重点实验室—土木工程结构与防灾实验室(山东省高等学校重点实验室)

发布者:旺敏玲发布时间:2018-05-07浏览次数:69

本实验室依托校本部土木工程和交通工程两个强势学科的人才和资源优势,按照“高起点、创新性、可持续”的原则和要求成立,有两名院士任实验室建设顾问,一批青年学者和博士为主要队伍成员,瞄准土木工程学科国际学术前沿和国家重大战略需求,以具备国际竞争力的一流高素质人才队伍建设为核心,经过10年的发展,实验室已支撑我校土木工程学科成长为优势学科,不仅为国家和地方建设培养了一批专业技术人才,还在科研领域成果突出,获国家科技进步奖二项,省部级科技进步奖六项,为国家大科学工程500米直径望远镜结构设计提供方案,为地方企业发展提供了强有力技术支撑。本实验室积极开展科研课题合作、人才培养和国内外学术交流,近5年来参加国际会议18人次,派出中青年教师和科研人员进修和学习4人次,邀请国内外专家讲学11余人次,培养硕、博士研究生66人。

实验室负责人徐龙军教授重点参与完成的“建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用”项目获得2015年度国家科技进步一等奖。该成果首创了最不利设计地震动理论、基于双规准设计谱的统一设计谱理论和多概率多目标的抗震设防理论,在地震工程的基础理论和工程实践中取得了系列原创性成果。徐龙军在该项目中提出了双规准化反应谱的概念和统一设计谱理论,发展并完善了一套较系统地解决各类工程结构适用的抗震设计谱不确定性的理论和方法,解决了建筑结构基于性态的抗震设计急需解决的几个关键难题之一,受到国际同行的认可和关注。

国家大科学工程(FAST)是世界上计划建造的最大射电望远镜,实验室学术带头人钱宏亮教授参与了该项目的预研及工程前期研究。所在团队提出了“短程线型三角形网格+单下拉索”的望远镜整体索网主动反射面的总体技术方案,全面完成了主动反射面整体索网的结构优化研究,确定了FAST主动反射面结构设计的总体控制参数取值,提出新型主动反射面背架结构体系,成功实现FAST 30米模型的全过程试验,积累了望远镜整体索网主动反射面结构分析、设计、建造、测试的第一手珍贵资料为FAST原型结构顺利实施提供了坚实的技术保障。

在实验室的支撑下,哈工大(威海)土木工程系主编完成山东省《建筑工程抗震性态设计规范》项目。“规范”根据山东省地震影响的特点和经济发展水平,基于性态的抗震设计思想,充分考虑和吸取了汶川大地震等国内外的工程震害经验和教训,经广泛调查研究,认真总结工程实践经验,汲取相关国内外先进标准和科研成果,突出先进性和实用性,技术水平达到了国际先进水平。已于2016年8月1日在山东省实施。成果对提升山东省建筑工程抗震设计的先进性和安全性,提高建筑工程综合抗震能力发挥重要作用。

一、目前主要研究方向

1.大跨空间结构

(1)巨型望远镜结构体系创新与关键技术研究

钱宏亮教授作为十一五国家大科学工程FAST项目的结构系统副总工程师全程参与了项目的预研、可行性研究及初步设计工作,提出了“整体索网”反射面支承结构方案,并解决了相关关键技术,为项目的顺利实施作出了重要贡献;作为负责人承担了上海65m射电望远镜结构设计的校核工作,在结构体系和节点构造等一些关键问题上提出了很多宝贵建议,对我国拟建的110m口径射点望远镜进行研究,“提出一种极对称网架式110m口径天线结构方案,并经过系统优化,天线面型精度达到0.306mm,研究成果达到国际领先水平”,目前正对其关键技术进行进一步研究,争取将研究成果应用于实际项目建设。

(2)模块化钢结构建筑体系创新与节点优化研究

提出一种具有自主知识产权的适用于6~12层模块化钢结构建筑体系及相应主体模块连接节点,进行了大量试验验证,该项研究成果已与中集集团(大连)进行成果转化,在实际工程中得到应用,目前正与中建发展箱式房事业部在模块化钢结构建筑领域进行进一步合作。

(3)超高层建筑结构高效施工与安全

高层建筑结构施工、结构稳定与控制等研究方向,先后参与完成十一五国家科技支撑计划子课题“建筑结构高效施工关键技术研究”、主持十二五国家科技支撑计划子课题“建筑工程时变结构分析技术研究”,目前正主持十三五国家重点研发计划课题超高层建筑施工临时支撑失稳机理及稳定性控制技术研究,在高层结构高效施工和绿色建造、结构失稳机理及稳定控制等前沿领域中取得了多项重要研究成果,并已在一些重大工程实践中得到应用。

(4)腐蚀环境下在役大跨空间结构性能与可靠性研究

圆钢管构件腐蚀后力学性能退化模型。在国家自然科学基金和威海市科技攻关项目的支持下,针对在役空间钢结构腐蚀后安全性退化问题,首次通过腐蚀试验及仿真分析结合手段对空间钢结构常用圆钢管构件腐蚀后力学性能进行系统研究,获得了圆钢管构件不同腐蚀状态承载力退化规律,提出圆钢管构件腐蚀承载力退化模型,为腐蚀后空间钢结构的安全性能评估提供了方法参考。

2.防灾减灾工程

(1)提出双规准反应谱(Bi-normalized response spectrum)的概念

双规准反应谱的重要特点是有效减小了反应谱统计分析时在短、中周期段的离散性,从而较好地解决了设计谱标定中的不确定性较大的问题。国际上第一次使用双规准反应谱的表达(Bi-normalized response spectrum),被国际学者延用,研究结果受到国际同行的关注和积极评价,在EEEV上发表的论文“Bi-normalized response spectral characteristics of the Chi-Chi earthquake”单篇被SCI引用超过20次。

(2)提出统一设计谱(Uniform design spectrum)的理论

统一设计谱理论的提出,不是为了对现有设计谱的补充和改进,而是要发展一套尊重地震动自身特点和规律,可满足当前和未来一段时间各类工程结构抗震所需,具有兼容和可接轨性的新设计谱理论体系。统一设计谱理论研究主要包括:基于单参数统一设计谱理论的加速度设计谱;基于双参数统一设计谱理论的优化三联设计谱;基于双参数统一设计谱理论的位移设计谱。基于统一设计谱理论的部分研究结果已为地方抗震设计规范所采纳。

(3)近断层设计谱模型

针对典型的近断层作用方向性效应,与美国学者Adrian Rodriguez-Marek一起提出在有限的统计样本情况下,根据脉冲等效模型和地震动表征参数衰减关系建立设计谱的设想和方法,建议了近断层设计谱模型,填补了我国有关近断层地震作用研究领域的空白。

(4)统一设计谱理论在核电设计谱确定中的应用

在国家自然科学基金、山东省中青年科学家科研奖励基金和威海市科技攻关项目的支持下,分别提出了基于双参数统一设计谱理论的核电设计谱确定方法,和基于不同类型反应谱特征及统一设计谱理论的核电设计谱确定方法,研究结果应用于“威海市核电站抗震设计谱”的确定中(威海市科技局科技攻关计划项目、已结题)。

(5)新一代抗震设计谱确定方法及其优化

鉴于当前抗震设计谱理论的发展仍然存在大量问题的事实,考虑我国土木工程基础设施发展的趋势和特点,提出独立自主发展新一代抗震设计谱理论体系及其关键问题的研究命题,首先发展一种基于谱特征的地震动分类新方法,其次从地震动分量的等效和基本组成特性入手,探讨设计谱的最合理的理论表达型式,基于强震记录的分析提出设计谱的确定新方法和优化表达形式。当前正在从生物信息学的角度探讨地震动的基因和基因谱表达问题,跨海隧道的地震安全分析和系统可靠性等课题。

以上研究结果部分已写入黑龙江省《建筑工程抗震性态设计规范》和山东省《建筑工程抗震性态设计规范》,为新版的国家《核电厂抗震设计规范》的修订提供了参考,部分内容作为“建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用”的成果获得2015年度国家科学技术进步一等奖。

3.工程力学

(1)提出“碳纤维本身即为复合材料”的概念

以此为基础,从复合化的微观结构入手研究碳纤维的宏观性能,使碳纤维性能的一些现象和结果得到合理的解释。在一系列研究中,“碳纤维微结构与宏观力学性能的关联性”2011年获得国家自然基金面上项目资助。陆续发表研究论文“碳纤维弹性常数的微观复合法”、“The effect of nanostructure on the tensile modulus of carbon fibers”和“Analysis of the tensile moduli affected by microstructures among seven types of carbon fibers”,被EI、SCI收录。

(2)提出了“抗暴型复合材料船艇的结构选型理论和选型方法”

一直从事复合材料与结构“设计/分析/评价”一体化研究工作,在结构优化设计、结构响应分析、结构疲劳损伤、结构健康监测、复合材料船舶设计、船舶稳性分析等方向的研究工作;在国家863项目的子课题“复合材料***船艇结构与材料性能研究”中,提出了“抗暴型复合材料船艇的结构选型理论和选型方法”,并在实际应用中得到验证“理论正确、方法有效”。相关论文 “不同船体构造形式在波浪载荷下的结构性能比较” 发表在“船舶力学”上,这是国内船舶方向唯一的EI源期刊。

(3)提出了“船舶健康监测热点选取的复合法”

结合船舶特点,在健康监测的热点选取中,不能指依据应力分析,于是提出了“船舶健康监测热点选取的复合法”,已经在实船的健康监测系统上应用,初步证实“方法更科学、更可靠”。

4.结构工程

(1)混合模拟试验算法

提出了高阶单步拟动力及拟动力子结构试验算法,数值模拟及足尺模型试验结果证明了将其应用于拟动力试验和拟动力子结构试验是可行的,能很好的抑制试验误差。

(2)混合模拟加载控制方法

对大刚度多自由度结构力控制、多自由度非线性等效力控制方法进行了研究,实现了两栋足尺模型混合模拟系统试验,其中最多实现了四个作动器非线性精确加载控制。

(3)模型修正混合模拟方法

提出了一种考虑主次因素的分步均匀设计正分析模型参数修正方法,并成功应用于混合模拟试验中。

(4)动载荷大应变检测桩承载力土反力模型研究成果

在分析桩的荷载—沉降关系Q-S曲线的基础上建立了一个双曲线土反力模型。并给出了双曲线土反力模型参数的取值方法。按该模型推导了相应的动力打桩公式。通过26根桩的静载荷试验和动测资料与Hiley动力打桩公式进行了对比分析,结果表明本方法预测桩承载力较Hiley法更接近静载荷试验值,其计算精度也较Hiley法有所提高被EI检索。

(5)抗拔桩的承载性能研究成果

采用弹性力学Mindlin解并结合非线性接触面单元建立了一个能考虑桩体泊松效应的桩土体系力学模型。通过对原型抗拔试验桩进行模拟分析验证了该模型的适用性。分析表明抗拔桩属于“突进型破坏”,而抗压桩属于“缓进型破坏”。且在极限荷载作用下抗拔桩的变形较小,破坏前兆不易察觉。抗拔桩的桩侧阻力随桩长的增加近似按线性关系减少,随桩径的增加按非线性关系减少。该成果发表在哈尔滨工业大学学报被EI检索。

(6)层状地基中桩的荷载-沉降关系数值模拟分析方法

   考虑土层的水平分布情况,采用水平有限层单元模拟桩周围土体;假定桩周围土体单元竖向变形沿径向按指数函数变化,并考虑土体单元剪切作用及压缩作用的非线性本构关系建立其刚度矩阵;以非线性的接触面单元模拟桩土界面的力学性能。这样建立的数值模拟分析方法能够较真实地反映桩—土体系的工作性能。按此方法对某工程大直径原型桩静载荷试验的荷载—沉降关系曲线进行拟合分析,获得令人满意的结果,证明该方法理论上合理,实用中可行。

5.土木工程材料

(1)超高强、超高性能混凝土制备与工程应用

本方向主要的工作内容是通过优化混凝土配制技术参数,实现混凝土的高强化和高性能化,以RPC为代表的超高强超高性能混凝土已在高铁工程、海洋工程中得到应用。其抗压强度可达到120MPa以上,耐久性指标较普通混凝土提高一个数量级。

(2)海洋工程专用海水拌养混凝土材料

以珊瑚礁碎屑为粗细骨料,以普通水泥作为胶凝材料的轻质混凝土研究,为海岛建设制备专用的混凝土结构材料。由于珊瑚礁石体积密度小,质量轻,强度低,为克服这一局限,课题组采取技术措施对珊瑚礁骨料进行增强处理,使其抗压强度可达到50 MPa以上,劈裂抗拉强度达到5MPa以上,完全满足远海岛礁开发建设的需要。以镁质胶凝材料作为胶结料的系列混凝土,在行业内首次实现了混凝土的自增韧。通过调整胶结料的配合比、加入特殊的外加剂,使胶结料在水化硬化的过程中自发生成碱式硫酸镁晶须,实现了混凝土材料的自增强和自增韧。在抗压强度相近的条件下,混凝土的抗折强度可以提高40%以上。用海水作为拌和及养护用水,使海水中的所谓有害成分变形了混凝土胶结料的一部分,完美解决了抗海水腐蚀问题。

(3)建筑保温与结构一体化技术

打破目前节能建筑对外墙进行外保温的局限,研制成功了自保温砌块、自保温混凝土墙体,实现了建筑保温与结构施工的同时设计、同时施工、同时投入使用,真正实现了节能建筑的保温与结构一体化,使节能效率达到65%以上。

(4)酸雨腐蚀后混凝土结构的可靠研究

室外混凝土结构(如桥梁),在服役过程中常受到酸雨的侵蚀,侵蚀的结果是表面混凝土被腐蚀、并有使钢筋发生锈蚀的可能性,腐蚀的程度与环境条件、使用年限、混凝土性能等因素有关。通过研究,建立了在役混凝土结构桥梁的剩余寿命的计算模型,对在使用过程中的可靠度进行了理论上的分析和计算,可以实现对在役桥梁使用过程中的可靠度进行分析和测评。

二、“十三五”建设目标和措施

1.建设目标

紧密结合国家,省市和我校“十三五”战略规划,瞄准土木工程学科国际学术前沿和国家重大战略需求,以高素质人才队伍培养为核心,以 “国际化、创新型、精英式”专业人才建设为中心任务,以加强学科条件建设为保障,以多学科交叉为手段,建成国内一流的土木工程学科。形成国内领先或先进的研究方向,主导和主要参与国家在本领域内的重大科研专项和工程实践,为使我省成为认识和解决相关重大科学问题的强省做出贡献。

2.建设内容

实验室主要针对四个研究方向,拟分阶段、分步骤开展研究工作。具体如下:

(1)空间结构理论与优化设计:空间网格结构静动力稳定性、大跨空间结构风荷载、风效应及抗风设计理论、巨型射电望远镜结构、场馆工程结构优化设计与实践;

(2)土木工程灾变行为与机理:强震观测与强地震动场模拟、地震作用与结构抗震性能、极端荷载作用下结构非线性动力行为与多相介质耦合作用效应;

(3)土木工程灾害防御及控制:地方抗震设计规范编制、土木工程抗震设计理论、方法及应用、隔震与耗能减震技术、土木工程结构安全监测与加固补强技术;

(4)海洋工程结构与安全:新能源工程(核电站、海上风电)抗震性能分析、海底隧道结构系统可靠性、海水搅拌混凝土材料及应用、海洋环境防腐蚀材料、近海重大工程结构全寿命性能评价与设计理论体系和方法等。

3.建设措施

(1)基于现有的实验室与试验条件,进一步完善4个研究方向:空间结构理论与优化、土木工程灾变行为与机理、土木工程灾害防御及控制、海洋结构与安全。力争将实验室建设成有较大影响与竞争力的省部级重点实验室,达到国内一流水平。

(2)建立土木工程多灾害试验平台。建设多自由度地震模拟振动台(断层台),发展地震模拟技术、完善试验数据测量、采集与分析系统,改造和提升现有实验平台及设备设施。最终形成地震、台风等土木工程结构多灾害试验平台。

(3)通过与国际知名或一流大学、研究院所联合,与知名教授、专家建立科研合作关系,联合申请国际合作项目,吸引与鼓励国内外学者来访,参与实验室研究项目和科研工作。

4.预期成果

(1)揭示土木设施建设和安全运行的关键科学问题,将先进技术与土木工程实践相结合,建立和完善土木设施建设和运行保障理论和方法;

(2)产生一批高水平、原创性成果,力争十三五期间获得省部级及以上奖励2-3项,取得发明专利5-10项,SCI、EI收录论文50篇以上;

(3)“十三五”末期,在整体研究水平上达到省内领先,部分研究方向达到国内先进水平,形成土木工程领域具有显著学科交叉融合特征和优势的省级研究基地。