UHPCC薄壁复合结构性能分析与设计基础

Ultra high performance cementitious composites (UHPCC) has high mechanical properties and durability. The composite structure made of UHPCC and reinforced concrete (RC) is the latest direction of UHPCC structure in recent years. The typical engineering application is UHPCC-RC composite structure using UHPCC thin permanent form. The composite structure belongs to the scope of sustainable engineering structure and prefabricated assembling integrity structure. This project will focus on the fundamental issues in structural performance analysis and engineering design of the UHPCC-RC composite structure. Based on the principle of composite materials mechanics and material experiment, UHPCC thin-walled structure material constitutive model will be studied including its size effect and edge effect. Based on structural test and the principle of damage mechanics, the interface bonding behavior between UHPCC and RC, including time dependent degradation mechanism and its corresponding finite element model, will be constructed. Based on this, typical continuous composite structural performance will be studied by structural test and ultimate limit analysis of plasticity method. Parameter analysis will be carried out by finite element model. The ultimate bearing capacity solution and design method will be established finally. This project will provide a scientific basis for the structural design of UHPCC-RC continuous composite slab and continuous composite beam, which will also lay a scientific foundation for the performance analysis of other type UHPCC thin wall composite structure.

超高性能水泥基复合材料（UHPCC）具有较高的力学性能和耐久性能，将UHPCC与钢筋混凝土（RC）相复合，成为近年来UHPCC结构研究与应用的最新方向，其典型的工程应用是采用UHPCC薄壁永久模板的UHPCC-RC复合结构，属于可持续工程结构和装配整体式结构范畴。本项目拟围绕UHPCC-RC复合结构的性能分析与工程设计中的基础问题开展研究，主要包括：基于材料实验和复合材料力学原理，研究UHPCC薄壁结构材料本构模型及其尺寸效应和边壁效应影响；基于结构实验和损伤力学原理，开展UHPCC与RC界面粘结性能及其时变退化机理和有限元模型研究；在此基础上，开展典型的连续复合板、复合梁结构性能分析与试验研究，基于塑性极限分析原理建立其极限承载能力表达，并开展参数分析。本项目的研究将为UHPCC-RC连续复合板和复合梁的结构设计提供科学依据，为其它类型的UHPCC薄壁复合结构性能分析奠定科学基础。

高性能工程结构是土木工程的重要发展方向，研究高耐久、高耗能的新型高性能工程结构性能，对于改善结构承载能力等综合性能具有重要的意义。项目围绕超高性能水泥基复合材料（UHPC）的单向拉压力学性能开展了试验研究、特征值参量统计分析，提出了UHPC材料力学性能分级及其特征值参量取值建议，以及强度的尺寸效应和形状效应换算系数取值方法。研究了UHPC双向受力试验方法及其软化桁架模型理论。基于等概率分布假设，提出了纤维分布数量强度模型，构建了二维分布、三维分布情况下的UHPC拉伸软化段机理模型，并获得了试验验证，构建了从纤维参量到UHPC耗能特性的机理关联模型。研究结果为基于结构性能的纤维参量影响分析提供了理论模型。研究结果为相关标准规程的编制奠定了重要基础。开展了UHPC-RC复合界面抗剪性能及其抗冻融长期性能，研究提出了UHPC-RC界面有限元模型特征参量。研究结果为基于UHPC免拆模壳的装配式复合构件的界面性能分析、既有RC工程结构采用UHPC修复加固的界面设计提供了科学依据。研究提出了UHPC-RC复合板及其应用技术，开展了UHPC-RC复合板在正弯矩和负弯矩下的受力性能试验，开展了塑性极限承载性能理论研究，构建了UHPC-RC复合板、UHPC-RW-RC复合板受弯承载力极限状态表达式。研究提出了UHPC-RC复合梁，开展了正负弯矩作用下的UHPC-RC复合梁受弯试验，考察了破坏形态，构建了复合梁受弯承载力、变形和耗能计算表达式。开展了UHPC-RC复合梁斜截面抗剪试验，基于现行规范模式，提出了UHPC-RC复合梁斜截面抗剪承载力计算表达式。研究结果为UHPC-RC复合构件在叠合板、复合墙板、装配式框架梁组合连接区域、装配式框架柱组合连接区域、装配式剪力墙组合塑性铰区域的创新设计奠定了科学与工程技术基础。