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土木学院高性能组合结构与混合结构团队研究进展

编辑: 发表时间:[2019-10-16] 阅读:

西安建筑科技大学高性能组合结构与混合结构团队可追溯于上世纪80年代中期,主要致力于高层复杂建筑、大型工业结构中的高性能组合结构和混合结构体系研发和设计理论研究。经过三十余年的发展,目前形成了以白国良教授为学术带头人,由14位具有博士学位的全职教师组成的研究团队(正高5名,副高5名,讲师5名)。

西安建筑科技大学高性能组合结构与混合结构团队特别注重基础理论创新与工程实践相结合,近年来先后承担了国家科技支撑计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金及省部级重点科研项目等50余项。

团队研究成果获10余项国家及省部级科学技术奖。其中,国家科学技术进步二等奖1项,省部级科学技术奖一等奖3项,二等奖7项,国家教学成果奖二等奖1项,省部级教学成果奖一等奖1项、二等奖1项。获发明专利25项。近10年来,在各类学术刊物上发表论文700余篇,发表SCI收录论文80余篇,EI收录论文400余篇,出版专著10部,主编国家和行业标准2部,参编国家和行业标准8部。

团队近年来开展的主要研究工作包括:

一、钢与混凝土组合结构力学性能与计算理论

系统开展了钢与混凝土组合结构从基本构件、组合构件到结构体系设计理论和设计方法的研究。具体内容包括:研制了一种“内置式电子滑移传感器”,进行了型钢混凝土粘结滑移性能试验,提出了钢-混凝土粘结滑移本构关系与粘结强度计算方法;进行了实腹式、空腹式型钢混凝土构件在压、弯、剪受力条件下的试验,系统研究了复合受力下型钢混凝土构件计算理论与设计技术。

研发了超高强混凝土材料制备技术,创新高性能型钢混凝土组合结构体系和高强箍筋约束混凝土柱-组合梁混合结构体系及其关键技术,建立了其抗震设计方法,编制了《约束混凝土柱组合梁框架结构技术规程》等,获授软件著作权12项。成果应用于河北白沟国际箱包交易中心、深圳兴旺达工业厂房、西安绿地广场双子塔、西安北站站房、珠海高新区商务大楼、青岛华润中心万象城、甘肃中科大厦、首钢京唐钢铁公司第二冷轧厂和太钢不锈钢股份公司等30余项多高层建筑和工业建筑中,累计推广建筑面积达120余万平方米。

研究成果获2014年陕西省科学技术奖一等奖及2015年国家科学技术进步二等奖。

粘结滑移本构关系曲线 考虑粘结滑移的数值模拟

受弯构件正截面抗弯试验

型钢混凝土柱偏心受压试验

出版相关专著

科研获奖

二、型钢混凝土柱-分散式剪力墙混合结构

研发了型钢混凝土框架-钢筋混凝土分散剪力墙新型混合结构体系,提出了基于(包络)扭转效应的振型分解反应谱法计算高烈度区型钢混凝土框架-钢筋混凝土分散剪力墙结构体系的抗震设计方法;研究混凝土框排架结构体系关键构件与异型节点性能及设计方法,针对传统框排架结构体系中普遍的深梁和强梁弱柱现象,研发了(空腹式)型钢混凝土梁及其梁-梁与柱弱化式连接,改善了结构受力,有效地提高了结构体系的抗震性能;提出不同场地、设防烈度和功能条件(机组容量、“内容物”高度等)下型钢混凝土框架-钢筋混凝土分散剪力墙混合主厂房结构体系选型的技术原则、适应条件。

研究成果获2010年华夏建设科学技术奖二等奖及2012年教育部科学技术进步奖二等奖。

科研获奖

三、大型钢与混凝土竖向混合结构

空冷钢-混凝土混合承重结构体系创新与设计方法研究,主要涉及空冷钢-混凝土混合承重结构体系强震灾变效应与抗震设计方法研究,提出了该结构体系的抗震构造技术;研发新型空冷承重结构体系及建立其设计方法,研发了新型混凝土管柱-钢桁架+斜撑式混合结构和大直径混凝土管柱-钢桁架+下沉鱼腹式混合结构两种新型空冷承重体系,建立了适用于不同机组容量空冷结构体系、不同抗震设防目标和场地条件下,空冷钢-混凝土混合承重结构体系选择和地震作用下结构反应计算、设计方法的技术;提出综合考虑空冷结构和“工业设备内容物”系统耦合效应的设计方法,研究环境多因素作用下空冷结构体系性能及设计方法。

建立了符合我国规范体系的结构设计理论与方法,编制了《直接空冷凝汽器支撑结构设计导则》,实现了自主化设计和国产化应用。成果应用于平凉电厂、马来西亚Ranhill电厂等国内外23个大型火电厂,节约设计投资7.6亿元,打破了大型空冷结构体系设计被国外长期垄断的局面,提升了我国电力行业的竞争力。空冷工艺比传统冷却塔湿冷法工艺节约水资源约70%、约3.5亿m3/年;在我国“三北”富煤缺水地区建成13个空冷项目,变输煤为输电,取得了显著的经济、环境效益。

研究成果获2007年陕西省科学技术奖二等奖、2009年陕西省科学技术奖一等奖、2010年华夏建设科学技术奖二等奖。

大型钢与混凝土竖向混合结构的工程应用

科研获奖

四、型钢混凝土异形柱结构体系

团队创新发明了型钢混凝土异形柱结构体系,历时10余年,对该新型结构体系的相关科学问题和关键技术开展了试验研究、数值模拟和理论分析,在结构(构件)受力性能、计算理论、设计方法方面取得了系列创新性研究成果,主要包括:(1)型钢混凝土异形柱结构体系研发。创新设计了配实腹钢板、配T型钢桁架、配槽钢桁架、配角钢桁架等4种型钢混凝土异形柱截面形式,以及型钢混凝土异形柱与钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁和钢梁的连接方式,构成了完整的型钢混凝土异形柱结构体系;(2)系统研究了型钢混凝土异形柱基本力学性能及设计计算理论研究。(3)对型钢混凝土异形柱框架节点抗震性能及设计计算理论进行了深入研究。(4)研究了型钢混凝土异形柱框架的抗震性能并建立结构基于性能的抗震设计方法。

研究成果获2018年陕西省科学技术奖二等奖。

实腹式型钢混凝土异形柱截面 空腹式型钢混凝土异形柱截面

型钢混凝土异形柱与梁连接方式

型钢混凝土异形柱破坏形态 型钢混凝土异形柱框架节点破坏形态

型钢混凝土异形柱框架破坏形态

 

出版相关专著

科研获奖

五、预制装配型钢混凝土结构

为改进和发展预制装配型钢混凝土结构,项目组基于“组合+叠合”思想,在全预制装配型钢混凝土结构基础上,提出部分预制装配型钢混凝土(Partially Prefabricated Steel Reinforced Concrete,简称PPSRC)结构设计思路。PPSRC结构的主要设计思路为将型钢混凝土梁、柱、连接节点等构件按“预制部分+现浇部分”分两步制作,首先在工厂预先制作构件外部预制部分,待运输至工地拼接后再浇筑内部混凝土,形成“免模板、免支撑、部分预制、部分现浇、叠合装配”的装配式型钢混凝土结构。其主要设计构造流程为:首先在PPSRC柱预制过程时,同时将梁柱节点核心区按设计要求在工厂预制好,并在柱侧预留悬臂短梁。随后下层PPSRC柱与上层PPSRC柱在每层柱中部附近连接。最后PPSRC梁通过与柱侧预留连接短梁在梁端拼接,形成PPSRC框架结构。

主持编写了《装配整体式混凝土结构技术规程》,解决了装配式混凝土结构设计、预制、施工及质量验收等技术内容,在陕西境内设计、施工单位普遍使用!早于国家规范两年颁布实施,在陕西省装配式混凝土结构推广方面具有积极作用。

绘图1

六、建筑垃圾资源化再生利用组合结构体系

结合我国建筑垃圾资源化再生利用的现状,研发了页岩烧结保温砌块砌体结构体系和再生混凝土组合结构体系。通过试验和理论手段,系统研究了型钢再生混凝土柱在低周反复荷载下的力学性能,并提出了相关设计计算理论。进行了单层单跨型钢再生混凝土框架-再生混凝土空心砌块填充墙试件的拟静力加载试验,对不同填充墙布置及墙体宽高比试件的破坏形态、承载力、层间位移角、耗能能力以及刚度退化等力学特性进行了分析,研究了型钢再生混凝土框架-再生混凝土砌体墙混合结构协同工作机制。研究了页岩烧结保温砌体超薄灰缝厚度控制与节能保温构造措施,研发并分析了薄灰缝特殊砂浆与力学性能,建立了具有自主知识产权的抗震-节能拉结构造技术;开展了页岩烧结保温砌块砌体基本受力行为与抗震性能研究,建立了页岩烧结砌体压剪复合受力计算公式与墙体抗震设计方法;研究并提出了混凝土剪力墙(框架)-页岩烧结WDF(填充墙)子结构平面外稳定性与连接构造措施。

成果已纳入《再生混凝土结构技术规程》(DBJ61/T88-2014),成果已纳入《烧结保温砖和保温砌块》(GB26538-2011)、《烧结多孔砖和多孔砌块》(GB13544-2011),解决了设计无规范可依据的难题,已被设计单位和施工企业普遍采用。填补国内外该类型材料在建筑工程应用的研究空白。在绵竹市、西安市和伊宁市建成建筑垃圾资源化和制品示范生产线3条、四川都江堰瑞泰办公区、陕西蒲城韦庄镇南新型社区项目等10余个城市50余个工程中应用。烧结保温砌块砌体结构技术在乌鲁木齐市欣悦园民生工程、民航新疆管理局指挥中心、新疆城建集团职工住宅楼、东风新疆汽车有限公司联合厂房等工程中应用,实现了多层页岩烧结保温砌块砌体结构(8度区6层)的建造。

研究成果获2011年陕西省科学技术奖一等奖,2014年新疆维吾尔自治区科学技术进步奖二等奖,2017年陕西省科学技术奖一等奖,2018年国家科学技术进步二等奖。

型钢再生混凝土柱试件及低周反复加载试验

型钢再生混凝土柱试件最终破坏形态

 

不同宽高比填充墙对于整体结构抗震性能

页岩烧结保温砌块砌体力学性能试验

框架页岩烧结保温砌块填充墙结构抗震试验

出版相关专著

科研获奖

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