服役环境下钢管混凝土界面特征与性能优化

长期、往复、恶劣的野外环境影响下的钢管混凝土界面脱粘，危害着钢管混凝土的长期工作性能和结构安全。本项目结合环境模拟试验、有限元法、热弹性力学理论等方法，完成了温度冲击、太阳辐射与轴压荷载耦合作用下钢管混凝土截面温度场、界面性能与界面优化理论等方面的研究工作，取得了如下研究成果：（1）设计制作了钢管混凝土热-力耦合试验炉，试验研究分析了温度冲击作用下钢管混凝土截面温度分布规律及界面性能，试验研究分析了热-力耦合作用下钢管混凝土界面性能劣化过程及其规律；（2）设计制作了太阳辐射环境模拟器，试验研究分析了太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度梯度非线性分布特征，试验研究分析了太阳辐射-轴压荷载耦合作用下钢管混凝土向阳面、背阳面钢管壁与界面的弹塑性发展历程；（3）为实现钢管混凝土界面性能优化，提出并推导得到了钢管混凝土膨胀率“可行域”，推导了钢管混凝土自由膨胀率与限制膨胀率、钢管膨胀混凝土自应力与自由膨胀率的解析关系，理论推导得到轴对称变温条件下钢管混凝土脱空间隙计算公式。本项目首次试验研究了服役环境对钢管混凝土工作性能的影响及其变化规律，并推导得到为实现界面性能优化的钢管混凝土膨胀性能设计的系列理论指标。项目在钢管混凝土的环境模拟试验方法、试验结果、界面优化理论等方面的研究成果，具有较好的应用与参考价值。 2100433B

钢管混凝土是在我国得到广泛工程应用的组合结构材料，其优异性能依赖于钢管混凝土间的复合作用。而工程实践显示，在野外环境下存在钢管混凝土界面脱粘现象，这势必影响钢管混凝土的工作性能与结构安全。以往对钢管混凝土界面的研究只注重轴压荷载作用下轴向粘结性能，而良好的径向作用是钢管混凝土套箍效应发生的基础。本项目通过太阳辐射模拟试验、加速温度冲击循环试验等环境模拟试验方法，研究太阳辐射、温度骤变、轴压荷载、混凝土收缩徐变等多因素作用下钢管混凝土界面特征，揭示服役环境下钢管混凝土界面脱粘机理；研究热、力作用下保持良好协同工作状态的核心混凝土限制膨胀率合理域及其计算理论，并以抵御外界恶劣环境长期交替、反复作用为目标，通过核心混凝土膨胀性能精细设计，实现钢管混凝土界面性能优化，增强钢管混凝土的环境鲁棒性，为保障钢管混凝土长期工作性能提供理论与实践指导。

随着钢管混凝土在实际工程中的应用日益增多，其发生火灾的概率也随之提高。深入研究其火灾后的力学性能和承载力损伤，对合理制定该类结构火灾后的修复加固措施非常必要。特别对于受火后的建筑，是拆除重建还是修复加固，将直接产生巨大的经济效益。 钢管混凝土的界面粘结性能是钢管和混凝土之间共同受力与协调变形的基础。目前，国内外对钢管混凝土界面粘结性能的研究大多局限于常温下的研究，对于受火灾作用后以及高温下的研究很少。已有的研究表明，钢材和混凝土的材料性能在高温下和高温后均有不同程度的劣化，导致火灾下和火灾后的钢与混凝土界面粘结强度发生损失，从而对钢管混凝土构件的变形和承载力产生较大影响。 基于以上背景，同时本文对经历升、降温火灾后以及高温下钢管混凝土界面的粘结性能进行研究。主要工作和成果如下： （1）进行了52根钢管混凝土柱试件的火灾升、降温试验与火灾后反复推出试验，分析了截面类型、钢管径厚比、长径比、升温时间、降温速率及火灾类型等因素对粘结强度与荷载—滑移曲线的影响，并得到了界面粘结力的分布规律。 （2）进行了23个恒高温下钢管混凝土试件的推出滑移试验，主要研究参数包括恒温温度、长径比和径厚比等。试验结果表明，在20℃～900℃研究范围内，恒温温度和长径比对圆钢管混凝土平均粘结强度有显著的影响，而钢管径厚比对平均粘结强度影响很小。 （3）基于本文试验和相关试验结果，分别确定了影响火灾后和火灾下钢管与混凝土之间粘结强度的关键因素，回归了火灾后和火灾下粘结强度以及峰值荷载对应的滑移值公式，并修正了火灾后和火灾下界面粘结力—相对滑移本构关系。 （4）基于火灾后和火灾下钢管混凝土界面粘结力—相对滑移本构关系模型，建立了考虑钢管与混凝土相互作用的钢管混凝土火灾后和火灾下推出滑移的精细有限元模型，采用试验进行验证；基于建立的有限元模型，深入探讨钢管混凝土的粘结滑移机理；并将相关模型和技术应用于包含钢管与混凝土的组合结构力学性能研究中。 2100433B

钢管混凝土充分发挥了混凝土和钢材的优点，在工程结构中得到了广泛应用。钢管与混凝土之间的粘结作用是两者能共同工作的基础。目前，已有不少关于其常温下界面粘结性能的研究，相比火灾后粘结性能的研究比较少。因此，开展该方面的研究具有重要的理论应用和应该价值。 本项目采用试验研究和理论分析相结合的方法，深入研究火灾后钢管混凝土界面的粘结性能。首先开展钢管混凝土试件的升、降温火灾试验和相应火灾后推出试验，分析界面粘结力的传递规律及各参数对粘结强度的影响规律，得出火灾后粘结强度公式和粘结力-相对滑移本构关系；接着建立考虑材料劣化以及钢管与混凝土相互作用的钢管混凝土火灾后推出滑移的精细有限元模型，采用试验进行验证；基于建立的有限元模型，深入探讨钢管混凝土的粘结滑移机理；在此基础上，进行考虑界面粘结滑移的钢管混凝土结构（构件和节点）火灾后承载力的参数分析，得到各参数的影响规律，并提出相应的计算方法和设计建议。

针对半导体照明产业界的散热瓶颈关键技术问题，以芯片与热沉的特殊焊料连接界面为研究对象，研究大面积薄层金属/薄层焊料/薄层金属的键合反应及服役效能。本项目拟采用焊剂共晶技术或真空共晶技术，研究制程参数对界面微观组织结构和性能的影响规律，分析多层界面耦合反应和缺陷形成机制，项目预期目标将揭示焊料薄层界面连接的界面键合机制和相应键合模型。研究界面在力、电和热单场等多场耦合作用下，多层连接界面的微观组织结构和空洞的演化规律，分析多层反应耦合作用下界面的损伤规律和失效行为，建立界面的失效机制模型，提出延缓界面失效的有效途径。项目的研究成果对于进一步揭示研究金属薄层与焊料薄层的界面反应方面具有重要意义，为电子封装技术中高密度、微小尺度材料连接的设计和生产提供科学依据。