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RESEARCH

研究概览

一.高性能材料及结构新体系

1. 橡胶集料混凝土的性能研究

橡胶集料混凝土是一种把橡胶微粒作为水泥混凝土组成材料配置而成的新型混凝土,其目的是引入一定量柔性成分从而使混凝土性能得到相应改善。本研究根据橡胶掺量不同配置了0%,5%,10%和15%的橡胶集料混凝土,并基于此开展了以下研究:(1)基于声发射技术和多尺度方法的橡胶集料混凝土力学性能和裂缝监测研究。进行了橡胶集料混凝土试件的三点弯曲和四点弯曲试验,提出了基于声发射技术的橡胶集料混凝土微裂纹监测与断裂评价的方法,对不同橡胶掺量橡胶集料混凝土的断裂行为及微裂纹活动前兆进行了分析;(2)橡胶集料混凝土-钢组合梁静力疲劳性能的试验与精细数值模拟研究。首次将橡胶集料混凝土引入到钢与混凝土组合梁结构中代替传统的混凝土板,通过试验研究和数值模拟深入分析了组合梁的静力与疲劳性能,研究表明,橡胶集料混凝土的使用改善了栓钉连接件和组合梁结构的延性性能并提高了其疲劳寿命。

2. CFRP索力学性能研究

CFRP材料具有轻质高强、耐腐蚀、线膨胀系数小等优点,被认为是实现大跨度空间结构的理想选择。为了推动大跨空间结构进一步发展,基于CFRP索的空间结构逐渐成为研究热点。课题组针对CFRP索在空间结构中应用的技术问题开展了一些研究。根据CFRP索在空间结构中的受力工况对CFRP筋材进行了一系列力学性能测试,包括纵向拉伸测试、纵向压缩测试、横向压缩测试、横向剪切测试和三点弯测试,在此基础上提出了适用于空间结构的锚固节点,为CFRP索的工程应用提供关键技术支持。此外,由于CFRP材料通常是由碳纤维和热固性树脂基体制备而成,树脂基体的热敏性使得CFRP材料抗火性能较差,这限制了CFRP索结构的推广与发展。因此,本课题对CFRP筋进行了20-600度范围内的高温拉伸测试,得出CFRP筋强度及模量随温度的退化关系,并且提出了CFRP筋高温力学性能退化模型,经验证具有良好的通用性,为今后CFRP索-空间结构的抗火设计提供理论依据。

3. 装配式空心毂节点承载性能研究

装配式空心毂节点是我课题组自主研发的一种新型装配式空间结构节点体系,具有构造简单、传力明确、平面外抗弯刚度大等优点,不仅适用于传统钢网壳结构,同时适用于预应力拉索网壳、铝合金网壳等新型空间结构体系。近年来,本课题组对装配式空心毂节点在轴力、弯矩、偏心荷载及平面外往复荷载作用下的传力机理和破坏模式开展了理论分析、足尺试验和数值研究。基于组件法推导了该节点在轴力、弯矩作用下的初始刚度和承载力计算公式,提出了装配式空心毂节点环向及径向加劲肋的设置方法。同时,采用非线性弹簧组合模型,模拟节点的各向刚度及承载力,考察了节点刚度特性对单层网壳稳定承载力影响,确定了装配式空心毂节点单层网壳稳定承载力折减系数的取值范围。

二.钢结构疲劳性能及寿命预测

1. G20Mn5QT铸钢节点及其环形对接焊缝的疲劳性能及寿命预测

钢结构疲劳破坏是实际工程中最主要的破坏形式之一,现已成为学者的重点研究方向。本课题组基于G20Mn5QT铸钢节点及其环形对接焊缝,进行了如下研究:(1)通过进行材料的疲劳试验,得到了S-N曲线、断裂韧性和疲劳强度等方程及参数,为进一步研究母材和焊缝的疲劳性能提供数据支撑;(2)利用数值模拟结合疲劳试验数据,分析焊缝的热点应力、焊接残余应力等对疲劳性能的影响,并进行参数化分析,进而提出适用于多种环形对接焊缝形式的热点应力S-N曲线,并对疲劳寿命进行预测;(3)系统研究母材和焊缝的疲劳裂纹扩展性能,基于Paris公式以及通过建立双参数裂纹驱动力模型,给出了疲劳裂纹扩展速率方程,为母材和焊缝的疲劳设计提供了本构方程;(4)借助SEM,分析断口的微观结构,深入理解疲劳裂纹的扩展机理;(5)引入声发射技术,建立了基于声发射信号的疲劳裂纹监测方法,实现了疲劳裂纹的识别、定位、损伤定量及寿命预估。

2. 钢结构多轴疲劳性能及寿命评估方法研究

开展基于应变控制的焊接薄壁圆管试件的单轴拉伸、扭转及多轴疲劳试验研究,确定了疲劳裂纹类型及循环应力-应变曲线相关参量;基于宏微观力学理论,揭示不同加载路径下焊接试件多轴疲劳损伤机理。考虑应变主轴旋转效应对材料全平面疲劳损伤的影响,引入权重函数对临界面方位进行加权平均,建立以应变能密度为损伤参量的多轴疲劳寿命评估方法。基于结构应力法获取管板焊接节点焊趾/跟处以及沿端板厚度方向上的结构应力分量,提出管板焊接节点的多轴疲劳寿命评估方法。

3. 钢结构腐蚀疲劳性能及寿命评估方法研究

开展了铸钢及其对接焊缝的腐蚀试验,揭示了铸钢及其对接焊缝在模拟海水中的腐蚀破坏机理,发现了氯离子侵蚀是形成点蚀的主要原因。基于轴向力控制腐蚀疲劳试验,得到了铸钢及对接焊缝的腐蚀疲劳S-N曲线、断口形貌,发现了铸造缺陷和氯离子侵蚀是其点蚀演化和裂纹成核的主要因素。采用三参数威布尔模型拟合得到腐蚀疲劳S-N曲线,拟合曲线可以更好地体现腐蚀疲劳试验数据特点,有良好的弯曲特性,且曲线连续,为评估铸钢及对接焊缝腐蚀疲劳寿命提供新方法。

三.结构抗震韧性及智能监测

1. 大跨空间结构多维隔震减振体系

针对大跨空间结构特性(水平变形大、空间性强、动力特性复杂等),目前尚缺乏对于其隔震减振技术及智能控制的机理性研究。基于此,设计了适用于大跨空间结构的三维隔震支座和高性能减振阻尼器,建立了三维隔震支座和高性能阻尼器的理论模型和计算方法,初步构建了新型大跨空间结构多维隔震减振体系;并计划进一步研究大跨空间结构在强地震、强/台风作用下的损伤破坏机理和倒塌机制,建立结构智能控制理论与方法。主要研究内容包括:(1)新型三维隔震支座及其力学性能与大跨空间结构多维隔震新体系;(2)高性能减振阻尼器及其力学性能与大跨空间结构多维减振新体系;(3)大跨空间结构多维隔震减振体系失效破坏模式及智能控制方法;(4)大跨空间结构多维隔震新体系地震破坏机理及抗震性能设计方法。

2. 吊顶系统地震响应及抗震设计方法研究

开展了基于动态子结构法的网壳结构地震响应分析研究,提出了计算子结构累计振型参与质量系数达到90%时所需的振型数作为子结构自由度缩减的原则。通过固定界面模态综合法建立耦合分析模型,开展了主附系统非线性动力分析。基于振动台试验研究明确了不同上部结构对吊顶系统的竖向地震反应的影响,同时揭示了吊顶系统吊顶板掉落、龙骨屈曲、龙骨节点失效等破坏形式,得出了柔性上部结构的吊顶加速度放大系数建议值。基于快速傅里叶变换(FFT)、Hilbert-Huang变换及随机子空间识别(HHT和SSI)模态识别方法获得了主附系统的自振频率和阻尼比,给出了吊顶阻尼比的建议值,完善了大跨空间结构中吊顶系统的抗震设计方法。

3. 大跨空间结构智能监测方法研究

大跨空间结构体量大、节点多,相比于其他结构损伤监测更为困难,利用现有的监测手段对其进行监测适用性有限。基于此,课题组利用先进的硬件技术,结合最新的信号处理技术、统计学理论与机器学习方法,进行了一系列智能监测方法研究,主要工作包括:(1)开展声发射技术在结构健康监测中的应用与数据处理技术研究。应用聚类分析、贝叶斯方法等模式识别算法,对基于声发射数据的损伤诊断技术展开具体研究;(2)开展基于视觉的结构损伤诊断智能监测方法研究。利用无人机、智能手机与高清监测摄像仪等图像采集设备对来自结构的表面损伤状况进行采集,结合深度学习算法对结构可视损伤进行诊断;(3)开展时变环境下结构参数识别与损伤监测方法研究。考虑温度等环境条件对健康监测数据分析的影响,利用最新的信号处理与统计学理论,对来自健康监测现场实测的结构整体振动响应与局部关键构件静态响应数据进行分析,识别结构损伤并进行安全状态评估。