钢-竹界面低速冲击损伤机理及剩余力学性能研究

Bamboo-steel composite components are combined by bamboo plywood and thin-walled cold-formed steels, and are able to utilize the excellent properties of materials, and also keep abreast of the requirement of sustainable development. The adhesively bond of bamboo-steel interface is the foundation of assuring macrocosmic properties of bamboo-steel composite components, while the low-velocity impact can damage the bamboo-steel interface in multiformity, and therefore affect the performance of bamboo-steel composite components. Through systematic experimental researches and theoretical analyses, this project plans to study the continuum damage model of bamboo plywood and the cohesive damage model of adhesive to establish the progressive damage model of bamboo-steel interface, and therefore to achieve the full process simulation of bamboo-steel interface under low-velocity impact and loading failure after impact; and plans to analyze the damage law of bamboo-steel interface under impact and loading failure after impact to reveal the low-velocity impact damage mechanisms and the failure mechanisms after impact; and then plans to investigate influencing factors on low-velocity impact damage of bamboo-steel interface and influences of damage on the mechanical performance, and therefore to propose the methodology of assessing low-velocity impact damage and residual mechanical properties of bamboo-steel interface. The implementation of this project will provide a theoretical basis for improving the design method of bamboo-steel composite components, and provide a tool for quantifiable predicting damage and residual mechanical properties of bamboo-steel composite components under low-velocity impact load.

竹材人造板与冷弯薄壁型钢通过胶黏剂复合形成钢-竹组合构件，充分发挥材料高性能，适应可持续发展要求。钢-竹界面的粘结作用是保证组合构件整体性能的基础，低速冲击作用会导致钢-竹界面产生多种形式的损伤并相互作用影响组合构件性能。本项目拟通过系统的试验研究和理论分析，进行竹材人造板损伤本构模型和胶层内聚力损伤模型研究，构建考虑多种损伤模式的钢-竹界面逐渐损伤失效模型，实现低速冲击损伤及损伤后继续受载破坏的全过程模拟；分析冲击作用下及含冲击损伤钢-竹界面的损伤形成和发展规律，揭示钢-竹界面低速冲击损伤机理与含冲击损伤钢-竹界面继续受载失效机理；探索不同因素对钢-竹界面冲击损伤影响规律以及冲击损伤对钢-竹界面力学性能影响规律，提出钢-竹界面低速冲击损伤及剩余力学性能预测方法。本项目的实施将为完善钢-竹组合构件设计方法提供理论依据，为量化预测冲击荷载作用下钢-竹组合构件损伤及剩余力学性能提供分析工具。

钢-竹组合结构体系是竹胶板与冷弯薄壁型钢通过结构胶粘剂复合而成的一种节能环保型建筑结构形式。在制造、安装和日常使用中，钢-竹组合结构不可避免会受到落物等冲击作用。由于竹胶板和薄壁型钢在结构中具有不同的几何尺寸和材料特性，因此在冲击荷载作用下两者之间胶接连接的损伤发展和失效机理十分复杂，对受到冲击损伤后钢-竹组合结构的剩余性能评价也具有相当难度。所以对竹胶板和薄壁型钢之间胶粘形成的钢-竹界面在冲击荷载作用下的粘结性能开展研究具有重要的理论意义和工程价值。.本项目通过系统的试验研究和理论分析，推导建立了适用于三维有限元的内聚力损伤模型，并通过LS-DYNA提供的用户自定义材料模型接口，编译生成了相应的求解器。利用该内聚力界面单元模拟钢-竹界面的胶接连接，结合竹胶板的横观各向同性的材料模型，建立了钢-竹界面三维逐渐累积损伤模型。.本项目进行了钢-竹组合试件的落锤冲击试验，研究了其横向冲击荷载作用下的结构响应和破坏模式，发现钢-竹组合试件的破坏特征是在试件冲击面一侧会留下锤头状的塑性变形；在冲击点背面竹胶板发生顺纹开裂并延伸到整个无支撑区域的；冲击面塑性变形和背面顺纹开裂随冲击能量增加而增大；冲击速度的增加还会导致顺纹开裂区域发生横纹开裂。.利用冲击试验结果验证了建立的钢-竹界面三维逐渐累积损伤模型在冲击荷载作用下的适用性，通过研究冲击失效过程中钢-竹界面损伤分布与应力变化，揭示了钢-竹界面冲击损伤机理及其冲击损伤发展规律，研究了钢-竹界面不同参数对冲击损伤过程的影响，并在此基础上提出了钢-竹界面冲击损伤评价方法。.利用建立的钢-竹界面三维逐渐累积损伤模型，对钢-竹界面先后施加冲击荷载和拉伸荷载，实现对钢-竹界面冲击后拉伸破坏的逐渐损伤全过程的分析。通过研究含冲击损伤钢-竹界面继续受载时的逐渐损伤过程，揭示了钢-竹界面冲击后继续受载时的损伤发展规律，探明了钢-竹界面不同参数、冲击能量和剩余强度之间相互影响规律，并明确了三者之间的定量关系，在此基础上提出了冲击荷载作用下钢-竹界面粘结性能评价方法。