  來源：Jianguo Nie. Application of Steel-Concrete Composite Structure in Ocean Engineering [J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2020, 35(1): 20-33. DOI: 10.13206/j.gjgSE19112601. 復(fù)制以下網(wǎng)址到瀏覽器閱讀全文 http://dwz.date/adzj 研究背景 我國海岸線綿延漫長，水域面積廣闊，東部和南部大陸海岸線1.8萬多千米，內(nèi)海和邊海的水域面積約470多萬平方千米，海域分布有大小島嶼7600多個。海洋對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源能源、生態(tài)環(huán)境和國家安全等具有重要戰(zhàn)略意義。黨的十八大報(bào)告首次完整提出了海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，要求“提高資源開發(fā)能力、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”。建設(shè)海洋強(qiáng)國已成為我國基本國策，必須長期堅(jiān)持和持續(xù)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國夢，作為重要基礎(chǔ)和支撐的海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)刻不容緩。 海洋工程面臨海洋環(huán)境的種種特殊要求，相比陸地工程其設(shè)計(jì)、建造、施工難度通常更大。具體表現(xiàn)為：1）耐久性方面，海洋環(huán)境濕度大、鹽分高，海工建構(gòu)筑物面臨高濕度、高鹽分海風(fēng)、鹽霧、海水飛濺的侵蝕，無論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)的耐久性均面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和考驗(yàn)；2）荷載方面，海洋工程需承受海水壓力、沖刷和海浪沖擊等作用，荷載-結(jié)構(gòu)作用機(jī)制復(fù)雜，效應(yīng)預(yù)測難度大；3）施工方面，海上施工作業(yè)相比陸地不確定因素多、風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，傳統(tǒng)施工方法往往并不適用。 近年來，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國陸地工程建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為繼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之后又一種重要結(jié)構(gòu)形式。其充分利用鋼材和混凝土各自性能優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了1+1>2的效果。相比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸小、自重輕、施工便捷、受力性能好、緩解混凝土開裂和鋼筋銹蝕問題；相比鋼結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)剛度大、用鋼量小、施工便捷、疲勞抗裂性能好。如圖1所示，清華大學(xué)組合結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)在大跨組合樓蓋、組合轉(zhuǎn)換梁、疊合板組合橋、波形鋼腹板組合橋、組合板、外包鋼板組合剪力墻、組合連接和組合加固等領(lǐng)域已經(jīng)取得了系列研究成果[1-2]，鑒于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在陸地工程中的成功應(yīng)用和顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益，其在海洋工程中也必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。  圖1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在陸地工程中的應(yīng)用 研究內(nèi)容 以跨海大橋、海底沉管隧道和海上漂浮平臺三類典型重大海洋工程為例，論述本研究團(tuán)隊(duì)近年來在海洋工程新型組合結(jié)構(gòu)的研發(fā)和工程應(yīng)用方面的成果，為海洋工程建設(shè)提供新的參考。具體包括采用綜合抗裂技術(shù)的海上大跨連續(xù)組合梁橋、適用于跨海多搭斜拉橋的雙鋼板-混凝土組合橋塔、適用于海底沉管隧道的隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)和海上超大型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)漂浮平臺。最后對組合結(jié)構(gòu)在海洋工程中的應(yīng)用研究進(jìn)行展望，提出未來研究和應(yīng)用方向。  圖2 抗拔不抗剪連接件在大連灣跨海大橋非通航孔中的應(yīng)用 表1 抗裂措施效果對比  本團(tuán)隊(duì)針對抗拔不抗剪連接件的受力性能開展了系列研究，包括滑移性能試驗(yàn)[13]、抗拔性能試驗(yàn)[14]和梁式試驗(yàn)[15]，如圖3所示?；菩阅茉囼?yàn)結(jié)果表明：抗拔不抗剪連接件剪力-滑移曲線捏攏效應(yīng)明顯，縱向滑移剛度可以忽略?？拱涡阅茉囼?yàn)結(jié)果表明：抗拔不抗剪連接件在軸拉力作用下可能發(fā)生混凝土沖切或鋼腹板屈服破壞，采用建議設(shè)計(jì)公式能夠保證預(yù)期的抗拔承載力。負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)用抗拔不抗剪連接件的連續(xù)組合梁試驗(yàn)結(jié)果則表明，抗拔不抗剪連接件能發(fā)揮其不抗剪特點(diǎn)，提升組合梁負(fù)彎矩區(qū)的抗裂性能。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了連接件剪力-滑移骨架和滯回曲線模型，為精細(xì)數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。  圖3 抗拔不抗剪連接件性能試驗(yàn)及理論模型 1.2 新型雙鋼板-混凝土組合橋塔 南京五橋是205國道和312國道的過江通道，全長約10.3公里，體量及工程難度與跨海大橋相當(dāng)。其中跨越長江左汊主江工程采用橋跨布置為（70+200+2×600+200+70）m的三塔組合梁斜拉橋方案，橋塔采用本團(tuán)隊(duì)提出的新型雙鋼板-混凝土組合橋塔體系，如圖4所示，內(nèi)外壁采用厚度分別為6mm和14/20mm的鋼殼，中間填充混凝土。索塔內(nèi)外鋼殼均在接觸混凝土側(cè)設(shè)置縱、橫向加勁肋，間距均為400mm。針對該新型橋塔，從界面連接和結(jié)構(gòu)整體受力性能兩個維度開展了研究。 首先根據(jù)組合橋塔界面?zhèn)髁π枨螅O(shè)計(jì)薄開孔板連接件并進(jìn)行試驗(yàn)（圖4c），加載裝置如圖5a所示。根據(jù)開孔邊距等構(gòu)造的不同，連接件發(fā)生了鋼板孔底撕裂和孔側(cè)拉斷等兩種破壞模式，破壞形態(tài)見圖5b和5c。對于鋼板孔底撕裂的連接件，鋼筋在孔下部時(shí)，承載力有所提高；鋼筋在孔上部時(shí)，承載力有一定降低。破壞形態(tài)以鋼板孔側(cè)拉斷為主的連接件，鋼筋位置僅對剛度有較大影響。  圖4 雙鋼板-混凝土組合橋塔在南京五橋中的應(yīng)用  圖5 雙鋼板-混凝土組合橋塔薄開孔板連接件試驗(yàn)研究 整體受力性能研究主要考察組合橋塔在受壓和受拉狀態(tài)下鋼、混凝土的協(xié)同工作性能，并與鋼筋混凝土橋塔進(jìn)行對比。如圖6a所示，設(shè)計(jì)3個四點(diǎn)彎曲梁式試驗(yàn)，其中2個（TL1、TL2）為頂、底鋼板厚度分別為14mm和20mm的組合試件，另外設(shè)計(jì)一個與TL1（鋼板厚14mm）含鋼率（體積用鋼量）相同的鋼筋混凝土構(gòu)件TL3作為對照試件。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)試件中鋼與混凝土具有良好的協(xié)同工作性能，受壓側(cè)鋼板在屈服前不會因屈曲、滑移而降低其承載能力，破壞形態(tài)如圖6b所示。通過對比分析圖6c可以發(fā)現(xiàn)，組合結(jié)構(gòu)試件在加載過程中的開裂荷載、結(jié)構(gòu)剛度、極限承載力、延性等力學(xué)性能指標(biāo)較相同含鋼率的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)試件明顯提高。  圖6 雙鋼板-混凝土組合橋塔梁式試驗(yàn)研究   圖7 雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)海底沉管隧道 首先采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，完成了7個縮尺比為1:2隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)受彎性能試驗(yàn)，主要研究受壓鋼板局部屈曲、混凝土澆筑缺陷等因素對結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響[27]。典型的試驗(yàn)現(xiàn)象與荷載-撓度曲線如圖8所示，試驗(yàn)表明構(gòu)件的主要破壞模式為受拉鋼板屈服破壞；不同構(gòu)件呈現(xiàn)了不同的屈曲發(fā)展模式，加勁肋間距越小，結(jié)構(gòu)承載力越高，延性越好；與此同時(shí)，脫空對構(gòu)件的屈曲的影響不大?；谠囼?yàn)進(jìn)一步開展了有限元研究與試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，整體有限元模型與試驗(yàn)符合良好，考慮屈曲的有限元模型、屈曲理論分析與試驗(yàn)相互映證，防止屈曲的橫向加勁肋距厚比可以放寬到40[28]；理論分析證明了雙鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)存在雙向強(qiáng)化效應(yīng)，下翼緣強(qiáng)化系數(shù)可以取為1.05?；谠囼?yàn)、有限元、理論提出了抗彎設(shè)計(jì)方法，相比于已有設(shè)計(jì)方法精度有10%左右的提升。 圖8 隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)受彎性能研究 隨后采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，完成了縮尺比為1:2的16個隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)受剪性能試驗(yàn)[29]，主要研究剪跨比、混凝土寬度、縱橫隔板布置形式等因素對結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響。典型的試驗(yàn)現(xiàn)象與荷載-撓度曲線如圖9所示，試驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)受剪時(shí)性能良好，承載力高，變形性能好?；炷翆挾取M隔板厚度、剪跨比是影響結(jié)構(gòu)抗剪性能比較重要的因素，連接件間距、縱隔板設(shè)置相對來說影響比較小。鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪出現(xiàn)了復(fù)雜的復(fù)合抗剪機(jī)制，受多參數(shù)影響?；谠囼?yàn)進(jìn)行了理論分析，如圖9c所示，提出了基于應(yīng)力分解法的四機(jī)制抗剪設(shè)計(jì)方法，與試驗(yàn)進(jìn)行對比，比已有方法精度提高30%~40%。進(jìn)一步進(jìn)行了三維精細(xì)有限元研究，提出了考慮小剪跨比與厚翼緣銷栓作用的修正設(shè)計(jì)方法[30]。 圖9 隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)受剪性能研究 最后針對型鋼抗剪連接件，采用推出試驗(yàn)，完成了26組足尺模型的受力性能試驗(yàn)，每組制作3個相同的試件，共計(jì)78個[31]。研究的參數(shù)主要包括：角鋼尺寸、連接件形式、脫空尺寸、混凝土強(qiáng)度、是否設(shè)置開孔等。試驗(yàn)主要采用角鋼連接件和T型鋼連接件。試驗(yàn)結(jié)果表明，連接件主要發(fā)生混凝土壓潰破壞、局部破壞以及混凝土劈裂破壞，其中混凝土壓潰破壞承載力較高，其余破壞形式承載力均較低（圖10a）。相比無脫空連接件，三角形脫空高度為10，20，30mm的連接件的承載力分別降低11.8％、29.4％和33.8％，隨著脫空增大，承載力和剛度均有所降低，如圖10b所示。正向和反向角鋼連接件性能出現(xiàn)一定差異，建議采用受力性能更好的T型連接件。進(jìn)一步基于有限元模型開展參數(shù)分析，在試驗(yàn)研究與有限元分析的基礎(chǔ)上提出了設(shè)計(jì)公式，相比于已有公式補(bǔ)充了對于脫空和開孔的設(shè)計(jì)方法，可指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。 圖10 隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)型鋼連接件抗剪性能研究 綜上所述，隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸小，承載能力強(qiáng)，抗震適應(yīng)性好。雙鋼板既可作為混凝土模板，也可起到受力與防水的多重作用。除此以外，該結(jié)構(gòu)施工便捷，預(yù)制廠地要求低。此種結(jié)構(gòu)形式的跨海隧道在深中通道沉管隧道工程中已得到應(yīng)用，國內(nèi)外也開展了較為豐富的研究，設(shè)計(jì)方法趨于成熟，是未來跨海隧道的重要發(fā)展方向。 3 組合結(jié)構(gòu)超大型海上浮式平臺 隨著人類生產(chǎn)生活對海洋資源和空間的需求日益增加，海上超大型浮式平臺的建設(shè)已逐漸受到重視。從上世紀(jì)90年代開始，以日本的Mega-Float項(xiàng)目[32]以及美國海軍設(shè)施工程服務(wù)中心發(fā)起的MOB (Mobile Offshore Base)項(xiàng)目[33]為代表，海上超大型浮式平臺得到了深入研究。Mega-Float項(xiàng)目主要研究以鋼箱式浮體為基本結(jié)構(gòu)單元的海上超大型箱式漂浮平臺，該項(xiàng)目建造了一個千米級別的超大型海上浮式機(jī)場，并進(jìn)行了包括海上超大型浮體的水彈性響應(yīng)、飛機(jī)起降、飛機(jī)與超大型浮體結(jié)構(gòu)的相互作用、浮體對環(huán)境的影響等一系列研究和試驗(yàn)，驗(yàn)證了超大型浮箱式平臺用于海上機(jī)場建設(shè)的可行性。MOB項(xiàng)目主要研究深海復(fù)雜海況條件下的可移動海上超大型浮式平臺，并提出了多種以半潛式浮體為基本結(jié)構(gòu)單元的具有不同連接構(gòu)造的平臺形式。 目前，鋼結(jié)構(gòu)是海上超大型浮式平臺最主要的結(jié)構(gòu)形式，也有極少浮體使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造。然而，由于結(jié)構(gòu)體型較大，經(jīng)濟(jì)性、安全性和使用壽命要求較高，使用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍然存在一些問題難以解決。例如對于鋼結(jié)構(gòu)，其抗火、抗爆、抗沖擊性能較差，腐蝕問題、疲勞問題突出，造價(jià)昂貴；對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其自重較大，海洋嚴(yán)酷條件下的耐久性問題突出、施工復(fù)雜。而將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于海上超大型浮式平臺的建設(shè)能綜合兩種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不足，主要體現(xiàn)在：1）使用鋼-混凝土-鋼組合板（圖11a），內(nèi)填混凝土為鋼板提供面外約束，大幅提高了鋼板的穩(wěn)定性，減少加勁肋；同時(shí)外包鋼板使得混凝土裂縫不外露，避免了混凝土的耐久性問題；2）使用多腔鋼管混凝土立柱，增強(qiáng)立柱承載力的同時(shí)減小了水線面及受風(fēng)浪作用的接觸面積，提高結(jié)構(gòu)的水動力性能；3）通過設(shè)計(jì)鋼材與混凝土材料的配比，可為調(diào)整超大型浮體的最優(yōu)剛?cè)崽匦蕴峁﹦?chuàng)新空間。結(jié)合工程實(shí)踐及各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，本研究團(tuán)隊(duì)提出了圖11所示的兩種形式鋼-混凝土組合浮式平臺，并對此類結(jié)構(gòu)的性能展開了一系列研究[34]。圖11a所示結(jié)構(gòu)由上甲板（頂板）、下甲板（底板）、隔板及側(cè)板構(gòu)成，上甲板、下甲板、隔板、壁板均為外包鋼板-混凝土組合板， 外包鋼板與內(nèi)部混凝土之間使用栓釘?shù)冗M(jìn)行可靠連接。圖11b所示結(jié)構(gòu)則由上部桁架式鋼-混凝土組合甲板、中部多腔鋼管混凝土柱和下部雙鋼板-混凝土組合板潛體組成。 圖11 海上超大型鋼-混凝土組合浮式平臺結(jié)構(gòu) 海上超大型浮式平臺的設(shè)計(jì)流程主要包括： 1）基于海況及使用要求，確定結(jié)構(gòu)尺寸、水深、吃水深度等指標(biāo)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，以及整體結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步設(shè)計(jì)。 2）根據(jù)目標(biāo)海域的波浪荷載條件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行水彈性響應(yīng)分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足給定的位移及變形限值。一般小型浮體在波浪荷載下的動力響應(yīng)可通過傳統(tǒng)的水動力學(xué)分析工具進(jìn)行計(jì)算，然而由于海上超大型浮式平臺為扁平的柔性結(jié)構(gòu)物，在波浪荷載的作用下結(jié)構(gòu)的彈性變形將與其剛體位移達(dá)到相同的量級，因此結(jié)構(gòu)在波浪荷載下的響應(yīng)一般通過考慮結(jié)構(gòu)彈性變形的水彈性理論[35]進(jìn)行分析。本研究團(tuán)隊(duì)在開源水動力學(xué)程序包NEMOH[36]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了浮體水彈性響應(yīng)計(jì)算程序包THhydro，該程序包可以基于模態(tài)展開法[37]及多體相互作用理論[38]計(jì)算超大型浮體的水彈性響應(yīng)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果均與1996 年日本學(xué)者Yago和Endo[39]所做的一系列大型浮體縮尺水槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比和驗(yàn)證，如圖12所示。圖中橫坐標(biāo)為沿結(jié)構(gòu)長度方向的相對坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)在單位波幅作用下的豎向位移幅值響應(yīng)值（RAO-z）。從圖中可知，在不同入射波頻率下，THhydro的水彈性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同時(shí)，也開展了一系列海上超大型浮式平臺水彈性響應(yīng)參數(shù)分析。 3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，評估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。浮式平臺主要受到波浪荷載、豎向荷載（如重力、浮力、表面的常載、活載）、系泊力等荷載的綜合作用，然而，由于超大型浮體的體型較大，整體結(jié)構(gòu)的精細(xì)有限元分析將面臨巨大的計(jì)算量，因此一般使用子結(jié)構(gòu)分析的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算。 4）基于超大型浮式平臺的使用場景及特性，進(jìn)行舒適性、安全性、振動等指標(biāo)的評估。 圖12 海上超大型鋼-混凝土組合浮式平臺結(jié)構(gòu)水彈性響應(yīng)分析 為了驗(yàn)證鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在海上超大型浮式平臺中應(yīng)用的可行性及受力特性，基于水彈性響應(yīng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，對一個大型鋼-混凝土組合箱式浮體平臺進(jìn)行了案例設(shè)計(jì)和分析，并將其與相同結(jié)構(gòu)尺寸、吃水深度、設(shè)計(jì)海況及應(yīng)力控制水平下的純鋼結(jié)構(gòu)浮箱式平臺進(jìn)行了對比。其中，組合結(jié)構(gòu)浮體的上下甲板及隔板均使用鋼-混凝土-鋼組合板，純鋼結(jié)構(gòu)浮體的上下甲板及隔板均使用鋼板，并設(shè)置加勁肋。兩種結(jié)構(gòu)的尺寸均為600m×120m×8m，吃水深度4m，水深50m，橫隔板間距30m，縱隔板間距30m，如圖13所示。設(shè)計(jì)結(jié)果表明鋼-混凝土組合浮箱式平臺可以滿足超大型浮式平臺的變形和強(qiáng)度要求，并且在相同的應(yīng)力控制水平、吃水深度及設(shè)計(jì)海況下，組合結(jié)構(gòu)方案能夠降低結(jié)構(gòu)用鋼量約38%（表2）。同時(shí)，也進(jìn)行了一系列在不同鋼與混凝土配比條件下組合浮體各項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)分析，如圖14所示。結(jié)果表明，混凝土與鋼材用量比會對整體結(jié)構(gòu)的用鋼量、載重量等指標(biāo)有較大影響。隨著混凝土配比的增大，結(jié)構(gòu)用鋼量逐漸減小，混凝土用量逐漸增大，有效載重量逐漸減小，波浪荷載造成的應(yīng)力貢獻(xiàn)逐漸增大，該比例可達(dá)20%~60%，較為可觀。由此可見采用可靠的水彈性力學(xué)分析方法計(jì)算波浪動力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的建造和使用條件來調(diào)整鋼材與混凝土的配比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 圖13 箱式浮體結(jié)構(gòu)案例設(shè)計(jì) 表2 鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)結(jié)果對比 圖14 鋼與混凝土配比對結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)的影響 綜上所述，將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于海上超大型浮式平臺的建設(shè)，可以在提高結(jié)構(gòu)防火、抗爆、抗沖擊性能的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)構(gòu)件的穩(wěn)定性及耐久性，顯著減小結(jié)構(gòu)用鋼量，同時(shí)鋼-混凝土組合浮式平臺不用設(shè)置加勁肋，設(shè)計(jì)和施工便捷，維護(hù)成本低，具有良好的發(fā)展前景。 展望 從跨海橋梁、海底沉管隧道和海上浮體平臺三方面綜述了本研究團(tuán)隊(duì)近年來在海洋工程組合結(jié)構(gòu)研發(fā)和應(yīng)用方面的工作。提出了四種新型結(jié)構(gòu)形式，包括采用綜合抗裂技術(shù)的海上大跨連續(xù)組合梁橋、適用于跨海多搭斜拉橋的雙鋼板-混凝土組合橋塔、適用于海底沉管隧道的隔艙式雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)和海上超大型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)漂浮平臺。對新型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力機(jī)理、力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，并將其應(yīng)用于大連灣跨海大橋、南京五橋、深中通道、海上超大型浮體平臺等大型工程的設(shè)計(jì)。研究與實(shí)踐表明，新型組合結(jié)構(gòu)體系具有較為顯著的性能優(yōu)勢，取得了令人滿意的綜合經(jīng)濟(jì)效益，為海洋工程建設(shè)提供了嶄新的思路和選擇，有力地推動了組合結(jié)構(gòu)在海洋工程中的應(yīng)用。 回顧上述工作，我們可以發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)由于其靈活多樣的結(jié)構(gòu)形式，即使面對海洋工程復(fù)雜苛刻的荷載環(huán)境條件和使用功能需求，也能發(fā)揮其性能優(yōu)勢，解決工程難題。但是，目前組合結(jié)構(gòu)在海洋工程中的應(yīng)用仍處于起步階段，仍需在以下幾個方面開展深入研究： 1）本文研發(fā)的超大型組合結(jié)構(gòu)海上浮式平臺還處于初步探索和試設(shè)計(jì)階段，要最終實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，仍需解決結(jié)構(gòu)水彈性計(jì)算和響應(yīng)驗(yàn)算的一體化設(shè)計(jì)分析問題，這需要在數(shù)值算法和軟件平臺方面取得突破性成果。對于正常使用階段剛度和振動控制指標(biāo)、極端荷載作用下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等問題尚不明確，缺少適用于海上超大型浮式平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論。此外，還應(yīng)進(jìn)一步開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型研究，積極探索性能更優(yōu)的新型組合結(jié)構(gòu)形式，例如圖13b所示的超大型半潛式組合結(jié)構(gòu)浮式平臺。 2）海洋工程除承受常規(guī)恒載和活載外，還需面臨復(fù)雜多變的波浪荷載和水文條件，結(jié)構(gòu)在上述復(fù)雜荷載下的響應(yīng)分析對組合結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。此外，海洋工程組合結(jié)構(gòu)自身構(gòu)造也較為復(fù)雜。因此，海工結(jié)構(gòu)的精細(xì)模擬是一項(xiàng)非常重要且極具挑戰(zhàn)的研究方向。 3）目前大量新型結(jié)構(gòu)材料得到了越來越廣泛地應(yīng)用，如高性能鋼材、超高性能混凝土、超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基材料等，這些新材料在海洋工程中已經(jīng)開始小范圍應(yīng)用探索，取得了較為顯著的成效，如何將其納入組合結(jié)構(gòu)的研發(fā)中，進(jìn)一步提升海工組合結(jié)構(gòu)的綜合受力性能和經(jīng)濟(jì)效益，是亟待開展的一項(xiàng)工作。 4）海洋工程內(nèi)涵豐富，種類多樣，除本文涉及的跨海橋梁、沉管隧道和大型海上浮體平臺外，還包括海岸防護(hù)工程、海上人工島、海港碼頭、海上城市、海上機(jī)場、海上工廠、海洋發(fā)電設(shè)施、海底軍事基地、海底管道、海洋物資儲藏空間、海洋文化娛樂設(shè)施等工程形式，如何在這些領(lǐng)域發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，研發(fā)適用的結(jié)構(gòu)體系，解決工程難題，是未來很長一個階段需要關(guān)注的研究重點(diǎn)。 參考文獻(xiàn)
復(fù)制以下網(wǎng)址到瀏覽器下載全文：http://dwz.date/adzq 作者簡介 聶建國 中國工程院院士 清華大學(xué)土木工程系 教授 博士生導(dǎo)師 《鋼結(jié)構(gòu)（中英文）》Steel Construction 編委會副主任委員 關(guān)于期刊 中冶建筑研究總院有限公司和中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會聯(lián)合主辦、《工業(yè)建筑》雜志社有限公司編輯出版的中文科技期刊《鋼結(jié)構(gòu)》（Steel Construction），于1986年創(chuàng)刊，2019年為促進(jìn)國際學(xué)術(shù)交流，并兼顧對內(nèi)傳播，滿足國內(nèi)外讀者需要，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，期刊文種變更為中英文雙語出版，同時(shí)更名為《鋼結(jié)構(gòu)（中英文）》（Steel Construction）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版發(fā)行。 期刊報(bào)道方向包括：高性能鋼材，空間鋼結(jié)構(gòu)，高層鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，輕型鋼結(jié)構(gòu)，住宅鋼結(jié)構(gòu)，橋梁鋼結(jié)構(gòu)，特種鋼結(jié)構(gòu)及裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑等。今后將持續(xù)關(guān)注國際學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，深入思考未來發(fā)展方向，報(bào)導(dǎo)具有高學(xué)術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值的科研成果。 歡迎相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者踴躍投稿，并關(guān)注使用期刊出版內(nèi)容 |
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