用于海上超大型浮式平台的建设,基于水弹性响应及结构强度分析,对大型钢-混凝土组合箱式浮体平台进行了案例设计和分析。结果表明,其可在提高结构防火、抗爆、抗冲击性能的基础上,增强构件的稳定性及耐久性,显著减小结构用钢量,同时组合浮式平台不用设置加劲肋,设计和施工便捷,维护成本低,具有良好的发展前景。研究与实践表明,组合结构由于其灵活多样的结构形式,即使面对海洋工程复杂苛刻的荷载环境条件和使用功能需求,也能发挥其性能优势,解决工程难题。本文所提出的新型组合结构体系具有较为显著的性能优势,取得了令人满意的综合经济效益,为海洋工程建设提供了崭新的思路和选择,有力地推动了组合结构在海洋工程中的应用。目前,组合结构在海洋工程中的应用仍处于起步阶段,尚需在复杂荷载响应分析、高性能新材料应用、结构形式多样性和适用性等方面进一步开展深入研究。

公路涵洞加固方案比选

针对长邯高速公路K777+612涵洞出现的混凝土破损露筋、盖板跨中横向裂缝、边墙不均匀沉降等病害现象,提出了工字钢框架加固与波纹钢板-混凝土组合结构加固两种加固方案。论述了两种加固方法的施工工艺、技术要求和适用性,并从工期、费用、安全等方面进行了对比分析。实践证明,波纹钢板-混凝土组合结构加固方法更适用于涵洞加固,该方案具有施工时间短、费用低、行车干扰小等优点,既保证了行车安全,又可取得较好的社会经济效益。