《钢-高性能混凝土组合与混合结构性能及设计理论体系研究与应用》

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该项目属于土木建筑工程领域。钢-高性能混凝土组合与混合结构作为一种优越的新型抗震结构体系,特别适用于高层、超高层建筑及大跨、重载结构。钢-混凝土界面的粘结性能是确保两种材料协同工作的基础,对结构的安全、经济设计至关重要,但现有技术并未很好解决钢与混凝土协同工作这一关键技术难题。另一方面,国家现行技术标准和规范中尚未涉及钢-高性能混凝土组合与混合结构计算理论和设计方法,无法满足该类结构的发展需求。基于此,项目历时20余年,在国家重大科技专项和国家自然科学基金等11项国家级、13项省部级科研项目资助下,以材料自身性能增强钢-混凝土界面的粘结性能为突破点,研发出适用于钢-混凝土组合与混合结构、耐久性能和粘结强度均得到显著增强的高性能混凝土材料,进而通过大量试验、理论分析、数值模拟与工程实践,形成了钢-高性能混凝土组合与混合结构集设计、分析、评估、优化及施工于一体的成套基本性能评价及设计理论技术体系。项目成果对行业的科技进步和产业结构优化升级有重大推动和引领作用,具有广阔的应用前景和推广价值。

主要创新成果包括:研发了“钢-混凝土界面粘结滑移理论及增强技术”:首次系统深入地揭示了钢-混凝土界面粘结机理,创新性地建立了界面粘结滑移系统强度理论,提出了考虑粘结滑移的钢-混凝土组合与混合结构数值模拟技术;首次提出了材料自然粘结状态下增强钢与混凝土界面粘结性能的技术途径与制备技术,创新性地完成了适用于钢-混凝土结构的强度等级为C30-C250的高性能混凝土(HPC)及C50-C250高性能纤维混凝土(HPFC)系列技术发明,突破了在钢-混凝土界面不设置剪切连接件而使界面粘结性能显著提升85%以上的技术难题。建立了“钢-高性能混凝土组合与混合结构基本性能评价与设计理论体系”:率先提出了钢-高性能混凝土组合与混合结构体系,通过大量的试验研究,创新性地建立了钢-高性能混凝土结构构件及其组合与混合结构基于粘结滑移理论的承载力、刚度与变形、延性、裂缝宽度等设计理论体系,开发了考虑粘结滑移效应的非线性纤维梁柱单元及梁-柱节点单元,为中国该类结构性能评价与设计及其技术标准和规范的编制提供了技术支撑。研发了“钢-高性能混凝土组合与混合结构多尺度地震损伤及易损性与损失评估技术”:创新性建立了材料-构件-结构多尺度地震损伤模型,提出了钢-高性能混凝土组合与混合结构基于损伤的地震易损性分析及损失评估的理论方法,集成开发出基于损伤的组合与混合结构地震易损性分析及损失评估软件,实现了对该类结构体系的地震灾害损失快速评估。研发了“钢-高性能混凝土组合与混合结构多目标综合优化与决策技术”:首次建立了钢-高性能混凝土组合与混合结构基于粘结滑移理论的材料-结构一体化多目标综合优化设计理论方法,研发出相应的分析软件,形成了结构多目标综合优化分析与决策技术,结构经综合优化后,工程造价降低8%~16%,实现了建设费用与结构性能双赢之设计目标。

该项目获国家授权发明专利27项,另有21项正在审批,登记国家软件著作权22项,制定企业标准1部,出版学术专著8部(2部获国家著作出版基金资助),发表学术论文341篇(21篇被SCI检索,188篇被EI检索),15篇代表论文被国内外学者他引545次;培养硕博研究生、博士后研究人员144名,其中6名获省优博。

成果已应用于武汉绿地中心、天津高银117大厦、西安绿地中心、西安北客站等全国38个单位的80余项建设项目,累计节省投资6亿多元,近3年为企业增加销售额累计达19亿元,取得了显著的经济和社会效益。陕西省组织的专家鉴定结论为:成果具有重大创新性和实用性,整体达到国际先进水平。成果获陕西省科学技术一等奖2项、二等奖1项,住建部华夏建设科学技术一等奖1项,中国冶金建设协会工程设计一等奖1项。

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